CN104362431A

CN104362431A - 一种陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线

Info

Publication number: CN104362431A
Application number: CN201410592390.6A
Authority: CN
Inventors: 骆无穷; 崔满堂; 邱志强; 唐清悟; 吴敏; 何子远; 陈波; 冯梅; 庞晓凤
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2015-02-18

Abstract

一种陷波特性可重构的蓝牙超宽带单极子天线，主要包括包括介质基板1，共面波导接地板2，微带辐射贴片3，共面波导馈线4，且上述的共面波导接地板、馈线和辐射贴片都印刷在介质基板的上表面。微带辐射贴片3顶端添加一个T型微带谐振支节31，使该超宽带天线能够工作在蓝牙(2.4GHz)频段，同时在WiMAX(3.3-3.8GHz)频段内产生陷波特性。在两个共面波导接地板2上开两个对称的L型槽21、22，使天线在WLAN频段(5.15-5.825GHz)具有陷波特性。同时在L型槽上对称位置添加两个PIN二极管开关23、24，通过外部偏置电压驱动PIN开关的导通与断开，使天线在WLAN频段的陷波特性具有可重构的特点。

Description

一种陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线

技术领域

本发明设计到一种平面印刷单极子天线，特别是具有陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线。

背景技术

超宽带(UWB)天线作为一门新技术，成为近年来天线领域研究的热点。由于其极宽的带宽，这意味着可以使得通讯系统达到几百兆的传输速率，因此拥有广阔的应用前景。虽然超宽带天线的存在己经有很长时间，比如非频变天线、喇叭天线、反射镜天线等。但满足现代超宽带无线通信系统，尤其是小型化，易于集成的超宽带天线无疑将是未来研究的主体方向。在电磁环境拥挤和信噪比差的环境下能够可靠地工作。由于传输功率极低，所以不会对周围的电子设备造成电磁干扰。由于其本质上是短距离的，所以可以有效地抑制多径干扰，并且可适用于多个独立的信号的同时连接。超宽带技术中的信号频率已足够高，不需要额外的载频。传输速率很高，可满足各种设备的信息传输要求，因此在军事商业等领域得到了越来越广泛的关注。

蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与因特网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段，在该频段内还有无线局域网、WiFi协议通信等。由于其通信的高效性，蓝牙技术广泛应用于消费电子产业和个人计算机产业。

由于超宽带通信时传输功率极低，所以不会对周围的电子设备造成电磁干扰，反而会受到其他窄带通信系统的干扰。在UWB通信系统中主要存在以下无线窄带系统：全球微波互联网络(WiMAX，3.3-3.8GHz)、无线局域网(WLAN，5.15-5.825GHz)、X波段卫星通信系统(7.25-8.4GHz)等通信系统等。为了抑制超宽带系统与窄带系统间潜在的干扰，一般需要在天线输入前端添加滤波器，这样不但增加天线的制作成本，还不利于天线的小型化，因此具有自身陷波功能的小型超宽带天线成为近年来的一个热门研究课题。

近年来，越来越多的超宽带陷波天线被学者提出，并且天线的指标也越来越好，但是这些天线的陷波特性是固定的，不可改变。如果陷波频段改变或者消失，就必须设计新的天线来满足要求，这样就会大大增加设计成本。因此设计具有陷波特性可以改变的超宽带天线成为超宽带天线研究的有一个热点方向。

发明内容

基于以上研究背景，本发明设计了一种能同时工作在蓝牙2.4GHz频段和超宽带频段UWB(3.1-10.6GHz)的单极子平面天线，同时在UWB频段内实现对WiMAX(3.3-3.8GHz)无信通信系统和WLAN(5.15-5.825GHz)通信系统的陷波功能，并且在WLAN频段的陷波特性具有可重构的特点。

技术方案为：本发明天线主要包括包括介质基板1，共面波导接地板2，微带辐射贴片3，共面波导馈线4，且上述的共面波导接地板2、馈线4和辐射贴片3都印刷在介质基板1的上表面。微带辐射贴片3顶端添加一个E型微带谐振支节31，使该超宽带天线能够工作在蓝牙(2.4GHz)频段，同时在WiMAX(3.3-3.8GHz)频段内产生陷波特性。在两个共面波导接地板2中间开两个对称的L型槽21、22，使天线在WLAN频段(5.15-5.825GHz)具有陷波特性。同时在L型槽上对称位置添加两个PIN二极管开关23和24，通过外部偏置电压驱动PIN开关的导通与断开，使天线在WLAN频段的陷波特性具有可重构的特点。

附图说明

图1a、1b、1c是本发明天线的俯视图、侧视图、主视图；

图2是本发明天线在PIN二极管开关断开与导通两种情况下回波损耗S11的对比曲线；

图3是本发明天线在PIN二极管开关断开与导通两种情况下最大值增益的对比曲线；

图4是本发明天线在PIN二极管开关断开时2.4GHz、4.2GHz、8.4GHz处E面的辐射方向图；

图5是本发明天线在PIN二极管开关断开时2.4GHz、4.2GHz、8.4GHz处H面的辐射方向图；

图6是本发明天线在PIN二极管开关导通时2.4GHz、4.2GHz、8.4GHz处E面的辐射方向图；

图7是本发明天线在PIN二极管开关导通时2.4GHz、4.2GHz、8.4GHz处H面的辐射方向图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1a、1b、1c所示，本发明天线是一种共面波导馈电的平面单机子印刷天线，主要包括包括介质基板1，共面波导接地板2，微带辐射贴片3，共面波导馈线4，且上述的共面波导接地板、馈线和辐射贴片都印刷在介质基板的上表面。天线的整体尺寸为36×28mm²,介质基板1采用FR4材料，厚度为1.6mm，相对介电常数4.4。共面波导馈线4的特性阻抗是50欧姆，线宽3mm，与共面波导接地板2的间距为0.5mm。共面波导接地板2是由两块矩形金属片切角得到的，对称分布在共面波导馈线的两边，切角的目的是为了获得更大的工作带宽，实现超宽带天线的目的。天线最初是从设计一个超宽带天线开始的，八边形的辐射贴片和共面波导地板的切角使天线能够工作在UWB频带内。之后为了实现天线能在蓝牙频段2.4GHz工作，在八边形的贴片顶端添加一个E型谐振支节31，这样不仅可以使天线在蓝牙频段实现谐振，同时31与八边形的贴片之间构成了一个不规则的缝隙槽32，天线又在WiMAX(3.3-3.8GHz)窄带系统产生阻带，实现该频段的陷波。为了能够在WLAN(5.15-5.825GHz)频段产生陷波特性，在两个对称的共面波导接地板2上开两个对称的L型槽21、22，同时在这两个槽上连接分别连接PIN二极管开关23、24，通过控制外部偏置电压驱动PIN开关的导通与断开。这里可以近似把PIN二极管开关看作理想的，即当PIN二极管导通时，可等效于一段细小的微带线连接槽的两端，表面电流可以通过这段微带线，陷波结构就被破坏，天线的陷波特性就不存在。相反，PIN二极管断开时，槽两端就没有连接，陷波结构没被破坏，从而天线实现陷波功能。因此，通过控制PIN二极管的导通与断开，可以改变天线在WLAN频段陷波特性的有无，实现陷波特性可重构。

图2是该天线在PIN二极管开关在断开与导通时的回波损耗S11的对比曲线。一般情况下，当天线在某一频段内的回波损耗S11小于-10dB，就可以认为天线在这个频段是能够工作的，该频段是通带；如果S11大于-10dB，可近似认为天线在该频段内不能够工作，在该频段具有阻带特性，即即该频段的陷波特性。可以看出，PIN开关断开与导通时，天线在蓝牙2.4GHz频段出的S11都是小于-10dB，并且最小值接近于-17dB，可近似说明该天线可以工作在蓝牙频段。在PIN开关断开时，在WiMAX(3.3-3.8GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)频段内都有回波损耗S11大于-10dB，且最大值都在-3dB。可以看出在PIN断开时，该天线在WiMAX和WLAN频段实现陷波功能。当PIN二极管开关导通时，在WiMAX频段的回波损耗S11是大于-10dB，并且最大值接近于-2dB，在WLAN频段的回波损耗则小于-10dB。可以看出，当PIN开关导通时，天线只在WiMAX(3.3-3.8GHz)频段实现陷波功能，而在WLAN(5.15-5.825GHz)频段是没有陷波特性的。

图3是本发明天线在PIN开关断开与导通两种情况下最大值增益的对比曲线。在PIN开关断开时，可以看出天线的最大值增益在3.3-3.8GHz和5.15-5.825GHz频段内都有很明显的的下降，说明天线在这两个频段内是基本不工作的，即该天线在WiMAX(3.3-3.8GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)频段内是具有陷波特性的。当PIN二极管导通时，天线的最大值增益只在WiMAX(3.3-3.8GHz)频段有明显的下降，可认为天线只在WiMAX频段有陷波特性。另外可以看出，PIN开关的断开与导通时，天线在2.4GHz频段和其他通带频段内都有很好的增益，基本满足超宽带通信的要求。

一副天线陷波特性的改变不应该影响天线在其他通带内的性能。图4、5、6、7所示的是该天线在通带内2.4GHz、4.2Ghz和8.4GHz处的E、H面方向图。其中图4、5是PIN开关断开时的E、H面方向图，可以看出天线在E面具有接近全向的辐射特性，在H面有“8”字形的辐射模式，等效于对称阵子的辐射模式，并且具有良好的增益，满足超宽带UWB的通信要求。图6、7是PIN开关导通时的E、H面方向图，可以看出两种情况下E、H面方向图变化很小，可近似认为天线在通频带内的辐射特性没有变化。

当然，本发明还有其他实现方式，在不背离本发明精神和实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明实施各种相应的变形，但这种相应的改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种陷波特性可重构的蓝牙超宽带单极子天线，主要包括介质基板1，共面波导接地板2，微带辐射贴片3，共面波导馈线4，且上述的共面波导接地板2、馈线4和辐射贴片3都印刷在介质基板1的上表面。其主要特征在于：该天线能够同时工作在蓝牙频段和超宽带频段，同时在超宽带频段内具有陷波特性，并且陷波特性是可重构的。

2.如权利要求1所述的陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线，其特征在于：在辐射贴片3顶部添加E型谐振支节31，实现天线在蓝牙频段的谐振，使天线可以工作在该频段。

3.如权利要求1所述的陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线，其特征在于：在辐射贴片3顶部添加E型谐振支节31，使天线在WiMAX(3.3-3.8GHz)频段具有陷波特性。

4.如权利要求1所述的陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线，其特征在于：在共面波导馈线4两侧对称分布的两个共面波导接地板2上开两个对称的倒L型槽缝21和22，使天线在WLAN(5.15-5.825GHz)频段具有陷波特性。

5.如权利要求1所述的陷波特性可重构的蓝牙超宽带天线，其特征在于：在两个L型槽缝21和22上各添加一个PIN二极管开关23和24，通过控制外部偏置电压来改变PIN开关的断开与导通，实现天线在WLAN(5.15-5.825GHz)频段处陷波特性的有无，达到陷波特性可重构的目的。