CN106207470B - 一种小型三陷波超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型三陷波超宽带天线，包括介质基板、微带馈线、矩形辐射贴片及矩形接地板；所述微带馈线和矩形辐射贴片设置在介质基板上，其中微带馈线呈矩形，矩形辐射贴片采用对称结构，实现陷波特性；在矩形辐射贴片部分设计两个倒T型槽结构实现了5.2/5.8GHz陷波，一个梳状槽实现了3.5GHz陷波，然后开一个C形槽、两个矩形槽并保留梳状槽中部两个正方形贴片将5.2GHz和5.8GHz两个特定陷波各自分离实现；组合辐射贴片结构和较窄的矩形地板实现了从2.2‑14.6GHz范围内的极宽的阻抗带宽。本发明具有体积小、结构简单、陷波特性好、阻抗带宽宽的特点。
Description
技术领域
本发明属于移动通信系统和无线通信领域，具体涉及一种小型三陷波超宽带天线。
背景技术
自从2002年美国通信委员会(US-FCC)将3.1～10.6GHz的频带划分为超宽带(UWB)商业用途后，超宽带系统已经越来越具有吸引力，许多新涌现出的超短波通信系统都工作在此频段内。由于超宽带系统工作频带极宽，与其它窄带系统往往存在频谱重叠，如3.3～3.6GHz的无线城域网(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)频段和5.1～5.9GHz的无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)。为了降低不同通信系统间的相互干扰，具有频带阻隔特性的陷波超宽带天线设计成为研究热点。
陷波超宽带天线最初由美国Schantz等人于2003年提出，可以通过引入寄生单元、分形结构、调谐枝节、开槽等方式实现。这些方式中，开槽结构由于其实现比较简单，且对工作频带内的阻抗匹配影响较小，因而获得广泛应用。开槽形状各异，如直线形槽、V形槽、U形槽等，但它们的共同原理都是通过改变天线表面电流的分布，从而达到频率阻隔的效果。例如Ye.等人提出的超宽带缝隙天线(参考文献：Ye Liang-hua and Chu Qing-xin.Improvednotch-band slot UWB antenna with small size[J].Acta Electronica Sinica,2010,38(12):2862-2867.)中通过在辐射贴片上开C形槽，同时在接地板上开细长缝隙以形成陷波结构，这种结构的带宽比较宽，陷波特性良好；Badamchi等人提出的可重构超宽带带天线，该天线在微带馈电线和辐射贴片开槽，同时辐射贴片上的回形槽由两个二极管连通并通过控制两个二极管的状态使天线实现单陷波与双陷波的切换。现有的多陷波天线存在体积较大、结构复杂并且不能同时屏蔽多个窄带系统的影响等缺点，无法适应通信应用设备轻薄化、多功能一体化的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三陷波超宽带天线，实现简化天线结构，降低尺寸和成本，改善阻抗带宽的宽度，并且同时实现对3.5GHzWiMAX、5.2/5.8GWLAN等窄带信号的陷波特性。该天线具有小型化、结构简单、易于制作等特点。通过在辐射贴片单元上进行组合开槽与小矩形地板相结合，可实现单个天线的三陷波超宽带特性。
一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，包括介质基板1、微带馈线2、矩形辐射贴片3及矩形接地板4；
所述微带馈线2与矩形辐射贴片3设置在介质基板1正面，矩形辐射贴片与微带馈线相连，且矩形辐射贴片设置在微带馈线上方，其中，微带馈线呈矩形，矩形辐射贴片为对称结构；
矩形辐射贴片上左右两侧对称开设有两个倒T形槽，位于倒T形槽上开设有梳状槽，梳状槽下方依次开设有倒C形槽和两个对称的矩形槽，且梳状槽中部还保留有两块正方形贴片；
所述矩形接地板4设置在介质基板背面底部，矩形接地板水平方向宽度与介质基板宽度相同；所述矩形接地板竖直方向宽度小于水平方向宽度。
所述微带辐射单元通过微带馈线2进行馈电；
所述微带馈线2的长度为6mm，宽度为2mm；
所述矩形辐射贴片3为正方形，且边长为9mm；
所述倒T形槽包括竖槽“|”和横槽“_”，其中竖槽“|”的长为6.43-6.57mm，宽为0.4-0.6mm；横槽“_”的长为2.87-3.12mm，宽为0.5mm；
所述梳状槽7包括五个竖槽“|”和一个横槽“_”，其中横槽“_”的长为8mm，宽为0.5mm；五个竖槽“|”的长从左到右依次为6.45-6.53mm、6.42-6.51mm、2.5mm、6.42-6.51mm、6.45-6.53mm，宽从左到右依次为0.5mm、0.5mm、3mm、0.5mm、0.5mm；
所述C形槽8包括两个竖槽“|”和一个横槽“_”，其中两个竖槽“|”的长和宽均为0.5mm；横槽“_”的长为2mm，宽为0.5mm；
所述矩形槽的长为1.48-1.52mm，宽为0.5mm；
所述正方形贴片的边长为0.47-0.52mm；
所述介质基板1背面底端的矩形接地板4竖直方向宽度为1.5mm，水平方向宽度为10mm。
所述介质基板1为FR4环氧树脂材质，介质基板厚度为1.5mm。
通过设计微带辐射单元结构并与窄矩形地板相结合的方式，该小型三陷波段超宽带天线可实现2.2-14.6GHz的阻抗带宽，且可实现各自独立、互不耦合的的陷波特性。
有益效果
本发明公开了一种小型三陷波超宽带天线，包括介质基板1、微带馈线2、矩形辐射贴片3及矩形接地板4；所述微带馈线2和矩形辐射贴片3设置在介质基板1上，其中微带馈线呈矩形，矩形辐射贴片采用对称结构，实现陷波特性；在矩形辐射贴片部分设计两个倒T型槽结构5和6实现了5.2/5.8GHz陷波，一个梳状槽7实现了3.5GHz陷波，然后开一个C形槽8、两个矩形槽9和10并保留梳状槽中部两个正方形贴片11和12将5.2GHz和5.8GHz两个特定陷波各自分离实现；组合辐射贴片结构和较窄的矩形地板4实现了从2.2-14.6GHz范围内的极宽的阻抗带宽。这样的组合设计能够满足超宽带的通信应用需求，且能有效抑制来自3.5GHz WiMAX、5.2/5.8GHz WLAN等窄带通信系统的干扰信号。由于采用印刷天线的结构，天线体积得到大幅度的减小。相比于现有技术中的陷波超宽带天线，本发明具有体积小、结构简单、陷波特性好、阻抗带宽宽的特点。
与同类设计对比，现有的设计大多只能实现单或双陷波应用且体积偏大。要想在狭小的空间内实现天线的超宽带和三陷波特性是非常困难的，这是因为一方面因为陷带的控制受制于空间，另一方面各相邻陷带间容易发生相互耦合。本发明通过在矩形辐射贴片上对称开设各种贴片槽，且巧妙将各个贴片槽分布在矩形辐射贴片上，成功实现了3.28～3.84GHz、5.08～5.32GHz、5.52～5.88GHz三个陷波，能够同时屏蔽来自3.5GHz WiMAX、5.2/5.8GHz WLAN等窄带通信系统的干扰信号；并且结构简单、体积较小、陷波特性好、阻抗带宽宽，因此大大增加了其适用范围。
附图说明
图1是本发明所述天线结构示意图，其中，(a)为天线侧视图，(b)为天线正面图，(c)为天线反面图，(d)为天线开槽示意图；
图2是实施例小型三陷波超宽带天线的S11曲线图；
图3是实施例小型三陷波超宽带天线矩形辐射贴片各种结构对应的S11曲线图，其中，(a)为矩形辐射贴片未开槽时对应的S11曲线图，(b)为辐射贴片开两个倒T形槽时对应的S11曲线图，(c)为两个倒T形槽、一个梳状槽结合时对应的S11曲线图，(d)为两个倒T形槽、一个梳状槽、一个C形槽、两个矩形槽以及两个正方形方形贴片组合所对应的S11曲线图；
图4是实施例小型三陷波超宽带天线天线对应的电流分布图；
图5是实施例小型三陷波超宽带天线的增益曲线图；
图6是实施例S11随两个倒T形槽竖槽宽度w7变化的曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种小型三陷波超宽带天线，包括介质基板1、微带馈线2、矩形辐射贴片3及矩形接地板4；
所述微带馈线2与矩形辐射贴片3设置在介质基板1正面，矩形辐射贴片与微带馈线相连，且矩形辐射贴片设置在微带馈线上方，其中，微带馈线呈矩形，矩形辐射贴片为对称结构；
矩形辐射贴片上左右两侧对称开设有两个倒T形槽，分别为第一倒T形槽5和第二倒T形槽6，位于倒T形槽上开设有梳状槽，梳状槽下方依次开设有倒C形槽和两个对称的矩形槽，分别为第一矩形槽9和第二矩形槽10，且梳状槽中部还保留有两块正方形贴片，分别为第一正方形贴片11和第二正方形贴片12；
所述矩形接地板4设置在介质基板背面底部，矩形接地板水平方向宽度与介质基板宽度相同；所述矩形接地板竖直方向宽度较窄。
所述微带辐射单元通过微带馈线2进行馈电；
实施例：天线结构如图1所示，对应参数标于其上，天线印制在尺寸为16×10×1.5mm3的介质基板上1上，即FR4基板上。介质基板1的正面是矩形微带馈线2和矩形辐射贴片3。基板背面的矩形接地板4竖直方向宽度较窄。具体参数列表见表1：
表1天线参数明细
| 参数 | l | l1 | l2 | l3 | l4 | l5 | l6 | l7 | l8 | l9 | l10 | l11 |
| 尺寸(mm) | 16 | 9 | 6 | 0.5 | 0.5 | 7 | 6 | 4 | 1.5 | 1.5 | 3.5 | 1.5 |
| 参数 | w | w1 | w2 | w3 | w4 | w5 | w6 | w7 | w8 | w9 | w10 | w11 |
| 尺寸(mm) | 10 | 9 | 2 | 3 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1 | 0.5 |
图2是实施例小型三陷波超宽带天线的回波损耗曲线图，从图中可以看出，天线在3.1-10.6GHz频带范围内实现了超宽带工作特性；且实现了3.28～3.84GHz，5.08～5.32GHz，5.52～5.88GHz三个频段的陷波功能，能够同时屏蔽来自WiMAX(3.3-3.7GHz)、WLAN(5.15-5.825GHz)等窄带通信系统的干扰信号。
图3是实施例小型三陷波超宽带天线矩形辐射贴片各种结构对应的S11曲线图，从图中可以看出，在矩形辐射贴片部分利用两个倒T型槽结构实现了5.2/5.8GHz陷波，如图3(b)所示；利用两个倒T型槽、一个梳状槽实现了3.5GHz陷波，如图3(c)所示；利用一个C形槽、两个矩形槽以及梳状槽中部两个正方形贴片将5.2GHz和5.8GHz两个特定陷波各自分离实现，如图3(d)所示。总之，通过设计矩形辐射贴片结构并与窄矩形接地板结合，可实现各自独立、互不耦合的三陷波特性。
图4是实施例小型小型三陷波超宽带天线对应的电流分布图，其中，箭头表示电流的流向，其粗细和疏密程度表示电流的强弱。激励电流产生天线的陷波，电流主要集中在某个范围时，表明是该部分的结构引起的激励电流。图4中，对应各陷波的激励电流分别由不同的结构引起。从图中可以看出，在3.5/5.2/5.8GHz三个不同陷波，产生各自陷波的激励电流主要分布在不同的矩形辐射贴片结构中，这说明本发明通过矩形辐射贴片结构设计与矩形地板相结合的方式可以实现各自分离、互不耦合的三陷波特性。具体来说，当天线实现3.5GHz陷波时，如图4(a)所示，电流主要分布在梳状槽附近；当天线实现5.2GHz/5.8GHz陷波时，如图4(b)和4(c)所示，电流主要分布在两个倒T形槽附近。
图5是实施例小型三陷波超宽带天线的增益曲线图，从图中可以看出，天线在通带内增益保持在2～5dB上下，而在阻带内增益则下降至-8dB以下。这说明天线在通带内能够正常工作，而在阻带内由于增益不足无法正常工作。
图6是实施例小型三陷波超宽带天线主要参数扫描分析。从图中可以看出，当两个倒T形槽竖槽的宽度w7取值范围为0.4-0.6mm时，天线能够实现3.5/5.2/5.8GHz三个不同陷波特性。
相比于现有技术中的陷波超宽带天线，本发明具有体积小、结构简单、陷波特性好、阻抗带宽宽的特点。与同类设计的对比参见表2。值得说明的是，本发明天线由简单规则形状组成且易于制作，现有文献中的天线很多采用复杂非规则形状(如环形、椭圆形、螺旋形等)的贴片以及寄生枝节，或在贴片和地板上开多个复杂非规则形状的槽，这使得天线整体结构复杂且制作难度加大。此外，部分天线设计的陷带完全屏蔽5-6GHz信号，使得在5.35-5.725GHz频段内的任何有用信息都会丢失，这会导致UWB接收信号质量的下降。
表2
本发明具有良好的阻抗带宽和陷波特性，特别强调的是，在如此小的体积上完整实现三陷波设计是非常困难的，本发明成功实现并且结构简单、各陷波频段覆盖完整且相互耦合小，因此大大增加了其适用范围，且比较容易和射频前端微波集成电路集成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
参考文献：
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[2]P.Gao,L.Xiong,J.Dai,et al.Compact printed wide-slot UWB antennawith 3.5/5.5-GHz dual band-notched characteristics.IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.12,pp.983-986,2013.
[3]G.Srivastava1,A.Mohan.A planar UWB monopole antenna with dual bandnotched function.Microwave and Optical Technology Letters,2015,vol.57,no.1,pp.99-104.
[4]W.T.Li,X.W.Shi,Y.Q.Hei.Novel Planar UWB monopole antenna withtriple band-notched characteristic.IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters,vol.8,pp.1094-1098,2009.
[5]M.Sarkar,S.Dwari,Printed monopole antenna for ultra-widebandapplication with tunable triple band-notched characteristics.WirelessPersonal Communications,vol.84,no.4,pp.2943-2954,2015.
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[7]J.Xu,G.Wang.A compact printed UWB antenna with triple band-notchedcharacteristics.Microwave and Optical Technology Letters,vol.54,no.9,pp.2146-2150,2012.
Claims (6)
1.一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，包括介质基板(1)、微带馈线(2)、矩形辐射贴片(3)及矩形接地板(4)；
所述微带馈线(2)与矩形辐射贴片(3)设置在介质基板(1)正面，矩形辐射贴片与微带馈线相连，且矩形辐射贴片设置在微带馈线上方，其中，微带馈线呈矩形，矩形辐射贴片为对称结构；
矩形辐射贴片上左右两侧对称开设有两个倒T形槽，位于倒T形槽上开设有梳状槽，梳状槽下方依次开设有C形槽和两个对称的矩形槽，且梳状槽中部还保留有两块正方形贴片；
所述矩形接地板(4)设置在介质基板背面底部，矩形接地板水平方向宽度与介质基板宽度相同；所述矩形接地板竖直方向宽度小于水平方向宽度。
2.根据权利要求1所述的一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，所述微带馈线(2)的长度为6mm，宽度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片(3)为正方形，且边长为9mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，
所述倒T形槽包括竖槽“|”和横槽“_”，其中竖槽“|”的长为6.43-6.57mm，宽为0.4-0.6mm；横槽“_”的长为2.87-3.12mm，宽为0.5mm；
所述梳状槽(7)包括五个竖槽“|”和一个横槽，其中横槽“_”的长为8mm，宽为0.5mm；五个竖槽“|”的长从左到右依次为6.45-6.53mm、6.42-6.51mm、2.5mm、6.42-6.51mm、6.45-6.53mm，宽从左到右依次为0.5mm、0.5mm、3mm、0.5mm、0.5mm；
所述C形槽(8)包括两个竖槽“|”和一个横槽“_”，其中两个竖槽“|”的长和宽均为0.5mm；横槽“_”的长为2mm，宽为0.5mm；
所述矩形槽的长为1.48-1.52mm，宽为0.5mm；
所述正方形贴片的边长为0.47-0.52mm 。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，所述介质基板(1)背面底端的矩形接地板(4)竖直方向宽度为1.5mm，水平方向宽度为10mm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种小型三陷波超宽带天线，其特征在于，所述介质基板(1)为FR4环氧树脂材质，介质基板厚度为1.5mm。
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