CN104916907A

CN104916907A - 具有三带阻特性的超宽带单极子天线

Info

Publication number: CN104916907A
Application number: CN201510239983.9A
Authority: CN
Inventors: 金杰; 张强; 刘青爽; 李茜
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种具有三带阻特性的超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述接地板开设有矩形槽，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有相互连接的馈电网络和辐射贴片，所述辐射贴片上刻蚀有倒I形槽、倒U形槽和十字形槽；所述馈电网络由微带线构成。本发明该天线在3.3-4.29GHz及5.15-6.0GHz两个频段产生带阻特性，其能有效地抑制WiMAX无线通信(有效工作频段为3.3-3.7GHz)、C波段卫星通信(下行频段为3.7-4.2GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)无线应用等这三个窄带系统对超宽带系统产生的干扰，该天线尺寸小、结构简单、易于制作，适于无线通信系统及设备。

Description

具有三带阻特性的超宽带单极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体的说，是涉及一种具有多带阻特性的超宽带单极子天线。

背景技术

在过去的几十年中，无线通信发展迅速，前景广阔，受到了广泛关注。其中，超宽带技术及其通信系统由于其在无线通信中的重要性，及其具有如高数据率、低损耗、经济实用、低复杂性等其他窄带通信系统无可比拟的优势，一直是通信领域研究的重要课题。但是，随着无线通信的快速发展和各种应用的出现，频带资源的紧张、频带利用率低、工作带宽窄、不同设备或天线的工作频带发生重叠等问题也同样不能忽视，这都影响到天线的可靠性和无线通信系统的实用性。

2002年，美国联邦通信委员会(FCC)发布了新的宽带通信系统规范，目的是缓解频带资源的紧张以及应对高速通信的需求，将3.1-10.6GHz频段分配给民用超宽带通信使用，宽带及超宽带技术将广泛用于工业、医学、民用生活等领域。在宽带及超宽带系统中，天线的小型化、低成本、制作简单化、易于集成等特点将作为评价天线实用性和性价比的标准。相应的，所设计的可穿戴天线也要努力满足宽带通信的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有三带阻特性的超宽带单极子天线，该天线在3.3-4.29GHz及5.15-6.0GHz两个频段产生带阻特性，其能有效地抑制WiMAX无线通信(有效工作频段为3.3-3.7GHz)、C波段卫星通信(下行频段为3.7-4.2GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)无线应用等这三个窄带系统对超宽带系统产生的干扰。该天线尺寸小、结构简单、易于制作，适于无线通信系统及设备，是近年来电磁领域、可穿戴设备领域研究的研究热点，有极大的发展前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

具有三带阻特性的超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述接地板开设有矩形槽，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有相互连接的馈电网络和辐射贴片，所述辐射贴片上刻蚀有倒I形槽、倒U形槽和十字形槽；所述馈电网络由微带线构成。

所述倒I形槽、倒U形槽和十字形槽的槽宽分别为0.5mm,1mm，1mm。

所述介质基板由环氧树脂材料制成。

所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。

所述介质基板的厚度为1.6mm。

所述介质基板的长和宽分别为20mm和25mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明天线的辐射贴片上刻蚀有倒I形槽、倒U形槽和十字形槽，这三个槽的形状结构可以极大的改变贴片上电流的分布特性，不仅可以提高高频，在中频产生相互影响的互补作用，即调谐中频，还可以在低频附近产生所需要的陷波特性，该天线的频带利用率较高，能完全覆盖3.1-10.6GHz的超宽带范围。此外，还可以通过调节开槽的长度、宽度及这三个开槽间的距离，对所要抑制的频段进行调节。

2.本发明天线经过仿真分析，得到该天线带宽为3.1-10.81GHz，在3.3-4.29GHz及5.15-6.0GHz频段产生带陷特性，除了这两个频段，天线在有效带宽内回波损耗小于-10dB，电压驻波比VSWR<2。在3.3-4.29GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WiMAX(有效工作频段为3.3-3.7GHz)及C波段卫星通信(有效工作频段为3.7-4.2GHz)这两个窄带系统对超宽带系统产生的干扰；在5.15-6.0GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WLAN(有效工作频段为5.15-5.825GHz)无线应用等窄带系统对超宽带系统产生的干扰，从而提高了该天线的实用性。

3.本发明天线采用微带线作为馈电网络，是基于微带线馈电的典型结构设计得到一种新颖的、小型化的超宽带天线；并且具有良好的辐射性能，满足了超宽带系统对天线设计的要求。

附图说明

图1是本发明天线的俯视结构示意图。

图2是本发明天线的侧视结构示意图。

图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。

图4是本发明天线中辐射贴片在不同开槽状态下的回波损耗仿真结果。

图5是本发明天线其接地板有、无矩形开槽时的回波损耗对比图。

图6a、图6b、图6c和图6d为本发明天线分别在3.2GHz、6.2GHz、8.2GHz和10.2GHz四个频率处的辐射方向图。

附图标记：1-接地板2-介质基板3-馈电网络4-辐射贴片5-倒I形槽6-倒U形槽7-十字形槽8-矩形槽

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和图2所示：一种具有三阻带特性的超宽带单极子天线，包括接地板1、介质基板2、馈电网络3和辐射贴片4，接地板1是与介质基板2等宽度的窄矩形结构，且接地板1上开设有矩形槽8，介质基板2由常用的FR4(环氧树脂)板材料做成，其相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在长、宽、高分别为20mm、25mm和1.6mm的介质基板2上，其中接地板1印制于介质基板2的一侧，介质基板2的另一侧印制有馈电网络3和辐射贴片4，馈电网络3由微带线构成，馈电网络3和辐射贴片4相互连接，辐射贴片4上刻蚀有倒I形槽5、倒U形槽6和十字形槽7。本发明天线采用侧馈方式，输入阻抗为50欧姆。

如图3所示：该图表示的是本发明天线经过优化设计后的具体尺寸参数，单位均为毫米，其中倒I形槽、倒U形槽和十字形槽的槽宽分别为0.5mm、1mm、1mm，介质基板2的厚度为1.6mm。

如图4所示：

(1)只有十字形和倒I形槽时，天线的带宽为3.3-10.6GHz,在3.6-4.8GHz及6.6-7.4GHz两个频段有陷波特性，不能得到理想的阻带，牺牲了6.6-7.4GHz的可用频带，且最低频率为3.3GHz,达不到超宽带要求的3.1GHz。

(2)只有十字形和倒U形槽时，天线的带宽为3.7-10.82GHz,在4.6-5.75 GHz及6.2-7.7GHz两个频段有陷波特性，不能屏蔽WiMAX及C波段窄带信号的干扰，造成6.2-7.7GHz频段不可用，且不能覆盖3.1-10.6GHz的超宽带要求范围。

(3)只有倒U形和倒I形槽时，天线的带宽为3.15-10.15GHz,在3.3-4.4GHz及5.0-7.5GHz两个频段有陷波特性，在期望的频段内有陷波特性，但频带利用率低，牺牲了部分频段资源，且不能覆盖3.1-10.6GHz的超宽带范围。

(4)同时带有十字形、倒U形及倒I形开槽时，天线的带宽为3.1-10.81GHz,在3.3-4.29GHz及5.15-6.0GHz频段有陷波特性，同时包含了所要抑制的3.3-3.7GHz、3.7-4.2GHz和5.15-5.825GHz三个频段。符合设计目的及要求，频带利用率较高，能完全覆盖3.1-10.6GHz的超宽带范围。可见，当天线同时具有以上三个相距较近的不同形状及宽度的开槽时，该三个开槽的结构可以极大的改变贴片上电流的分布特性，不仅可以提高高频，在中频产生相互影响的互补作用，即调谐中频，还可以在低频附近产生所需要的陷波特性；开槽的位置、槽间距等对天线频带产生影响，当不同槽形相结合时，会使天线阻带发生偏移，原因是开槽结构能使贴片上电流分布不均匀、不规则，且不同开槽产生的效果相互耦合、相互影响。另外，可以通过调节开槽的长度、宽度及开槽的间距，对所要抑制的频段进行调节。

经过仿真分析，可知本发明天线的带宽为3.1-10.81GHz，在3.3-4.29GHz及5.15-6.0GHz频段产生带陷特性，除了这两个频段，天线在有效带宽内回波损耗小于-10dB，电压驻波比VSWR<2。在3.3-4.29GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WiMAX(有效工作频段为3.3-3.7GHz)及C波段卫星通信(有效工作频段为3.7-4.2GHz)这两个窄带系统对超宽带系统产生的干扰；在5.15-6.0GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WLAN(5.15-5.825GHz)无线应用等窄带系统对超宽带系统产生的干扰，从而提高了该天线的实用性。

由图4还可以看出，在除了带陷频段的有效带宽内，本发明天线的回波损耗均在-10dB以下，在4.7、8.3、10.3GHz频点处甚至达到了-18、-21.5、-27.5dB,达到了良好的阻抗匹配。

由图5可以看出：当本发明天线的接地板1无矩形槽8时，天线低频处谐振度较好，阻抗匹配良好，但高频部分性能恶化，且此时天线的阻带相比理想的阻带发生了偏移；当天线的接地板有矩形槽8时，得到了理想的阻带。可见，可通过接地板的矩形开槽来调谐天线，能适宜地降低低频、提高高频，克服理想阻带的偏移，使其达到良好的阻抗匹配。

由图6a至图6d可知，天线在E面和H面的辐射方向图分别呈近似倒“8”字形及接近全向辐射的特性；其中E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面。

Claims

1.具有三带阻特性的超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述接地板开设有矩形槽，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有相互连接的馈电网络和辐射贴片，所述辐射贴片上刻蚀有倒I形槽、倒U形槽和十字形槽；所述馈电网络由微带线构成。

2.根据权利要求1所述的具有三带阻特性的超宽带单极子天线，其特征在于，所述倒I形槽、倒U形槽和十字形槽的槽宽分别为0.5mm,1mm，1mm。

3.根据权利要求1所述的具有三带阻特性的超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板由环氧树脂材料制成。

4.根据权利要求1或3所述的具有三带阻特性的超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为4.4，其介电损耗正切值为0.02。

5.根据权利要求1或3所述的具有三带阻特性的超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为1.6mm。

6.根据权利要求1或3所述的具有三带阻特性的超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的长和宽分别为20mm和25mm。