CN105356042A - 小型双陷波超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型双陷波超宽带天线，用于解决现有陷波超宽带天线体积大的问题；包括介质基板(1)、印制在该介质基板(1)上表面下部纵向轴线上的辐射贴片(2)和下表面的地板(3)；辐射贴片(2)采用阶跃结构，在其两侧对称设置有蘑菇型EBG结构(4)，该蘑菇型EBG结构(4)上蚀刻有曲流弯折缝隙；地板(3)的中间位置设置有宽缝隙，其上部两侧对称蚀刻有四臂螺旋缝隙(31)；蘑菇型EBG结构(4)与地板(3)通过金属化过孔(5)连接。本发明具有尺寸小、频带宽且陷波效果好的特点，可用于超宽带无线通信领域中。

Description

小型双陷波超宽带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种小型双陷波超宽带天线，应用于超宽带无线通信领域。

背景技术

超宽带(Ultra-WideBand,UWB)技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，它实现了短距离内超宽带、高速的数据传输。UWB技术可以应用于智能交通系统、无线传感网、射频标识、成像应用等诸多领域。在美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)将超宽带应用于商业领域后，工作频率为3.1GHz～10.6GHz的通信系统得到了大力的发展。同时，由于现代的消费电子类产品，特别是便携式的无线通信产品，都具有很小的体积和很高的集成度，超宽带天线的小型化设计也成为国内外研究的热点之一。

超宽带系统的通信频段覆盖了3.3GHz～3.7GHz的802.16无线城域网(WiMAX)和5.15GHz～5.35GHz和5.725～5.825GHz的无线局域网(WLAN)等窄带系统频段。由于这些窄带通信系统的存在会对超宽带天线的工作产生一定的干扰，为了减少这些干扰，需要对这些窄带系统的信号进行滤波处理，从而出现了陷波超宽带天线这一天线类型。目前现有的陷波超宽带天线的类型根据陷波频段的不同，主要分为三种类型，分别为单陷波、双陷波和多陷波超宽带天线。通常双陷波超宽带天线主要是在WiMAX频段和WLAN频段实现良好的滤波效果。

为了抑制上述频段的干扰，通常需要在超宽带系统内加入带阻滤波器过滤这些窄频带，这不仅增加了系统的复杂性，也增加了成本。通常我们可以在超宽带天线中引入陷波结构，使得那些窄带系统的频段内有较大的反射系数，从而达到滤波的目的。目前的陷波结构主要有三种类型，(1)在辐射贴片或地板上刻蚀不同形状的缝隙；(2)在天线结构中引入寄生枝节；(3)在辐射贴片上加载SIR的带阻滤波器；其中在天线结构中引入寄生枝节和在辐射贴片上加载SIR的带阻滤波器因为其结构复杂较少采用，目前最常用的是在辐射贴片或地板上刻蚀不同形状的缝隙的结构类型。

例如DesignofaBand-NotchedUWBMonopoleAntennabyMeansofanEBGStructure，MohammadYazdiandNaderKomjani，IEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS,VOL.10,2011中提出了一种具有单陷波的超宽带天线，该天线的辐射单元为一微带馈电的圆形单极子，通过在馈线两侧加载两个普通蘑菇型EBG结构形成了5.15GHz～5.95GHz频段的陷波，天线的整体尺寸为39mm×35mm×1.8mm，这是由于该天线使用了矩形蘑菇形EBG结构，致使天线体积较大。又如《电视技术》2015年第5期页码57-60，“具有双带阻特性的超宽带缝隙天线”文章中，韩曹政、唐晋生提出了一款具有双陷波特性的超宽带缝隙天线，天线的辐射单元为一微带馈电的圆形贴片，在地板上开有半圆和多边形组合而成的宽缝，在馈电点下方的地板上挖一个三角形缺口，形成渐变结构，天线频段范围覆盖3.1GHz～10.6GHz，天线整体尺寸为30mm×30mm×1.6mm，通过在该天线的地板和馈线上分别蚀刻L形和折叠倒U形缝隙，从而形成WiMAX(3.2GHz～3.7GHz)和WLAN(5.0GHz～5.9GHz)两个陷波波段。但其刻蚀缝隙所产生的陷波频段内的电压驻波比较小且体积较大。再如中国专利申请，申请公布号CN104681964A，专利名称为“一种新型的三陷波超宽带天线”的中国专利，就提出了一种三个陷波特性的超宽带天线，该天线的辐射单元为一微带馈电的圆形单极子，由此单极子产生超宽带特性，天线频段范围覆盖3.1GHz～10.6GHz，将三个尺寸不同的L形槽EBG单元分别加载于50欧姆馈线两侧耦合，从而形成WiMAX(3.3GHz～3.6GHz)和WLAN(5.15GHz～5.35GHz和5.725GHz～5.825GHz)三个陷波波段，该天线的整体物理尺寸为42.9mm×34mm×1.6mm，天线体积较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种小型双陷波超宽带天线，在满足天线在WiMAX频段和WLAN频段良好的陷波效果前提下，有效的减小天线的尺寸。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种小型双陷波超宽带天线，包括介质基板1、印制在该介质基板1上表面的辐射贴片2和下表面的地板3；所述辐射贴片2采用阶跃结构，位于介质基板1上表面下部的纵向轴线上；在该辐射贴片2的两侧对称设置有蘑菇型EBG结构4；所述地板3的中间位置设置有宽缝隙，用于改善阻抗匹配特性；在该地板3的上部两侧对称蚀刻有四臂螺旋缝隙31；所述蘑菇型EBG结构4上蚀刻有曲流弯折缝隙，用于实现小型化；该蘑菇型EBG结构4与地板3通过金属化过孔5连接。

上述小型双陷波超宽带天线，辐射贴片2和地板3通过SMA接头相连。

上述小型双陷波超宽带天线，辐射贴片2由矩形贴片21和微带馈线22组成，其中矩形贴片21的上边沿中间位置蚀刻有凹槽，在其下部两个角的位置设置有切角。

上述小型双陷波超宽带天线，蘑菇型EBG结构4采用蚀刻有四个曲流弯折缝隙的正方形结构，该四个曲流弯折缝隙围绕蘑菇型EBG结构4的中心旋转90°排布；在该蘑菇型EBG结构4的中心位置蚀刻有连接孔。

上述小型双陷波超宽带天线，蘑菇型EBG结构4的正方形的边长尺寸和两个蘑菇型EBG结构4之间的间隙尺寸由以下公式确定：

L＝μ₀h

$C=\frac{{\mathrm{W\ϵ}}_0(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{W+g}{g}\right)$

其中，h是介质基板1的高度，ε_r是介质基板1的相对介电常数；W和g分别是蘑菇型EBG结构4边长和两个蘑菇型EBG结构4之间的间隙，L是电感值，C是电容值，ω_陷波是需要陷波的频率。

上述小型双陷波超宽带天线，四臂螺旋缝隙31的单臂缝隙展开长度由以下公式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}$

其中，ε_eff是等效介电常数，c是光速，ε_r是介质基板1的相对介电常数，L_槽是四臂螺旋缝隙31的单臂缝隙展开长度，f_陷波是需要陷波的频率。

上述小型双陷波超宽带天线，金属化过孔5的上端与蘑菇型EBG结构4的连接孔相连。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明的蘑菇形EBG由于采用蚀刻有四个曲流弯折缝隙的正方形结构，该四个曲流弯折缝隙围绕蘑菇型EBG结构的中心旋转90°排布，金属化过孔的上端与蘑菇型EBG结构的连接孔相连，其下端与地板连接，实现了在WLAN频段上的陷波特性，与现有陷波超宽带天线采用加载矩形蘑菇形EBG结构或在矩形蘑菇型EBG结构上蚀刻L形槽实现陷波特性相比，缩小了天线的体积。

(2)本发明由于在地板的上部两侧对称蚀刻有四臂螺旋缝隙，实现了在WiMAX频段上的陷波特性，在辐射贴片的两侧对称设置有蘑菇型EBG结构，实现了在WLAN频段上的陷波特性，与现有通过引入带阻滤波器过滤陷波频段实现陷波特性的结构相比，降低了系统的复杂性和成本。

(3)本发明由于采用通过在地板上方两侧设置四臂螺旋缝隙实现在WiMAX频段上的陷波特性，与现有技术采用的通过在地板上或辐射贴片上蚀刻不同形状缝隙的结构相比，在该频段有着更加良好的陷波效果。

(4)本发明由于在地板中间位置设置有宽缝隙，同时辐射贴片由于采用由矩形贴片和微带馈线组成阶跃结构，且在矩形贴片的上部中间位置蚀刻有凹槽，在其下部两个角的位置设置有切角，保证了天线在较宽的频率范围内均能保持良好的阻抗匹配效果和全向辐射特性，且有稳定的峰值增益。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的俯视图；

图3是本发明的仰视图；

图4是本发明四臂螺旋缝隙的单臂缝隙展开长度示意图；

图5是本发明蘑菇型EBG结构的示意图；

图6是本发明实施例的电压驻波比曲线图；

图7是本发明实施例峰值增益-频率曲线图；

图8是本发明实施例在不同频点的辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例对本发明作进一步解释，应该理解此处描述的具体实施例仅用于对本发明的解释，不视为对本发明的限制。

参见图1，本发明包括介质基板1、辐射贴片2、地板3、蘑菇型EBG结构4和金属化过孔5，其中介质基板1采用介电常数为4.4的FR4矩形板材，其具体尺寸为23.8mm×22mm×1.6mm；辐射贴片2印制在介质基板1上表面下部的纵向轴线上，用于实现对称的辐射方向图以及与地板3通过SMA接头进行可靠的连接，该辐射贴片2采用由矩形贴片21和微带馈线22组成的阶跃结构，用于改善天线的阻抗匹配特性，进而满足其频率范围能够覆盖3.1GHz～10.6GHz；在微带馈线22的两侧对称设置有蘑菇型EBG结构4，本实施例采用在微带馈线22两侧分别对称设置有两个蘑菇型EBG结构4，用于保证在WLAN频段上实现良好的陷波特性，该蘑菇型EBG结构4上蚀刻有曲流弯折缝隙，本实施例采用的蘑菇型EBG结构4是蚀刻有四个曲流弯折缝隙的正方形结构，四个曲流弯折缝隙围绕蘑菇型EBG结构4的中心旋转90°排布，用于缩小蘑菇型EBG结构的尺寸，在该蘑菇型EBG结构4的中心位置蚀刻有连接孔，用于保证在WLAN频段上的陷波特性；地板3印制在该介质基板1的下表面，在地板3的中间位置设置有宽缝隙，本实施例采用的宽缝隙是凸形缝隙，用于进一步改善天线的阻抗匹配特性，该地板3上部两侧对称蚀刻有多个四臂螺旋缝隙31，本实施例采用在地板3上部两侧分别对称蚀刻有一个四臂螺旋缝隙31，用于保证在WiMAX频段上实现良好的陷波特性；蘑菇型EBG结构4中心位置蚀刻的连接孔与地板3通过金属化过孔5连接，产生了一个表面波带隙，从而实现陷波特性。

参见图2，矩形贴片21水平放置在介质基板1上表面的中间位置，其长和宽的尺寸分别为23.8mm和22mm，矩形贴片21的上部中间位置蚀刻有不同形状的凹槽，本实施例采用凹槽的形状为矩形，该矩形凹槽长和宽的尺寸分别为2mm和6mm，在矩形贴片21下部两个角的位置设置有不同形状的切角，本实施例采用切角的形状为矩形，该矩形长和宽的尺寸分别为2.3mm和0.8mm；微带馈线22与矩形贴片21下边沿垂直相连，从而形成阶跃的T形结构，本实施例采用微带馈线22的形状为矩形，其长和宽的尺寸分别为7.3mm和2mm；在微带馈线22的两侧分别对称设置有两个蘑菇型EBG结构4，本实施例采用的蘑菇型EBG结构4位于矩形贴片21下边沿的垂直距离为2.2mm，该距离是用于改善高频段的阻抗匹配特性，其与微带馈线22的水平距离为0.7mm，该距离是用于保证在WLAN频段上的陷波特性，在同一侧的两个蘑菇型EBG结构4之间的间隙距离是由以下公式决定的，该距离是用于调节表面波带隙的中心频率，在本实施例中设定的陷波的频段为3.3GHz～3.7GHz，其中心频率为3.5GHz，经计算出得出其距离为0.3mm。

L＝μ₀h

$C=\frac{{\mathrm{W\ϵ}}_0(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{W+g}{g}\right)$

其中，h是介质基板1的高度，ε_r是介质基板1的相对介电常数；W和g分别是蘑菇型EBG结构4的边长和两个蘑菇型EBG结构4之间的间隙，L是电感值，C是电容值，ω_陷波是需要陷波的中心频率。

参见图3和图4，地板3的长和宽的尺寸分别为22.9mm和22mm，在地板3中间位置设置的宽缝隙由两个大小不同矩形缝隙组成，这两个矩形的纵向轴线重合，其中上部矩形缝隙的长和宽的尺寸分别为6.1mm和10.6mm，下部矩形缝隙的长和宽的尺寸分别为9.8mm和19.6mm；在该地板3的上部两侧对称蚀刻有等臂长的四臂螺旋缝隙31，其单臂的长度由以下公式来决定，本实施例设定的陷波的频段为5.15GHz～5.825GHz，选取的中心频率为5.5GHz，经过计算得出每一条臂展开的长度为10.5mm，为了使得天线的陷波特性更加优良，对其上下两臂缝隙展开的长度进行了优化，其尺寸分别为15.9mm和16.9mm。

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}$

其中，ε_eff是等效介电常数，c是光速，ε_r是介质基板1的相对介电常数，L_槽是四臂螺旋缝隙31的单臂缝隙展开长度，f_陷波是需要陷波的中心频率。

参见图5，蘑菇型EBG结构4采用蚀刻有四个曲流弯折缝隙的正方形结构，该正方形结构的边长尺寸为4.4mm，四个曲流弯折缝隙围绕蘑菇型EBG结构4的中心旋转90°排布，蘑菇型EBG结构4的中心位置蚀刻有连接孔，连接孔的半径为0.3mm，本实施例采用四个曲流弯折缝隙是为了缩小蘑菇型EBG结构4的体积，其排布方式是考虑到同一侧两个蘑菇型EBG结构4相互之间的间隙对于表面波带隙的影响，蚀刻的曲流弯折缝隙是在矩形缝隙中排列有五个相互交叉平行等距的矩形枝节，矩形缝隙的长和宽的尺寸分别为1.45mm和1.95mm，矩形枝节的长和宽的尺寸分别为1.1mm和0.2mm，该矩形枝节是用于增大蘑菇型EBG结构4中的电容，从而缩小蘑菇型EBG结构4的体积，相邻两个矩形枝节之间相距0.2mm，该距离是调节相邻两个矩形枝节相互之间的耦合，从而缩小蘑菇型EBG结构4的体积，第一个矩形枝节的一长边与蘑菇型EBG结构4边沿处重合，其两条短边与其平行的蘑菇型EBG结构4边缘处距离分别为2.8mm和0.5mm，该距离用于进一步的缩小蘑菇型EBG结构4的体积。

为了说明本发明的设计效果，利用基于有限元算法的HFSS软件对本发明进行了辐射特性的模型仿真。

参见图6，本发明的电压驻波比小于等于2的频率范围为2.7GHz～12.32GHz，覆盖了3.1GHz～10.6GHz的超宽带无线通信频带范围，其陷波频段分别在2.89GHz～3.92GHz和5.10GHz～5.98GHz的频段内，实现了在WiMAX频段和WLAN频段上有着良好的陷波特性。

参见图7，本发明结构在WiMAX频段和WLAN频段内，该天线的增益有着显著的降低，这是由于天线引入的四臂螺旋缝隙31和蘑菇型EBG结构4在WiMAX频带与WLAN频带实现了良好的滤波特性,而在其它工作频段范围内，有着较为稳定的增益。

参见图8，本发明提供了4.5GHz、6.5GHz和9GHz几个频点处的天线辐射方向图，由图8(a)可知，本发明在E面上有着类似于单极子的方向图(类“8”字形)，由图8(b)可知，本发明在H面上有着良好的全向性，该天线在整个超宽带的工作频带范围内均有着较为良好的全向辐射特性。

以上仿真结果说明，本发明工作在3.1GHz～10.6GHz的超宽带频段内，同时在WiMAX频带(3.3GHz～3.7GHz)与WLAN频带(5.15GHz～5.825GHz)内有着良好的陷波特性，且有稳定的峰值增益和全向辐射特性。

Claims (7)

1.一种小型双陷波超宽带天线，包括介质基板(1)、印制在该介质基板(1)上表面的辐射贴片(2)和下表面的地板(3)；其特征在于：所述辐射贴片(2)采用阶跃结构，位于介质基板(1)上表面下部的纵向轴线上；在该辐射贴片(2)的两侧对称设置有蘑菇型EBG结构(4)；所述地板(3)的中间位置设置有宽缝隙，用于改善阻抗匹配特性；在该地板(3)的上部两侧对称蚀刻有四臂螺旋缝隙(31)；所述蘑菇型EBG结构(4)上蚀刻有曲流弯折缝隙，用于实现小型化；该蘑菇型EBG结构(4)与地板(3)通过金属化过孔(5)连接。

2.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)和地板(3)通过SMA接头相连。

3.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)由矩形贴片(21)和微带馈线(22)组成，其中矩形贴片(21)的上边沿中间位置蚀刻有凹槽，在其下部两个角的位置设置有切角。

4.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述蘑菇型EBG结构(4)采用蚀刻有四个曲流弯折缝隙的正方形结构，该四个曲流弯折缝隙围绕蘑菇型EBG结构(4)的中心旋转90°排布；在该蘑菇型EBG结构(4)的中心位置蚀刻有连接孔。

5.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述蘑菇型EBG结构(4)的正方形的边长尺寸和两个蘑菇型EBG结构(4)之间的间隙尺寸由以下公式确定：

L＝μ₀h

$C=\frac{{\mathrm{W\ϵ}}_0(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{W+g}{g}\right)$

其中，h是介质基板(1)的高度，ε_r是介质基板(1)的相对介电常数；W和g分别是蘑菇型EBG结构(4)边长和两个蘑菇型EBG结构(4)之间的间隙，L是电感值，C是电容值，ω_陷波是需要陷波的频率。

6.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述四臂螺旋缝隙(31)的单臂缝隙展开长度由以下公式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}$

其中，ε_eff是等效介电常数，c是光速，ε_r是介质基板(1)的相对介电常数，L_槽是四臂螺旋缝隙(31)的单臂缝隙展开长度，f_陷波是需要陷波的频率。

7.根据权利要求1所述的小型双陷波超宽带天线，其特征在于：所述金属化过孔(5)的上端与蘑菇型EBG结构(4)的连接孔相连。