CN103259084A - 一种小型化双带阻超宽带微带天线 - Google Patents

Abstract

一种小型化双带阻超宽带微带天线，涉及超宽带无线通信领域，包括介质基板；设置在介质基板上用于接收电磁波的馈电线；与馈电线相连用于辐射电磁波的辐射单元；设置在介质基板下表面的接地板；设置在介质基板上以轴对称式布置在馈电线两侧的两个6字形谐振回路；辐射单元上下端分别设置有非等宽弓形槽和外凸形渐变槽；接地板上设置有与外凸形渐变槽配合的阶梯形槽。接地板与辐射单元设计成双渐变槽，使驻波比带宽达到2.4GHz～11.6GHz，实现131%的相对驻波比带宽；非等宽弓形槽和两个6字形谐振回路分别对应3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz四分之一波长，实现了天线的陷波功能和双带阻设计。

Description

一种小型化双带阻超宽带微带天线

技术领域

本发明涉及超宽带无线通信技术领域，具体涉及一种小型化双带阻超宽带微带天线。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，无线电的应用频段也被不断地扩展，进而促进了超宽带电磁学的产生。超宽带技术具有许多窄带系统无法比拟的优点，例如：高数据速率、低系统成本和抗多径效应等，独具的优点使超宽带系统成为最具竞争力和发展前景的技术之一。

超宽带天线具有相当广泛的应用空间，它可用于GPRS全球定位、资源及环境的探测、卫星通信、雷达等，近年来，对于短距离无线通信的研究颇多，超宽带以其尺寸小、交换数据的速率高等优点，可用于诸多无线设备中，例：USB、数码相机等。

一种改进的U型槽超宽带微带天线研究（电子元件与材料，第31卷，第九期，2012年9月，吴毅强等）中报道了一种超宽带微带天线，该天线的结构如图1所示，主要由U型槽以及U型槽两臂上的弧形结构组成，该天线的尺寸为30.0mm×30.0×1.5mm，频带宽度和相对带宽分别为3.4GHz～11.2GHz和107%，超宽带系统所覆盖的频段为3.1GHz～10.6GHz，而这一频段中的3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz的频率范围已经被现有通信系统全球微波互联接入（WiMax）和无线局域网（WLAN）等所覆盖，因此，不同通信系统信号之间容易出现相互干扰的现象，上述报道的U型槽超宽带微带天线不仅存在频带宽度和相对带宽较窄的问题，而且也没有针对上述这两个频段内干扰系统信号的双带阻功能的设计，在使用时容易造成不同通信系统信号之间的相互干扰，因此，设计针对以上两个频段具有双带阻功能的超宽带微带天线是十分必要的。

发明内容

为了解决现有U型槽超宽带微带天线存在的频带宽度和相对带宽窄、以及未对3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz这两个频段内的干扰系统信号进行双带阻设计的问题，本发明提供一种小型化双带阻超宽带微带天线。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种小型化双带阻超宽带微带天线，包括：

介质基板；

设置在所述介质基板上表面并用于接收电磁波的馈电线；

与所述馈电线相连并用于辐射电磁波的辐射单元；

设置在所述介质基板下表面的接地板；

还包括设置在所述介质基板上的两个6字形谐振回路，所述两个6字形谐振回路以轴对称式布置在所述馈电线左右两侧；

所述辐射单元上端设置有非等宽弓形槽，下端两侧均设置有外凸形渐变槽；

所述接地板上端中部设置有与所述外凸形渐变槽相配合的阶梯形槽。

所述介质基板为相对介电常数εr为4.4的FR-4，损耗角正切为0.02。

所述非等宽弓形槽有三个开口，两个开口向上，一个开口向下。

所述非等宽弓形槽主要由四个竖向缝隙和三个横向缝隙组成，所述四个竖向缝隙中外侧两个缝隙的缝宽相等，中间两个缝隙的缝宽相等；所述三个横向缝隙的缝宽相等。

所述外凸形渐变槽主要由四个面组成，每两个面之间均成90°夹角。

所述阶梯形槽主要由一个下底面和两个梯形结构组成，所述下底面与两个梯形结构之间均成90°夹角；所述两个梯形结构均包括五个面，每两个面之间均成90°夹角。

所述辐射单元为轴对称结构，上端设置成矩形，下端设置成倒锥形。

所述外凸形渐变槽位于所述阶梯形槽的中心位置上。

所述两个6字形谐振回路包括第一6字形谐振回路和第二6字形谐振回路，所述第一6字形谐振回路和第二6字形谐振回路的开口均背对着所述馈电线，两者的线宽相等，均为0.5mm。

所述第一6字形谐振回路与所述馈电线之间的间距与所述第二6字形谐振回路与所述馈电线之间的间距相等，均为0.4mm。

工作原理说明：电磁波在天线中沿馈电线与接地板之间前向传播，通过辐射单元产生全向辐射，而通过接地板上的阶梯形槽时，前向传播的电磁波表面电流走向发生变化，为电磁波的传播提供了更宽的谐振频率；辐射单元上的外凸形渐变槽的设置，相当于将不同长宽比的微带金属贴片串联到一起，不同长宽比的微带金属贴片对应不同的谐振频率，通过不同的谐振频率点相互连接，实现了天线驻波比带宽的有效扩展；在上述基础上，在金属辐射单元上开有非等宽弓形槽，在金属馈电线两侧设置有两个6字形谐振回路，分别对应3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz这两个频段四分之一波长，使天线的谐振结构在这两个频段呈现驻波状态，改变天线的表面电流，有效抑制对应频段电磁波的向外辐射，实现天线对这两个频段电磁波的滤波作用。

本发明的有益效果是：

1、本发明的天线采用共面波导结构进行馈电，实现了天线的小型化和平面化的设计，在金属接地板上开有阶梯形槽，在金属辐射单元上开有外凸形渐变槽，两者形成双渐变槽的结构形式，在保证天线小型化的基础上，实现了天线驻波比带宽的有效展宽，驻波比带宽达到2.4GHz～11.6GHz，实现了131%的相对驻波比带宽，简单有效地解决了天线驻波比带宽窄的问题；

2、在保证天线驻波比带宽不缩减的前提下，在金属辐射单元上开有非等宽弓形槽，在金属馈电线两侧设置有两个6字形谐振回路，分别对应3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz这两个频段四分之一波长，有效地实现了天线在这两个频段的陷波功能和滤波作用，实现了天线对这两个频段内干扰系统信号的双带阻功能，抑制了不同无线通信系统的互扰作用，形成了以上两个频段的双带阻设计。

本发明主要可作为超宽带无线通信领域中的关键性系统组件——超宽带天线，在获得全频段稳定增益和全频段全向辐射的前提下，同时可以实现对WiMax、WLAN等应用3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz两个频段的其他通信系统的滤波特性，在小型化、易集成的前提下，采用新型结构设计方法，达到了天线的高性能、多功能的目的。

附图说明

图1为现有的一种改进的U型槽超宽带微带天线的结构示意图；

图2是本发明的一种小型化双带阻超宽带微带天线的主视图；

图3为图2中的俯视图；

图4为图2中的仰视图；

图5为本发明的天线驻波比带宽的参数示意图；

图6为本发明的天线在4GHz下的辐射方向图；

图7为本发明的天线在6GHz下的辐射方向图；

图8为本发明的天线在8GHz下的辐射方向图。

图中：1、介质基板，2、馈电线，3、辐射单元，4、接地板，5、非等宽弓形槽，6、外凸形渐变槽，7、阶梯形槽，8、第一6字形谐振回路，9、第二6字形谐振回路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2、图3和图4所示，本发明的一种小型化双带阻超宽带微带天线，采用共面波导结构进行馈电，实现了天线的小型化和平面化的设计理念，该天线为轴对称式结构，主要由介质基板1、馈电线2、辐射单元3、接地板4、第一6字形谐振回路8和第二6字形谐振回路9组成，其中，馈电线2、辐射单元3、第一6字形谐振回路8和第二6字形谐振回路9均导电的设置在介质基板1的上表面上，并处于同一平面上且各部分的厚度相同，接地板4导电的设置在介质基板1的下表面上；馈电线2为导电的金属馈电线，其下端与同轴电缆相连，用于接收电磁波；辐射单元3为导电的金属辐射单元，成轴对称结构，上端设置成矩形结构，下端设置成倒锥形结构，倒锥形结构的小直径端连接至同轴电缆的中心导体，间接的与馈电线2相连，用于辐射电磁波；接地板4为导电的金属接地板，连接至同轴电缆的外导体；第一6字形谐振回路8和第二6字形谐振回路9均为导电的金属谐振结构，并以轴对称式布置在馈电线2两侧，第一6字形谐振回路8位于馈电线2的左侧，其开口均背对着馈电线2，第二6字形谐振回路9位于馈电线2的右侧，其开口均背对着所述馈电线2，第一6字形谐振回路8和第二6字形谐振回路9的缝隙宽度相等，均为0.5mm，第一6字形谐振回路8与所述馈电线2之间的间距与第二6字形谐振回路9与馈电线2之间的间距相等，均为0.4mm

辐射单元3的矩形结构上设置有非等宽弓形槽5，非等宽弓形槽5是将弓形向右翻转90°形成的，它具有三个开口，两个开口向上，一个开口向下，非等宽弓形槽5还包括四个竖向缝隙和三个横向缝隙，四个竖向缝隙中外侧两个缝隙的缝隙宽度相等，中间两个缝隙的缝隙宽度相等，三个横向缝隙的缝隙宽度相等。

辐射单元3的倒锥形结构的下端两侧均设置有外凸形渐变槽6，外凸形渐变槽6主要由四个面组成，每两个面之间均成90°夹角。

接地板4为矩形，其上端中部设置有与外凸形渐变槽6相配合的阶梯形槽7，外凸形渐变槽6位于阶梯形槽7的中心位置上，阶梯形槽7主要由一个下底面和两个梯形结构组成，下底面与两个梯形结构之间均成90°夹角，两个梯形结构均包括五个面，每两个面之间均成90°夹角。

如图5所述，在3.3GHz～3.8GHz与5.0GHz～6.0GHz这两个频段内，本发明的天线的谐振结构呈现驻波状态，改变天线的表面电流，就可以有效抑制对应频段电磁波的向外辐射，实现天线对这两个频段电磁波的滤波作用。

如图6、图7和图8所示，本发明的天线在工作频段内呈现全向辐射，本发明的天线在工作频段内呈现全向辐射，如图6所示，在360°范围内，天线均能实现有效的辐射特性，在各个方向均能保证较高的辐射增益，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图7所示，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图8所示，在角度为0°和180°时辐射达到最强，这表明本发明的天线性能较好，适用于超宽带无线通信技术领域。

本发明的天线中，介质基板1为相对介电常数ε_r为4.4的FR-4，损耗角正切为0.02，厚度为1mm，此类介质基板具有低成本，易于与普通印制电路板集成。

本发明的天线长32mm，宽26mm，厚度为1mm，采用热转印法，将测试过介电常数的介质基板表面的铜层进行打磨剖光处理，印制上天线的结构模型，游标卡尺确定天线尺寸，根据尺寸裁剪介质基板，将印制好的天线放入腐蚀液中，经过5分钟左右振动腐蚀，将天线表面不必要的铜层去，即完成了小型平面超宽带天线的制备。

Claims (10)

1.一种小型化双带阻超宽带微带天线，包括：

介质基板（1）；

设置在所述介质基板（1）上表面并用于接收电磁波的馈电线（2）；

与所述馈电线（2）相连并用于辐射电磁波的辐射单元（3）；

设置在所述介质基板（1）下表面的接地板（4）；

其特征在于，还包括设置在所述介质基板（1）上的两个6字形谐振回路，所述两个6字形谐振回路以轴对称式布置在所述馈电线（2）左右两侧；

所述辐射单元（3）上端设置有非等宽弓形槽（5），下端两侧均设置有外凸形渐变槽（6）；

所述接地板（4）上端中部设置有与所述外凸形渐变槽（6）相配合的阶梯形槽（7）。

2.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述介质基板（1）为相对介电常数ε_r为4.4的FR-4，损耗角正切为0.02。

3.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述非等宽弓形槽（5）有三个开口，两个开口向上，一个开口向下。

4.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述非等宽弓形槽（5）主要由四个竖向缝隙和三个横向缝隙组成，所述四个竖向缝隙中外侧两个缝隙的缝宽相等，中间两个缝隙的缝宽相等；所述三个横向缝隙的缝宽相等。

5.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述外凸形渐变槽（6）主要由四个面组成，每两个面之间均成90°夹角。

6.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述阶梯形槽（7）主要由一个下底面和两个梯形结构组成，所述下底面与两个梯形结构之间均成90°夹角；所述两个梯形结构均包括五个面，每两个面之间均成90°夹角。

7.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述辐射单元（3）为轴对称结构，上端设置成矩形，下端设置成倒锥形。

8.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述外凸形渐变槽（6）位于所述阶梯形槽（7）的中心位置上。

9.根据权利要求1所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述两个6字形谐振回路包括第一6字形谐振回路（8）和第二6字形谐振回路（9），所述第一6字形谐振回路（8）和第二6字形谐振回路（9）的开口均背对着所述馈电线（2），两者的线宽相等，均为0.5mm。

10.根据权利要求9所述的一种小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述第一6字形谐振回路（8）与所述馈电线（2）之间的间距与所述第二6字形谐振回路（9）与所述馈电线（2）之间的间距相等，均为0.4mm。

Images