CN103094683B - 一种带有陷波特性的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有陷波特性的超宽带天线，包括辐射单元（1）、金属接地面（2）、介质基板（3）和微带馈线（4），辐射单元（1）和微带馈线（4）的结合体，位于介质基板（3）的顶面，金属接地面（2）位于介质基板（3）的底面，所述辐射单元（1）为渐变的阶梯形状。本发明所述的辐射单元（1）采用矩形，通过设计渐变阶梯拓展了天线的频段，同时天线便于设计和调试；可以应用于超宽带无线通信系统。本发明所述的半椭圆凹口或梯形凹口（5），在天线尺寸尽可能小的情况下，改善了天线低频段的带宽，实现超宽带的阻抗带宽。

Description

一种带有陷波特性的超宽带天线
技术领域
本发明涉及一种应用在超宽带Ultra-WideBand，简称UWB通信中的天线，尤其是一种带有陷波特性的超宽带天线。
背景技术
超宽带(UWB)技术是一种新型无线通信技术，在近年来得到了广泛的关注，其发送信号带宽可高达数吉赫兹（GHz）。UWB技术一般可以分为脉冲体制和载波体制两种基本的实现方式。脉冲体制UWB通过基带脉冲序列传输信息，具有系统结构简单、成本低、功耗低等优点，在无线通信、测距、探测等领域具有广泛的用途；脉冲体制UWB技术，在接收端可采用峰值检测、能量检测、模拟相关检测等方法，其处理性能受到模拟处理的限制，一般只能实现较低速率的无线通信和探测、定位等功能；在接收端也可以采用高速采样的方法，经过低精度量化，进行数字处理，具有性能稳定、易于集成的优点，并能够实现较高的无线传输速率。IEEE针对UWB诸多应用场景颁布了相关标准，包括低速无线传感器网络标准IEEE802.15.4，以及用于医疗监测领域的无线体域网WirelessBodyAreaNetwork，简称WBAN。
2002年美国联邦通信委员会FCC批准了3.1GHz-10.6GHz的频段免授权地分配给商用超宽带无线通信系统后，引发了超宽带通信技术的研究热潮。超宽带天线是无线超宽带通信系统中的核心部件，是至关重要的一个环节。超宽带终端天线不仅需要满足阻抗带宽、天线尺寸和加工成本等基本要求，在其工作频带内，天线的增益和放线图特性也应尽量保持稳定。
传统的超宽带单极子天线主要有平面单极子和印刷单极子。其中平面单极子由于金属接地面和辐射单元垂直，不便于和印刷电路集成，限制了应用。规则形状的印刷单极子如矩形单极子、圆形单极子、椭圆单极子、三角形单极子、六边形单极子等很难满足FCC规定的3.1GHz-10.6GHz的带宽要求。近年来，通过各种阻抗匹配方法如非对称馈电技术、三叉戟匹配网络等方法，拓展了天线的带宽，但是随着天线工作频率的升高，天线的H面方向图的全向性逐渐恶化，E面方向图最大辐射方向随着工作频率的升高发生偏转，并在频率高端常常出现裂瓣，且交叉极化电平较高。另外，超宽带通信所占的频带和WLAN有共用的部分，因此需要设计的天线能够降低，甚至不会给无线局域网带来干扰，因此设计具有陷波特性的超宽带天线成为目前研究的热点。为了降低超宽带通信系统对WLAN的干扰，需要在5.8GHz处抑制天线的发射，带有5.8GHz陷波特性的天线设计技术引起了天线工作者的兴趣。目前主要用在辐射贴片单元缝隙加载及枝节加载技术来实现陷波功能，但其结构设计和性能还有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有陷波特性的超宽带天线，以降低超宽带通信对无线局域网的干扰，具体描述如下：
一种带有陷波特性的超宽带天线，包括辐射单元1、金属接地面2、介质基板3和微带馈线4，辐射单元1和微带馈线4的结合体，位于介质基板3的顶面，金属接地面2位于介质基板3的底面，其中，所述辐射单元1为渐变的阶梯形状。
进一步，所述辐射单元1上设置有对称变形倒L槽7。
进一步，所述辐射单元1顶端设置有半椭圆凹口或梯形凹口5。
进一步，所述金属接地面2侧面设置有L形缝隙6。
进一步，所述的辐射单元1为直线渐变或曲线渐变的阶梯形金属贴片。
进一步，所述超宽带天线采用印刷技术，为超宽带印刷天线。
进一步，所述天线为单端口馈电，无需另外附加馈电网络，就能够工作在3.1GHz-10.6GHz的超宽带通信频带内。
与现有天线相比，本发明所述的辐射单元1采用矩形，通过设计渐变阶梯拓展了天线的频段，同时天线便于设计和调试；可以应用于超宽带无线通信系统。本发明所述的半椭圆凹口或梯形凹口5，在天线尺寸尽可能小的情况下，改善了天线低频段的带宽，实现超宽带的阻抗带宽。本发明所述的两个变形倒L槽7，构成两个对称的倒L形槽结构以形成阻带，通过调整槽的长和宽，来选择陷波带宽和陷波频率。倒L形槽结构还影响了辐射单元的电流分布，同时使横向电流减弱，提高了交叉极化。本发明所述的设置在金属接地面侧边的L形缝隙6，改善了高频端电流分布，高频端的E面、H面辐射方向图更稳定。发明所述的天线采用印刷技术，有效的减小了天线的尺寸，便于系统集成，实现小型化。该天线为单端口馈电，无需另外附加馈电网络，可工作在3.1GHz-10.6GHz的超宽带通信频带内。
附图说明
图1是现有的带陷波超宽带天线结构示意图；
图2是本发明超宽带天线的结构示意图；
图3是本发明超宽带天线的电压驻波比的频率响应曲线；
图4（a）、4（b）、4（c）分别是本发明超宽带天线在3GHz、7GHz、10GHz频点E面辐射方向图；
图5（a）、5（b）、5（c）分别是本发明超宽带天线在3GHz、7GHz、10GHz频点H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细的描述。
以5.8GHz陷波的超宽带印刷单极子天线为例，对本发明做进一步详细的说明，天线结构如图1所示，所述天线包括：渐变阶梯形辐射单元1、部分金属接地面2、介质基板3及微带馈线4。
在介质基板3的一面是渐变阶梯辐射单元1和微带馈线4，另一面是部分金属接地面；辐射单元1和微带馈线4相连，沿着微带馈线方向对称地刻蚀倒L形槽7；在天线的部分金属接地面2上开半椭圆凹口5，在部分金属接地面的侧边开L形缝隙6。只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性，下面给出天线参数的一种设置。
1、天线辐射单元的设计
天线辐射单元由两级尺寸不同的矩形和梯形结合体连接而成，形成渐变阶梯结构，梯形部分底角取值约45°，如图1所示，辐射贴片的最终尺寸为16X20LXH，单位为mm。
2、介质基板的选择
介质基板的介电常数一般在2-9.8，本发明采用介电常数约3.5，介电常数损耗角10-3，尺寸为28*26*1LXWXH的板材，单位mm。
3、馈电结构的设计
本发明采用50Ω的微带线进行馈电，天线的阻抗匹配与金属接地板的尺寸及馈线长度有关，优化调整馈线长度及接地板尺寸可在宽频带范围内大道与输入阻抗50Ω匹配的目的。
4、陷波结构的设计
本发明涉及的天线，其陷波特性主要是由刻蚀在辐射单元及微带馈线上的倒L形缝隙实现的，该结构类似于一个带阻滤波器，从而使某一带宽内的阻抗他特性变差。倒L形缝隙的长度约为其谐振频率的0.25λ，调整缝隙宽度和两缝隙间的距离可以调整阻带带宽。为了减小横向电流，提高交叉极化，倒L缝隙的水平部分做了变形处理，如图1所示。
5、方向图的优化
天线的辐射方向图是由天线金属辐射器上的电流分布决定的，通过修改天线的结构，来影响某个频段的电流分布，使高频和低频电流路径相似。为了改善天线高频端辐射方向图特性，在金属接地板侧边对称的开L形缝隙，缝隙的长度和位置可调整，以实现高频端不同工作频点的优化。
通过计算和仿真，对上述的超宽带天线进行了验证。图2给出了天线的输入驻波比特性曲线，从结果中可以看到在3GHz到12GHz的范围内，天线性能良好，满足UWB系统对天线的要求。
图3是天线在3GHz、7GHz、10GHz的E面主极化及交叉极化方向图。天线的最大辐射方向在超宽带范围内，不同频点基本一致，且交叉极化电平较低。
图4是天线在3GHz、7GHz、10GHz的H面主极化及交叉极化方向图。基本满足全向天线的方向特性。
天线的E面、H面方向图说明，天线满足超宽带无线通讯的应用。
本发明所述的辐射单元1采用矩形，通过设计渐变阶梯拓展了天线的频段，同时天线便于设计和调试；可以应用于超宽带无线通信系统。本发明所述的半椭圆凹口或梯形凹口5，在天线尺寸尽可能小的情况下，改善了天线低频段的带宽，实现超宽带的阻抗带宽。本发明所述的两个变形倒L槽7，构成两个对称的倒L形槽结构以形成阻带，通过调整槽的长和宽，来选择陷波带宽和陷波频率。天线辐射主体采用两级渐变过渡结构，以拓展天线的工作频带，为了改善低频段的阻抗匹配，在微带线下方的接地面上开了半椭圆形凹口5，在馈线上刻蚀对称的倒L形槽7，实现天线的陷波。倒L形槽结构还影响了辐射单元的电流分布，同时使横向电流减弱，提高了交叉极化。本发明所述的设置在金属接地面侧边的L形缝隙6，改善了高频端电流分布，高频端的E面、H面辐射方向图更稳定。发明所述的天线采用印刷技术，有效的减小了天线的尺寸，便于系统集成，实现小型化。该天线为单端口馈电，无需另外附加馈电网络，可工作在3.1GHz-10.6GHz的超宽带通信频带内。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种带有陷波特性的超宽带天线，包括辐射单元（1）、金属接地面（2）、介质基板（3）和微带馈线（4），辐射单元（1）和微带馈线（4）的结合体，位于介质基板（3）的顶面，金属接地面（2）位于介质基板（3）的底面，其特征在于：所述的辐射单元（1）为渐变的阶梯形状；所述的辐射单元（1）上设置有对称变形倒L槽（7），该倒L槽（7）上端位于辐射单元（1）上，下端从辐射单元（1）延伸至微带馈线（4）中，该倒L槽（7）的上端水平部分设置为不等宽缝隙，倒L槽（7）长度约为其谐振频率的0.25λ；所述的金属接地面（2）侧面设置有L形缝隙（6）。
2.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述的辐射单元（1）为直线渐变或曲线渐变的阶梯形金属贴片。
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