CN102969564B - 二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线 - Google Patents

Abstract

本发明为二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，印刷在介质板上，包括设置在介质板正面的阶跃宽度缝隙、设置在介质板背面的微带馈线、置于微带馈线背面的终端开路的四分之一波长缝隙以及置于阶跃宽度缝隙旁边的终端短路的半波长缝隙；微带馈线上的电磁波耦合到阶跃宽度缝隙上，并且辐射出去；四分之一波长缝隙与微带馈线垂直；四分之一波长缝隙和半波长缝隙构成两个在陷波频段内相互耦合的谐振器。本发明解决了现有超宽带天线尺寸较大、陷波带宽不可控、选择性差的技术问题，陷波的选择性和二阶带宽可控性得到了很大的改善，具有良好的抗干扰效果。

Description

二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线

技术领域

本发明涉及平面小型化超宽带陷波天线，尤其涉及陷波选择性良好、带宽可控的超宽带陷波天线。

背景技术

近年来，超宽带(Ultra-Wideband)通信系统越来越受到人们的关注。相对于传统的无线通信系统来说，无载波脉冲技术的超宽带通信有其特有的优点：高速的数据传输速率、低功率损耗、短距离等。可以相信，超宽带通信极有可能成为未来近距离的通信方式。作为超宽带通信的前端设备和重要组成部分，超宽带天线的研究已经成为了近年来的研究热点。对超宽带天线的研究包括小型的尺寸、简单的结构、良好的阻抗匹配、稳定的辐射特性和高增益等方面。

然而，在超宽带固有的频段内，还存在一些窄带通信系统，如无线局域网WLAN，工作在5.15-5.825GHz。为了减小超宽带系统和WLAN系统之间的信号干扰，一个简单的方法就是可以在天线的前端级联一个带阻滤波器，用来滤除指定的频段信号。但将天线和滤波器级联势必会增大电路的尺寸，同时还增加了设计的复杂度和生产成本。而将天线和带阻滤波器集成在一起，设计出一个具有陷波特性的超宽带天线将很好的解决这些问题。

在过去几年，各种各样的超宽带陷波天线已经被设计出来，探索了很多实现陷波的方法。这些方法可以归纳为在辐射体或地板上开各种形状的缝隙，或者是在馈线旁边或辐射体附近加载谐振器。但是，这些陷波天线的陷波大都是由单个谐振器来实现的，不具备良好的频率选择特性，很难满足实际应用中高信噪比的要求。陷波的带宽也是一个超宽带陷波天线的重要参数，超宽带陷波天线应该可以调节陷波的带宽来满足特定的需要。以往的设计中，由于采用的是一阶谐振单元，所以很难实现一种简单有效的实现陷波的方式。另外，这个天线的尺寸比较大，不能满足小型化的移动设备的要求。

超宽带天线将主要应用在小型化移动设备中，所以，天线的小型化是一个必需考虑的因素。另外，为了减小超宽带通信系统和已有的无线通信系统之间的频段干扰，设计一个选择性良好、带宽可控的二阶特性的陷波具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决现有超宽带天线尺寸较大、陷波带宽不可控、选择性差的技术问题，提供一种二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，利用二阶谐振器来实现单个陷波，使得陷波的选择性和二阶带宽可控性得到了很大的改善；在通信环境中，能够提供良好的抗干扰效果。

本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，印刷在介质板上，包括设置在介质板正面的阶跃宽度缝隙、设置在介质板背面的微带馈线、置于所述微带馈线背面的终端开路的四分之一波长缝隙以及置于所述阶跃宽度缝隙旁边的终端短路的半波长缝隙；所述微带馈线上的电磁波耦合到所述阶跃宽度缝隙上，并且辐射出去；所述四分之一波长缝隙与所述微带馈线垂直；所述四分之一波长缝隙和所述半波长缝隙构成两个在陷波频段内相互耦合的谐振器。

所述陷波天线的陷波带宽可调范围为7.2%-18.2%，陷波带宽的调节通过分别调节四分之一波长缝隙及半波长的尺寸或长度实现。

本发明的原理如下：小型化是超宽带天线设计的一个重要方面，天线的工作带宽和尺寸有着重要的联系。往往尺寸减小将会导致天线的匹配带宽，特别是低频段的带宽相应的减小。在本发明中，通过将天线的缝隙设计成阶跃宽度，并且通过背面的50欧姆微带线耦合馈电，可以在很小的天线尺寸上实现很宽的阻抗匹配带宽，能够基本上覆盖整个超宽带的频段。阶跃宽度的缝隙可以使得在超宽带的频段内产生几个匹配点，并且这些匹配点可以通过调节缝隙的尺寸来分别调节。通过在天线上开一段终端短路、对应陷波中心频率的半波长缝隙，同时在馈线的背面与馈线垂直的开一条终端开路、对应陷波中心频率四分之一波长的缝隙，可以实现一个具有二阶特性的陷波。相对于单个谐振器形成的单阶陷波，陷波的选择性和相应的带宽的可控性有了很大的改善。半波长谐振器和四分之一波长谐振器的谐振频率分别为5.65GHz和5.35GHz。单个谐振器形成的陷波选择性差，带宽窄，不能满足实际应用的需要。把两个谐振器放在一起可以使得两个谐振器产生的陷波耦合在一起，形成一个选择性和带宽都得到很大改善的二阶陷波。此外，陷波的带宽可以通过调节这两个谐振器的谐振频率来控制。分别调节两个缝隙的长度可以独立的控制陷波上下边频的截止频率，从而调节带宽。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：

1、和现有的超宽带陷波天线相比，本发明采用阶跃宽度的缝隙和微带馈线进行耦合，可以有效的减小天线的总体尺寸。另外，在超宽带频段内产生的阻抗匹配点可以通过调节阶跃宽度的缝隙长度和宽度来进行调节。提供了一种保持天线尺寸不变的情况下，实现超宽带的设计方案。同时，将缝隙弯折不但对天线的阻抗匹配特性没有明显的影响，而且可以减小天线的宽度。

2、与现有的陷波技术相比，本发明引入了全新的实现陷波的方式。两个谐振器分别设计在谐振频率为5.35GHz和5.65GHz的地方。再利用两个谐振器之间的耦合，形成一个在5.15-5.85GHz具有很好的选择性、阻带内反射大、过渡带窄的具有二阶特性的陷波。跟一般的单阶陷波相比，性能上得到了很大的改善。

3、由于陷波内的两个谐振点分别由两个谐振器的产生，所以陷波的带宽可以通过调节两个缝隙谐振器的长度来控制，为陷波带宽可控的实现提供了全新的方案。

附图说明

图1是没有陷波的超宽带天线结构示意图。

图2是超宽带天线结构频率响应的电磁仿真和测试曲线。

图3是具有二阶陷波特性的超宽带陷波天线的结构示意图。

图4是单谐振器和两个谐振器的超宽带天线频率响应的电磁仿真曲线。

图5是二阶陷波特性的超宽带天线频率响应的电磁仿真曲线和实验测试曲线。

图6是二阶陷波特性的超宽带天线增益的电磁仿真曲线和实验测试曲线。

图中标号：11为FR4基板正面的铜体，12为FR4基板，13为FR4基板背面的50欧姆微带线，14为FR4基板正面的缝隙，15为基板正面的开路缝隙，16为FR4基板正面的短路缝隙。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1为本发明提出的小型超宽带天线的几何结构，它印刷在尺寸为22×8.5×0.8mm介质板上，即FR4基板12上。介质板的正面是一条弯折的阶跃宽度缝隙14；介质板背面是一条50欧姆的微带馈线13。微带馈线13上的电磁波耦合到阶跃宽度缝隙14上，并且辐射出去。阶跃宽度缝隙14可以在超宽带的频段范围内形成多个匹配点，这些匹配点可以通过调节阶跃宽度缝隙的尺寸来控制，使之均匀的分布在超宽带的频段范围内。微带馈线13和阶跃宽度缝隙14之间的相对位置也对整个天线的阻抗匹配特性有重要的影响。通过用软件对这些参数进行调节，就可以使得这个天线在超宽带的频段内实现阻抗匹配，相应的天线输入端口的散射系数S11的仿真和测试结果在图2中给出。微带馈线13和阶跃宽度缝隙14的位置决定了他们两者之间的耦合强度和匹配特性，左右调节微带馈线13的位置或者改变馈线的长度，天线工作频段的匹配特性会相应的变化，调节到某一位置时，天线会的匹配比较好。

图3是在图1天线基础上开两条缝隙，形成二阶陷波。其中，15为终端开路的四分之一波长缝隙。四分之一波长缝隙15置于微带馈线13的背面并且与微带馈线13垂直。16为终端短路的半波长缝隙，并置于阶跃宽度缝隙14旁边。四分之一波长缝隙15和半波长缝隙16构成两个谐振器，并分别谐振于5.35GHz和5.65GHz。

图4给出了分别只有四分之一波长缝隙15和只有半波长缝隙16时的产生的陷波特性。可以看出，单个谐振器产生的单阶陷波的性能比较差，陷波带宽和选择性都比较差。但是，当两个缝隙15、16同时存在时，在陷波的性能得到了很大的提高。陷波的两端分别产生一个反射零点，使得陷波形成两个陡峭的上下边缘，选择性得到很大的改善。在陷波的频段内，由于两个谐振器之间的相互耦合，形成稳定和比较强的反射。由于陷波是由两个谐振器同时产生的，使得陷波的特性可以很好的控制。陷波的带宽可以通过分别调节两个缝隙15及16的尺寸来控制，也可以同时调节两个缝隙15及16的长度。本发明中，在陷波的上边沿可以通过调节半波长缝隙16来控制，而下边沿则可以通过调节四分之一波长缝隙15来控制。所以，陷波的带宽可以在很大的范围内进行调节，相对带宽可调范围7.2%-18.2%。

图5给出了本发明的回波损耗的电磁仿真结果和测试结果。在5.15-5.85GHz的范围内产生一个选择性很好的陷波。陷波的两端有两个反射零点，形成陡峭的上、下边缘。-3dB的带宽和-10dB带宽的比值达到0.7左右。远远优于目前提出的超宽带陷波天线的特性。从图6可以看出，在整个工作频段的范围内，天线保持比较稳定的增益。增益大概为2-4dBi，而在陷波的中心频率附近，超宽带天线的增益显著下降至-4dBi左右,有效地抑制了WLAN窄带系统的干扰。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，印刷在介质板上，其特征在于：包括设置在介质板正面的阶跃宽度缝隙、设置在介质板背面的微带馈线、置于介质板正面的终端开路的四分之一波长缝隙以及终端短路的半波长缝隙，所述四分之一波长缝隙以及所述半波长缝隙分别设置在所述阶跃宽度缝隙两侧；所述微带馈线上的电磁波耦合到所述阶跃宽度缝隙上，并且辐射出去；所述四分之一波长缝隙与所述微带馈线垂直；所述四分之一波长缝隙和所述半波长缝隙构成两个在陷波频段内相互耦合的谐振器。

2.根据权利要求1所述的二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，其特征在于：所述微带馈线为50欧姆。

3.根据权利要求1所述的二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，其特征在于：所述四分之一波长缝隙和半波长缝隙所构成的两个谐振器分别谐振于5.35GHz和5.65GHz。

4.根据权利要求1所述的二阶陷波带宽可控的小型超宽带陷波天线，其特征在于：所述陷波天线的陷波带宽可调范围为7.2％-18.2％，陷波带宽的调节通过分别调节四分之一波长缝隙及半波长缝隙的尺寸或长度实现。