CN105789897A - 一种基于ebg结构的三陷波uwb天线 - Google Patents

Abstract

一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，涉及超宽带(UWB)无线通信领域，包括部分金属接地板(10)、介质基板(20)、天线辐射贴片(30)、50欧姆馈线(31)和三个L形槽EBG结构单元(40，50，60)。将三个尺寸不同的L形槽EBG结构单元(40，50，60)分别与正六边形UWB天线的50欧姆馈线(31)耦合，有效地滤除了WiMAX(3.3GHz-3.6GHz)和WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725-5.825GHz)共三个频段的信号。该天线在全频段内具有良好的全向辐射特性和稳定的增益效果，陷波特性良好，适用于UWB无线通信技术领域。

Description

一种基于EBG结构的三陷波UWB天线

技术领域

本发明涉及一种用于超宽带(UWB)无线通信领域的天线，尤其是一种基于EBG结构的三陷波UWB天线。在角部过孔蘑菇形电磁带隙结构(CLV-EBG)中刻蚀三个L形槽，并与正六边形超宽带(UWB)天线的馈线耦合，有效地滤除了微波互联接入(WIMAX，3.3GHz-3.6GHz)和无线个人局域网(WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz))共三个频段的信号。

背景技术

2002年2月美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission：FCC)将3.1GHz～10.6GHz频段划为商用的UWB无线通信业务使用，自此以后，超宽带技术获得了快速发展，UWB天线的研究与设计作为UWB无线通信的关键技术之一，已成为了研究的热点。由于UWB系统的工作频段与现有无线通信系统的某些频段重合，如全球微波互联接入(WIMAX，3.3GHz-3.6GHz)，无线个人局域网(WLAN，(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz))等。为了减少UWB天线对这些频段内系统通信造成干扰，具有陷波特性的UWB天线被广泛关注。

在实现良好的陷波特性的同时，保证UWB天线的小型化，宽频带，良好的辐射特性是一个比较棘手的难题。目前为止具有陷波特性的UWB天线已有大量的研究成果，实现陷波的技术可以概括为以下几种：

(1)在辐射贴片或接地板刻蚀槽线

(2)添加寄生元素

(3)加载SIR的带阻滤波器

这些实现陷波的技术存在着以下不足：在天线辐射贴片上刻槽和在辐射贴片附近增加寄生单元的方法都会改变天线辐射贴片表面的电流分布，影响天线的辐射方向图；在天线地板刻槽的方法会使部分能量从地板槽泄漏，对天线方向图的后瓣产生影响，减小天线的增益；添加寄生元素会增加天线的尺寸，而加载SIR的带阻滤波器，使结构复杂，集成难度高。另外这些方法普遍存在的一个问题是，各个陷波频带相互影响，不易独立控制。

电磁带隙(EBG)结构以其优异的频率带隙特性，结构简单，易于集成，带隙特性易于调节，如果加以小型化，通过与输入端耦合，可方便独立地实现和控制超宽带天线各个陷波，而对辐射贴片的电流分布影响较小，可保持良好的辐射特性，增益效果。因此，设计一款基于EBG结构具有陷波特性的高性能超宽带天线具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于改善现有UWB天线陷波技术中影响天线辐射特性、增大天线尺寸、陷波不易独立控制等缺陷。将三个尺寸不同的L形槽EBG结构分别加载于正六边形UWB天线的馈线两侧形成耦合，有效地滤除了WIMAX(3.3GHz-3.6GHz)和WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)共三个频段的信号，实现了良好的窄阻带特性，并且三个陷波频段特性可以独立调节。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：包括部分金属接地板(10)、介质基板(20)、天线辐射贴片(30)、50欧姆馈线(31)、L形槽EBG单元一(40)、L形槽EBG单元二(50)和L形槽EBG单元三(60)，天线辐射贴片(30)和50欧姆馈线(31)位于介质基板(20)的上表面，部分金属接地板(10)位于介质基板(20)的下表面，L形槽EBG单元一(40)和L形槽EBG单元三(60)加载于50欧姆馈线(31)左侧，而L形槽EBG单元二(50)加载于50欧姆馈线(31)右侧。

所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：部分金属接地板(10)上顶边中间部分刻蚀了与50欧姆馈线(31)等宽的矩形槽(11)，天线辐射贴片(30)为正六边形。

所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：L形槽EBG单元一(40)、L形槽EBG单元二(50)和L形槽EBG单元三(60)包括EBG金属贴片、L形槽和金属圆柱形过孔。

所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：金属圆柱形过孔一(41)、金属圆柱形过孔二(51)和金属圆柱形过孔三(61)贯穿于EBG金属贴片、介质基板(20)和部分接地板(10)之间，金属圆柱形过孔一(41)和金属圆柱型过孔三(61)位于EBG金属贴片的左上角，而金属圆柱形过孔二(51)位于EBG金属贴片的右上角。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及特性：

(1)在CLV-EBG结构中刻蚀三个L形槽，延长了等效电流路径，减小了CLV-EBG单元的尺寸，保证了UWB天线的小型化，且结构简单、易于集成。

(2)在CLV-EBG结构中刻蚀三个L形槽，使阻带带宽变窄，独立地滤除了WLAN两个频段的信号，提高了频谱利用率。

(3)天线的相对带宽较宽，大于133％，VSWR<2的最低频率为2.4GHz，而最高频率大于12GHz。

(4)加载L形槽EBG结构，对天线的辐射贴片表面电流影响较小，从而保持了UWB天线全频段良好的全向辐射特性和稳定的增益效果。

(5)WIMAX(3.3GHz-3.6GHz)和WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)三个陷波频段特性(带宽、位置等)可以通过调节三个L形槽EBG结构单元参数进行独立地控制。

附图说明

图1是天线基本结构俯视图；

图2是天线背面基本结构图；

图3是EBG陷波原理图；

图4是天线驻波比参数示意图；

图5是天线峰值增益示意图；

图6是天线在4GHz下的E面方向图；

图7是天线在4GHz下的H面方向图；

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、图2所示，一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，包括部分金属接地板(10)、介质基板(20)、天线辐射贴片(30)、50欧姆馈线(31)和三个尺寸不同的L形槽EBG单元(40，50，60)。其中部分接地板(10)位于介质基板(20)底面，且上顶边与天线辐射贴片(30)之间有一定距离(L₁-Lg)，此距离用于调节UWB天线高频段阻抗匹配。在部分金属接地板(10)上顶边中间部分中心刻蚀了一个宽为W_s，长为L_s的矩形槽(11)，其宽度与50欧姆馈线(31)相等，此矩形槽用于改善天线宽频带特性，提高驻波比带宽。

本发明的天线中，介质基板(20)的相对介电常数为3，损耗角正切为0.004，高度为h，加工成本低，易于与普通印刷电路板集成。

天线辐射贴片(50)是边长为W的正六边形，其上顶边与介质基板(20)上顶边重合，下底边与50欧姆馈线(31)相接，馈线宽度为W_f。

三个尺寸不同的L形槽EBG单元(40，50，60)为正方形，分别加载于50欧姆馈线(31)两侧形成耦合，三个L形槽EBG单元(40，50，60)与50欧姆馈线(31)的距离分别为g₁、g₂、g₃，包括EBG金属贴片、L形槽(42，52，62)和三个金属圆柱形过孔(41，51，61)。

左边两个EBG金属贴片相邻两边相距L₀₁，其中下方的EBG金属贴片与介质基板(20)底边相距L₀₃，右边EBG金属贴片与介质基板(20)底边相距L₀₂。三个EBG金属贴片边长分别为a₁、a₂、a₃，没有增加天线的尺寸，保持了天线的小型化。L形槽(42，52，62)宽都为0.2mm，彼此之间距离也为0.2mm，且排列成螺旋状，延长等效电流路径的同时减小了阻带带宽，实现了小型化和窄阻带的综合设计。金属圆柱形过孔(41，61)位于EBG金属贴片的左上角，而金属圆柱形过孔(51)位于EBG金属贴片的右上角，三个金属圆柱形过孔(41，51，61)半径分别为r₁、r₂、r₃，其边缘与EBG金属贴片边缘都相距均为0.2mm。

如图3所示，这里从该UWB天线的主视图来说明L形槽EBG结构的陷波原理，其中介质基板为透视结构。以L形槽EBG单元(50)为例进行说明，当通过50欧姆馈线(31)向天线馈电时，EBG结构金属贴片与50欧姆馈线(31)形成耦合电容C₂₀，与部分金属接地板(10)通过介质基板(20)形成耦合电容C₂₁，通过金属圆柱形过孔(41)的电流回路等效为电感L₂₀，从而形成了一个并联LC谐振回路，谐振频率同理L形槽EBG单元(40，60)也能形成另外两个并联LC谐振回路，谐振频率分别为 $f_{01}=1/(2*\mathrm{\&pi;}*\sqrt{(C_{10}+C_{11})*L_{10}})$ 和 $f_{03}=1/(2*\mathrm{\&pi;}*\sqrt{(C_{30}+C_3)*L_{30}}).$ 三个谐振回路起到了一个前置滤波器的作用，有效地实现了三个陷波。三个陷波频段的中心频率，陷波带宽，陷波深度等参数可以通过调节L形槽EBG单元(40，50，60)的结构参数：EBG金属贴片边长a₁、a₂、a₃和耦合距离g₁、g₂、g₃等进行独立的调节。本发明就是通过合理设计L形槽EBG单元(40，50，60)的结构参数，在保证天线小型化、宽频带、良好的辐射特性的同时有效地滤除了WIMAX(3.3GHz-3.6GHz)和WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)三个频段的信号。其中L形槽EBG单元(60)用来滤除WIMAX频段的信号，L形槽EBG单元(40，50)分别用来滤除WLAN两个频带的信号。

如图1，图2，图3所示，该UWB天线的具体结构的尺寸为：W₀＝34mm，L₀＝42.9mm，W＝10.2mm，L₁＝25.2mm，a₁＝3.6mm，a₂＝3.34mm，a₃＝5.95mm，W_f＝3.6mm，Lg＝24mm，W_s＝3.6mm，L_s＝2mm，h＝1.6mm，r₁＝0.31mm，r₂＝0.27mm，r₃＝0.3mm，g₁＝0.5mm，g₂＝0.75mm，g₃＝0.387mm，L₀₁＝5.225mm，L₀₂＝15.33mm，L₀₃＝4.025mm。

如图4所示，VSWR<2的天线驻波比带宽覆盖了UWB的频带范围，低频为2.4GHz，高频大于12GHz，相对带宽大于133％。在3.41GHz、5.26GHz和5.75GHz处产生了三个陷波，最大陷波深度分别可达到5.95dB、4.85dB和5.75dB，陷波宽度(VSWR>2)分别为3.29GHz-3.62GHz、5.02GHz-5.42GHz和5.6GHz-5.92GHz，具有良好的窄阻带特性，在保证频带利用率的同时，有效地滤除了WIMAX(3.3GHz-3.6GHz)和WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)三个频段的信号。

如图5所示，从实线部分可以看出未加载三个L形槽EBG单元(40，50，60)时，UWB天线在3.1GHz-10.6GHz频带范围内，峰值增益最小值为2.27dB，最大值为5.4dB。加载三个L形槽EBG单元(40，50，60)后，在3.41GHz、5.28GHz和5.77GHz三个陷波频段处增益明显减小，分别下降到-3.11dB、1.28dB和0.14dB，并且峰值增益最大值为5.95dB，产生了良好的陷波效果。其他频段两个曲线基本保持一致，从而表明，三个L形槽EBG单元(40，50，60)的加载，除陷波频段外，对原UWB天线的增益影响非常小，在全频段内保证了稳定的增益效果。

如图6，图7所示，在4GHz处E面和H面辐射方向图中，虚线部分和实线部分基本重合，表明了加载L形槽EBG结构对原UWB天线的辐射特性基本没有影响，其中H面近似全向辐射特性，E面的辐射特性和偶极子的辐射特性相似，近似为一个‘8’形，该天线良好的全向辐射特性适用于超宽带无线通信技术领域。

Claims (4)

1.一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：包括部分金属接地板(10)、介质基板(20)、天线辐射贴片(30)、50欧姆馈线(31)、L形槽EBG单元一(40)、L形槽EBG单元二(50)和L形槽EBG单元三(60)，天线辐射贴片(30)和50欧姆馈线(31)位于介质基板(20)的上表面，部分金属接地板(10)位于介质基板(20)的下表面，L形槽EBG单元一(40)和L形槽EBG单元三(60)加载于50欧姆馈线(31)左侧，而L形槽EBG单元二(50)加载于50欧姆馈线(31)右侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：部分金属接地板(10)上顶边中间部分刻蚀了与50欧姆馈线(31)等宽的矩形槽(11)，天线辐射贴片(30)为正六边形。

3.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：L形槽EBG单元一(40)、L形槽EBG单元二(50)和L形槽EBG单元三(60)包括EBG金属贴片、L形槽和金属圆柱形过孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的三陷波UWB天线，其特征在于：金属圆柱形过孔一(41)、金属圆柱形过孔二(51)和金属圆柱形过孔三(61)贯穿于EBG金属贴片、介质基板(20)和部分接地板(10)之间，金属圆柱形过孔一(41)和金属圆柱型过孔三(61)位于EBG金属贴片的左上角，而金属圆柱形过孔二(51)位于EBG金属贴片的右上角。