CN109256617B - 一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超宽带天线领域，具体涉及一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线。包括：辐射单元，微带馈线，微波介质基板，接地板，第一C形开路槽，第二C形开路槽，倒U形槽，第一铜片，第二铜片，第三铜片；辐射单元是U形结构贴片，位于微波介质基板的正面上部；微带馈线是带状结构，连接辐射单元和同轴电缆；接地板位于微波介质基板的反面下部；第一C形开路槽在辐射单元左侧，第二C形开路槽在辐射单元右侧；倒U形槽在接地板上；第一铜片第二铜片C形开路槽的开槽口部位；第三铜片在倒U形槽开槽中心部位。本发明仅需灵活控制槽孔口的开关，就可以很好的实现阻带可调，本发明具有小型化、稳定、灵活和控制简单等优异特性。

Description

一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线
技术领域
本发明涉及超宽带天线领域，具体涉及一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线。
背景技术
自从美国联邦通讯委员会开放民用频段之后，超宽带天线在短距无线通信中的应用研究和设计迎来了发展的高峰期。超宽带(Ultra-wideband，UWB)天线的研究是超宽带无线电通信技术的重要组成部分。
由于超宽带无线通信系统的工作频率范围是3.1GHz-10.6GHz，该范围内存在两种重要的窄带系统信号：5.15GHz-5.825GHz的无线局域网(WLAN))和3.3GHz-3.8GHz的全球微波互联接入系统(WiMAX)。因此，为了灵活避免窄带系统的影响，需要天线在这两个频段内灵活产生阻带，即需要一种满足四种无线通信环境要求的天线，即该天线有四种不同状态：WiMAX频段内的阻带、WLAN频段内的阻带、没有阻带以及双阻带。
目前，通过改变天线单元的结构可实现阻带可调超宽带天线，设计方法主要分为三种：可控槽孔天线、开关连接型天线和负载变换型天线。
可控槽孔天线通常在天线槽孔中放置变容二极管、PIN二极管开关和MEMS开关器件，通过直流偏压控制这些器件的状态以改变天线上的电流分布，从而控制天线的工作状态，使其具有阻带可调的特性。若使用变容二极管来切换天线的不同工作状态，变容二极管两端的偏压会使天线的工作频率随之变化，且辐射单元和馈线之间必须加隔直电容；若使用电开关元件来选择天线的不同工作状态，则需要外加偏置电路，电控调整开关的连接状态；若采用共面导波结构来设计超宽带天线，辐射单元和接地板结构都在微波介质板一面，槽孔之间相互影响。所以，这种结构天线存在不稳定、不灵活、需要添加外置电路、结构拥挤和不能独立可控等缺点；开关连接型天线是通过在天线单元中加入一个或多个开关装置，如MEMS开关、PIN二极管开关或硅质开关等，通过外加偏置电路电控调整开关的连接状态以改变天线的谐振长度，从而使天线具有阻带可调特性。这种结构天线通常以改变辐射单元结构为主，存在天线体积大、性能稳定性较差和需要添加外置电路等缺点；负载变换型天线是指通过改变天线所连接负载的状态发生改变，从而产生可重构的特性。这种设计方法的天线存在设计结构复杂和可控结构复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供在WiMAX和WLAN频段内的阻带可调，能够在WiMAX和WLAN两个窄带无线通信系统频段形成稳定的阻带，同时灵活控制阻带并最终实现了对两个潜在干扰频段选择性地抑制的一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线。
本发明的目的是这样实现的：
一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线，包括：辐射单元1，微带馈线2，微波介质基板3，接地板4，第一C形开路槽5，第二C形开路槽6，倒U形槽7，第一铜片8，第二铜片9，第三铜片10；
辐射单元1是U形结构贴片，辐射单元1由上面的两个长方形和下面半个圆环组成，辐射单元1位于微波介质基板3的正面上部；微带馈线2是带状结构，微带馈线2位于微波介质基板3的正面下部，微带馈线2连接辐射单元1和同轴电缆，其上端与辐射单元1连接，其下端与同轴电缆的内芯连接；接地板4是两个角被切成圆弧形的矩形结构，接地板4位于微波介质基板3的反面下部，接地板4和辐射单元1形成对称结构；第一C形开路槽5设置在U形结构的辐射单元1的内部左侧，第二C形开路槽6设置在U形结构的辐射单元1的内部右侧，第一C形开路槽5和第二C形开路槽6关于微波介质基板3的轴线对称；倒U形槽7设置在两个角被切成圆弧形矩形结构的接地板4上；第一铜片8为小型正方形铜片，第一铜片8设置在第一C形开路槽5的开槽口部位，第二铜片9为小型正方形铜片，第二铜片9设置在第二C形开路槽6的开槽口部位，第一铜片8和第二铜片9关于微波介质基板3的轴线对称；第三铜片10为小型矩形铜片，第三铜片10设置在接地板4上的倒U形槽7的开槽中心部位；
技术说明：
所述的辐射单元1的尺寸包括辐射单元1的U形结构上面两个长方形尺寸和下面半个圆环尺寸，长方形尺寸，宽W1：12mm，高W4：10mm，半个圆环尺寸，圆环内径W2：4mm，圆环外径W3：13mm；所述的微带馈线2的尺寸为，高W5：16mm，宽W6：3mm；所述的微波介质基板3的尺寸为，高W7：40mm，宽W8：26mm；所述的接地板4的尺寸为，圆弧半径W9：8.6mm，高W10：15.1mm；
所述的与微带馈线2连接的同轴电缆，包括：内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与微带馈线2连接，所述介质层、外导体的横截面与微波介质基板3、接地板4的下边缘面接触；
所述的第一C形开路槽5和第二C形开路槽6的谐振频率均在3.3GHz-3.8GHz，均涵盖WiMAX频段，第一C形开路槽5和第二C形开路槽6的尺寸为，W11：1.3mm，W12：0.6mm，W13：1.7mm，W14：4mm，W15：6.7mm，W16：7.5mm；
所述的倒U形槽7的谐振频率在5.15GHz-5.825GHz，涵盖WLAN频段，倒U形槽7的尺寸为，W17：10mm，W18：5.8mm，W19：3mm，W20：0.5mm，W21：1mm；
所述的第一铜片8的尺寸为：1mm×1mm，第二铜片9的尺寸为：1mm×1mm，第三铜片10的尺寸为：0.5mm×1mm；
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用微带馈电结构设计方法，辐射单元和接地板分别在介质板正反面，克服具有阻带特性功能结构的设计拥挤和相互影响的不足。微带馈电结构比起其它结构有着设计空间更大、调试过程更简单等显著优势；
2.通过采用槽孔天线的阻带设计原理，即分别在辐射单元和接地板上开设槽孔，这样的阻带设计原理可以克服天线体积大、设计结构拥挤和设计结构复杂的问题。接地板开槽单独形成在超宽带频段内的一个阻带，接地板上阻带结构的调整不会对天线辐射单元产生影响，该结构与天线辐射单元的设计相互独立，充分利用金属接地板上的空间，对接地板进行设计基本上不会影响辐射方向图；
3.通过采用铜片作为开关，灵活控制铜片，可以分别控制两个天线的阻带。这种方式克服了不稳定、不灵活和需要添加外置电路等缺点，可以实现阻带单独可控。相较于电控开关等其它开关更加方便、简洁，该方式能更好的实现阻带可调；
4.通过采用阻带可调的设计方法，把超宽带天线、具有阻带特性功能和可调结构结合在一起。克服了需要天线外置电路、控制原理、结构复杂、天线体积大、不灵活、不稳定和结构之间相互干扰等一系列问题。仅需灵活控制槽孔口的开关，就可以很好的实现阻带可调，这种阻带可调超宽带天线具有小型化、稳定、灵活和控制简单等优异特性；
附图说明
图1为本发明微带馈电超宽带天线正面图；
图2为本发明微带馈电超宽带天线反面图；
图3为本发明双阻带超宽带天线打开设计模型正面图；
图4为本发明双阻带超宽带天线打开设计模型反面图；
图5为本发明双阻带天线开关关闭设计模型正面图；
图6为本发明双阻带天线开关关闭设计模型反面图；
图7为本发明开关不同时仿真的电压驻波比示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1为本发明微带馈电超宽带天线正面图；
图2为本发明微带馈电超宽带天线反面图；
图3为本发明双阻带超宽带天线打开设计模型正面图；
图4为本发明双阻带超宽带天线打开设计模型反面图；
图5为本发明双阻带天线开关关闭设计模型正面图；
图6为本发明双阻带天线开关关闭设计模型反面图；
图7为本发明开关不同时仿真的电压驻波比示意图。
本发明的技术方案是这样实现的：
步骤一：设计超宽带天线
在设计阻带可调超宽带天线的时候，首先选用的是具有优异特性的可控槽孔的方法，而后考虑到要在WiMAX和WLAN两个频段内实现阻带可调(避免两个阻带相互影响)，所以采用微带馈电的超宽带天线结构，该结构可以更好的实现本发明。
微带馈电超宽带天线包括：1为辐射单元，2为微带馈线，3为介质板，4为接地板。该天线设计模型为：正面上端部分是辐射单元、正面下端部分是微带馈线和反面是接地板。
图1和图2分别为微带馈线超宽带天线正面和反面的二维图。介质板尺寸：W7为40mm，W8为26mm。天线尺寸很小，满足天线小型化要求。
在微波介质基板正面上端部分是超宽带天线的辐射单元，靠下端部分是微带馈线。辐射单元最终设计选择为U形贴片，由于贴片中间矩阵的表面电流分布较少，且不会对天线的整体特性产生很大的影响。正面辐射单元U形结构由上面的两个长方形和下面半个圆环组成。长方形尺寸：W1为12mm，W4为10mm。下面半个圆环：内径W2为4mm，外径W3为13mm。微带馈线是带状结构，连接辐射单元和同轴电缆。馈电带状结构尺寸：长W5为16mm，宽W6为3mm。
在微波介质基板反面是接地板，接地板是上面两个角切成圆弧形的矩形。背面接地单元结构尺寸：圆弧线半径W9为8.6mm，接地板高度W10为15.1mm。调节正面U形结构的外径、正面带状结构的宽度和背面接地单元的尺寸大小会对超宽带天线的性能产生重要影响。
步骤二：设计双阻带超宽带天线
图3和图4是双阻带的超宽带天线，是在图1和图2的微带馈线超宽带天线基础上形成的。5和6为在U形天线辐射体上对称的两个C形开路槽和7为在接地板上的一个倒U形槽。
两个谐振在3.3GHz-3.8GHz的C形开路槽对称加载在U形天线辐射体的内侧，涵盖了WiMAX频段。C形开路槽孔大小和位置由槽孔尺寸体现。槽孔尺寸：W11为1.3mm，W12为0.6mm，W13为1.7mm，W14为4mm，W15为6.7mm，W16为7.5mm。调节谐振频率为1/4波长的C形开路槽长度，可以调节阻带的带宽。
谐振在5.15GHz-5.825GHz的倒U形槽孔加载在天线背面的接地板上，涵盖了WLAN频段。倒U形槽孔大小和位置由槽孔尺寸体现。槽孔尺寸：W17为10mm，W18为5.8mm，W19为3mm，W20为0.5mm，W21为1mm。谐振在5.5GHz的倒U型槽对辐射单元槽孔形成的阻带没有影响。
阻带可调超宽带天线的阻带由在U形天线辐射单元上两个对称C形开路槽和在接地板上倒U形槽形成。同时，调节1/4波长的两个C形槽和倒U形槽的位置，可以调节阻带的带宽。
步骤三：实现阻带可调超宽带天线
图5和图6是阻带可调的超宽带天线，是在双阻带超宽带天线基础上实现。同双阻带超宽带天线相比，阻带可调的超宽带天线在辐射单元开槽口和接地板开槽中心添加灵活控制的铜片。辐射单元上的两个铜片8、9的尺寸为1mm×1mm，接地板上的铜片10的尺寸为0.5mm×1mm。最终设计天线四种状态的电压驻波比如图7所示。
本发明提出超宽带天线的设计方法可以很好地抑制从5.15GHz到5.825GHz的WLAN信号频段和3.3GHz到3.8GHz的WiMAX频段。与已有的超宽带阻带天线相比，可以应对目前超宽带频段内潜在的窄带无线通信系统的影响，提高了阻带超宽带天线的灵活度。

Claims (3)

1.一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线，其特征在于，包括：辐射单元(1)，微带馈线(2)，微波介质基板(3)，接地板(4)，第一C形开路槽(5)，第二C形开路槽(6)，倒U形槽(7)，第一铜片(8)，第二铜片(9)，第三铜片(10)；辐射单元(1)是U形结构贴片，辐射单元(1)由上面的两个长方形和下面半个圆环组成，辐射单元(1)位于微波介质基板(3)的正面上部；微带馈线(2)是带状结构，微带馈线(2)位于微波介质基板(3)的正面下部，微带馈线(2)连接辐射单元(1)和同轴电缆，其上端与辐射单元(1)连接，其下端与同轴电缆的内芯连接；接地板(4)是两个角被切成圆弧形的矩形结构，接地板(4)位于微波介质基板(3)的反面下部，接地板(4)和辐射单元(1)形成对称结构；第一C形开路槽(5)设置在U形结构的辐射单元(1)的内部左侧，第二C形开路槽(6)设置在U形结构的辐射单元(1)的内部右侧，第一C形开路槽(5)和第二C形开路槽(6)关于微波介质基板(3)的轴线对称；倒U形槽(7)设置在两个角被切成圆弧形矩形结构的接地板(4)上；第一铜片(8)为小型正方形铜片，第一铜片(8)设置在第一C形开路槽(5)的开槽口部位，第二铜片(9)为小型正方形铜片，第二铜片(9)设置在第二C形开路槽(6)的开槽口部位，第一铜片(8)和第二铜片(9)关于微波介质基板(3)的轴线对称；第三铜片(10)为小型矩形铜片，第三铜片(10)设置在接地板(4)上的倒U形槽(7)的开槽中心部位；采用铜片作为开关，灵活控制铜片，分别控制两个天线的阻带；所述的辐射单元(1)的尺寸包括辐射单元(1)的U形结构上面两个长方形尺寸和下面半个圆环尺寸，长方形尺寸，宽W1：12mm，高W4：10mm，半个圆环尺寸，圆环内径W2：4mm，圆环外径W3：13mm；所述的微带馈线(2)的尺寸为，高W5：16mm，宽W6：3mm；所述的微波介质基板(3)的尺寸为，高W7：40mm，宽W8：26mm；所述的接地板(4)的尺寸为，圆弧半径W9：8.6mm，高W10：15.1mm；所述的第一C形开路槽(5)和第二C形开路槽(6)的谐振频率均在3.3GHz-3.8GHz，均涵盖WiMAX频段；所述的倒U形槽(7)的谐振频率在5.15GHz-5.825GHz，涵盖WLAN频段。
2.根据权利要求1所述的一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线，其特征在于：所述的与微带馈线(2)连接的同轴电缆，包括：内芯、介质层和外导体，所述内芯的裸露部分为半圆柱体，且裸露部分内芯与微带馈线(2)连接，所述介质层、外导体的横截面与微波介质基板(3)、接地板(4)的下边缘面接触。
3.根据权利要求1所述的一种阻带可调的新型微带馈电超宽带天线，其特征在于：所述的第一铜片(8)的尺寸为：1mm×1mm，第二铜片(9)的尺寸为：1mm×1mm，第三铜片(10)的尺寸为：0.5mm×1mm。
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