CN107565212A - 具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，介质基板的相对介电常数为2.3‑3，损耗正切值为0.001，介质基板的厚度为0.6‑1mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板的另一侧设有馈电网络和辐射贴片，辐射贴片由半圆形结构和倒梯形结构一体构成，辐射贴片上刻蚀有开口谐振环，开口谐振环的底边设有开口，开口谐振环的长和宽的尺寸范围分别为5‑9mm和4‑8mm，开口的尺寸范围为2.5‑3.5mm，接地板与介质基板的宽度相等且设有矩形槽。本发明天线的阻抗带宽范围是2.7‑12.3GHz，在5.1‑5.9GHz频段产生带陷特性，除此频段，覆盖了超宽带通信系统的工作频带。在5.1‑5.9GHz这个频段产生带陷特性，有效地抑制了WLAN的窄带系统对超宽带系统产生的干扰。

Description

具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线。

背景技术

由于具有传输速率高、抗多径衰落能力强、系统成本和复杂度低等优点，超宽带通信系统被广泛应用在军事通信、车载雷达、数字通信等领域。2002年，美国联邦通信委员会允许将超宽带应用于商业领域，工作在3.1G-10.6GHz的超宽带通信系统得到了大力发展。近几年超宽带天线的研究主要向着小型化、宽带化、结构紧凑和经济实用的方向发展，而超宽带天线作为超宽带通信系统的重要组成部分，已成为近几年研究的热点。对于可穿戴的超宽带天线在柔性材料上的研究越来越受到重视。因此柔性的可穿戴的超宽带天线具有重要的研究价值。

目前，为了有效抑制超宽带系统与无线局域网(IEEE 802.11a WLAN,5.15-5.825GHz)之间的相互干扰，可在超宽带系统内加入带阻滤波器滤除窄频带，但是这不仅增加了系统的复杂度，而且增加了设计成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，该天线的阻抗带宽范围是2.7-12.3GHz，在5.1-5.9GHz频段产生带陷特性，除此频段，覆盖了超宽带通信系统的工作频带。在5.1-5.9GHz这个频段产生带陷特性，有效地抑制了WLAN(有效工作频段为5.15-5.825GHz)的窄带系统对超宽带系统产生的干扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，所述介质基板的相对介电常数为2.3-3，损耗正切值为0.001，介质基板的厚度为0.6-1mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板的另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述辐射贴片由半圆形结构和倒梯形结构一体构成，所述辐射贴片上刻蚀有开口谐振环，所述开口谐振环的底边设有开口，所述开口谐振环的长和宽的尺寸范围分别为5-9mm和4-8mm，所述开口的尺寸范围为2.5-3.5mm，所述接地板与所述介质基板的宽度相等且设有矩形槽。

进一步的，所述开口谐振环的槽宽为0.4-0.6mm。

进一步的，所述介质基板由聚四氟乙烯玻璃纤维材料构成。

进一步的，所述半圆形结构的直径为16-24mm。

进一步的，所述介质基板的规格尺寸为(28-36)mm×(36-44)mm。

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.该天线的阻抗带宽范围是2.7-12.3GHz，在5.1-5.9GHz频段产生带陷特性，除此频段，覆盖了超宽带通信系统的工作频带。在5.1-5.9GHz这个频段产生带陷特性，有效地抑制了WLAN(有效工作频段为5.15-5.825GHz)的窄带系统对超宽带系统产生的干扰。

2.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。

3.该天线在5.1-5.9GHz频段产生带陷特性，除此频段，频段内的回波损耗小于-10dB，并且具有良好的辐射性能，满足超宽带系统对天线设计的要求，而且介质基板和辐射贴片均为柔性材料，实现了柔性可穿戴印刷单极子超宽带天线的设计。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是是本发明的侧视结构示意图。

图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。

图4是接地板的结构尺寸示意图。

图5是本发明天线中辐射贴片在不同条件下的回波损耗仿真结果。

图6(a)、图6(b)和图6(c)分别是本发明天线分别在3.5GHz、6.5GHz和9.5GHz三个频率处的辐射方向图。

图7是本发明天线在无开口谐振环时的回波损耗示意图。

图8是本发明天线在有开口谐振环时的电压驻波比示意图。

附图标记：1-接地板 2-介质基板 3-馈电网络 4-辐射贴片，5-开口谐振环，6-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至图4所示，本发明保护一种具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，包括接地板1、介质基板2、馈电网络3和辐射贴片4，本实施例中介质基板2由聚四氟乙烯玻璃纤维材料构成，其相对介电常数为2.65，损耗正切值为0.001，介质基板的厚度为0.8mm。

本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为32mm×40mm×0.8mm的介质基板2上，接地板1刻蚀于介质基板2一侧，介质基板2的另一侧刻蚀有馈电网络3和辐射贴片4，馈电网络3由微带线构成，本实施例采用侧馈方式进行馈电，输入阻抗为50Ω，很好的实现了阻抗匹配。

接地板1为矩形结构并与介质基板2等宽，宽度均为32mm，接地板1形状及尺寸如图4所示，接地板1上设有矩形槽6；辐射贴片4由半圆形结构和倒梯形结构一体构成，辐射贴片形状如图1所示，辐射贴片4上刻蚀有开口谐振环5，开口谐振环5的底边设有开口，本实施例中开口谐振环的长和宽的尺寸分别为7mm和6mm，开口的尺寸为3mm，开口谐振环的槽宽W4为0.5mm。

如图3所示为本发明天线经过优化设计后的具体的尺寸，图4为接地板的结构尺寸参数，具体如下：L＝32mm，W＝40mm，L1＝16.8mm，W1＝20mm，L2＝4.9mm，W2＝8mm，T＝3mm，G＝1.2mm，介质基板厚度0.8mm，接地板1上矩形槽6的尺寸为：L6＝2mm，W6＝6mm。倒梯形结构的上边长与半圆形直径相等，即：L1＝2*R。倒梯形结构为矩形切去两个三角形的结果。开口谐振环的尺寸：L3＝7mm，W3＝5.5mm，L4＝2mm，W4＝0.5mm，W5＝1mm。

本实施例中为了研究天线的辐射特性，运用全波三维电磁仿真，对天线在3.5GHz、6.5GHz、9.5GHz频率处进行仿真优化，得到天线在不同频率处的方向图，并对仿真结果进行了分析。图5中为无开口谐振环时天线的回波损耗及与不带矩形槽6和倒梯形结构的天线仿真结果比较图。图6中(a)—(c)为天线分别在3.5GHz、6.5GHz、9.5GHz频率处的辐射方向图仿真结果。图7为有无开口谐振环情况下的回波损耗的比较图。图8为有开口谐振环时天线的电压驻波比。

经过仿真分析，可知天线带宽为2.7-12.3GHz，在5.1-5.9GHz频段产生带陷特性，除此频段，天线在有效带宽内回波损耗小于-10dB，电压驻波比VSWR＜2。在5.1-5.9GHz这个频段产生带陷特性，电压驻波比VSWR＞2，有效地抑制了WLAN(有效工作频段为5.15-5.825GHz)的窄带系统对超宽带系统产生的干扰。

在图5中可以看出，(1)无矩形槽和倒梯形结构时，天线的带宽为2.9-8.2GHz，不符合设计目的及要求，也不能覆盖3.1-10.6的超宽带范围。(2)无矩形槽有倒梯形结构时，天线的带宽为2.9-8.8GHz和10.3-12.3GHz,在8.8-10.3GHz回波损耗大于-10dB，不能覆盖3.1-10.6的超宽带要求范围，而且在4.5GHz和7GHz的回波损耗接近-10dB，不能达到较好的阻抗匹配效果。(3)有矩形槽无倒梯形结构时，天线的带宽为2.7-8GHz和9.6-11.3GHz,在8-9.6GHz时回波损耗大于-10dB，不能覆盖3.1-10.6的超宽带要求范围，但是在2.7-8GHz有良好的阻抗匹配。(4)同时有矩形槽和倒梯形结构时，天线的带宽为2.7-12.3GHz,符合设计目的及要求，能完全覆盖3.1-10.6GHz的超宽带范围，介质基板和辐射贴片都为柔性材料，因此实现了柔性可穿戴单极子天线的设计。可见，当天线同时有矩形槽和倒梯形结构时，梯形的结构可以改变贴片上电流的分布特性，可以提高低频和中频，对高频有一定的影响。另外，在接地板开开口谐振环可以改变接地板上电流的分布特性，可以提高天线的中高频。合理地调节切角和开口谐振环尺寸就可以实现天线的设计要求。

进一步的，由图5可以看出，在2.7-12.3GHz，天线回波损耗均在-10dB以下，在3、5.2、8和9.6GHz频率附近甚至达到了-30、-42、-23和-30dB,达到了良好的阻抗匹配。

由图6可知，天线在E面和H面的辐射方向图分别呈近似“8”字形及接近全向辐射的特性。

由图7可以得出，除了在5.1-5.9GHz的频段，天线回波损耗均在-10dB以下，达到超宽带天线的设计要求，在5.1-5.9GHz的频段，天线回波损耗均在-10dB以上，产生带陷特性，有效地抑制了WLAN(有效工作频段为5.15-5.825GHz)的窄带系统对超宽带系统产生的干扰。

由图8可知，除了在5.1-5.9GHz的频段，在超宽带的有效带宽内，天线的电压驻波比VSWR＜2，达到良好的阻抗匹配。在5.1-5.9GHz的频段，天线的电压驻波比VSWR＞2，在中心频率5.5GHz时VSWR甚至接近20，因此实现良好的带陷特性。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为2.3-3，损耗正切值为0.001，介质基板的厚度为0.6-1mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板的另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述辐射贴片由半圆形结构和倒梯形结构一体构成，所述辐射贴片上刻蚀有开口谐振环，所述开口谐振环的底边设有开口，所述开口谐振环的长和宽的尺寸范围分别为5-9mm和4-8mm，所述开口的尺寸范围为2.5-3.5mm，所述接地板与所述介质基板的宽度相等且设有矩形槽。

2.根据权利要求1所述具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，其特征在于，所述开口谐振环的槽宽为0.4-0.6mm。

3.根据权利要求1所述具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板由聚四氟乙烯玻璃纤维材料构成。

4.根据权利要求1所述具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，其特征在于，所述半圆形结构的直径为16-24mm。

5.根据权利要求1所述具有带陷特性的柔性可穿戴超宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为(28-36)mm×(36-44)mm。