CN103259094A - 小型化双带阻超宽带微带天线 - Google Patents

Abstract

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；设置在介质基板上并用于接收电磁波的馈电线；与馈电线相连并用于辐射电磁波的辐射单元；设置在介质基板上并以轴对称式布置在馈电线左右两侧的两个接地板；辐射单元上端设置有两个尺寸不同的C形槽，下端设置有外凸形渐变槽；两个接地板上分别设置有与外凸形渐变槽相配合的内凹形渐变槽。金属接地板与金属辐射单元设计成双渐变槽，使驻波比带宽达到2GHz～16GHz，实现156%的相对驻波比带宽；金属辐射单元上的两个C形槽分别对应3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz四分之一波长，实现了天线在这两个频段的陷波功能和双带阻设计。

Description

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3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz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3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz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：

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上并以轴对称式布置在所述馈电线左右两侧的两个接地板；

所述辐射单元上端设置有两个尺寸不同的C形槽，下端设置有外凸形渐变槽；所述两个接地板上分别设置有与所述外凸形渐变槽相配合的内凹形渐变槽。

所述介质基板为相对介电常数ε_r为2.2的Rogers 5880型介质基板，损耗角正切为0.001。

所述C形槽包括：

开口向下的第一C形槽；

设置在所述第一C形槽下侧的开口向下的第二C形槽；

所述第一C形槽的尺寸大于所述第二C形槽的尺寸，两者的槽宽相等，均为0.5mm。

所述外凸形渐变槽设置在所述馈电线与所述辐射单元的连接处，包括：

左外凸形渐变槽；

与所述左外凸形渐变槽成轴对称的右外凸形渐变槽；

所述左外凸形渐变槽和右外凸形渐变槽均由两个成90°夹角的面组成。

所述两个接地板包括：

位于所述馈电线左侧的第一接地板；

位于所述馈电线右侧的第二接地板；

所述第一接地板和所述馈电线之间的间距与所述第二接地板和所述馈电线之间的间距相等，均为0.3mm。

所述内凹形渐变槽包括：

设置在所述第一接地板上端右侧的第一内凹形渐变槽；

设置在所述第二接地板上端左侧的第二内凹形渐变槽。

所述第一内凹形渐变槽和第二内凹形渐变槽均由三个面组成，所述第一内凹形渐变槽上的第一面与第二面的夹角为90°，第二面与第三面的夹角为θ，90°＜θ＜180°；所述第二内凹形渐变槽上的三个面的设置与第一内凹形渐变槽完全相同。

所述左外凸形渐变槽与所述第一内凹形渐变槽相互靠近并配合；所述右外凸形渐变槽与所述第二内凹形渐变槽相互靠近并配合。

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。

工作原理说明：电磁波在天线中分别沿馈电线与第一接地板和第二接地板之间前向传播，通过辐射单元时产生全向辐射，而通过两个接地板上的内凹形渐变槽时，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；在上述基础上通过在辐射单元上引入分别对应于3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz两个频段四分之一波长的第一C形槽位于第二C形槽，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，将金属接地板与金属辐射单元设计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2GHz～16GHz，实现了156%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，在金属辐射单元上设计两个C形槽，分别对应于3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz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。

本发明的天线可以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3.0GHz～3.8GHz与5.0GHz～5.8GHz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为本发明的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为本发明的天线驻波比带宽的参数示意图；

图5为本发明的天线峰值增益参数示意图；

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、第一C形槽，5、第二C形槽，6、左外凸形渐变槽，7、右外凸形渐变槽，8、第一接地板，9、第二接地板，10、第一内凹形渐变槽，101、第一面，102、第二面，103、第三面，11、第二内凹形渐变槽。

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和图3所示，本发明的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、第一接地板8和第二接地板9组成，其中，馈电线2、辐射单元3、第一接地板8和第二接地板9均导电的设置在介质基板1上，并处于同一平面上且各部分的厚度相同；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；第一接地板8和第二接地板9均为导电的金属接地板，两者均连接至同轴电缆的外导体，并以轴对称式布置在馈电线2两侧，第一接地板8设置在馈电线2的左侧，第二接地板9设置在馈电线2的右侧，第一接地板8和馈电线2之间的间距与第二接地板9和馈电线2之间的间距相等，均为0.3mm。

辐射单元3的矩形结构上设置有开口向下的第一C形槽4，其倒锥形结构的上端设置有开口向下的第二C形槽5，第一C形槽4位于第二C形槽5的上侧，第一C形槽4的尺寸大于第二C形槽5的尺寸，两者在辐射单元3上形成的缝隙宽度相等；辐射单元3的倒锥形结构的下端设置有左外凸形渐变槽6和右外凸形渐变槽7，左外凸形渐变槽6与右外凸形渐变槽7为轴对称式，左外凸形渐变槽6和右外凸形渐变槽7均由两个成90°夹角的面组成。

第一接地板8为矩形，其上端右侧设置有与左外凸形渐变槽6相互靠近并配合的第一内凹形渐变槽10；第二接地板9为矩形，其上端左侧设置有与右外凸形渐变槽7相互靠近并配合的第二内凹形渐变槽11；第一内凹形渐变槽10和第二内凹形渐变槽11均由三个面组成，其中，第一内凹形渐变槽10中的第一面101与第二面102的夹角为90°，第二面102与第三面103的夹角为θ，90°＜θ＜180°，第二内凹形渐变槽11上的三个面的设置与第一内凹形渐变槽10相同。

如图4所示，在3.0GHz～3.8GHz和5.0GHz～5.8GHz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5所示，在全频段内，天线的增益稳定在2dB～6dB之间，并且在两个带阻频段内，天线增益骤降，均小于-2dB，使得天线可以更好的对以上两个频率的电磁波的辐射进行抑制。

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，如图5所示，在角度为0°和180°时辐射达到最强，如图6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，天线在以上三个典型频段内，增益方向图均为近似圆形，表明天线在这三个频段均有良好而稳定的全向辐射特性，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2.2的Rogers5880型介质基板，损耗角正切为0.001，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除去，即完成了小型平面超宽带天线的制备。

Claims (10)

1.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）上并以轴对称式布置在所述馈电线（2）左右两侧的两个接地板； 

其特征在于，所述辐射单元（3）上端设置有两个尺寸不同的C形槽，下端设置有外凸形渐变槽；所述两个接地板上分别设置有与所述外凸形渐变槽相配合的内凹形渐变槽。 

2.根据权利要求1所述的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εr为2.2的Rogers5880型介质基板，损耗角正切为0.001。 

3.根据权利要求1所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述C形槽包括： 

开口向下的第一C形槽（4）； 

设置在所述第一C形槽（4）下侧的开口向下的第二C形槽（5）； 

所述第一C形槽（4）的尺寸大于所述第二C形槽（5）的尺寸，两者的槽宽相等，均为0.5mm。 

4.根据权利要求1所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述外凸形渐变槽设置在所述馈电线（2）与所述辐射单元（3）的连接处，包括： 

左外凸形渐变槽（6）； 

与所述左外凸形渐变槽（6）成轴对称的右外凸形渐变槽（7）。 

5.根据权利要求4所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述左外凸形渐变槽（6）和右外凸形渐变槽（7）均由两个成90°夹角的面组成。 

6.根据权利要求1所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述两个接地板包括： 

位于所述馈电线（2）左侧的第一接地板（8）； 

位于所述馈电线（2）右侧的第二接地板（9）； 

所述第一接地板（8）和所述馈电线（2）之间的间距与所述第二接地板（9）和所述馈电线（2）之间的间距相等，均为0.3mm。 

7.根据权利要求6所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述内凹形渐变槽包括： 

设置在所述第一接地板（8）上端右侧的第一内凹形渐变槽（10）； 

设置在所述第二接地板（9）上端左侧的第二内凹形渐变槽（11）。 

8.根据权利要求7所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述第一内凹形渐变槽（10）和第二内凹形渐变槽（11）均由三个面组成，所述第一内凹形渐变槽（10）上的第一面（101）与第二面（102）的夹角为90°，第二面（102）与第三面（103）的夹角为θ，90°＜θ＜180°；所述第二内凹形渐变槽（11）上的三个面的设置与第一内凹形渐变槽（10）完全相同。 

9.根据权利要求4或7所述的小型化双带阻超宽带微带天线，其特征在于，所述左外凸形渐变槽（6）与所述第一内凹形渐变槽（10）相互靠近并配合；所述右外凸形渐变槽（7）与所述第二内凹形渐变槽（11）相互靠近并配合。 

10.根据权利要求1所述的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。 

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