CN111082225A - 一种小型化可重构三陷波超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化可重构三陷波超宽带天线，包括基板、辐射贴片、馈电线、接地板和可重构陷波单元，所述辐射贴片、馈电线和接地板位于基板的正面；所述馈电线与所述辐射贴片的底部相连接，所述接地板对称的位于所述馈电线的左右两侧，形成共面波导结构；所述可重构陷波单元包括嵌套刻在辐射贴片上的大C形槽和小C形槽、以及位于所述基板背面的两个矩形开口谐振环。本发明实现三陷波可重构特性，天线的可重构陷波单元布局减少了辐射贴片面积的占用，天线的辐射贴片采用削顶圆形结构，减小了天线的尺寸，实现天线的小型化特性，本发明的天线结构简单、紧凑，辐射特性满足UWB通信要求。

Description

一种小型化可重构三陷波超宽带天线
技术领域
本发明属于微波天线的技术领域，尤其涉及一种小型化可重构三陷波超宽带天线。
背景技术
超宽带(UWB)通信技术因具有高传输速率、高容量、低功耗等特性得到广泛应用，相应的超宽带天线也得到了快速发展。UWB通信系统覆盖带宽较广 (3.1～10.6GHz)，与其他商用频段WiMAX(3.3～3.6GHz)、WLAN(5.15-5.825 GHz)、X波段(7.25～7.75GHz)等相重叠，彼此之间造成干扰。为了抑制干扰，可以在UWB天线上设计陷波结构滤出相应窄带频段，然而该方法对干扰频段永久性滤出，在无窄带干扰的环境下不能充分利用相应通信频段，为了抑制窄带干扰同时灵活的应用通信频段，可重构多陷波超宽带天线成为UWB天线的发展方向。
Ojaroudi Sajjad等人在IEEE Antennas Wireless Propag Lett(2015，57(4):849-853)上发表了题为“Novel design ofreconfigurable microstrip slot antennawith switchable band-notched characteristic”的文章，提出了一种利用三角形开槽实现陷波，并在槽上跨接一个PIN管实现陷波可重构的超宽带天线；Horestani Ali Karami等人在IEEE TransAntennas Propag(2016，64(9):3766-3776)上发表了题为“Reconfigurable and tunable S-shaped split-ring resonators and application inband-notched UWB antennas”的文章，提出了一种利用两个开口谐振环实现陷波，并在两个开口谐振环之间连接一个PIN管通过改变谐振环结构实现陷波可重构的超宽带天线；Toktas Abdurrahim等人在Wiley Microwave Opt Technol Lett (2019，61(1):245-250)上发表了题为“A compact reconfigurable ultra-wideband G-shaped printed antennawith band-notched characteristic”的文章，提出了一种G 形具有陷波特性的单极子天线，并在天线两极之间连接PIN管实现陷波可重构。
然而这些天线虽然取得了良好的陷波特性，但是只能实现一个或两个陷波频段的可重构，要么不能充分抑制UWB带宽范围内常用窄带通信频段的干扰，要么不能充分利用UWB带宽范围内的各常用通信频段。同时，由于天线中增加了陷波结构，天线的体积较大。
发明内容
基于以上现有技术的可重构陷波数量不足、天线体积较大的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种小型化可重构三陷波超宽带天线，控制结构简单紧凑，增加了可重构陷波的数量，实现了UWB带宽范围内常用商用频段的灵活使用，提高通信频段的使用效率。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种小型化可重构三陷波超宽带天线，包括基板、辐射贴片、馈电线、接地板和可重构陷波单元，所述辐射贴片、馈电线和接地板位于所述基板的正面；所述馈电线与所述辐射贴片的底部相连接，所述接地板对称的位于所述馈电线的左右两侧，形成共面波导结构；所述可重构陷波单元包括嵌套刻在辐射贴片上的大C形槽和小C形槽、以及位于所述基板背面的两个矩形开口谐振环。
作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的小型化可重构三陷波超宽带天线进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述两个矩形开口谐振环靠近所述馈电线的底端，并沿基板的中心线左右对称放置；该两个矩形开口谐振环的尺寸相等，均为带有缺口的矩形环状结构。
在本发明的一个实施例中，所述可重构陷波单元还包括四个射频PIN管，其中，第一PIN管跨接在所述小C形槽底部的中心位置，第二PIN管跨接在所述大C形槽底部的中心位置，第三PIN管和第四PIN管分别跨接在两个矩形开口谐振环靠近基板边沿的缺口上。
进一步的，在本发明的具体实施例方式中，每个矩形开口谐振环具有分别位于其两个短边的中心处的两个缺口，两个缺口呈方形口且尺寸相等，其中靠近基板边沿的缺口用于放置PIN管。
可选的，所述接地板靠近基板的边的两个边角被截去，靠近馈电线两侧的顶端开有两个矩形槽；所述矩形槽的宽度为0.8mm，长度为1mm；所述边角的两个直角边的长度分别为2.6mm和5.2mm。
可选的，所述大C形槽的外周长为16mm，宽为0.4mm，所述大C形槽的开口长度为1.2mm；所述小C形槽的外周长为12mm，宽为0.4mm，所述小C 形槽的开口长度为0.6mm。
进一步的，所述矩形开口谐振环的外周长为9mm，宽为0.4mm，其上的方形口的边长为0.4mm。
在本发明的一个实施例中，所述辐射贴片为削顶圆形结构，其直径为 6.6mm。所述基板的相对介电常数为2.33，宽度为18mm，长度为19.5mm。
可选的，所述馈电线的宽度为2mm，长度为7.8mm；位于馈电线一侧的接地板的宽度为7.6mm，长度为6.6mm。
由上，本发明的小型化可重构三陷波超宽带天线至少具有如下有益效果：
1.本发明通过在辐射贴片上刻蚀大小两个C形槽以及在基板背面集成两个矩形开口谐振环实现对WiMAX(3.3-3.6GHz)、WLAN(5.15-5.825GHz)、X波段(7.25-7.75GHz)三个波段的陷波。同时，两个矩形开口谐振环放置于基板背面，大小两个C形槽采用嵌套布局，减小陷波单元对辐射贴片面积的占用，实现三陷波同时为本发明的天线小型化提供基础。
2.本发明采用四个PIN管分别跨接在大小两个C形槽的底部中心位置和两个矩形开口谐振环靠近基板边沿的缺口位置上，通过偏置电压控制PIN管的通断改变辐射贴片的电流分布和改变谐振环的结构，进一步控制陷波频段的存在状态，实现了三个陷波的可重构。本发明的控制结构简单紧凑，增加了可重构陷波的数量，实现了UWB带宽范围内常用商用频段的灵活使用，提高通信频段的使用效率。
3.本发明采用削顶圆形结构减小辐射贴片面积，接地板采用缺陷地结构扩展天线带宽，在满足UWB带宽的前提下减小了本发明的天线的尺寸，经测量本发明的天线尺寸为18×19.5mm2。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明优选实施例的小型化可重构三陷波超宽带天线的正面结构图；
图2是本发明优选实施例的小型化可重构三陷波超宽带天线的背面结构图；
图3是本发明的天线反射系数的仿真结果示意图；
图4是本发明的各模式下天线的驻波系数示意图；
图5是本发明的天线在5GHz时的(E面和H面)方向示意图；
图6是本发明的天线在8GHz时的(E面和H面)方向示意图；
图7是本发明的天线在10GHz时的(E面和H面)方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-2所示，本发明的小型化可重构三陷波超宽带天线包括辐射贴片1、馈电线2、接地板3、可重构陷波单元4和基板5。所述辐射贴片1、馈电线2 和接地板3位于基板5的正面，所述辐射贴片1与馈电线2相连接，所述接地板对称的位于所述馈电线的左右两侧，形成共面波导结构。辐射贴片1为削顶圆形结构，其直径为6.6mm，馈电线2与辐射贴片1的底部连接，馈电线2的宽度为2mm，长度为7.8mm。
本发明的可重构陷波单元4包括：一个大C形槽40、一个小C形槽41、两个矩形开口谐振环42、43和四个射频PIN管44、45、46、47，四个射频PIN 二极管的通断状态改变了大、小C形槽以及矩形开口谐振环的结构，进而改变天线表面电流分布，使陷波频段具有可重构性。所述大C形槽40和小C形槽 41嵌套刻蚀在辐射贴片1上，所述两个矩形开口谐振环42、43位于所述基板5 的背面并靠近馈电线2的底端，并沿基板5的中心线左右对称放置，两个矩形开口谐振环42、43为带有缺口的矩形环状结构，尺寸相等。每个矩形开口谐振环42、43有两个缺口，分别位于其两个短边的中心处，两个缺口呈方形口且尺寸相等，其中靠近基板5边沿的缺口用于放置PIN管。
四个射频PIN管44、45、46、47为同型号PIN二极管，第一PIN管44跨接在小C形槽41底部的中心位置，第二PIN管45跨接在大C形槽40底部的中心位置，第三、四PIN管46、47分别跨接在两个矩形开口谐振环42、43靠近基板5边沿的缺口上。
在本实施例中，两个矩形开口谐振环42、43放置于基板5的背面，不占用辐射贴片1的面积，大C形槽40和小C形槽41嵌套刻蚀在辐射贴片1上，结构紧凑，减少贴片面积的占用，因此，陷波结构的布局为辐射贴片小型化奠定了基础。
基于陷波结构的布局，所述辐射贴片1为削顶圆形结构，相对于单极子圆形贴片，有效的减小了辐射贴片面积。
本实施例中，所述接地板3对称的位于馈电线2的左右两侧，接地板3为缺陷地结构，其靠近基板5的边的两个边角被截去，靠近馈电线2两侧的顶端开有两个矩形槽，所述矩形槽的宽度为0.8mm，长度为1mm；所述边角的两个直角边的长度分别为2.6mm和5.2mm。该缺陷地结构可以扩展带宽，使本发明的天线的带宽符合UWB带宽要求。位于其中一侧的接地板3的宽度为7.6mm，长度为6.6mm。
本实施例中采用的参数为：介质基板5的材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.33，宽度为18mm，长度为19.5mm。
大C形槽40的外周长为16mm，宽为0.4mm，所述大C形槽40的开口长度为1.2mm；所述小C形槽41的外周长为12mm，宽为0.4mm，所述小C形槽 41的开口长度为0.6mm。
以下结合仿真、测量结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
本实施例采用商业软件HFSS，基于上述实例，分别对辐射贴片1无开槽且基板5背面无矩形开口谐振环情况下的反射系数(S11)值，仅在辐射贴片1上开C形槽情况下的S11值以及C形槽与矩形开口谐振环都存在的情况下的S11 值，进行了仿真，仿真结果如图3所示。
本实施例中，在辐射贴片1上开C形槽可以改变辐射贴片电流的分布，进而在所需频段上产生陷波，陷波频段的中心频率与C形槽的长度符合公式(1)，调整两个C形槽的长度，使大C形槽40在WiMAX(3.3-3.6GHz)波段产生陷波，使小C形槽41在WLAN(5.15-5.825GHz)波段产生陷波，相应的反射系数曲线如图3所示。
Figure RE-GDA0002419523560000061
其中，c为光速，εeff为介质有效介电常数，fnotch为陷波中心频率，Lslot为 C形槽的内周长。
本实施例中，矩形开口谐振环在某一频率上产生谐振，谐振频率与矩形开口谐振环的长度相关，如公式(2)所示，发生谐振时天线表面电流集中分布在矩形开口谐振环上，进而在该频段产生陷波，调整两个矩形开口谐振环的长度，使其在X波段(7.25-7.75GHz)产生陷波，相应的反射系数曲线如图3所示；
Figure RE-GDA0002419523560000062
其中，Sr为单个矩形谐振环的内周长。
本实施例中，为了使UWB通信系统，能够在无商用窄带通信干扰或者干扰较弱的情况下，充分利用带宽范围内其他通信频段，提高带宽利用率，本发明的天线通过控制PIN管的通断状态控制在WiMAX(3.3-3.6GHz)、WLAN (5.15-5.825GHz)和X波段(7.25-7.75GHz)三个波段的陷波存在状态，实现陷波可重构；
本实施例中，采用矢量网络分析仪Agilent E5063A，对实现陷波可重构天线的带宽特性进行了测量，所述四个射频PIN管44、45、46、47的通断状态及对相应陷波的控制情况如表1所示：
表1
Figure RE-GDA0002419523560000071
在无干扰环境下，当本发明的天线工作时，PIN管两端加载偏置电压，通过控制偏置电压使第一PIN管44和第二PIN管45导通，第三PIN管46和第四 PIN管47关断，本发明的天线在带宽范围内无陷波，工作频段为完整的UWB 频段，如表中模式1所示；在仅存在一个窄带频段干扰的环境下，如表中模式2、 3、4所示，通过控制偏置电压使相应PIN管导通或关断，使对应的单个窄带通信频段产生陷波，其他两个频段正常使用；当存在两个窄带频段干扰时，如表中模式5、6、7所示，通过控制偏置电压使相应PIN管的导通或关断，在相应的两个窄带频段上产生陷波；而在存在三个窄带频带干扰的强干扰环境下，如表1中模式8所示，通过控制偏置电压使相应PIN管导通或关断，在三个频段上均产生陷波。
本实施例采用商用软件HFSS和矢量网络分析仪Agilent E5063A对以上各模式下天线的驻波系数(VSWR)进行测量，测量结果如图4所示，从图中可以观察到表中各个模式下，天线的陷波个数、陷波频段以及中心频率对应的VSWR 值，证明了本发明的天线的陷波可重构特性。
本实施例采用微波暗室对本发明的天线的辐射方向图进行测量，如图5-7 所示，分别展示了本发明的天线在5GHz、8GHz以及10GHz上E面和H面的主极化和交叉极化方向图，从图中可以观察到，本发明的天线在陷波频段以外的频率上辐射特性接近单极子天线，满足UWB系统的应用要求。
本发明的天线通过偏置电压控制PIN管的通断改变辐射贴片的电流分布和改变谐振环的结构，进一步控制陷波频段的存在状态，实现三个陷波可重构特性；天线的可重构陷波单元布局减少了辐射贴片面积的占用，天线的辐射贴片采用削顶圆形结构，减小了天线的尺寸，实现天线的小型化特性。本发明的天线结构简单、紧凑，实现了三陷波可重构特性，辐射特性满足UWB通信要求。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型化可重构三陷波超宽带天线，包括基板(5)、辐射贴片(1)、馈电线(2)、接地板(3)和可重构陷波单元(4)，其特征在于：
所述辐射贴片(1)、馈电线(2)和接地板(3)位于所述基板(5)的正面；所述馈电线(2)与所述辐射贴片(1)的底部相连接，所述接地板(3)对称的位于所述馈电线(2)的左右两侧，形成共面波导结构；
所述可重构陷波单元(4)包括嵌套刻在辐射贴片(1)上的大C形槽(40)和小C形槽(41)、以及位于所述基板(5)背面的两个矩形开口谐振环(42、43)。
2.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于，所述两个矩形开口谐振环(42、43)靠近所述馈电线(2)的底端，并沿基板(5)的中心线左右对称放置；该两个矩形开口谐振环(42、43)的尺寸相等，均为带有缺口的矩形环状结构。
3.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述可重构陷波单元(4)还包括四个射频PIN管，其中，第一PIN管(44)跨接在所述小C形槽(41)底部的中心位置，第二PIN管(45)跨接在所述大C形槽(40)底部的中心位置，第三PIN管(46)和第四PIN管(47)分别跨接在两个矩形开口谐振环(42、43)靠近基板(5)边沿的缺口上。
4.如权利要求3所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：每个矩形开口谐振环具有分别位于其两个短边的中心处的两个缺口，两个缺口呈方形口且尺寸相等，其中靠近基板(5)边沿的缺口用于放置PIN管。
5.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述接地板(3)靠近基板(5)的边的两个边角被截去，靠近馈电线(2)两侧的顶端开有两个矩形槽；
所述矩形槽的宽度为0.8mm，长度为1mm；所述边角的两个直角边的长度分别为2.6mm和5.2mm。
6.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述大C形槽(40)的外周长为16mm，宽为0.4mm，所述大C形槽(40)的开口长度为1.2mm；
所述小C形槽(41)的外周长为12mm，宽为0.4mm，所述小C形槽(41)的开口长度为0.6mm。
7.如权利要求4所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述矩形开口谐振环(42、43)的外周长为9mm，宽为0.4mm，其上的方形口的边长为0.4mm。
8.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(1)为削顶圆形结构，其直径为6.6mm。
9.如权利要求1所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述基板(5)的相对介电常数为2.33，宽度为18mm，长度为19.5mm。
10.如权利要求1至9中任一项所述的小型化可重构三陷波超宽带天线，其特征在于：所述馈电线(2)的宽度为2mm，长度为7.8mm；
位于馈电线(2)一侧的接地板(3)的宽度为7.6mm，长度为6.6mm。
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