CN104681949A

CN104681949A - 一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线

Info

Publication number: CN104681949A
Application number: CN201310617530.6A
Authority: CN
Inventors: 张道亮; 金佳佳; 喻人杰
Original assignee: Harbin Feiyu Technology Co Ltd
Current assignee: Harbin Feiyu Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明涉及一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，它包括部分金属接地板（10）、介质基板（20）、天线辐射贴片（30）、50欧姆馈线（31）和两个蘑菇形电磁带隙（Mushroom-EBG）结构单元（40，50）。将两个尺寸参数不同的Mushroom结构单元（40，50）分别与正六边形UWB天线的50欧姆馈线（31）耦合，有效地滤除了WIMAX和WLAN两个频段的信号。该天线在全频段内具有良好的全向辐射特性和稳定的增益效果，陷波特性良好，适用于UWB无线通信系统。

Description

一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线。将蘑菇形电磁带隙结构（Mushroom-EBG）与正六边形超宽带(UWB)天线的馈线耦合，在保证天线小型化、宽频带、良好的辐射特性的同时，有效地滤除了全球微波互联接入（WIMAX）和无线个人局域网（WLAN）两个频段的信号，适用于UWB无线通信系统。

背景技术

2002年2月美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission：FCC）将3.1～10.6GHz频段划为商用的UWB无线通信业务使用，自此以后，超宽带技术获得了快速发展，UWB天线的研究与设计作为UWB无线通信的关键技术之一，已成为了研究的热点。由于UWB系统的工作频段与现有无线通信系统的某些频段重合，如全球微波互联接入（WIMAX，3.3GHz-3.6GHz），无线个人局域网（WLAN，（5.15GHz-5.825GHz））等。为了减少UWB天线对这些频段内系统通信造成干扰，具有陷波特性的UWB天线被广泛关注。

在实现良好的陷波特性的同时，保证UWB天线的小型化，宽频带，良好的辐射特性是一个比较棘手的难题。目前为止具有陷波特性的UWB天线已有大量的研究成果，实现陷波的技术可以概括为以下几种：

（1）在辐射贴片或接地板刻蚀槽线

（2）添加寄生元素

（3）加载SIR的带阻滤波器

这些实现陷波的技术存在着以下不足：在天线辐射贴片上刻槽和在辐射贴片附近增加寄生单元的方法都会改变天线辐射贴片表面的电流分布，影响天线的辐射方向图；在天线地板刻槽的方法会使部分能量从地板槽泄漏，对天线方向图的后瓣产生影响，减小天线的增益；添加寄生元素会增加天线的尺寸，而加载SIR的带阻滤波器，使结构复杂，集成难度高。另外这些方法普遍存在的一个问题是，各个陷波频带相互影响，不易独立控制。

电磁带隙（EBG）结构以其优异的频率带隙特性，结构简单，易于集成，带隙特性易于调节，如果加以小型化，通过与输入端耦合，可方便独立地实现和控制超宽带天线各个陷波，而对辐射贴片的电流分布影响较小，可保持良好的辐射特性，增益效果。因此，设计一款基于EBG结构具有陷波特性的高性能超宽带天线具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于改善现有UWB天线陷波技术中影响天线辐射特性、增大天线尺寸、陷波不易独立控制等缺陷。将两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG结构分别加载于正六边形UWB天线的馈线左右两边，形成耦合，有效地滤除了WIMAX和WLAN两个频段的信号，并且两个陷波频段特性可以独立调节。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：包括部分金属接地板（10）、介质基板（20）、天线辐射贴片（30）、50欧姆馈线（31）和两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）。

所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：部分金属接地板（10）上顶边中间部分刻蚀了与50欧姆馈线（31）等宽的矩形槽（11），天线辐射贴片（30）为正六边形。

所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）为正方形，分别加载于50欧姆馈线（31）左右两侧形成耦合，包括介质基板（20）上表面的EBG金属贴片和两个金属圆柱形过孔（41，51）。

所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：两个金属圆柱形过孔（41，51）贯穿于EBG金属贴片、介质基板（20）和部分接地板（10）之间，且分别位于EBG金属贴片的中心。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及特性：

（1）Mushroom-EBG的加载没有增加天线的尺寸，保证了UWB天线的小型化，且结构简单、易于集成。

（2）天线相对带宽较宽，大于136%，VSWR<2的最低频率为2.28GHz，而最高频率大于12GHz。

（3）加载Mushroom-EBG结构，对天线的辐射贴片表面电流影响较小，从而保持了UWB天线全频段良好的全向辐射特性和稳定的增益效果。

（4）WIMAX和WLAN两个陷波频段特性（带宽、位置等）可以通过调节两个Mushroom-EBG结构单元参数进行独立地控制。

附图说明

图1是天线基本结构俯视图；

图2是天线背面基本结构图；

图3是EBG陷波原理图；

图4是天线驻波比参数示意图；

图5是天线峰值增益示意图；

图6是天线在4GHz下的E面方向图；

图7是天线在4GHz下的H面方向图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1、图2所示，基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，包括部分金属接地板（10）、介质基板（20）、天线辐射贴片（30）、50欧姆馈线（31）和两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）。其中部分接地板（10）位于介质基板（20）底面，且上顶边与天线辐射贴片（30）之间有一定距离（L₁-Lg），此距离用于调节UWB天线高频段阻抗匹配。在部分金属接地板（10）上顶边中间部分中心刻蚀了一个宽为W_s，长为L_s的矩形槽（11），其宽度与50欧姆馈线（31）相等，此矩形槽用于改善天线宽频带特性，提高驻波比带宽。

本发明的天线中，介质基板（20）的相对介电常数为3，损耗角正切为0.004，高度为h，加工成本低，易于与普通印刷电路板集成。

天线辐射贴片（50）是边长为W的正六边形，其上顶边与介质基板（20）顶边重合，下底边与50欧姆馈线（31）相接，馈线宽度为W_f。

两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）为正方形，分别加载于50欧姆馈线（31）左右两侧形成耦合，两个Mushroom-EBG单元（40，50）与50欧姆馈线的距离分别为g₁、g₂，包括加载于介质基板（20）上表面的EBG金属贴片和两个金属圆柱形过孔（41，51）。

两个EBG金属贴片中心位于同一条水平线上，且与介质基板（20）下底边相距Lg/2，边长分别为a₁、a₂，没有增加天线的尺寸，保持了天线的小型化。两个金属圆柱形过孔（41，51）分别位于两个EBG金属贴片的中心，半径分别为r₁、r₂。

如图3所示，这里从该UWB天线的主视图来说明Mushroom-EBG结构的陷波原理，其中介质基板为透视结构。以Mushroom-EBG单元（40）为例进行说明，当通过50欧姆馈线（31）向天线馈电时，EBG结构金属贴片与50欧姆馈线（31）形成耦合电容C₁₀，与部分金属接地板（10）通过介质基板（20）形成耦合电容C₁₁，通过金属圆柱形过孔（41）的电流回路等效为电感L₁₀，从而形成了一个并联LC谐振回路，谐振频率同理Mushroom-EBG单元（50）也能形成另一个并联LC谐振回路，谐振频率两个谐振回路起到了一个前置滤波器的作用，有效地实现了两个陷波。两个陷波频段的中心频率，陷波带宽，陷波深度等参数可以通过调节Mushroom-EBG单元（40，50）的结构参数：EBG金属贴片边长a₁和a₂、耦合距离g₁和g₂等进行独立的调节。本发明就是通过合理设计Mushroom-EBG单元（40，50）的结构参数，在保证天线小型化、宽频带、良好的辐射特性的同时有效地滤除了WIMAX（3.3-3.6）和WLAN（5.15-5.825）两个频段的信号。其中Mushroom-EBG单元（50）用来滤除WIMAX频段的信号，Mushroom-EBG单元（40）用来滤除WLAN频带的信号。

如图1，图2，图3所示，该UWB天线的具体结构的尺寸为：W₀＝34mm，L₀＝44.6mm，W＝11.2mm，L₁＝25.2mm，a₁＝6mm，a₂＝8.8mm，W_f＝3.6mm，Lg＝24mm，W_s＝3.6mm，L_s＝2mm，h＝1.6mm，r₁＝0.3mm，r₂＝0.15mm，g1＝0.3mm，g2＝0.3mm。

如图4所示，天线驻波比带宽（VSWR<2）最低频率为2.28GHz，最高频率大于12GHz，覆盖了UWB的频带范围，且相对带宽大于136%。在3.5GHz和5.57GHz处产生了两个陷波，陷波宽度（VSWR>2）分别为2.97GHz-3.65GHz、5.1GHz-5.85GHz，在保证频带利用率的同时，有效地滤除了WIMAX和WLAN两个频段的信号。

如图5所示，从实线部分可以看出未加载两个Mushroom-EBG单元（40，50）时，UWB天线在3.1-10.6GHz频带范围内，峰值增益最小值为2.27dB，最大值为5.4dB。加载两个Mushroom-EBG单元（40，50）后，在3.52GHz和5.6GHz两个陷波频段处分别下降到-3.7dB和0.8dB，并且峰值增益最大值为6.7dB，产生了良好的陷波效果。其他频段两个曲线基本保持一致，从而表明，两个Mushroom-EBG单元（40，50）的加载，除陷波频段外，对原UWB天线的增益影响非常小，在全频段内保证了稳定的增益效果。

如图6，图7所示，在4GHz处E面和H面辐射方向图中，虚线部分和实线部分基本重合，表明了加载Mushroom-EBG结构对原UWB天线的辐射特性基本没有影响，其中H面近似全向辐射特性，E面的辐射特性和偶极子的辐射特性相似，近似为一个‘8’形，该天线良好的全向辐射特性适用于超宽带无线通信技术领域。

Claims

1.一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：包括部分金属接地板（10）、介质基板（20）、天线辐射贴片（30）、50欧姆馈线（31）和两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）。

2.根据权利要求1所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：部分金属接地板（10）上顶边中间部分刻蚀了与50欧姆馈线（31）等宽的矩形槽（11），天线辐射贴片（30）为正六边形。

3.根据权利要求1所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：两个尺寸参数不同的Mushroom-EBG单元（40，50）为正方形，分别加载于50欧姆馈线（31）左右两侧形成耦合，包括介质基板（20）上表面的EBG金属贴片和两个金属圆柱形过孔（41，51）。

4.根据权利要求1所述的一种基于Mushroom-EBG结构的双陷波UWB天线，其特征在于：两个金属圆柱形过孔（41，51）贯穿于EBG金属贴片、介质基板（20）和部分接地板（10）之间，且分别位于EBG金属贴片的中心。