CN109193164A - 基于双频谐振ebg结构的四频陷波超宽带天线 - Google Patents

基于双频谐振ebg结构的四频陷波超宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，属于无线通信领域。本发明包括：金属接地板12、介质基板1、天线的圆形辐射贴片2、50欧姆馈线3、双频谐振凹槽EBG单元A4、双频谐振凹槽EBG单元B10；其特征在于，天线的圆形辐射贴片2和50欧姆馈线3位于介质基板1的上表面，金属接地板12位于介质基板1的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A4加载于50欧姆馈线3右侧，双频谐振凹槽EBG单元B10加载于50欧姆馈线3左侧。所述的金属接地板12与介质基板1相接触的表面上中间部分刻蚀了矩形槽11，所述的矩形槽11宽度为2.9mm，长度为2.5mm；所述的天线的圆形辐射贴片2的形状为圆形。

Description

基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线。
背景技术
2002年美国联邦通信委员会划分了3.1-10.6GHz的工作频带用以民用，使得超宽带得以迅速发展。超宽带系统的发展前景广阔，但是却存在与其他窄带系统的频谱重叠，包括3.3-3.6GHz的无线城域网(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)频段，4.5-4.8GHz下的国际卫星波段，5.1-5.9GHz的无线局域网(Wireless LocalArea Network，WLAN)频段，7.25-7.75GHz的X频段卫星下行信号，8.01-8.5GHz下的国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)频段等等。工作带的互相重叠会导致相互影响，因此，抑制重叠频段的信号成为研究重点。
在超宽带天线的使用过程中，天线的小型、增益、辐射性能、宽带等性能的稳定是棘手的问题。目前实现超宽带天线的陷波方法主要有如下方法：
(1)在天线上刻蚀凹槽；
(2)添加滤波器；
(3)加入谐振结构。
实现陷波的技术有部分不足：在天线上刻蚀凹槽会改变天线表面的电流分布，影响天线的性能，尤其是天线的辐射方向，在实现多频陷波时，多个凹槽会相互影响性能；加入滤波器，会增加天线的结构复杂度；加入谐振结构，通常使用的都是单频谐振结构，单个谐振结构只能实现一个频段的陷波，利用率低。本发明利用EBG结构进行改进实现EBG结构的双频谐振，并将此谐振结构放入天线馈线部分，利用谐振特性实现天线的陷波。
电磁带隙结构(EBG)的结构简单，集成容易，且带隙性能调节较容易，可以在天线的馈线部分加入以实现耦合，实现超宽带天线的陷波。同时，天线的性能不受影响，对天线上的电流的分布影响较小，也不会影响天线的结构以及辐射性能。为了增加电磁带隙结构的利用率，在电磁带隙结构EBG上的金属贴片部分加入凹槽以实现第二个频段的谐振，实现双频段谐振结构的电磁带隙结构，能够大大减少天线上的谐振结构，在大大提升EBG结构的利用率的同时，还减少了陷波天线的复杂程度。
发明内容
本发明的内容在于改善原有的超宽带天线的的陷波技术中使用谐振结构利用率不高的问题，弥补陷波超宽带天线的辐射性能、尺寸等问题的缺陷。将两个不同尺寸的双频谐振EBG结构加载于圆形超宽带天线的馈线两侧以形成耦合，有效的滤除四个频段的信号，包括：4.5-4.8GHz下的国际卫星波段，5.1-5.9GHz的无线局域网Wireless Local AreaNetwork，WLAN频段，7.25-7.75GHz的X频段卫星下行信号，8.01-8.5GHz下的国际电信联盟International Telecommunication Union，ITU频段。实现良好的四陷波特性的同时，保证天线的辐射性能的稳定，也保证天线结构的简单化。
本发明的目的是这样实现的：
基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，包括：金属接地板12、介质基板1、天线的圆形辐射贴片2、50欧姆馈线3、双频谐振凹槽EBG单元A4、双频谐振凹槽EBG单元B10；其特征在于，天线的圆形辐射贴片2和50欧姆馈线3位于介质基板1的上表面，金属接地板12位于介质基板1的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A4加载于50欧姆馈线3右侧，双频谐振凹槽EBG单元B10加载于50欧姆馈线3左侧。
所述的金属接地板12与介质基板1相接触的表面上中间部分刻蚀了矩形槽11，所述的矩形槽11宽度为2.9mm，长度为2.5mm。
所述的天线的圆形辐射贴片2的形状为圆形。
所述的双频谐振凹槽EBG单元A4包括：金属凹槽贴片A17和金属圆柱过孔A13；所述的金属圆柱过孔A13位于金属凹槽贴片A17的中心，金属圆柱过孔A13贯穿双频谐振凹槽EBG单元A4和介质基板1；所述的金属凹槽贴片A17为正方形，边长为5.4mm，金属凹槽贴片A17上设有上凹槽A7、下凹槽A5、左凹槽A6和右凹槽A16，上凹槽A7、下凹槽A5、左凹槽A6和右凹槽A16的宽度均为0.2mm，长度均为3.4mm，上凹槽A7、下凹槽A5、左凹槽A6和右凹槽A16以金属凹槽贴片A17的中心对称，且上凹槽A7垂直于金属凹槽贴片A17的左边且与金属凹槽贴片A17的左边相接触，下凹槽A5与金属凹槽贴片A17的下边平行且距离金属凹槽贴片A17的下边0.9mm。
所述的双频谐振凹槽EBG单元B10包括：金属凹槽贴片B18和金属圆柱过孔B14；所述的金属圆柱过孔B14位于金属凹槽贴片B18的中心，金属圆柱过孔B14贯穿双频谐振凹槽EBG单元B10和介质基板1；所述的金属凹槽贴片B18为正方形，边长为6.5mm，金属凹槽贴片B18上设有上凹槽B8、下凹槽B11、左凹槽B15和右凹槽B9，上凹槽B8、下凹槽B11、左凹槽B15和右凹槽B9的宽度均为0.2mm，长度均为4mm，上凹槽B8、下凹槽B11、左凹槽B15和右凹槽B9以金属凹槽贴片B18的中心对称，且上凹槽B8垂直于金属凹槽贴片B18的左边且与金属凹槽贴片B18的左边相接触，下凹槽B11与金属凹槽贴片B18的下边平行且距离金属凹槽贴片B18的下边0.8mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)天线的结构简单，相对带宽较宽，大于122％，VSWR<2的最低频段为3.06GHz，最高频率为12.6GHz。
(2)加载双频谐振EBG结构后天线的辐射性能没有恶化，天线辐射贴片的表面电流影响较小，保证了天线在整个工作频段内有着良好的性能。
(3)加载双频谐振EBG单元后，天线的辐射表面电流的分布影响较小，超宽带天线的辐射特性和增益效果保持稳定。
(4)传统加载EBG结构实现陷波，一个EBG结构单元只能实现一个频段的陷波，大大增加的天线的复杂程度。选用双频谐振EBG结构后，在不影响天线其他性能的前提下可以减少一半的EBG单元数量，结构简单，集成方便。
(5)在传统EBG结构的基础上在金属表面刻蚀凹槽，使得阻带带宽变窄，能够独立滤除各个频段的信号，不会影响其他信号，提高了频谱的利用率。
(6)可以实现良好的四陷波特性：4.5-4.8GHz下的国际卫星波段，5.1-5.9GHz的无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)频段，7.25-7.75GHz的X频段卫星下行信号，8.01-8.5GHz下的国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)频段。
附图说明
图1为四频段陷波超宽带天线主视图模型；
图2为四频段陷波超宽带天线底板模型；
图3为四频陷波超宽带天线侧视图；
图4为双频谐振EBG单元金属凹槽贴片结构；
图5为四频陷波超宽带天线反射系数；
图6为四频陷波超宽带天线仿真驻波比；
图7为在6GHz下四频陷波超宽带天线EH面辐射图仿真结果；
图8为在10GHz下四频陷波超宽带天线EH面辐射图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出详细说明：
具体实施例一：
如图1、图2、图3所示，分别绘制了四频段陷波超宽带天线的正面、底面和侧面图，里面的内容包括：金属接地板12、介质基板1、天线的圆形辐射贴片2、50欧姆馈线3、双频谐振凹槽EBG单元A4、双频谐振凹槽EBG单元B10。天线的圆形辐射贴片2和50欧姆馈线3位于介质基板1的上表面，金属接地板12位于介质基板1的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A4加载于50欧姆馈线3右侧，双频谐振凹槽EBG单元B10加载于50欧姆馈线3左侧。在金属接地板12的上顶边中间刻蚀了一个宽度为W2长度为L3的矩形槽11，矩形槽11是使用提高天线的宽带性能的，能够有效提高驻波比带宽。
本发明设计的天线中的介质基板1选用的是常见的FR4_epoxy，其介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，高度为h，加工成本低。
天线辐射贴片选用的是半径为R1的圆形，其下底边与50欧姆馈线3相接，其中50欧姆馈线3的宽度为W1，长度为L1。
两个尺寸不同的双频谐振凹槽EBG单元A4和B10的形状为正方形，双频谐振凹槽EBG单元A4的金属凹槽贴片A17的长度为a＝5.4mm，金属圆柱过孔13的半径为0.3mm，金属圆柱过孔13的高度为h＝1mm；双频谐振凹槽EBG单元B10的金属凹槽贴片B18的长度为a1＝6.5mm，金属圆柱过孔B14的半径为0.3mm，金属圆柱过孔B14的高度为h＝1mm；
两个尺寸不同的双频谐振凹槽EBG单元A4和B10分别加载于50欧姆馈线3的两侧以实现与天线的耦合。双频谐振凹槽EBG单元A4的底边与天线底边之间有一定的距离为Y1，与50欧姆馈线3的距离为0.1mm，双频谐振凹槽EBG单元B10的底边与天线底边之间有一定的距离为Y2，与50欧姆馈线3的距离为0.1mm。
双频谐振凹槽EBG单元A 4的金属凹槽贴片A17上的四个凹槽大小相等，以贴片A中心旋转为螺旋形，上凹槽A7、下凹槽A5、左凹槽A6和右凹槽A16的长度为c＝3.4mm，宽度为d＝0.2mm，下凹槽A5与金属凹槽贴片A17底部距离为b＝0.9mm，金属凹槽贴片A17的边长为a＝5.4mm。双频谐振凹槽EBG单元B10的金属凹槽贴片B18上的四个凹槽大小相等，以贴片B中心旋转为螺旋形，上凹槽B8、下凹槽B11、左凹槽B15和右凹槽B9的长度为c1＝4mm，宽度为d1＝0.2mm，下凹槽B11与金属凹槽贴片B18底部距离为b1＝0.8mm，金属凹槽贴片B18的边长为a1＝6.5mm。
如图1，2，3，4所示，四频陷波超宽带天线的尺寸为：W＝38mm，L＝40mm，W1＝2.4mm，W2＝2.9mm，L1＝20mm，L2＝18mm，L3＝2.5mm，R1＝7.5mm，Y1＝4.6mm，Y2＝3.6mm，a＝5.4mm，b＝0.9mm，c＝3.4mm，d＝0.2mm，a1＝6.5mm，b1＝0.8mm，c1＝4mm，d1＝0.2mm。
如图5所示，反射系数S11的范围在3.06GHz-12GHz，相对带宽大于122％，在4.6GHz、5.4GHz、7.35GHz、8.25GHz下出现四个陷波，四个陷波频段分别为4.41-4.85GHz、5.24-5.66GHz、7.21-7.53GHz以及7.76-8.5GHz。
如图6所示，天线的驻波比VSWR<2的范围包括4.6GHz、5.4GHz、7.35GHz、8.25GHz四个频段，能够在较高的频谱利用率下有效抑制四个干扰信号，基本满足4.5-4.8GHz下的国际卫星波段、5.1-5.9GHz的WLAN频段、7.25-7.75GHz的X频段卫星下行信号和8.01-8.5GHz下的ITU频段的独立陷波。
在图7和8中，虚线表示的是在未加两个双频谐振EBG单元结构之前的超宽带天线A在6GHz和10GHz下的天线的XZ面和YZ面的辐射效果，实线表示加载EBG单元后天线在，6GHz和10GHz下的天线的XZ面和YZ面的辐射效果。图中实线和虚线部分重合的较好，说明天线在加载EBG结构后，对原天线A的辐射特性几乎没有影响。在XZ面，天线的辐射方式为全反射，在YZ轴面天线的辐射特性和偶极子天线的辐射特性相似，近似为“8”字型。该天线有良好的辐射特性，能够满足天线在超宽带通信领域内的使用要求。
具体实施例二：
本发明涉及的是超宽带天线的无线通信领域，以避免超宽带天线在某些频段内存在信号干扰的问题，属于电磁理论中天线设计问题。在中心过孔蘑菇型电磁带隙结构mushroom-EBG中刻蚀四个形状相同的矩形槽，并与圆形超宽带天线的馈线部分进行耦合，以滤除4.5-4.8GHz下的国际卫星波段、5.1-5.9GHz的WLAN频段、7.25-7.75GHz的X频段卫星下行信号和8.01-8.5GHz下的ITU频段的信号。
一种基于双频谐振EBG结构的四陷波天线，其特征在于：包括金属接地板12、介质基板1、天线的圆形辐射贴片2、50欧姆馈线3、双频谐振凹槽EBG单元A4、双频谐振凹槽EBG单元B10。天线的圆形辐射贴片2和50欧姆馈线3位于介质基板1的上表面，金属接地板12位于介质基板1的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A4加载于50欧姆馈线3右侧，双频谐振凹槽EBG单元B10加载于50欧姆馈线3左侧。
所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于：金属接地板12上顶边中间部分刻蚀了宽度为W2的矩形槽11，天线辐射贴片2的形状为圆形。
所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于：双频谐振凹槽EBG单元A 4包括：双频谐振凹槽EBG单元A 4的金属凹槽贴片A17、介质基板1、金属圆柱过孔A13，双频谐振凹槽EBG单元B 10包括：双频谐振EBG凹槽B10的金属凹槽贴片B18、介质基板1、金属圆柱过孔B14。
所述的双频谐振EBG结构，其特征在于：金属圆柱过孔A13贯穿EBG金属凹槽贴片A17、介质基板1和金属接地板12相连,金属过孔A13位于双频谐振凹槽EBG单元A4的中央位置上；金属圆柱过孔B18贯穿EBG金属凹槽贴片B18、介质基板1和金属接地板12相连。金属圆柱过孔B14位于双频谐振凹槽EBG单元B10中央位置上。
所述的基于双频谐振EBG结构，其特征在于：EBG金属凹槽贴片上有四个凹槽，位置分布在EBG金属贴片四周，四个凹槽尺寸相同。
具体实施例三：
本发明提出了一种基于双频谐振EBG结构的四频段陷波超宽带天线，涉及超宽带天线的无线通信领域。四频段陷波超宽带天线包括金属接地板、介质基板、天线辐射贴片、50欧姆馈线以及两个双频凹槽EBG结构单元。将两个不同尺寸的凹槽EBG结构单元分别与圆形超宽带天线的50欧姆馈线耦合，能够有效的滤除四个频段的信号，频段分别为4.41-4.85GHz、5.24-5.66GHz、7.21-7.53GHz以及7.76-8.5GHz。该天线在频段3.06GHz-12GHz下具有良好的辐射特性，陷波特性良好，天线的设计简单，理解容易，使用面广，可移植性强，适合超宽带天线的无线通信领域。
本发明包括金属接地板12、介质基板1、天线的圆形辐射贴片2、50欧姆馈线3、双频谐振凹槽EBG单元A4、双频谐振凹槽EBG单元B10。天线的圆形辐射贴片2和50欧姆馈线3位于介质基板1的上表面，金属接地板12位于介质基板1的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A4加载于50欧姆馈线3右侧，双频谐振凹槽EBG单元B10加载于50欧姆馈线3左侧。
金属接地板12上顶边中间部分刻蚀了宽度为W2的矩形槽11，天线辐射贴片2的形状为圆形。
双频谐振凹槽EBG单元A 4和双频谐振凹槽EBG单元A 10包括：金属凹槽贴片A17、金属凹槽贴片B18、介质基板1、金属圆柱过孔A13和金属圆柱过孔B14。
金属圆柱形过孔A13和金属圆柱过孔B14贯穿金属凹槽贴片A17、金属凹槽贴片B18、介质基板1和金属接地板12相连。金属圆柱过孔A13和金属圆柱过孔B14位于金属凹槽贴片A17、金属凹槽贴片B18中央位置上。

Claims (5)

1.基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，包括：金属接地板(12)、介质基板(1)、天线的圆形辐射贴片(2)、50欧姆馈线(3)、双频谐振凹槽EBG单元A(4)、双频谐振凹槽EBG单元B(10)；其特征在于，天线的圆形辐射贴片(2)和50欧姆馈线(3)位于介质基板(1)的上表面，金属接地板(12)位于介质基板(1)的下表面，双频谐振凹槽EBG单元A(4)加载于50欧姆馈线(3)右侧，双频谐振凹槽EBG单元B(10)加载于50欧姆馈线(3)左侧。
2.根据权利要求1所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于，所述的金属接地板(12)与介质基板(1)相接触的表面上中间部分刻蚀了矩形槽(11)，所述的矩形槽(11)宽度为2.9mm，长度为2.5mm。
3.根据权利要求1所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于，所述的天线的圆形辐射贴片(2)的形状为圆形。
4.根据权利要求1所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于，所述的双频谐振凹槽EBG单元A(4)包括：金属凹槽贴片A(17)和金属圆柱过孔A(13)；所述的金属圆柱过孔A(13)位于金属凹槽贴片A(17)的中心，金属圆柱过孔A(13)贯穿双频谐振凹槽EBG单元A(4)和介质基板(1)；所述的金属凹槽贴片A(17)为正方形，边长为5.4mm，金属凹槽贴片A(17)上设有上凹槽A(7)、下凹槽A(5)、左凹槽A(6)和右凹槽A(16)，上凹槽A(7)、下凹槽A(5)、左凹槽A(6)和右凹槽A(16)的宽度均为0.2mm，长度均为3.4mm，上凹槽A(7)、下凹槽A(5)、左凹槽A(6)和右凹槽A(16)以金属凹槽贴片A(17)的中心对称，且上凹槽A(7)垂直于金属凹槽贴片A(17)的左边且与金属凹槽贴片A(17)的左边相接触，下凹槽A(5)与金属凹槽贴片A(17)的下边平行且距离金属凹槽贴片A(17)的下边0.9mm。
5.根据权利要求1所述的基于双频谐振EBG结构的四频陷波超宽带天线，其特征在于，所述的双频谐振凹槽EBG单元B(10)包括：金属凹槽贴片B(18)和金属圆柱过孔B(14)；所述的金属圆柱过孔B(14)位于金属凹槽贴片B(18)的中心，金属圆柱过孔B(14)贯穿双频谐振凹槽EBG单元B(10)和介质基板(1)；所述的金属凹槽贴片B(18)为正方形，边长为6.5mm，金属凹槽贴片B(18)上设有上凹槽B(8)、下凹槽B(11)、左凹槽B(15)和右凹槽B(9)，上凹槽B(8)、下凹槽B(11)、左凹槽B(15)和右凹槽B(9)的宽度均为0.2mm，长度均为4mm，上凹槽B(8)、下凹槽B(11)、左凹槽B(15)和右凹槽B(9)以金属凹槽贴片B(18)的中心对称，且上凹槽B(8)垂直于金属凹槽贴片B(18)的左边且与金属凹槽贴片B(18)的左边相接触，下凹槽B(11)与金属凹槽贴片B(18)的下边平行且距离金属凹槽贴片B(18)的下边0.8mm。
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