CN104882675B - 一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，属于天线设计技术领域。该天线包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、寄生条带结构、“U”形金属条带、金属带线及焊盘、接地板和同轴电缆；所述“U”形金属条带用于产生高频陷波；并通过变容二极管对该陷波的工作频率进行调节；寄生条带结构包括寄生条带和一个变容二极管，所述寄生条带用于产生低频陷波；并通过变容二极管对该陷波的工作频率进行调节。本发明提供的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，通过变容二极管对两个陷波的工作频率进行调节，可以分别涵盖WiMAX和WLAN频段，且两个陷波的调节互不影响，有效的实现了双陷波的频率捷变特性。

Description

一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线

技术领域

本发明属于天线设计技术领域，涉及一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线。

背景技术

随着美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1—10.6GHz作为短距离无线通信频段，超宽带通信系统由于其优异的工作特性，得到了越来越多人的重视。然而，在UWB频段有许多窄带通信系统，比如：WLAN(5150-5350MHz；5725-5825MHz),WiMAX(3300-3690MHz)等系统频段。超宽带天线作为超宽带通信系统的关键部件之一，其特性直接影响着整个系统的性能。为了避免和现有的这些窄带通信系统相干扰，人们急需设计一种具有阻带特性的超宽带天线。

目前，实现具有阻带特性的超宽带天线的方法主要有以下几种：第一，在辐射贴片的中心沟槽处放置寄生条带；第二，在辐射贴片的背面使用微带线谐振器结构；第三，在辐射贴片上开π形沟槽，并在其中嵌入变容二极管，实现陷波的频率捷变特性。然而，所述前两种方法产生的陷波无法移动，第三种方法只能实现单陷波的可调。而实现双陷波可调需要克服两个变容二极管之间的相互影响，这一问题目前还没有得到良好的解决。因此，设计一种可以实现双陷波互不干扰可调的超宽带天线成为目前天线设计研究中的一个热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，该天线可以产生两个陷波，并通过两个变容二极管实现两个陷波工作频率互不干扰的调节，提高了该天线应用的灵活性和安全性，使得其在军事、民用领域的应用范围得到了大幅度提升。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，该天线包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、“U”形金属条带、寄生条带结构、接地板、同轴电缆、金属带线及焊盘；

所述介质基板上表面的靠上端部分紧贴设置有辐射贴片，所述辐射贴片上开有“凸”字形沟槽，且“凸”字形沟槽内设置有寄生条带结构；所述介质基板上表面的靠下端部分紧贴设置有微带馈线，所述微带馈线的一端与辐射贴片连接，另一端与同轴电缆的内芯连接；所述介质基板下表面的靠上端部分紧贴设置有“U”形金属条带；所述介质基板下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板，所述接地板靠上边缘中心处设置有矩形凹槽。

进一步，所述“U”形金属条带的一侧为交指结构，另一侧条带分为上下两部分，且条带的上、下两部分通过变容二极管连接；所述“U”形金属条带用于产生工作在WLAN频段附近的高频陷波；所述变容二极管用于对该高频陷波的工作频率进行调节；所述交指结构用于降低该高频陷波的工作频率。

进一步，所述寄生条带结构包括寄生条带和一个变容二极管，寄生条带分为上、下两部分对称结构，且寄生条带的上、下两部分通过一个变容二极管连接；所述寄生条带用于产生工作在WiMAX频段附近的低频陷波；所述变容二极管用于对该低频陷波的工作频率进行调节。

进一步，所述金属带线及焊盘包含金属带线、焊盘铜片；金属带线与其中一个焊盘铜片相连接，两个焊盘铜片之间通过电感进行连接；所述金属焊盘通过稳压源向变容二极管提供偏置电压。

进一步，所述同轴电缆包括内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与微带馈线连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板、接地板的下边缘面接触。

进一步，所述辐射贴片的下边缘采用向下凸出的弧形结构；所述接地板的上边缘采用向上凸出的弧形结构；所述矩形凹槽的长度L8为1.5～1.7mm，宽度W5为2.3～2.5mm。

进一步，所述辐射贴片、接地板和介质基板的宽度均相同。

进一步，所述介质基板长度L为34mm，宽度W为27mm。

进一步，所述金属带线线宽为0.1mm，金属焊盘尺寸为1mm×1mm。

进一步，所述微带馈线的长度L6为14.9～15.1mm，宽度W4为2.3～2.5mm。

本发明提供的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，具有以下有益效果：1)本发明所述天线可以通过调整相应寄生条带的长度，使得低频陷波的-10dB频带达到3.3GHz，涵盖WiMAX频段，高频陷波的-10dB频带达到5.15GHz，涵盖WLAN频段，可用于相应的通信系统中；2)本发明所述天线通过使用变容二极管，可以实现低频陷波中心频率从3.55GHz—4.65GHz的调节，高频陷波中心频率从5.30GHz-6.25GHz的调节，并且两个陷波的调节互不影响，提高了该天线应用的灵活性和安全性；3)本发明所述天线除了有效的实现了频率捷变特性，还具有结构紧凑、简单，易于制造等优势。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述的基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线的整体结构三维视图；

图2为本发明所述的基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线的俯视图；

图3为实施例中c_var1＝0.1pF,c_var2变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

图4为实施例中c_var1＝0.3pF,c_var2变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

图5为实施例中c_var1＝1pF,c_var2变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

图6为实施例中c_var2＝0.2pF,c_var1变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

图7为实施例中c_var2＝0.6pF,c_var1变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

图8为实施例中c_var2＝2pF,c_var1变化时VSWR参数随频率变化的曲线图；

其中，1为介质基板，2为辐射贴片，3为微带馈线，4为“U”形金属条带，5为寄生条带结构，6为接地板，7为同轴电缆，8为金属带线及焊盘。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线的整体结构三维视图，如图1所示：一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，包括介质基板1、辐射贴片2、微带馈线3、“U”形金属条带4、寄生条带结构5、接地板6、同轴电缆7和金属焊线及焊盘8；所述介质基板1上表面的靠上端部分紧贴设置有辐射贴片2，所述辐射贴片2上开有“凸”字形沟槽，且“凸”字形沟槽内设置有寄生条带结构5；所述介质基板1上表面的靠下端部分紧贴设置有微带馈线3，所述微带馈线3的一端与辐射贴片2连接，另一端与同轴电缆7连接；所述介质基板1下表面的靠上端部分紧贴设置有“U”形金属条带4；所述介质基板1下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板6，所述接地板6靠上边缘中心处设置有矩形凹槽。该矩形凹槽与微带馈线具有良好的耦合作用，使得天线在整个UWB频段具有良好的驻波特性。

所述“U”形金属条带4，一侧采用交指结构，另一侧条带分为上下两部分，且条带的上、下两部分之间依靠变容二极管连接。所述“U”形金属条带用于产生工作在WLAN频段附近的高频陷波；所述交指结构可以降低该高频陷波的工作频率；所述变容二极管用于对该高频陷波的工作频率进行调节。变容二极管采用Aeroflex公司的MGV-125-22型号，其损耗电阻(1.28Ω)很小，两端可加载的直流偏置电压范围2-20V，相应容值范围(c_var2)2～0.2pF。

所述寄生条带结构5包括寄生条带和一个变容二极管，寄生条带分为上、下两部分对称结构，且寄生条带的上、下两部分通过一个变容二极管连接。所述寄生条带用于产生工作在WiMAX频段附近的低频陷波；所述变容二极管用于对该低频陷波的工作频率进行调节。变容二极管采用Aeroflex公司的MGV-125-20型号，其损耗电阻(1.75Ω)很小，两端可加载的直流偏置电压范围2-20V，相应容值范围(c_var1)1～0.1pF，通过一个变容二极管即可实现对寄生条带产生陷波的调节。

所述同轴电缆7包括内芯、介质层和外导体，所述内芯裸露部分为半圆柱体并与微带馈线3连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板1、接地板6的下边缘面接触。

所述金属带线及焊盘8包含金属带线、焊盘铜片，金属带线与其中一个焊盘铜片相连接，两个焊盘铜片之间通过电感进行连接。其余金属焊盘与邻近金属条带之间也用相同电感进行连接。金属焊盘用于通过稳压源向变容二极管提供偏置电压，所用电感数值为33nH。

金属带线线宽为0.1mm，金属焊盘尺寸为1mm×1mm。

所述辐射贴片2的下边缘采用向下凸出的弧形结构，所述接地板6的上边缘采用向上凸出的弧形结构，弧形结构的采用是为了提高阻抗匹配的效果。矩形凹槽的长度L8为1.5～1.7mm，宽度W5为2.3～2.5mm。

介质基板上表面紧贴微带馈线，微带馈线为条形；微带馈线两端分别连接辐射贴片底部与同轴电缆裸露的内芯。介质基板为薄长方体形基板，其长度L为34mm，宽度W为27mm，厚度H为0.787mm，材料选用了The Rogers Duroid 5880，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.009。

辐射贴片、接地板和介质基板的宽度均相同。

接地板、微带馈线、辐射贴片、寄生条带、“U”形金属条带均为厚度相同的覆铜薄膜。

所述微带馈线的长度L6为14.9～15.1mm，宽度W4为2.3～2.5mm。

完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：

参照附图2，L代表介质基板的长度；W代表介质基板的宽度；L1代表辐射贴片的长度(不含向下凸出部分)；L2代表“凸”字形沟槽的总长度；L5代表“凸”字形沟槽底部所用半椭圆形短轴长度的一半；L6代表接地板的长度(含向上凸出部分)；L7代表接地板的长度(不含向上凸出部分)；L8代表矩形凹槽的长度；L9代表“凸”字形沟槽两侧凸出矩形的长度；W3代表“凸”字形沟槽上端凸出矩形的宽度；W4代表微带馈线的宽度；W5代表矩形凹槽的宽度；W6代表“凸”字形沟槽两侧突出矩形的宽度；H代表介质基板厚度；h代表接地板、微带馈线、辐射贴片、寄生条带、“U”形金属条带的厚度。

表1 本发明各参数最佳尺寸表

参数	尺寸(mm)
		L	34

L1	18.0
		L2	17.9
L5	1.6
		L6	15.0
L7	9.5
		L8	1.75
L9	7.2
		L10	17.65
W	27
		W3	7.5
W4	2.4
		W5	2.4
W6	5.0
		W7	1.5
W8	20
		H	0.787
h	0.017

依照上述参数，使用HFSS对所设计的基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线的电压驻波比VSWR特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：

图3至图8为本发明的一个变容二极管电容值不变，另一个电容值变化时天线的VSWR参数随频率变化的曲线图。在VSWR<2的条件下，该天线满足UWB频段对于3.1GHz-10.6GHz的频段要求。当介质基板正面的变容二极管的电容值(c_var1)从0.1pF增加到1pF时，低频陷波的中心频率从4.65GHz减小到3.55GHz，如图6至图8所示。当介质基板背面的变容二极管的电容值(c_var2)从0.2pF增加到2pF时，高频陷波的中心频率从6.25GHz减小到5.30GHz，如图3至图5所示。并且通过图的对比可以发现，在不同情况下两个陷波工作频率之间均可以实现互不干扰的调节。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：该天线包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、“U”形金属条带、寄生条带结构、接地板、同轴电缆、金属带线及焊盘；

所述介质基板上表面的靠上端部分紧贴设置有辐射贴片，所述辐射贴片上开有“凸”字形沟槽，且“凸”字形沟槽内设置有寄生条带结构；所述介质基板上表面的靠下端部分紧贴设置有微带馈线，所述微带馈线的一端与辐射贴片连接，另一端与同轴电缆的内芯连接；所述介质基板下表面的靠上端部分紧贴设置有“U”形金属条带；所述介质基板下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板，所述接地板靠上边缘中心处设置有矩形凹槽；所述“U”形金属条带的一侧为交指结构，另一侧条带分为上下两部分，且条带的上、下两部分通过变容二极管连接；所述“U”形金属条带用于产生工作在WLAN频段附近的高频陷波；所述变容二极管用于对该高频陷波的工作频率进行调节；所述交指结构用于降低该高频陷波的工作频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述寄生条带结构包括寄生条带和一个变容二极管，寄生条带分为上、下两部分对称结构，且寄生条带的上、下两部分通过一个变容二极管连接；所述寄生条带用于产生工作在WiMAX频段附近的低频陷波；所述变容二极管用于对该低频陷波的工作频率进行调节。

3.根据权利要求2所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述金属带线及焊盘包含金属带线、焊盘铜片；金属带线与其中一个焊盘铜片相连接，两个焊盘铜片之间通过电感进行连接；所述金属焊盘通过稳压源向变容二极管提供偏置电压。

4.根据权利要求3所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述同轴电缆包括内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与微带馈线连接；所述介质层、外导体的横截面与介质基板、接地板的下边缘面接触。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片的下边缘采用向下凸出的弧形结构；所述接地板的上边缘采用向上凸出的弧形结构；所述矩形凹槽的长度L8为1.5～1.7mm，宽度W5为2.3～2.5mm。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片、接地板和介质基板的宽度均相同。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述介质基板长度L为34mm，宽度W为27mm。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述金属带线线宽为0.1mm，金属焊盘尺寸为1mm×1mm。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于变容二极管的双陷波可调的超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线的长度L6为14.9～15.1mm，宽度W4为2.3～2.5mm。