CN103762413A - 超宽带陷波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带陷波天线，包括基板、位于基板背面的地板、倒U形寄生开路枝节和位于基板正面的天线辐射贴片、天线馈线以及倒U形缝隙，地板的中间开有倒U形宽槽，倒U形寄生开路枝节设置于倒U形宽槽内且与倒U形宽槽的边缘间设有耦合间距；天线馈线设置于基板的中下部；天线辐射贴片在地板上的投影位于倒U形宽槽的中下部；倒U形缝隙设置于天线辐射贴片的外边缘处且与外边缘间设有耦合间距；天线辐射贴片及倒U形缝隙圆弧部分在地板上的投影所在的圆与倒U形宽槽和倒U形寄生开路枝节的圆弧部分所在的圆为同心圆。通过同时加载倒U形缝隙和倒U形寄生枝节，本发明的超宽带陷波天线具有矩形度良好、阻带平坦且带宽可控的陷波阻带。

Description

超宽带陷波天线

技术领域

本发明属于无线通信用天线技术领域，具体涉及一种阻带选择性好、滤波效果好的超宽带陷波天线。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和生活的日益现代化与社会化，人们对电子技术的应用不断提出更新、更高的要求。无论是军事通信还是民用通信系统，都要求高质量的传输语音、文字、图像和多媒体信息等。正当人们充分享受现代无线通信带来的种种便利和乐趣时，可利用的频谱资源却日趋紧张，原有的射频频谱变得非常拥挤，人们急需一种新技术为无线通信开辟一片新天地，超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术恰好具有解决这一问题的潜力。超宽带无线通信技术具有结构简单、数据传输速率高、功耗低、安全性能高、多径分辨能力强等优点。自从2002年2月美国联邦通信委员会（FCC）将3.1-10.6GHz频段规划超宽带的民用频段，UWB无线通信系统的设计与应用变成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。

作为电磁波收发的门户，天线是一切开放式电子系统不可或缺的关键部件，它的功能是辐射或者接收无线电波。对于超宽带无线通信系统，一个很重要的问题就是超宽带陷波天线的研究。因为相对于传统的窄带天线，超宽带陷波天线需要有几个倍频程的带宽，而且要求天线在整个超宽带频带中都有稳定的性能。由于脉冲成形技术的限制，超短脉冲技术一般只考虑用于低功率和小范围的装置。对于超宽带通讯系统，需要有平坦的群时延和小尺寸的天线，那样高、低频信号成分可同时到达接收机。因此，相对于传统窄带天线，超宽带陷波天线设计对于超宽带通讯系统是一个巨大的挑战。

但是在UWB频段（3.1～10.6GHz）内存在其他无线窄带通信系统，比如3.3～3.8GHz的WiMAX和5.15-5.825GHz的WLAN等，它们和超宽带系统会形成干扰。为了减小UWB系统与其他无线通信系统的相互干扰，近年来已经有许多具有陷波功能的超宽带陷波天线相继提出。

研究表明，超宽带天线的陷波特性可以通过在天线辐射体上加载槽线或者添加寄生的枝节实现，当开路槽或寄生开路枝节在谐振频率上的长度等于半波长时，天线实现对该谐振频率的带阻特性。

但是目前超宽带陷波天线普遍存在陷波的阻带选择性不好的缺点，不能彻底的抑制其他窄带通信系统对超宽带系统的干扰的，并且由于阻带带宽不足，滤波效果较差，同时很多有用的频率也被浪费。另外很少有提及陷波结构对陷波带宽的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种滤波效果好、阻带匹配特性良好、阻带矩形度良好、阻带中心频率和阻带带宽可控的超宽带陷波天线。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超宽带陷波天线，包括基板、位于基板背面的地板、倒U形寄生开路枝节和位于基板正面的天线辐射贴片、天线馈线以及倒U形缝隙，其中，地板的中间开有倒U形宽槽，倒U形宽槽的顶端呈扇形，中部呈矩形；倒U形寄生开路枝节的形状与倒U形宽槽形状相似，设置于倒U形宽槽内且与倒U形宽槽的边缘间设有耦合间距；天线馈线设置于基板的中下部，一端与基板的边缘齐平，另一端连接天线辐射贴片；天线辐射贴片的形状与倒U形宽槽的形状相似，天线辐射贴片在地板上的投影位于倒U形宽槽的中下部；由对称的两个矩形缝隙和一段圆弧缝隙连接而成的倒U形缝隙设置于天线辐射贴片的外边缘处且与外边缘间设有耦合间距；天线辐射贴片及倒U形缝隙圆弧部分在地板上的投影所在的圆与倒U形宽槽和倒U形寄生开路枝节的圆弧部分所在的圆为同心圆。

进一步地，所述倒U形缝隙或倒U形寄生开路枝节的长度由以下公式确定：

其中ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的相对介电常数，L_槽/枝节是倒U形缝隙或者倒U形开路枝节的长度，f_陷波是所需陷波的频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的超宽带陷波天线通过在天线辐射贴片上加载倒U形缝隙，同时在宽槽地板内加载倒U形寄生枝节，得到矩形度良好的陷波阻带。

（2）本发明的超宽带陷波天线可以通过改变倒U形缝隙和倒U形寄生单元的长度改变陷波阻带的带宽，从而达到控制陷波阻带的效果。

（3）本发明的超宽带陷波天线采用宽槽天线结构，将地板上设置的宽槽及辐射贴片均设计为倒U形渐变结构，使得天线能从一个频率谐振模式平缓的过度到另外一个频率谐振模式，确保了天线在较宽的频率范围内均能保持良好的阻抗匹配效果。

（4）本发明的超宽带陷波天线整体尺寸小，结构紧凑，空间利用率大。

附图说明

图1（a）是本发明的超宽带陷波天线的侧面结构示意图；

图1（b）是本发明的超宽带陷波天线的正面示意图；

图1（c）是本发明的超宽带陷波天线的背面示意图；

图2是本发明的超宽带陷波天线的回波损耗响应曲线示意图；

图3是本发明的超宽带陷波天线的辐射效率响应曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例以实现超宽带天线的陷波阻带范围为5.15GHz～5.825GHz为例进行说明。

如图1（a）、1（b）、1（c）所示，本实施例中的超宽带陷波天线包括基板1、位于基板1背面的地板2、倒U形寄生开路枝节5和位于基板1正面的天线辐射贴片3、天线馈线6以及倒U形缝隙4，其中，地板2的中间开有倒U形宽槽21，倒U形宽槽21的顶端呈扇形，中部呈矩形；倒U形寄生开路枝节5的形状与倒U形宽槽21形状相似，设置于倒U形宽槽21内且与倒U形宽槽21的边缘间设有耦合间距22；天线馈线6设置于基板1的中下部，一端与基板1的边缘齐平，另一端连接天线辐射贴片3；天线辐射贴片3的形状与倒U形宽槽21的形状相似，天线辐射贴片3在地板2上的投影位于倒U形宽槽21的中下部；由对称的两个矩形缝隙和一段圆弧缝隙连接而成的倒U形缝隙4设置于天线辐射贴片3的外边缘处且与外边缘间设有耦合间距；天线辐射贴片3及倒U形缝隙4的圆弧部分在地板2上的投影所在的圆与倒U形宽槽21和倒U形寄生开路枝节5的圆弧部分所在的圆为同心圆，即整个天线为对称结构。

该实施例中，倒U形缝隙4和倒U形寄生开路枝节5是用来实现天线在WLAN无线局域网范围内（5.15～5.825GHz）的陷波特性的，研究表明，要实现陷波特性，要求倒U形缝隙4及倒U形寄生开路枝节5的长度均等于所需陷波的谐振频率的半波长，即倒U形缝隙4或倒U形寄生开路枝节5的长度可以由以下公式确定：

其中ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的相对介电常数，L_槽/枝节是倒U形缝隙4或者倒U形开路枝节5的长度，f_陷波是所需陷波的频率。

由式（1）可见，可以通过改变倒U形缝隙4及倒U形寄生开路枝节5的长度有效的调节陷波阻带的带宽。

采用渐变结构的倒U形宽槽21及倒U形天线辐射贴片3，使得本实施例中的超宽带陷波天线能够从一个频率谐振模式平缓的过度到另外一个频率谐振模式，确保了天线在较宽的频率范围内均能保持良好的输入阻抗匹配。

本实施例中的超宽带陷波天线的工作原理是：在天线辐射贴片3上加载倒U形缝隙4，产生一阶的陷波，此时的陷波阻带的矩形度差，带宽窄；通过添加倒U形寄生开路枝节5，引入一个新的一阶陷波，当两个陷波的谐振频率很接近时就产生一个两阶的陷波，并且在陷波两端引入了两个新的传输极点，新的二阶陷波阻带矩形度好，带宽扩宽，并且陷波的阻带平坦，带外抑制和带内选择性良好；而且可以通过控制倒U形缝隙4和倒U形寄生开路枝节5的长度改变两个陷波的谐振点，调节陷波阻带带宽。

利用HFSS仿真软件优化校正之后，本实施例中的超宽带陷波天线的地板2长27mm，宽20mm；倒U形宽槽21长9mm，宽18mm，倒U形宽槽的圆弧半径9.75mm；天线辐射贴片3长5mm，宽10mm，其圆弧半径5.67mm；倒U形缝隙4宽0.2mm，总长度为18.8mm，与辐射贴片3边缘的间距1mm；倒U形寄生开路枝节5线宽0.5mm，长度为35mm，与倒U形宽槽21边缘的间距为1mm；天线馈线6线宽1.9mm，长度为8.8mm。

图2为上述超宽带陷波天线的回波损耗随频率的变化曲线。由图分析可知，回波损耗≤-10dB的带宽大于3.1-10.6GHz，并且在5.15-5.825GHz带宽内实现陷波。陷波的阻带矩形度等于0.65，实现了WLAN频段的陷波特性，具有高矩形度，带外抑制和带内选择性比较好。

图3为上述超宽带陷波天线的辐射效率随频率变化曲线。由图分析可知，该设计的天线辐射效率稳定且维持95%左右，但是在陷波5.15-5.825GHz陷波阻带内，辐射效率急剧减小到10%，说明天线具有良好的阻带通带辐射特性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种超宽带陷波天线，其特征在于：包括基板、位于基板背面的地板、倒U形寄生开路枝节和位于基板正面的天线辐射贴片、天线馈线以及倒U形缝隙，其中，地板的中间开有倒U形宽槽，倒U形宽槽的顶端呈扇形，中部呈矩形；倒U形寄生开路枝节的形状与倒U形宽槽形状相似，设置于倒U形宽槽内且与倒U形宽槽的边缘间设有耦合间距；天线馈线设置于基板的中下部，一端与基板的边缘齐平，另一端连接天线辐射贴片；天线辐射贴片的形状与倒U形宽槽的形状相似，天线辐射贴片在地板上的投影位于倒U形宽槽的中下部；由对称的两个矩形缝隙和一段圆弧缝隙连接而成的倒U形缝隙设置于天线辐射贴片的外边缘处且与外边缘间设有耦合间距；天线辐射贴片及倒U形缝隙圆弧部分在地板上的投影所在的圆与倒U形宽槽和倒U形寄生开路枝节的圆弧部分所在的圆为同心圆。

2.根据权利要求1所述的超宽带陷波天线，其特征在于：所述倒U形缝隙或倒U形寄生开路枝节的长度由以下公式确定：

其中ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的相对介电常数，L_槽/枝节是倒U形缝隙或者倒U形开路枝节的长度，f_陷波是所需陷波的频率。

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