CN103441327B - 多陷波超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构简单、体积小、易于控制、容易加工的多陷波超宽带天线。该多陷波超宽带天线，包括介质基板，所述介质基板的下表面设置有金属地板，所述介质基板的上表面设置有辐射单元以及与辐射单元相连的微带馈线，所述介质基板的上表面设置有多个枝节组成的电磁带隙结构，所述电磁带隙结构上设置有用于接地的金属接地通孔。该多陷波超宽带天线采用多个枝节组成的电磁带隙结构形成陷波，代替了滤波器的设计，减低了设计成本和系统的复杂性，使得天线结构简单，紧凑小巧，加工方便，成本低廉，易于生产，形滤波效果较好，易于控制，另外，通过设置不同的枝节的个数，可以实现更多的陷波特性，适合在天线领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种多陷波超宽带天线。
背景技术
超宽带技术是一种新型的无线通信技术，具有传输速率高、功耗低、成本低、系统结构简单等特点，因而成为近年来无线通信的研究热点之一。美国联邦通信委员会（FederalCommunication Commission，FCC）在2002年开放了3.1GHz-10.6GHz频段，并允许UWB技术用于民用，从那以后，无线超宽带技术得到极大的关注与发展。作为无线通信系统的关键组成部分，超宽带天线的设计成为制约超宽带无线通信信道容量与质量的重要因素。由于超宽带的频带从3.1到10.6GHz,而这个频段内不可避免的存在一些无线通信系统的信号干扰，例如频段在3.3-3.7GHz的WiMAX(全球微波互联接入)，以及频段在5.15-5.825GHz的WLAN（无线局域网）等。为了避免这些频段信号的干扰，就有必要设计出具有带阻特性的超宽带天线。
一般解决上述问题的方法是在超宽带系统内引入带阻滤波器，但这不可避免的增大了系统的体积、复杂度以及相应的成本，而另一种更加简单而又有效的方法是在超宽带天线结构中引入陷波结构。通常，产生陷波的方法有两种：一种是在天线结构中加入不同形状的寄生枝节，如开口谐振环，阶梯阻抗谐振器等实现带阻功能；另一种有效的方法是在天线的辐射单元或者地板上刻蚀各种不同形状的缝隙，如半圆形槽，U形槽，π形槽，H形槽等实现滤波特性，通常来说，上述两种方法一种结构只能产生一种有效的陷波，要产生多个陷波必须使用多个结构。前者产生多个陷波需要加载多个寄生枝节，这样虽然可以有效的产生多个不同带宽的陷波，但是不可避免的要占用较大的面积；后者实现多个陷波需要刻蚀多个不同的缝隙，虽然不会增加天线的体积，但是由于缝隙之间有强耦合，导致很难调节陷波的带宽，增加了天线设计的复杂性。近年来，电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)结构作为一种新兴的人工材料，引起人们极大的研究兴趣。该结构具有带阻、慢波、高阻抗特性，可以人为地控制表面波的传播，使频率落在带隙中的电磁波得到有效的抑制，因此被引入到超宽带天线设计中。该类型的天线兼具上述两类天线能产生阻带特性的特点，同时具有良好的阻带特性和窄带特性，阻带较深，能减小阻带之间的互耦，且结构简单易于实现、体积小、重量轻、便于集成等优点，因此，受到广泛关注和深入研究。如文献“Design of a Band-Notched UWBMonopole Antenna by Means of an EBG Structure，Mohammad Yazdi and Nader Komjani，IEEEANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,Vol.10,March2011”使用了一种蘑菇状的电磁带隙结构，实现了一个在5.5GHz左右的WLAN频带的陷波，但该天线使用了四个EBG，天线体积较大，且不能滤除掉3.5GHz左右的WiMAX频段信号的干扰。又如文献“Narrow Band Notches for Ultra-Wideband Antenna Using Electromagnetic Band-Gap Structures，J.Y.Deng,L.X.Guo and J.H.Yang,Journal of Electromagnetic Waves and Applications,Vol.25,2011”使用两种不同结构的蘑菇状的电磁带隙结构形成了4.6-5.55GHz、5.7-6.28GHz两个陷波频段，但此文献中的陷波频段带宽过宽，远超出了干扰信号的频段范围，这无疑造成了超宽带天线本身工作频段的缩减。再如文献“UWB Band-Notched Monopole Antenna Design UsingElectromagnetic-Bandgap Structures，Lin Peng and Cheng-Li Ruan，IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,Vol.59,No.4,April2011”对比使用了两种不同结构的电磁带隙结构实现陷波，虽然可以有效的控制带宽，同时也没有增大天线的体积，但是该结构要实现两个陷波就需要采用两种结构，这样就增加了设计天线的复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、体积小、易于控制、容易加工的多陷波超宽带天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该多陷波超宽带天线，包括介质基板，所述介质基板的下表面设置有金属地板，所述介质基板的上表面设置有辐射单元以及与辐射单元相连的微带馈线，所述介质基板的上表面设置有多个枝节组成的电磁带隙结构，所述电磁带隙结构上设置有用于接地的金属接地通孔，所述电磁带隙结构位于微带馈线的一侧。
进一步的是，所述电磁带隙结构由第一L形枝节与第二L形枝节组成，所述第一L形枝节的垂直枝节与第二L形枝节的垂直枝节相连并且第一L形枝节的垂直枝节、第二L形枝节的垂直枝节均与微带馈线平行且不重合。
进一步的是，所述第一L形枝节的垂直枝节或第二L形枝节的垂直枝节与微带馈线之间的间隙为0.1mm-1.0mm。
进一步的是，所述第一L形枝节的水平枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节的水平枝节长度为1mm-7mm，第一L形枝节的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节的垂直枝节长度为1mm-7mm；所述第二L形枝节的水平枝节宽度为0.1mm-2mm，第二L形枝节的水平枝节长度为0.5mm-5mm，第二L形枝节的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第二L形枝节的垂直枝节长度为0.5mm-5mm。
进一步的是，所述金属接地通孔位于第一L形枝节的垂直枝节或第二L形枝节的垂直枝节上，并且金属接地通孔的半径为0.1mm-1mm，金属接地通孔的圆心距离垂直枝节外侧边缘的距离为0mm-0.5mm，所述金属接地通孔的圆心与第一L形枝节的水平枝节之间的距离、金属接地通孔的圆心与第二L形枝节的水平枝节之间的距离二者相差0.1mm-5mm。
进一步的是，所述微带馈线由特性阻抗为50欧姆的微带线组成。
进一步的是，所述辐射单元为椭圆形贴片或圆形贴片或矩形贴片。
进一步的是，所述介质基板的介电常数介于2-10之间，厚度为0.5mm-3mm，介电损耗小于0.02。
本发明的有益效果：该多陷波超宽带天线采用多个枝节组成的电磁带隙结构形成陷波，代替了滤波器的设计，减低了设计成本和系统的复杂性，使得天线结构简单，紧凑小巧，加工方便，成本低廉，易于生产，与一般形成的陷波结构相比，体积小巧，形成的陷波频带很窄，有效的消除了超宽带频段内的窄带干扰信号，保留有用频段，滤波效果较好，而且可以通过调整L形枝节的宽度来控制陷波带宽，调节枝节的长度来控制陷波谐振频率，易于控制，另外，通过设置不同的枝节的个数，可以实现更多的陷波特性，满足不同的应用情况。
附图说明
图1是本发明多陷波超宽带天线的俯视图；
图2是本发明多陷波超宽带天线的侧视图；
图3是本发明多陷波超宽带天线的结构尺寸图；
图4是本发明所述的电磁带隙结构尺寸图；
图5为本发明实施例的仿真与实测驻波曲线图；
图6为本发明实施例在3GHz的仿真辐射方向图；
图7为本发明实施例在6GHz的仿真辐射方向图；
图8为本发明实施例在9GHz的仿真辐射方向图；
图9为本发明实施例的测试增益曲线图；
图中标记说明：介质基板1、金属地板2、辐射单元3、微带馈线4、电磁带隙结构5、第一L形枝节51、第二L形枝节52、金属接地通孔6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1、2所示，该多陷波超宽带天线，包括介质基板1，所述介质基板1的下表面设置有金属地板2，所述介质基板1的上表面设置有辐射单元3以及与辐射单元3相连的微带馈线4，所述介质基板1的上表面设置有多个枝节组成的电磁带隙结构5，所述电磁带隙结构5上设置有用于接地的金属接地通孔6，所述电磁带隙结构5位于微带馈线4的一侧。电磁带隙结构5通过与微带馈线4的耦合，实现陷波特性，该多陷波超宽带天线采用多个枝节组成的电磁带隙结构5形成陷波，代替了滤波器的设计，减低了设计成本和系统的复杂性，使得天线结构简单，紧凑小巧，加工方便，成本低廉，易于生产，与一般形成的陷波结构相比，体积小巧，形成的陷波频带很窄，有效的消除了超宽带频段内的窄带干扰信号，保留有用频段，滤波效果较好，而且可以通过调整L形枝节的宽度来控制陷波带宽，调节枝节的长度来控制陷波谐振频率，易于控制，另外，通过设置不同的枝节的个数，可以实现更多的陷波特性，满足不同的应用情况。
所述电磁带隙结构5可以由多个枝节组合而成，枝节的形状可以是L形、圆形、菱形等，通常情况下，所述电磁带隙结构5由第一L形枝节51与第二L形枝节52组成，所述第一L形枝节51的垂直枝节与第二L形枝节52的垂直枝节相连并且第一L形枝节51的垂直枝节、第二L形枝节52的垂直枝节均与微带馈线4平行且不重合。
为了达到最优的双陷波特性，所述第一L形枝节51的垂直枝节或第二L形枝节52的垂直枝节与微带馈线4之间的间隙为0.1mm-1.0mm。
进一步的是，所述第一L形枝节51的水平枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节51的水平枝节长度为1mm-7mm，第一L形枝节51的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节51的垂直枝节长度为1mm-7mm；所述第二L形枝节52的水平枝节宽度取值为0.1mm-2mm，第二L形枝节52的水平枝节长度为0.5mm-5mm，第二L形枝节52的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第二L形枝节52的垂直枝节长度为0.5mm-5mm。第一L形枝节51形成了频段覆盖3.3-3.7GHz的陷波，第二L形枝节52形成了频段覆盖5.15-5.825GHz的陷波，能够滤除WiMAX和WLAN频段的干扰信号，阻带特性好，能实现高质量的超宽带无线通信。所述第一L形枝节51与第二L形枝节52的位置可以互换，可以将第一L形枝节51放置在靠近辐射单元3的地方，或者将第二L形枝节52放置在靠近辐单元3的地方。
所述金属接地通孔6位于第一L形枝节51的垂直枝节或第二L形枝节52的垂直枝节上，并且金属接地通孔6的半径为0.1mm-1mm，金属接地通孔6的圆心距离垂直枝节外侧边缘的距离为0mm-0.5mm，所述金属接地通孔6的圆心与第一L形枝节51的水平枝节之间的距离、金属接地通孔6的圆心与第二L形枝节52的水平枝节之间的距离二者相差0.1mm-5mm。
金属地板2的形状是将一个矩形切去两个拐角处的小矩形片构成，被切的矩形片的大小可以根据天线所需要的带宽调节。
另外，所述微带馈线4可以采用现有的各种馈线，通常情况下优选的是，所述微带馈线4由特性阻抗为50欧姆的微带线组成。
再者，所述辐射单元3形状可以根据实际情况而定，可以是圆形、椭圆形、菱形、矩形等，通常情况下，为了提高天线的辐射效果，所述辐射单元3优选为椭圆形贴片或圆形贴片或矩形贴片。
为了保证天线的性能达到最优，所述介质基板1的介电常数介于2-10之间，厚度为0.5mm-3mm，介电损耗小于0.02。
实施例
该实施例中多陷波超宽带天线的采用介质基片的具体参数为相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.0mm。图3、图4为实施例的结构尺寸示意图，其具体的几何参数为Wsub=38mm,Lsub=40mm,Lgnd=20mm，R1=8mm，R2=12.8mm，S=0.2mm，d=0mm，w50=1.86mm，Lt=3.0mm，Wt=3.0mm，g=1.0mm，r=0.2mm，W1=1.2mm，L1=8.0mm，W2=0.4mm，L2=4.8mm，W3=1.0mm,L3=8.2mm。
本发明的效果可通过以下仿真及测试图进一步说明：
对本发明实施案例的驻波比进行测试，其结果如图5所示，由图5的测试驻波曲线图可见，本发明所述的多陷波超宽带天线的工作频段覆盖3.1-10.6GHz,且形成了频段位于3.3-3.8GHz和5.0-5.8GHz的两个陷波。
对本发明实施案例在3GHz、4GHz、6GHz的辐射方向图进行仿真，其结果如图6、图7、图8所示，由图6、图7、图8的仿真辐射方向图可见，本发明的超宽带天线在H面具有水平全向性，E面具有8字形状。
对本发明实施案例的增益进行测试，其结果如图9所示，由图9的测试增益曲线可见，本发明所述的多陷波超宽带天线的增益在工作频段被基本处于2dBi左右，而在陷波段的中心频率处明显下降，天线在陷波频段处几乎不工作，达到了抑制干扰的效果。
Claims (7)
1.多陷波超宽带天线，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)的下表面设置有金属地板(2)，所述介质基板(1)的上表面设置有辐射单元(3)以及与辐射单元(3)相连的微带馈线(4)，其特征在于：所述介质基板(1)的上表面设置有电磁带隙结构(5)，所述电磁带隙结构(5)由多个枝节组成，所述电磁带隙结构(5)上设置有用于接地的金属接地通孔(6)，所述电磁带隙结构(5)位于微带馈线(4)的一侧，所述电磁带隙结构(5)由第一L形枝节(51)与第二L形枝节(52)组成，所述第一L形枝节(51)的垂直枝节与第二L形枝节(52)的垂直枝节相连并且第一L形枝节(51)的垂直枝节、第二L形枝节(52)的垂直枝节均与微带馈线(4)平行且不重合，所述第一L形枝节(51)的水平枝节与第二L形枝节(52)的水平枝节沿相同方向延伸。
2.如权利要求1所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述第一L形枝节(51)的垂直枝节、第二L形枝节(52)的垂直枝节与微带馈线(4)之间的间隙为0.1mm-1.0mm。
3.如权利要求2所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述第一L形枝节(51)的水平枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节(51)的水平枝节长度为1mm-7mm，第一L形枝节(51)的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第一L形枝节(51)的垂直枝节长度为1mm-7mm；所述第二L形枝节(52)的水平枝节宽度为0.1mm-2mm，第二L形枝节(52)的水平枝节长度为0.5mm-5mm，第二L形枝节(52)的垂直枝节宽度为0.1mm-2mm，第二L形枝节(52)的垂直枝节长度为0.5mm-5mm。
4.如权利要求3所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述金属接地通孔(6)位于第一L形枝节(51)的垂直枝节或第二L形枝节(52)的垂直枝节上，并且金属接地通孔(6)的半径为0.1mm-1mm，金属接地通孔(6)的圆心距离垂直枝节外侧边缘的距离为0mm-0.5mm，所述金属接地通孔(6)的圆心与第一L形枝节(51)的水平枝节之间的距离、金属接地通孔(6)的圆心与第二L形枝节(52)的水平枝节之间的距离二者相差0.1mm-5mm。
5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(4)由特性阻抗为50欧姆的微带线组成。
6.如权利要求5所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述辐射单元(3)为椭圆形贴片或圆形贴片或矩形贴片。
7.如权利要求6所述的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(1)的介电常数介于2-10之间，厚度为0.5mm-3mm，介电损耗小于0.02。
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