CN105098344A

CN105098344A - 机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线

Info

Publication number: CN105098344A
Application number: CN201510559261.1A
Authority: CN
Inventors: 杨锐; 苏赫; 师阿元; 张澳芳; 雷振亚
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-09-06
Filing date: 2015-09-06
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-09-06
Also published as: CN105098344B

Abstract

本发明提出了一种机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，用于解决现有超宽带天线因为陷波特性不可逆和陷波频率不可调造成的功能单一的技术问题，由超宽带天线单元(1)和选择固定在其下表面可拆卸的不同超颖表面(2)组成；超宽带天线单元(1)由第一介质基板(11)、分别印制在第一介质板(11)上下表面的辐射贴片(12)和馈电线(13)组成，辐射贴片(12)中心设有左右对称的复合辐射槽线；超颖表面(2)由第二介质基板(21)和印制在其下表面的T型谐振单元(22)组成，T型谐振单元(22)由不同形式的开口谐振环周期排列而成；本发明具有加工方便、可选择性强的特点，可实现对不同频段的陷波，适用于无线通信等领域。

Description

机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，通过在超宽带天线单元上机械加载不同结构的超颖表面，实现对与其他窄带系统产生信号干扰的电磁波的吸收。

技术背景

早期的超宽带技术主要应用在军事通信、雷达探测以及定位等各项军事领域，自从2002年超宽带频段首次对民用开放，超宽带通信就成为了一个炙手可热的学术界话题。相比较传统的通信技术，超宽带天线具有很多优点，比如工作频宽(3.1-10.6GHz)，频带、传输功率高、抗多径能力强等。但是超宽带频段与WiMAX(3.3-3.69GHz)、WLAN(5.15-5.825GHz)和卫星下行频段(7.25-7.75GHz)等现有的频段产生了重叠，必然会对这些信号产生干扰。

为了避免超宽带信号对其他的频段产生干扰，需要对超宽带通信系统进行改进，使其滤掉可能与已有的窄带系统产生干扰的频段。目前，能使超宽带通信系统具有滤波特性的方式有两种：一种是给超宽带天线单元组合一个带阻滤波器，另一种是采用陷波技术。其中，方式一采用超宽带天线系统加载滤波器的形式，使超宽带天线在特定的频段具有阻带特性，从而滤除某些频段的电磁波；方式二采用陷波技术，在超宽带天线的结构中引入陷波结构，比如：在辐射金属贴片上蚀刻或者在介质基板上印制不同形状的槽线，使超宽天线在相应的频段内具有较大的反射系数，从而使天线在这些频带内不能工作。虽然方式一实现了超宽带天线对某些窄带的滤除，但是大大增加了整个通信系统的成本和复杂度；相对方式一而言，现有的陷波技术更加简单有效，这使得陷波技术得到广泛应用。现有的产生陷波的方法有很多，一种方法是在介质基板上印制“L”形或环形金属贴片，另一种方法是在辐射贴片上蚀刻槽线，如“L”形槽线、“U”形槽线、一字形槽线以及开口谐振环，通过改变超宽带天线的结构，吸收特定频段的电磁波，以实现超宽带天线在特定频段内具有滤波功能。如中国专利申请，申请公告号为CN103441327A，名称为“多陷波超宽带天线”的发明，公开了一种多陷波超宽带天线，该发明通过在介质基板上印制“L”形金属枝节，使超宽带天线在WiMAX和WLAN双频段内呈带阻状态，避免了超宽带天线工作时对已有的窄带系统产生干扰。又如中国专利申请，申请公告号CN104485504A，名称为“一种具有双陷波特性的蓝牙超宽带天线”的发明，公开了一种具有双陷波特性的蓝牙超宽带天线，通过在辐射贴片上蚀刻圆形槽，使超宽带天线达到在WiMAX和蓝牙频段实现陷波。再如XinLiu于2013年在ProgressInElectromagneticsResearchLetters,Vol.43,125–135,发表名称为“TheBandNotchSensitivityofVivaldiAntennaTowardsCSRRs”的文章，在超宽带Vivaldi天线的辐射贴片靠近馈电端蚀刻互补型开口谐振环，使超宽带天线具有陷波特性，从而避免超宽带天线对重叠频段产生干扰。

上述现有技术尽管能够实现超宽带天线的陷波特性，但是这种直接加载的方式都需要根据特定的频率来设计对应的谐振结构，尺寸固定的谐振结构一旦刻蚀到天线的辐射贴片或者印制在介质基板上，破坏了超宽带天线单元的结构，意味着设计成的超宽带天线的陷波特性是确定不可调的，陷波频段是唯一不可变的。一款超宽带天线只能对一个或者两个固定的频段进行陷波，功能单一，当用户需要对其他频段进行陷波时，就需要重新设计谐振结构，重新加工出能对目标频段进行陷波的超宽带天线，这在一定程度影响可陷波的超宽带天线的工程实用。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线。用于解决现有超宽带天线因为陷波特性不可逆以及陷波频率不可调造成的功能单一的技术问题，在保证超宽带天线单元正常工作的前提下，通过机械加载不同超颖表面的方式对不同频段或者多个频段进行陷波。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，包括超宽带天线单元1，其由第一介质基板11、印制在第一介质基板11上表面的辐射贴片12和下表面的馈电线13组成，所述辐射贴片12的中间开设有左右对称的复合辐射槽线，用于实现超宽频带特性，其特征在于：在第一介质基板11的下表面的顶端，选择固定有可拆卸的不同超颖表面2，用于实现一个或多个阻带，该超颖表面2由第二介质基板21和印制在其下表面的T型谐振单元22组成。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述第一介质基板11和第二介质基板21采用相同介电常数的介质材料。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述复合辐射槽线是由指数渐变槽线和与其依次相连的矩形槽线和圆形槽线组成。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述馈电线13是由两段相互垂直的微带线和一个扇形微带短截线连接而成。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述T型谐振单元22是由周期性排列的开口谐振环组成。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述开口谐振环采用单频开口谐振环3、或双频开口谐振环4或三频开口谐振环5，其中单频开口谐振环3是由一个开口外环和一个开口内环嵌套而成；双频开口谐振环4是由一个开口外环和一个复合开口内环嵌套而成；多频开口谐振环5是由一个开口外环、一个开口中环和一个复合开口内环嵌套而成。

上述机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，所述超颖表面2采用第一超颖表面31、或第二超颖表面32、或第三超颖表面33、或第四超颖表面41或第五超颖表面51，其中：

第一超颖表面31，用于对WiMAX频段进行陷波，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22由多个单频开口谐振环3排列而成；

第二超颖表面32，用于对WLAN频段进行陷波，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由多个单频开口谐振环3排列而成，其中竖直部分采用竖向双排排列形式；

第三超颖表面33，用于对卫星下行频段进行陷波，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由多个单频开口谐振环3排列而成，其中竖直部分上半段采用竖向双排排列形式；

第四超颖表面41，用于同时对WiMAX频段和WLAN频段进行陷波，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由多个双频开口谐振环4排列而成；

第五超颖表面51，用于同时对WiMAX频段、WLAN频段以及卫星下行频段进行陷波，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由多个三频开口谐振环5排列而成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明由于采用了外部机械安装的方法，将超颖表面机械安装在超宽带天线单元的背面，与现有的直接在超宽带天线单元印制金属枝节或蚀刻缝隙达到陷波的技术相比，保护了超宽带天线单元的结构，使得超宽带天线单元能够良好的保持其本身的超宽带性能，使超宽带天线具有可逆的陷波特性。

2.本发明采用了在超宽带天线单元背面选择性安装不同超颖表面的方法，实现对不同频段的陷波，与现有的直接在超宽带天线单元印制金属枝节或蚀刻缝隙达到陷波的技术相比，能够通过更换不同超颖表面实现单频段陷波，双频段陷波或者三频段陷波，具有多功能陷波的优点，弥补了现有技术中一款陷波天线只能实现一种单频段陷波或者一种双频段陷波的缺点，使超宽带天线的陷波频率具有方便可调性。

3.本发明采用了在超宽带天线单元背面机械安装超颖表面的方法，具有加工方便，可选择性强等优点，与现有的陷波技术相比，由于超颖表面的强烈耦合作用，谐振频带非常窄，使超宽带天线的陷波特性具有高Q值的特点。

附图说明

图1是本发明的实施例一的整体结构示意图。

图2是本发明的三种开口谐振环的结构示意图；其中，图2(a)是单频开口谐振环，图2(b)是双频开口谐振环，图2(c)是三频开口谐振环。

图3是本发明的五种超颖表面的结构示意图；其中，图3(a)是第一超颖表面的示意图，图3(b)是第二超颖表面的示意图，图3(c)是第三超颖表面的示意图，图3(d)是第四超颖表面的示意图，图3(e)是第五超颖表面的示意图。

图4是本发明超宽带天线单元未加载超颖表面与加载不同结构超颖表面时的VSWR对比图；其中图4(a)-图4(e)分别是超宽带天线单元未加载超颖表面与加载第一超颖表面、第二超颖表面、第三超颖表面、第四超颖表面和第五超颖表面时的VSWR对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

实施例一

参照图1，本发明由超宽带天线单元1和通过非金属连接件固定在其下表面的不同的超颖表面2组成，本实施例的超颖表面2采用第一超颖表面31。其中超宽带天线单元1由第一介质基板11、印制在第一介质基板11上表面的辐射贴片12和下表面的馈电线13组成，所述第一介质基板11采用边长为80mm，厚度为0.6mm，介电常数是4.4的FR4正方形介质板；辐射贴片12采用金属铜材，其中部设有左右对称的复合辐射槽线，该复合辐射槽线由距离第一介质基板11下边沿11mm处的一半径为3.7mm的圆形槽线、与圆形槽线向上依次连接矩形槽线和渐变槽线组成，渐变槽线延伸至第一介质基板11的顶部，渐变槽线顶端开口为60mm。馈电线13位于第一介质基板11的背面，第一介质基板11底部距离右端为26.3mm处为馈电点，连接外部同轴线。从馈电点竖向有长为14mm，宽为0.7mm的微带线，横向依次连接一段长度为14mm,宽度是0.7mm的微带线，馈电线13的终端是圆心角为90度，半径为2.6mm的扇形微带短截线，通过耦合馈电。在第一介质基板11的下表面沿其顶端对齐固定有可拆卸的超颖表面2，超颖表面2是由第二介质基板21和印制在第二介质基板21中部的T型谐振单元22组成，其中第二介质基板21采用厚度是0.2mm，长为80mm,宽为36mm，介电常数是4.4的FR4的矩形介质板，T型谐振单元22是由不同形式的开口谐振环周期排列而成，其纵向对称轴与复合辐射槽线的纵向对称轴重合，开口谐振环的尺寸与谐振频率的关系如下：其中L_total是谐振环的总尺寸，f_notch是陷波频段的中心频率，ε_eff是介质板的介电常数，本实施例采用单频开口谐振环3，其结构如图2(a)所示。

参考图2(a)，单频开口谐振环3，由一个开口内环和一个开口外环嵌套而成，这两个环相互耦合产生一个谐振频率，通过调整内、外环的尺寸来调节所需要的陷波频率。当需要对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)进行陷波时，将开口谐振环3的大小设置如下：内、外环和开口宽度均为d₁，d₁等于0.4mm，外环的外径r₁为3.5mm，内环的外径r₂为2.8mm，内、外环开口互补。

参考图3(a)，超颖表面2采用第一超颖表面31，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由5个相同的单频开口谐振环3周期性地自上至下排列成“T”形，其中横排有3个环，竖排有2个环，相邻环的中心距离的9mm，外环开口向上，内环开口向下。将第一超颖表面31机械加载到超宽带天线单元1的背部，实现对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)的陷波。

实施例二

实施例二与实施例一所采用的超宽带天线单元1的结构相同，仅对组成T型谐振单元22的单频开口谐振环3的尺寸和排列方式作了调整。具体为：

参考图2(a)，当需要对WLAN频段(5.15-5.825GHz)进行陷波时，将开口谐振环3的尺寸设置如下：内、外环宽度，环开口宽度均为d_1，d₁等于0.25mm，外环的外径r₁为2.2mm，内环的外径r₂为1.65mm。

参考图3(b)，所述的超颖表面2采用第二超颖表面32，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由12个相同的单频开口谐振环3组成，竖向为两排且周期性地呈“T”形排列，其中横排有6个，竖向各排有3个，相邻环的中心距离的5mm，外环开口向上，内环开口向下。与实施例一中加载方式相同，将第二超颖表面32机械加载到超宽带天线单元1的背部，实现对WLAN频段(5.15-5.825GHz)的陷波。

实施例三

实施例三与实施例一所采用的超宽带天线单元1的结构相同，仅对组成T型谐振单元22的单频开口谐振环3的尺寸和排列方式作了调整。具体为：

参考图2(a)，当需要对卫星下行频段(7.25-7.75GHz)进行陷波时，将开口谐振环3的尺寸设置如下：内、外环宽度和环开口宽度均为d_1，d₁等于0.2mm，外环的外径r₁为1.69mm，内环的外径r₂为1.24mm。

参考图3(c)，超颖表面2采用第三超颖表面33，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由16个相同的单频开口谐振环3呈“T”形排列，其中横排有4个环，竖直部分上半段采用竖向双排，各排有4个，下半段采用单排排列，有4个，相邻环的中心距离的4mm，外环开口向上，内环开口向下。与实施例一中加载方式相同，将第三超颖表面33机械加载到超宽带天线单元1的背部，实现对卫星下行频段(7.25-7.75GHz)的陷波。

实施例四

实施例四与实施例一所采用的超宽带天线单元1的结构相同，仅对组成T型谐振单元22的开口谐振环的结构和尺寸作了调整，本实施例的开口谐振环采用双频开口谐振环4，其结构如图2(b)所示。

参考图2(b)，双频谐振环4是将单频谐振环3的内、外环距离拉大，使内、外环单独谐振，产生两个不同的谐振频率，通过调整外环的尺寸和增加内环的尺寸来调节这两个频率，将拉大内外环距离的方式是增大外环的半径，同时缩小内环的半径。因为谐振频率和谐振环的尺寸成反比，内环半径减小，其尺寸减小，谐振频率增大。为了能在增大内、外环距离的同时，内环尺寸不减小，将内环向内延伸形成复合内环。需要对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)和WLAN频段(5.15-5.825GHz)同时陷波时，双频开口谐振环4的尺寸设置如下：复合内环和外环宽度及环开口宽度均为d_2，d₂等于0.4mm，外环的外径r₃为3.7mm，复合内环的的大环外径r₄为2.65mm，复合内环的小环外径r₅为1.9mm。

参考图3(d)，超颖表面2采用第四超颖表面41，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由5个相同的双频开口谐振环4组成，排列方式与实施例一相同，相邻环中心距离是8mm，外环开口向上，复合内环开口向下。与实施例一中加载方式相同，将第四超颖表面41机械加载到超宽带天线单元1的背部，实现对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)和WLAN频段(5.15-5.825GHz)同时陷波。

实施例五

实施例五与实施例一所采用的超宽带天线单元1的结构相同，仅对组成T型谐振单元51的开口谐振环的结构和尺寸作了调整，本实施例的开口谐振环采用三频开口谐振环5，其结构如图2(c)所示。

参考图2(c)，三频谐振环5，是在双频谐振环4的基础上嵌套一个开口互补的单环来实现三频谐振，我们通过调整外、中、内环的尺寸来调节这三个频率。需要对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)、WLAN频段(5.15-5.825GHz)以及卫星下行波段(7.25-7.75GHz)同时三频陷波时，三频开口谐振环5的尺寸设置如下：复合内环、中环和外环宽度及环开口宽度均为d₃，d₃等于0.3mm，外环的外径r₆为3.78mm，中环的外径r₇为2.78mm，复合内环的的大环外径r₈为1.73mm，复合内环的小环外径r₉为1.13mm。

参考图3(e)，超颖表面2采用第五超颖表面51，其第二介质基板21下表面印制的T型谐振单元22是由5个相同的三频开口谐振环5组成，排列方式与实施例一相同，相邻环中心距离是8mm，外环开口向上，中环开口向下，复合内环开口向上。与实施例一中加载方式相同，将第五超颖表面51机械加载到超宽带天线单元1的背部，完成对WiMAX频段(3.3-3.69GHz)、WLAN频段(5.15-5.825GHz)以及卫星下行波段(7.25-7.75GHz)同时三频陷波。

以上描述仅是发明的五个具体实施例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真内容：本发明采用ANSOFTHFSS15.0电磁仿真软件进行全波仿真，分别对超宽带天线单元1和超宽带天线单元1加载不同的超颖表面结构后的VSWR进行仿真对比，其结果分别如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)和图4(e)所示，坐标的横轴是超宽频段(3-10GHz)，纵轴表示驻波比(VSWR)，其中实线代表未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR随频率的变化曲线，虚线代表超宽带天线单元1加载超颖表面的VSWR随频率的变化曲线。

2.仿真结果：

参照图4(a)，从仿真结果可以看出，在3.45-4GHz处，加载第一超颖表面31时，其VSWR与未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR相比明显升高，第一超颖表面31能限制天线在此频段辐射电磁波，因此，超宽带天线在此频段具有阻带特性，能够避免超宽带天线与WiMAX频段的其他窄带系统产生干扰。

参照图4(b)，从仿真结果可以看出，在5-5.62GHz处，加载第二超颖表面32时，其VSWR与未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR相比明显升高，第二超颖表面32能限制天线在此频段辐射电磁波，因此，超宽带天线在此频段具有阻带特性，能够避免超宽带天线与WLAN频段的其他窄带系统产生干扰。

参照图4(c)，从仿真结果可以看出，在7.53-7.94GHz处，加载第三超颖表面33时，其VSWR与未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR相比明显升高，第三超颖表面33能限制天线在此频段辐射电磁波，因此，超宽带天线在此频段具有阻带特性，能够避免超宽带天线与卫星下行频段的其他窄带系统产生干扰。

参照图4(d)，从仿真结果可以看出，在3.26-3.46GHz处和5.06-5.6GHz两个频段处，加载第四超颖表面41时，其VSWR与未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR相比明显升高，第四超颖表面41能限制天线在此双频段内辐射电磁波，因此，超宽带天线在此双频段具有阻带特性，能够同时避免超宽带天线与WiMAX频段和WLAN频段的其他窄带系统产生干扰。

参照图4(e)，从仿真结果可以看出，在3-3.64GHz，5.32-5.86GHz和6.9-7.75GHz三个频段，加载第五超颖表面51时，其VSWR与未加载超颖表面的超宽带天线单元1的VSWR相比明显升高，第五超颖表面51能限制天线在此三个频段内辐射电磁波，因此，超宽带天线在此三个频点处具有阻带特性，能够同时避免超宽带天线单元1与WiMAX频段、WLAN频段以及卫星下行频段的其他窄带系统产生干扰。

Claims

1.一种机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，包括超宽带天线单元(1)，其由第一介质基板(11)、印制在第一介质基板(11)上表面的辐射贴片(12)和下表面的馈电线(13)组成，所述辐射贴片(12)的中间开设有左右对称的复合辐射槽线，用于实现超宽频带特性，其特征在于：在第一介质基板(11)的下表面的顶端，选择固定有可拆卸的不同超颖表面(2)，用于实现一个或多个阻带，该超颖表面(2)由第二介质基板(21)和印制在其下表面的T型谐振单元(22)组成。

2.根据权利要求1所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述第一介质基板(11)和第二介质基板(21)采用相同介电常数的介质材料。

3.根据权利要求1所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述复合辐射槽线是由指数渐变槽线和与其依次相连的矩形槽线和圆形槽线组成。

4.根据权利要求1所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述馈电线(13)是由两段相互垂直的微带线和一个扇形微带短截线连接而成。

5.根据权利要求1所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述T型谐振单元(22)是由周期性排列的开口谐振环组成。

6.根据权利要求5所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述开口谐振环采用单频开口谐振环(3)、或双频开口谐振环(4)或三频开口谐振环(5)，其中单频开口谐振环(3)是由一个开口外环和一个开口内环嵌套而成；双频开口谐振环(4)是由一个开口外环和一个复合开口内环嵌套而成；多频开口谐振环(5)是由一个开口外环、一个开口中环和一个复合开口内环嵌套而成。

7.根据权利要求1所述的机械调整超颖表面的多陷波超宽带天线，其特征在于：所述超颖表面(2)采用第一超颖表面(31)、或第二超颖表面(32)、或第三超颖表面(33)、或第四超颖表面(41)或第五超颖表面(51)，其中：

第一超颖表面(31)，用于对WiMAX频段进行陷波，其第二介质基板(21)下表面印制的T型谐振单元(22)由多个单频开口谐振环(3)排列而成；

第二超颖表面(32)，用于对WLAN频段进行陷波，其第二介质基板(21)下表面印制的T型谐振单元(22)是由多个单频开口谐振环(3)排列而成，其中竖直部分采用竖向双排排列形式；

第三超颖表面(33)，用于对卫星下行频段进行陷波，其第二介质基板(21)下表面印制的T型谐振单元(22)是由多个单频开口谐振环(3)排列而成，其中竖直部分上半段采用竖向双排排列形式；

第四超颖表面(41)，用于同时对WiMAX频段和WLAN频段进行陷波，其第二介质基板(21)下表面印制的T型谐振单元(22)是由多个双频开口谐振环(4)排列而成；

第五超颖表面(51)，用于同时对WiMAX频段、WLAN频段以及卫星下行频段进行陷波，其第二介质基板(21)下表面印制的T型谐振单元(22)是由多个三频开口谐振环(5)排列而成。