CN104901003B

CN104901003B - 一种具有带阻特性的uwb天线

Info

Publication number: CN104901003B
Application number: CN201510263997.4A
Authority: CN
Inventors: 杨慧春; 毕战红; 张震
Original assignee: CENTURY COLLEGE BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS
Current assignee: CENTURY COLLEGE BEIJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: CN104901003A

Abstract

本发明提供了一种具有带阻特性的UWB天线，包括介质基板，所述介质基板的第一表面设置有辐射单元、馈电结构和共面金属地板，所述辐射单元与所述馈电结构相连；在所述介质基板的第二表面上第一区域设置有第一微带谐振器；在所述介质基板的第二表面上第二区域设置有第二微带谐振器；所述第一微带谐振器和所述第二微带谐振器分别通过金属连接部件与所述共面金属地板相连。本发明可以实现对预设频率范围内的陷波特性，并通过控制所述微带谐振器的谐振长度可方便地控制阻带的中心频率，具有设计方便、易于加工、成本低、结构简单紧凑，小型化和便于与有源电路集成的优点。

Description

一种具有带阻特性的UWB天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域的超宽带天线，尤其涉及一种具有带阻特性的UWB天线。

背景技术

近年来随着现代微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带(UWB)无线技术开始民用化。UWB具有超强无线设备连接能力，而且拥有高性能、低功耗和低成本的优势，成为富有竞争力的技术之一。近年来对应用在短距离无线通信的天线研究比较多，出现了很多新形式的UWB天线。

现在的研究主要集中于能够实现全向辐射的UWB天线，其主要种类为微带天线、微带缝隙天线及平板单极天线。UWB信号的频段规定为3.1GHz～10.6GHz，但这一通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15GHz～5.35GHz的IEEE802.11和5.75GHz～5.85GHz的HiperLAN/2，这两种系统与UWB系统之间可能会形成干扰。

目前公开的一种实现方案是通过在天线后端额外添加滤波器从而达到滤除干扰频段信号的功能，但是这样是以增加天线的体积和重量为代价。因此，现有的技术问题是如何在不额外增加滤波器的情况下，通过改善UWB天线自身的结构特点来实现窄频带内的带阻特性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的解决方案是提供一种具有带阻特性的UWB天线(以下简称带阻UWB天线)，其结构简单、便于有源电路集成、成本低、易于加工。本发明通过加载技术引入微带谐振器实现UWB在窄频带内的带阻特性。

本发明的具有带阻特性的UWB天线，包括：介质基板，所述介质基板的第一表面从上至下依次设置有辐射单元、馈电结构和两块共面金属地板，所述两块共面金属地板左右对称的分布于所述馈电结构的两侧，所述馈电结构与所述辐射贴片相连；

在所述介质基板的第二表面上第一区域设置有第一微带谐振器；在所述介质基板的第二表面上第二区域设置有第二微带谐振器；所述第一微带谐振器和所述第二微带谐振器分别通过连接部件与所述共面金属地板相连；所述第一微带谐振器和第二微带谐振器沿着UWB天线的中轴线左右对称分布。

优选地，所述第一区域和第二区域分别为所述第一表面的共面波导在第二表面上对应的区域；

其中，所述共面波导为所述馈电结构与所述共面金属地板形成的两条缝隙形状的结构。

优选地，所述微带谐振器包括：矩形的第一金属贴片、矩形的第二金属贴片和矩形的第三金属贴片；

所述第一金属贴片的长度、第二金属贴片的长度和第三金属贴片的长度均不同；

所述第一金属贴片的宽度、第二金属贴片的宽度和第三金属贴片的宽度均不同；

所述第三金属贴片的一侧面连接所述第一金属贴片的一端，所述第三金属贴片的另一侧面连接所述第二金属贴片的一端；

所述第三金属贴片与所述第一金属贴片、第二金属贴片形成“┥”型的结构。

优选地，所述“┥”型的结构为一体成型结构。

优选地，所述辐射单元为金属的辐射贴片。

优选地，所述共面金属地板为梯形金属地板。

优选地，所述馈电结构为内嵌式馈电线。

优选地，所述辐射贴片的形状为矩形、扇形、椭圆形、圆形、圆环形或梯形。

优选地，所述连接部件的材料为金属。

优选地，所述辐射单元、馈电结构的材料均为铜。

本发明提供的具有带阻特性的UWB天线，采用平面单极结构，通过在单片介质基板一面上设置辐射单元、馈电结构和共面金属地板，在介质基板另一面加载金属贴片作为微带谐振器，实现了WLAN频段的带阻功能，并通过控制加载金属贴片的谐振长度可方便地控制阻带的中心频率，具有设计方便、易于加工、成本低、结构简单紧凑，小型化和便于与有源电路集成的优点。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的带阻UWB天线的正面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的带阻UWB天线的背面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的带阻UWB天线的正面尺寸标注示意图；

图4为本发明实施例提供的带阻UWB天线的背面尺寸标注示意图；

图5为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线的端口电压驻波比随频率的变化示意图；

图6a至图6d为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线在3.1GHz、10.6GHz时辐射特性示意图；

图7a至图7d为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线在5.25GHz、5.8GHz时辐射特性示意图；

图8为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的 UWB天线的频率与增益关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。需要说明的是，附图中的阴影图案仅为了说明各不同部件的结构，并不用来限制部件的材质。

实施例1

图1为本发明一个实施例提供的带阻UWB天线的正面结构示意图；图2为本发明一个实施例提供的带阻UWB天线的背面结构示意图，其中虚线范围内的图案表示带阻UWB天线的正面的各部件在背面的相应位置，并非实际结构，也不用来限制部件的材质。如图1和图2所示，本实施例中的带阻UWB天线，包括介质基板1，所述介质基板1的第一表面从上至下依次设置有辐射单元2、馈电结构3和两块共面金属地板4，所述两块共面金属地板4左右对称的分布于所述馈电结构3的两侧，所述馈电结构3与所述辐射单元2相连；在所述介质基板1的第二表面上第一区域设置有第一微带谐振器51；在所述介质基板1的第二表面上第二区域设置有第二微带谐振器52；所述第一微带谐振器51和所述第二微带谐振器52分别通过连接部件6，与所述共面金属地板1相连；所述第一微带谐振器51和第二微带谐振器52的形状相同，且此二者沿着UWB天线的中轴线7左右对称分布。

本实施例的带阻UWB天线可以实现对预设频率范围内的陷波特性，结构简单、易于加工、成本低，便于与有源电路的集成。

实施例2

本实施例与实施例1中提供的带阻UWB天线的结构相似，其不同之处在于，如图1和图2所示，所述第一区域和第二区域分别为所述第一表面的共面波导8在第二表面上对应的区域，其中，共面波导8为所述馈电结构3与所述共面金属地板4形成的两条缝隙形状的结构，馈电结构3即作为共面波导的导带，共面金属地板4作为共面波导的地。

如图2所示，第一微带谐振器51和第二微带谐振器52的形状相同，在天线上以中轴线7为基准左右对称分布，下面以左边的第一微带谐振器51为例，说明谐振器的结构：

第一谐振器51包括：矩形的第一金属贴片5-a、矩形的第二金属贴片5-b和矩形的第三金属贴片5-c；

所述第一金属贴片5-a的长度、第二金属贴片5-b的长度、第三金属贴片5-c的长度均不同；

所述第一金属贴片5-a的宽度、第二金属贴片5-b的宽度、第三金属贴片5-c的宽度均不同；

所述第三金属贴片5-c的一侧面连接所述第一金属贴片5-a的一端，所述第三金属贴片5-c的另一侧面连接所述第二金属贴片5-b的一端；

所述第三金属贴片5-c与所述第一金属贴片5-a、第二金属贴片5-b形成“┥”型的结构。

辐射单元2为金属的辐射贴片,其形状可以为矩形、扇形、椭圆形、圆形、圆环形或梯形，本实施例不限定实际的结构，可根据实际需求配置。图1中示出的辐射贴片2为矩形辐射贴片，材料可选为铜；共面金属地板4的形状为梯形便于UWB天线的阻抗匹配，使天线的带宽得以有效展宽，其材料可选为铜；连接部件6的为金属连接部件，例如短路销钉，其作用是连接加载的金属贴片5与共面金属地板4。

作为本实施例的优选，馈电结构3为内嵌式馈电线，其材料可选为铜；在实际应用中，辐射贴片2、内嵌式馈电线3和共面金属地板4均可采用金属印刷工艺设置于介质基板1上。

第三金属贴片5-c与第一金属贴片5-a、第二金属贴片5-b形成的“┥”型结构为一体成型结构。因此，以下将第一金属贴片5-a、第二金属贴片5-b、第三金属贴片5-c分别称为金属贴片5的5-a部分、5-b 部分和5-c部分,三者统称为金属贴片5。

本实施例中，可通过公式计算金属贴片5的部分边长，即由5-a部分的长La与5-c部分的宽Wc及由5-b部分的长Lb与5-c部分的宽Wc所组成的“L”型边长，作为微带谐振器的谐振长度，其中,ε_r是介质基板的相对介电常数，而λ₀是阻带的中心频率f₀对应的波长，因此通过控制加载金属贴片5的谐振长度可控制阻带的中心频率。图3为本发明实施例提供的带阻UWB天线的正面尺寸标注示意图；图4为本发明实施例提供的带阻UWB天线的背面尺寸标注示意图。如图3所示，本实施例中选择的介质基板1为普通FR4板，相对介电常数为ε_r＝4.4，介质基板1的大小为35mm×26mm×0.6mm，内嵌式馈电线3的宽度为WL＝1.4mm，缝隙宽S＝0.2mm。辐射贴片2和共面金属地板4的梯形窄边之间的间距为h₁＝1mm，图3中带阻UWB天线的其余尺寸见表1。

表1 UWB天线尺寸

参数	尺寸mm	参数	尺寸mm
				9	Wt	2.4
	16	h	9
				26		26

如图4所示，本实施例中加载金属贴片5的5-a、5-b和5-c三部分尺寸如下：

5-a部分的长度La＝6.9mm宽度Wa＝0.4mm，5-b部分的长度L_b＝6.4mm宽度W_b＝0.5mm，金属贴片5的5-c部分的长度Lc＝0.6mm宽度W_c＝1.1mm；5-a部分与中轴线7间距为0.9mm，5-b 部分与中轴线7间距为0.85mm，5-c部分和5-b部分的内边沿对齐,短路销钉6的直径为0.3mm，其中心与5-c部分的中心重合，且与梯形的短边距离为D2＝7.7mm。

本实施例设置的阻带的频率范围为5.15GHz～5.35GHz和5.75GHz～5.85GHz。为在阻带的中心频率为5.25GHz和5.8GHz时实现阻带特性，设置加载贴片5的谐振长度分别为8mm和7.5mm，具体计算过程如下所述。

由上述加载的谐振长度公式：又其中光速c＝3×10⁸。代入公式计算，则：

中心频率f₀＝5.25GHz时，

中心频率f₀＝5.8GHz时，

由于谐振金属边沿的电容效应，实际的谐振长度比计算的结果小，经过调整，在5.25GHz和5.8GHz实现阻带特性，金属贴片5的谐振长L约为8mm和7.5mm，即：

W_c+L_a＝6.9+1.1＝8mm，约为5.25GHz的四分之一等效介质波长；

W_c+L_b＝6.4+1.1＝7.5mm，约为5.8GHz的四分之一等效介质波长。

金属贴片5作为微带谐振器，使上述特定频率电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡，以起到带阻作用。

由于辐射贴片2与共面金属地板4之间的距离影响天线的输入阻抗，因此，可以通过控制辐射单元2与共面金属地板4之间的距离可控制所述带阻UWB天线的驻波比带宽。

图5为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线的端口电压驻波比随频率的变化示意图。如图5所示，未加载金属贴片的UWB天线在3.1～10.6GHz频段内，驻波比均保持在2以下，所以在WLAN频段上并没有带阻特性。本带阻UWB天线的驻波比在5.15～5.35GHz和5.75～5.85GHz的频率范围内驻波比大于2，在其余的3.1～10.6GHz频带内，驻波比均小于2，表明本带阻UWB天线具有良好的带阻特性，排除了WLAN5.2GHz/5.8GHz系统所产生的干扰的特性。

图6a至图6d为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线在3.1GHz、10.6GHz时辐射特性示意图，其中图6a、6b分别为3.1GHz时，两种天线E面辐射方向图、H面辐射方向图，图6c、6d分别为10.6GHz时，两种天线E面辐射方向图、H面辐射方向图。如图6a至图6d所示，带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线在3.1GHz、10.6GHz时的方向图具有相似的辐射特性：

当频率为3.1GHz时，方向图均呈现良好的单级天线特性，E面方向图均可以获得接近8字形的方向性，在H面具有近似全向辐射特性；

当频率在10.6GHz时，由于频率升高，零点增多，出现更多的反向电流和横向电流，导致天线的方向图产生一些变形。但总体来讲，两种天线在整个工作频段内均具有良好的近似全面辐射特性，整个频段内方向图变化不大。

图7a至图7d为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线在5.25GHz、5.8GHz时辐射特性示意图，其中图7a、7b分别为在5.25GHz时，两种天线E面辐射方向图、H面辐射方向图；图7c、7d分别为在5.8GHz时，两种天线E面辐射方向图、H面辐射方向图。如图7a至图7d所示，未加载金属贴片的UWB天线和本实施例的带阻UWB天线在5.25GHz、5.8GHz时具有明显不同的辐射特性：

未加载金属贴片的UWB天线在5.25GHz、5.8GHz时，仍呈现良好的单级天线特性，E面方向图获得接近8字形的方向性，在H面具有近似全向辐射特性，表明未加载金属贴片的UWB天线不具有带阻特性；而本实施例提供的带阻UWB天线在5.25GHz、5.8GHz时，E面和H面的辐射特性曲线范围均小于未加载金属贴片的UWB天线，表明其具有良好的带阻特性。

图8为本发明实施例提供的带阻UWB天线和未加载金属贴片的UWB天线的频率与增益关系示意图。如图8所示，未加载金属贴片的UWB天线在3.1～10.6GHz的整个频段上的增益良好且其数值在始终维持在2～5dB范围内未有明显下降，表明其不具有带阻特性；本实施例的带阻UWB天线在3.1～10.6GHz的整个频段上可获得良好的增益，在接近5GHz频段时增益突然下降，并在5.25GHz和5.8GHz时，增益下降到最低点，表明其具有良好的带阻特性。因此，本实施例提供的UWB天线具有排除WLAN频段系统所产生的干扰的特性。

本发明提出的加载UWB天线采用平面单极结构，通过在单片介质基板一面上印刷辐射单元、馈电结构和共面金属地板，在介质基板另一面加载谐振长度为四分之一等效介质波长的金属贴片作为微带谐振器，实现带阻特性。由实施例的实验结果得知，带阻UWB天线在5.15～5.35GHz和5.75～5.85GHz的频率范围内驻波比大于2，在其余的3.1～10.6GHz频带内，驻波比均小于2；在整个频段上都可获得良好增益，并且增益在接近5GHz频段时突然下降，并在5.25GHz和5.8GHz时，增益下降到最低点，表明该带阻UWB天线具有良好的带阻特性。与现有技术相比，本带阻UWB天线重量轻，尺寸小，结构简单、紧凑，加工方便，可大量生产，成本低，可用于电子侦察和电子干扰等超宽频带无线电设备的终端天线，以及可作为短程超宽带通信天线等。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，包括：介质基板，所述介质基板的第一表面从上至下依次设置有辐射单元、馈电结构和两块共面金属地板，所述两块共面金属地板左右对称的分布于所述馈电结构的两侧，所述馈电结构与所述辐射单元相连；

在所述介质基板的第二表面上第一区域设置有第一微带谐振器；在所述介质基板的第二表面上第二区域设置有第二微带谐振器；所述第一微带谐振器和所述第二微带谐振器分别通过连接部件与所述共面金属地板相连；所述第一微带谐振器和第二微带谐振器沿着UWB天线的中轴线左右对称分布；

所述微带谐振器包括：矩形的第一金属贴片、矩形的第二金属贴片和矩形的第三金属贴片；

所述第三金属贴片与所述第一金属贴片、第二金属贴片形成“┥”型的结构；

所述辐射单元为金属材料的辐射贴片。

2.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述第一区域和第二区域分别为所述第一表面的共面波导在第二表面上对应的区域；

3.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述“┥”型的结构为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述共面金属地板为梯形金属地板。

5.根据权利要求1或2所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述馈电结构为内嵌式馈电线。

6.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述辐射贴片的形状为矩形、扇形、椭圆形、圆形、圆环形或梯形。

7.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述连接部件的材料为金属。

8.根据权利要求1所述的具有带阻特性的UWB天线，其特征在于，所述辐射单元、馈电结构的材料均为铜。