CN111416202A - 一种小型化双陷波特性的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化双陷波特性的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和改进接地板，辐射贴片为矩形结构，其底部两侧形成有对称设置的切角部，其顶部挖有半圆形凹槽；微带馈线与辐射贴片的底部相连接处的两侧设置切角部；改进接地板的顶部两侧形成有对称设置的切角部，其中部开有不规则形槽。本发明采用单极子天线结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化且结构简单，通过引入T形枝节及刻蚀U形窄缝隙的方式产生阻带，有效滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信，具有结构简单、小型化、抗干扰能力强、辐射特性好的优点，具有较高的实用价值，可以应用于多种超宽带通信系统。

Description

一种小型化双陷波特性的超宽带天线

技术领域

本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种小型化双陷波特性的超宽带天线。

背景技术

近年来，无线通信技术随着人们工作生活的需求日益发展更新，终端设备小型化、低成本、高效率的发展趋势也逐渐凸显，使得天线必将朝着小型化和宽带化的目标迈进。超宽带技术因具有传输速率高、功耗低、分辨率高等优点，广泛应用于雷达遥感和军事通信领域。美国联邦通信委员会(FCC)于1934年作为美国政府的独立机构而建立，自2002年FCC将3.1～10.6GHz的超宽带频带划分到民用通信领域后，超宽带通信技术成为了学术界和无线通信领域的重点研究对象。超宽带天线作为系统的核心部件，其性能的好坏直接影响着整个系统的传输质量。

由于超宽带系统占用的频段极宽，其中包含着很多窄带通信系统，比如3.3-3.6GHz的无线局域网(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)以及8.01-8.5GHz的国际电信联盟等通信系统。这些窄带通信频段会强烈干扰超宽带系统的正常工作。为了避免这些窄带信号的干扰，需要设计具有陷波特性的超宽带天线，同时，为了满足当今电子产品日益小型化和便携化的要求，实现超宽带天线的小型化设计是目前国内外的研究热点。

为了避免超宽带系统与窄带系统之间存在的电磁干扰，传统的方法是在超宽带系统中引入带阻滤波器，但这无疑加大了系统的体积、设计复杂度和成本。目前解决天线过滤窄带信号问题最为简单的方法就是使用具有陷波特性的超宽带天线，主要采用开槽法、添加枝节法和寄生单元法等。例如参考文献“施荣华,徐曦,董健.一种双陷波超宽带天线设计与研究[J].电子与信息学报,2014,36(02):482-487”中提出的一种具有双陷波特性的超宽带天线，天线采用圆形单极子天线结构作为辐射单元，通过在辐射贴片中心开圆弧状H形槽并在接地板上开出两个L形槽使天线产生两个陷波特性，天线的整体尺寸为35.5*30*1.6mm³，但该天线仅仅滤除了WiMAX和WLAN两个频段窄带信号的干扰且物理尺寸较大。

再如专利名称为一种新型的具有U形槽的圆形陷波超宽带天线、申请号为201410796959.0的中国专利，提出了一种新型的具有U形槽的圆形陷波超宽带天线，该天线由圆形辐射贴片、矩形微带馈线和矩形接地面组成，通过在圆形辐射贴片上开U形槽，在辐射单元两侧加入螺旋环谐振器的方法产生双陷波特性，天线的物理尺寸为38*38*0.812mm³，同样物理尺寸较大，不易于集成。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的具有双陷波特性的超宽带天线，能滤除不同窄带信号的干扰。

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双陷波特性的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和改进接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述改进接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片为矩形结构，其底部两侧形成有对称设置的第一切角部，其顶部挖有半圆形凹槽；所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，并在与所述辐射贴片的底部相连接处的两侧设置第二切角部；所述改进接地板的顶部两侧形成有对称设置的第三切角部，其中部开有不规则形槽。

由上，采用改进的矩形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化，能滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信。本发明具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强等优点。

可选的，所述半圆形凹槽的上方设置有T形枝节。

进一步的，所述T形枝节位于所述介质基板的中轴线位置且与所述半圆形凹槽相连。

由上，采用改进的矩形结构作为辐射贴片，利用单极子天线空间占用小且易改进的特点有效扩展天线带宽并减小天线尺寸；辐射贴片上开设半圆形凹槽可扩展天线的低频段带宽，节省制作材料且能增加陷波结构的数量；引入T形枝可产生阻带特性并且通过调节T形枝节的水平长度和竖直长度灵活地调整陷波的中心频率和带宽。

进一步的，所述不规则形槽位于改进接地板的中上部，并位于所述微带馈线的正下方，所述不规则形槽的长度为8.5-9.5mm。

可选的，所述半圆形凹槽的半径为8.8-9.2mm。所述第一切角部的水平长度为5.8-6.2mm，其竖直长度为8.5-9mm。

进一步的，所述T形枝节的水平长度为12.5-13.5mm，其竖直长度为7.8-8mm。

可选的，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线的长度为13-14mm，其宽度为1.5mm；所述微带馈线上刻蚀形成有U形窄缝隙，该U形窄缝隙由微带馈线的中下部向上延伸，U形窄缝隙的缝隙宽度为0.19mm。

由上，在微带馈线上刻蚀U形窄缝隙产生第二个陷波频段，通过调整U形窄缝隙的宽度、长度以及与馈电端口的距离等参数实现良好的陷波特性，调节过程灵活。另外，采用引入T形枝节和刻蚀U形窄缝隙的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产。

进一步的，所述第三切角部的水平长度为3-5mm，第三切角部的竖直长度为3-4mm。

由上，采用改进接地板结构，并在接地板顶部两侧切除三角形边角、中上部开不规则形槽，该结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线性能。

可选的，所述介质基板的厚度为1mm，介质基板的长度和宽度分别为31mm和18mm。

由上，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。

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双陷波特性的超宽带天线的结构图；

图2是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线的正面结构图；

图3是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线的背面结构图；

图4是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线的回波损耗曲线图；

图5是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线在3GHz频点的辐射方向图；

图6是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线在6.5GHz频点的辐射方向图；

图7是本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线在10.5GHz频点的辐射方向图。

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1-7所示，本发明的小型化双陷波特性的超宽带天线包括介质基板10、辐射贴片20、微带馈线30和改进接地板40，该辐射贴片20和微带馈线30印制在介质基板10的正面，改进接地板40印制在所述介质基板10的背面。如图1所示，辐射贴片20采用底部两侧切角、顶部挖半圆形凹槽21的矩形结构。在辐射贴片20上挖去半圆形凹槽21并在底部两侧形成对称的第一切角部23，半圆形凹槽21位于辐射贴片20的顶部位置，第一切角部23位于辐射贴片20的底部，半圆形凹槽21和两侧切角的位置如图2所示，其中半圆形凹槽21的半径为8.8-9.2mm，半圆形凹槽21的半径优选为9mm，第一切角部23的水平长度为5.8-6.2mm，其竖直长度为8.5-9mm，优选地，第一切角部23的水平长度为6mm，其竖直长度为8.75mm。另外，在辐射贴片20上引入T形枝节22，T形枝节22的位置如图2所示，设置在所述半圆形凹槽21的上方，并位于所述介质基板10的中轴线上且与所述半圆形凹槽21相连。其中，T形枝节22的水平长度为12.5-13.5mm，其竖直长度为7.8-8mm，在具体实施中，将T形枝节22的水平长度定为13mm，竖直长度定为7.9mm。

辐射贴片20的底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线30相连，微带馈线30与辐射贴片20相连处的两侧设置第二切角部，所述微带馈线30的长度为13-14mm，其宽度为1.5mm，优选地，微带馈线30的长度为13.5mm。微带馈线30上刻蚀有U形窄缝隙31，并自微带馈线30的中下部向上延伸，缝隙位置如图2所示，缝隙宽度为0.19mm。采用50Ω的微带线馈电，在微带馈线30上刻蚀U形窄缝隙31产生另一陷波频段，通过调整U形窄缝隙的宽度、长度以及与馈电端口的距离等参数实现良好的陷波特性，调节过程灵活。

顶部两侧带有第三切角部41和中上部开有不规则形槽42的改进接地板40印制在介质基板10背面的下侧，第三切角部41的位置如图3所示，其中两个第三切角部41对称设置，第三切角部41呈三角形边角，可理解地，该第三切角部41也可以为弧形切角或其它形状等。第三切角部41的设置可改善天线的阻抗匹配特性，第三切角部41的水平长度为3-5mm，第三切角部41的竖直长度为3-4mm，优选地，第三切角部41的水平长度为4mm，其竖直长度为3.534mm。改进接地板40的不规则形槽42的位置如图3所示，不规则形槽42位于改进接地板40的中上部，并位于所述微带馈线30的正下方，上述不规则形槽42的长度为8.5-9.5mm，优选地，不规则形槽42的长度为9mm。不规则形槽42的两个水平方向的矩形间距为1mm。采用如上改进接地板40的结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线的性能。

本实施例中的超宽带天线印制在长、宽、厚分别为31mm、18mm、1mm的FR4环氧树脂材料的介质基板10上，介质基板10的相对介电常数为4.4。

为了进一步说明本发明的具有双陷波特性的超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS15.0对本发明进行了射频特性的建模仿真。

参见图4，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽为2.8-12.3GHz，完全满足FCC规定的超宽带频带范围，并且在3.23～3.7GHz 8.01～8.66GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除WiMAX和国际电信联盟两种窄带信号带来的电磁干扰。

参见图5，提供了本发明实施例中超宽带天线在3GHz时的辐射方向图，由图5可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。

参见图6，提供了本发明实施例中超宽带天线在6.5GHz时的辐射方向图，由图6可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。

参见图7，提供了本发明实施例中超宽带天线在10.5GHz时的辐射方向图，由图7可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性，该天线在整个通带频段内均具有较好的全向辐射特性。

以上仿真分析表明，本发明天线的带宽为2.8-12.3GHz，工作带宽完全满足3.1-10.6GHz的超宽带频段范围，在3.23～3.7GHz和8.01～8.66GH两个频段具有较好的阻带特性，可同时滤除WiMAX(3.3-3.6GHz)和国际电信联盟(8.01～8.5GHz)两个窄带通信系统产生的电磁干扰，且在通带频段内具有基本稳定的峰值增益和全向辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。

上述实施例揭示的具有双陷波特性的超宽带天线具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定等优点，采用单极子天线结构作为辐射贴片20，实现了超宽带天线的小型化，通过引入T形枝节22和刻蚀U形窄缝隙31的方式产生阻带，滤除了WIMAX和国际电信联盟两种窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信。另外，通过调节T形枝节22的水平和竖直长度以及U形窄缝隙31的参数，可灵活调整陷波的中心频率和带宽，具有陷波可调节特性。采用矩形两侧的切角，顶部挖半圆形凹槽21结构作为辐射贴片20，利用单极子天线空间占用小且易改进的特点有效扩展天线带宽并减小天线尺寸。在辐射贴片20上挖去半圆形凹槽21并引入T形枝节22，在很大程度上改变天线表面电流分布特性，增加了天线表面电流路径，在产生陷波频段的同时天线扩展低频段带宽。本发明的天线接地板采用改进接地板40结构，并在接地板顶部两侧切除三角形边角、中上部开不规则形槽42，该结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线性能。另外，本发明采用引入T形枝节22和刻蚀U形窄缝隙31的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。

本发明采用单极子天线结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化且结构简单，通过引入T形枝节及刻蚀U形窄缝隙的方式产生阻带，有效滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信，具有结构简单、小型化、抗干扰能力强、辐射特性好的优点，具有较高的实用价值，可以应用于多种超宽带通信系统。

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)

1.一种具有双陷波特性的超宽带天线，包括介质基板(10)、辐射贴片(20)、微带馈线(30)和改进接地板(40)，其特征在于：

所述辐射贴片(20)和微带馈线(30)均印制在所述介质基板(10)的正面，所述改进接地板(40)印制在所述介质基板(10)的背面；

所述辐射贴片(20)为矩形结构，其底部两侧形成有对称设置的第一切角部(23)，其顶部挖有半圆形凹槽(21)；

所述微带馈线(30)与所述辐射贴片(20)的底部相连接，并在与所述辐射贴片(20)的底部相连接处的两侧设置第二切角部；

所述改进接地板(40)的顶部两侧形成有对称设置的第三切角部(41)，其中部开有不规则形槽(42)。

2.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述半圆形凹槽(21)的上方设置有T形枝节(22)。

3.如权利要求2所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述T形枝节(22)位于所述介质基板(10)的中轴线位置且与所述半圆形凹槽(21)相连。

4.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述不规则形槽(42)位于改进接地板(40)的中上部，并位于所述微带馈线(30)的正下方，所述不规则形槽(42)的长度为8.5-9.5mm。

5.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述半圆形凹槽(21)的半径为8.8-9.2mm。

6.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述第一切角部(23)的水平长度为5.8-6.2mm，其竖直长度为8.5-9mm。

7.如权利要求2所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述T形枝节(22)的水平长度为12.5-13.5mm，其竖直长度为7.8-8mm。

8.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(30)为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线(30)的长度为13-14mm，其宽度为1.5mm；

所述微带馈线(30)上刻蚀形成有U形窄缝隙(31)，该U形窄缝隙(31)由微带馈线(30)的中下部向上延伸，U形窄缝隙(31)的缝隙宽度为0.19mm。

9.如权利要求1所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述第三切角部(41)的水平长度为3-5mm，第三切角部(41)的竖直长度为3-4mm。

10.如权利要求1至9中任一项所述的具有双陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(10)的厚度为1mm，介质基板(10)的长度和宽度分别为31mm和18mm。

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