CN103956572A - 具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，涉及一种超宽带天线。设有介质基板，介质基板的上下表面分别敷有导体层，上表面导体层设有带缝隙结构的辐射贴片和渐变微带线馈电结构，带缝隙结构的辐射贴片的轮廓为类矩形，类矩形顶端为弧形，在带缝隙结构的辐射贴片上设有类C型槽，类C型槽的顶端采用圆弧结构，带缝隙结构的辐射贴片下端的渐变微带线馈电结构采用弧形渐变结构；下表面导体层设有类八边形宽槽、阶梯枝节和类L型枝节结构，类八边形宽槽上端设有按带宽设计的对称阶梯边结构以自由实现阻抗匹配，类八边形宽槽下端设有按带宽设计的类L型枝节，类八边形宽槽上端还延伸出一个阶梯枝节结构，扩展为北斗导航系统的频段。

Description

具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种超宽带天线，尤其是涉及一种适用于须抑制全球微波互联接入网(WiMax)、卫星通信C波段和无线局域网(WLAN)以及增加额外北斗导航带通频段的超宽带天线。

背景技术

超宽带(Ultra-Wideband,UWB)技术是一种应用于高速无线数据传输和长距离定位的无线通信技术，具有传输效率高、功耗低、成本低、抗干扰能力强等优点，因而近年来成为无线通信的研究热点之一。2002年美联邦通信委员会(FCC)通过了允许超宽带技术民用化的规定,分数带宽大于20％或占用绝对带宽大于500MHz的无线技术定义为UWB,其公开使用的频段为3.1GHz到10.6GHz,传输功率低于-41.3dBm/MHz。自此,UWB技术突破了过去几十年内仅在雷达遥感和军事通信中的应用局限,成为未来短距高速商用无线通信系统实现的有力竞争方案,对其技术上的研究也进入了一个空前的高速发展时期。

作为超宽带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3.1GHz到10.6GHz，而这个频段内不可避免地存在一些无线通信系统的信号干扰，例如频段在3.4～3.7GHz的全球微波互联接入(WiMax)，3.7～4.2GHz卫星通信C波段以及频段在5.15～5.825GHz的无线局域网(WLAN)等。为了避免这些频段信号的干扰，就有必要设计出具有多带阻特性的超宽带天线。

随着各类无线通信的迅速发展，人们对终端系统的性能要求也越来越高，要求这些终端系统具有小型化、可移动化、多应用兼容等特性，这就要求超宽带天线应该支持多种工作频段，使得超宽带天线具有宽频带或多频段等特征，在缩减无线通信终端系统研制的复杂度的同时，还能保持系统的小型化以及提供兼容不同频段标准的应用。

目前超宽带天线产生陷波的方法一般是在辐射贴片上添加匹配枝节或刻槽结构。通常来说，上述两种方法一种结构只能产生一个有效的陷波，要产生多个陷波就必须使用多个结构，前者产生多个陷波需要加载多个寄生枝节，这样虽然可以有效地产生多个不同带宽的陷波，但是不可避免地要占用较大的面积；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。因此，如何产生多个陷波同时具有良好的阻带特性和宽带特性，这成为国内外的研究重点。

如文献所述，国内外主要研究的是超宽带天线、单陷波超宽带天线、双陷波超宽带天线等。([1]P.Vainikainen,J.Holopainen,C.Icheln,O.Kivekas,M.Kyro,M.Mustonen,S.Ranvier,R.Valkonen,and J.Villanen,“More than20antennaelements in futuremobile phones,threat or opportunity,”inProc.3rdEur.Conf.Antennas Propag.,Berlin,2009,pp.2940–2943；[2]L.N.Zhang,S.S.Zhong,X.L.Liang,and C.Z.Du,“Compactomnidirectional band-notch ultrawideband antenna,”Electron.Lett.,vol.45,pp.659–660,Jun.2009；[3]O.Ahmed and A.R.Sebak,“A printed monopole antennawith twosteps and a circular slot for UWB applications,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.7,pp.411–413,2008；[4]S.Cheng,P.,and A.Rydberg,“Printed slot planar invertedcone antenna for ultrawidebandapplications,”IEEEAntennas WirelessPropag.Lett.,vol.7,pp.18–21,2008；[5]R.Azim,M.T.Islam,and N.Misran,“Compact tapered shape slotantenna for UWB applications,”IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.10,pp.1190–1193,2011)。

虽然近年来，具陷波特性的超宽带天线领域已有了不少研究，但是主要集中在单陷波或双陷波，特别对于三陷波及其以上，以及兼容北斗导航系统应用的超宽带天线还没有成功样例。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻抗带宽大、回波损耗低、增益高、结构简单，可同时兼容应用于超宽带系统和北斗卫星导航系统的具WiMax、卫星通信C波段、WLAN阻带抑制的具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线。

本发明设有介质基板，介质基板的上下表面分别敷有导体层，上表面导体层设有带缝隙结构的辐射贴片和渐变微带线馈电结构，所述带缝隙结构的辐射贴片的轮廓为类矩形，所述类矩形顶端为弧形，在带缝隙结构的辐射贴片上设有类C型槽，所述类C型槽的顶端采用圆弧结构以减小反射增加阻抗带宽，所述类C型槽用于截取上表面导体层辐射的特定频率的电磁波，形成用户需求的陷波段，所述特定频率为5.15～5.98GHz；带缝隙结构的辐射贴片下端的渐变微带线馈电结构采用弧形渐变结构，以扩展其阻抗带宽；下表面导体层设有类八边形宽槽、阶梯枝节和类L型枝节结构，所述类八边形宽槽上端设有按带宽设计的对称阶梯边结构以自由实现阻抗匹配，最好为3阶，所述类八边形宽槽下端设有按带宽设计的类L型枝节，所述类L型枝节两边形成的角度最好为钝角，形成用户需求的陷波段，频率为3.42～3.7GHz和3.7～4.18GHz，所述类八边形宽槽上端还延伸出一个阶梯枝节结构，最好为3阶，扩展为北斗导航系统的频段，频率为2.44～2.53GHz。

所述上表面导体层可采用铜导体层或银导体层，所述下表面导体层可采用铜导体层或银导体层；所述介质基板的介电常数可为1～10，最好为4.4±5％，长度可为25～35mm，宽度可为18～28mm，厚度可为0.8～1.2mm。

所述类矩形的长度可为3.5～4.5mm,宽度可为8～10mm，所述弧形的宽度与类矩形宽度相等，弧形的高度可调，典型值为3mm±0.2mm，通过调节弧形高度可控制天线的特性。

所述上表面导体层的带缝隙结构的辐射贴片上的类C型槽宽度可为0.1～0.5mm，长度可为12～20mm,类C型槽的顶端采用圆弧结构，圆弧的高度可调，典型值为2.5mm±0.2mm,通过调节精确实现所需陷波的频段。

所述上表面导体层的渐变微带线馈电结构采用弧形渐变结构，所述馈电结构最上端宽度为带缝隙结构的辐射贴片的宽度，最下端宽度可为1.5～2.5mm，实现特性阻抗为50欧姆的阻抗匹配。

所述下表面导体层的类八边形宽槽上端设有按带宽设计的对称阶梯边结构，最好为3阶。

所述下表面导体层的阶梯枝节阶数可为2、3、4，……，最好为3；宽度可为0.1～0.3mm，与右侧阶梯边距离相等，可为0.2～0.4mm。

所述下表面导体层的类L型枝节两边形成的角度可以调节，最好为钝角，角度可为90°±15°；宽度可为0.3～0.5mm，与所述类六边形宽槽边的距离相等。

与现有的超宽带陷波天线相比，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：宽槽技术应用到地板，与缝隙技术和枝节匹配技术相结合，通过系列技术的综合优化，实现了天线的结构紧凑小巧，成本低廉，易于生产，多应用兼容。由于采用了以上结构，本发明具有3.42～3.7GHz、3.7～4.18GHz和5.15～5.98GHz的阻带特性，能够有效地抑制WiMax、卫星通信C波段和WLAN的干扰频段，进而实现陷波功能。在阻带带宽之外，天线阻抗带宽依然保持在3.1～13GHz，能够很好满足超宽带需求。同时，本发明天线具有工作在北斗卫星导航系统的特性，可很好切换超宽带通信系统与北斗卫星导航系统的多兼容应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构组成示意图。

图2为本发明实施例的主视结构示意图。

图3为本发明实施例的上表面导体层结构示意图。

图4为本发明实施例的下表面导体层结构示意图。

图5为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。图中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(dB)。

图6为本发明实施例的E面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例的H面方向图。在图7中，坐标为极坐标。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1～4，本发明实施例设有介质基板1，上表面导体层2，下表面导体层3。介质基板1的介电常数为4.4，长度为29.5mm，宽度为23mm，厚度为1mm。上表面导体层2设有带缝隙结构的辐射贴片21和渐变微带线馈电结构22，其中辐射贴片21轮廓设计为类矩形结构，所述类矩形顶端设计为弧形结构，所述类矩形的竖直长度为4.6mm±0.6mm,水平宽度为9mm±1mm，弧形的宽度与矩形宽度相等，高度为2.6mm±0.4mm；辐射贴片上21设有类C型缝隙23，缝隙宽度为0.3mm±0.1mm，缝隙顶端为弧形结构，缝隙总长度为17.9mm±2mm。渐变微带线馈电结构22最上端宽度与矩形宽度相等，最下端宽度为2mm±0.2mm。下表面导体层3设有类八边形宽槽31、阶梯枝节32和类L型枝节33。类八边形宽槽31的边A和边C为3阶对称阶梯边结构，每个阶梯的水平宽度相等，为2mm±0.2mm，每个阶梯垂直高度也相等，为1.5mm±0.2mm。类八边形的边H长度为9mm±1mm，边D长度为8.3mm±1mm，边B长度为8.1mm±1mm，边F长度为2mm±0.3mm，边G长度为8.5mm±1mm，边E长度为9.2mm±1mm，边E和边G分别与边F形成角度相等，为167°±5°。阶梯枝节32的宽度为0.2mm±0.1mm，总长度为13mm±2mm，与类八边形宽槽31的右上侧边的距离都相等，距离为0.3mm±0.1mm。类L型枝节33的宽度为0.4mm±0.1mm，总长度为11.7mm±1mm，两条边所形成的角度为103°±5°。

参见图5，从图5中可以看出，本发明的阻带频段有3段，分别为：1)阻带频带为3.42～3.7GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在0～-10dB之间；2)阻带频带为3.7～4.18GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在0～-10dB之间；3)阻带频带为5.15～5.98GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在0～-10dB之间。本发明的超宽带频段为3.1～13GHz除三个阻带之外，天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下。此外还具有一个额外的通频段，工作频带为2.44～2.53GHz，此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下，其在中心频点2.492GHz处的回波损耗为-27dB。从上可以看出，本发明可有效阻断超宽带通信可能产生干扰的频段，并且保证了与北斗卫星导航通信系统的多兼容应用。

参见图6和7，图6为E面图，图7为H面图。从图6和7中可以看出，本发明具有定向辐射特性，可以满足超宽带通信系统的要求。

表1给出本发明的制造加工误差对天线的影响特性。

表1

注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。

Claims (10)

1.具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于设有介质基板，介质基板的上下表面分别敷有导体层，上表面导体层设有带缝隙结构的辐射贴片和渐变微带线馈电结构，所述带缝隙结构的辐射贴片的轮廓为类矩形，所述类矩形顶端为弧形，在带缝隙结构的辐射贴片上设有类C型槽，所述类C型槽的顶端采用圆弧结构以减小反射增加阻抗带宽，所述类C型槽用于截取上表面导体层辐射的特定频率的电磁波，形成用户需求的陷波段，所述特定频率为5.15～5.98GHz；带缝隙结构的辐射贴片下端的渐变微带线馈电结构采用弧形渐变结构，以扩展其阻抗带宽；下表面导体层设有类八边形宽槽、阶梯枝节和类L型枝节结构，所述类八边形宽槽上端设有按带宽设计的对称阶梯边结构以自由实现阻抗匹配，所述类八边形宽槽下端设有按带宽设计的类L型枝节，所述类L型枝节两边形成的角度最好为钝角，形成用户需求的陷波段，频率为3.42～3.7GHz和3.7～4.18GHz，所述类八边形宽槽上端还延伸出一个阶梯枝节结构，扩展为北斗导航系统的频段，频率为2.44～2.53GHz。

2.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述上表面导体层采用铜导体层或银导体层，所述下表面导体层采用铜导体层或银导体层。

3.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述介质基板的介电常数为1～10，最好为4.4±5％，长度为25～35mm，宽度为18～28mm，厚度为0.8～1.2mm。

4.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述类矩形的长度为3.5～4.5mm，宽度为8～10mm，所述弧形的宽度与类矩形宽度相等，弧形的高度可调，典型值为3mm±0.2mm。

5.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述上表面导体层的带缝隙结构的辐射贴片上的类C型槽宽度为0.1～0.5mm，长度为12～20mm，类C型槽的顶端采用圆弧结构，圆弧的高度可调，典型值为2.5mm±0.2mm。

6.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述上表面导体层的渐变微带线馈电结构采用弧形渐变结构，所述馈电结构最上端宽度为带缝隙结构的辐射贴片的宽度，最下端宽度为1.5～2.5mm，实现特性阻抗为50欧姆的阻抗匹配。

7.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述下表面导体层的类八边形宽槽上端设有按带宽设计的对称阶梯边结构为3阶。

8.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述下表面导体层的阶梯枝节阶数为3；宽度为0.1～0.3mm，与右侧阶梯边距离相等，可为0.2～0.4mm。

9.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述下表面导体层的类L型枝节两边形成的角度可以调节，角度为90°±15°，宽度为0.3～0.5mm。

10.如权利要求1所述具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线，其特征在于所述下表面导体层的类L型枝节两边形成的角度为钝角，宽度与类六边形宽槽边的距离相等。