CN112259968B - 一种小型化单陷波双频带超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化单陷波双频带超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和矩形接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述矩形接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片为采用矩形基础图形，在矩形中间挖去两个矩形贴片，再在矩形贴片下方挖去一个矩形贴片；所述馈线为矩形辐射贴片右下方位置；所述接地板切去了一个矩形槽。所述辐射贴片和馈线的组合拓宽了天线的带宽；通过在所述辐射贴片开槽的方式产生阻带，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、辐射特性好、抗干扰能力强的优点，在通带频段内具有全向辐射特性。

Description

一种小型化单陷波双频带超宽带天线
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单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WiMax波段以及3.7-4.2GHz的C波段等通信系统。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“S.P.Janjarla and B.Dasgupta.Star ShapedBroadband Printed Antenna With U-Shape Ground Plane.2020National Conferenceon Emerging Trends on Sustainable Technology and Engineering Applications(NCETSTEA)，Durgapur，India，2020，pp.1-4，doi:10.1109/NCETSTEA48365.2020.9119952”中提出的一种宽带天线，天线通过两个等边三角形补丁结构作为辐射单元，通过在辐射贴片上切除矩形凹槽改善了宽带特性，随后在接地板上外接两个矩形贴片与接地板啊相连接，实现了天线的超宽带特性，天线的整体尺寸为40*40*1.6mm3，但该天线的带宽仅为6.5-10.6Ghz且物理尺寸较大。
再如专利名称为一种新型超宽带平面单极子天线、申请号为201921632953.4的中国专利，提出了一种新型超宽带单极子天线，该天线由等边三角形和两个半圆形结合的结构，矩形辐射贴片切角和矩形微带馈线组成，通过调节接地板矩形凹槽的竖直长度和水平长度的方法来产生超宽带特性，天线的物理尺寸为30*30*1.6mm3，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、性能稳定的具有单陷波双频带特性的超宽带天线，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单陷波双频带超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和矩形接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述矩形接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片采用矩形基础图形，在其左右对称的设有第一矩形凹槽和第二矩形凹槽，在辐射贴片的左下方开设第三矩形凹槽；所述微带馈线采用正方形贴片、梯形贴片与平行四边形贴片相连接；所述微带馈线处于所述辐射贴片的底部右下方；所述矩形接地板右方开有第五矩形凹槽。
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，所述辐射贴片的中下部切除一个第四矩形凹槽形成一个U型缺口。
进一步的，所述U形缺口位于所述介质基板的中轴线位置，U形缺口的水平长度为1.8-2.1mm，其竖直长度为10.8-11.1mm，U形缺口的上方距离辐射贴片的上方4.5-4.6mm。
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；辐射贴片上开设矩形凹槽可扩展天线的低频段带宽，节省制作材料。
进一步的，所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽位于所述辐射贴片的中轴线两侧位置，第一矩形凹槽的水平长度为1.95-2.05mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
可选的，所述第五矩形凹槽的水平长度为8.95-9.05mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
进一步的，所述矩形接地板的水平长度为14.5-14.6mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
由上，采用改进接地板结构，并在接地板中上部开矩形凹槽，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，所述微带馈线的特性阻抗为50Ω，所述正方形贴片的边长为3.9-4.0mm；所述梯形贴片的上边长为0.7-0.8mm，其下边长为3.9-4.0mm，梯形贴片的下边长与方形贴片的边长一致；所述平行四边形贴片的短边长度为0.7-0.8mm，其长边长度为21-22mm。
由上，在辐射贴片上开矩形凹槽产生第个陷波频段，通过调整矩形凹槽的宽度、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，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。
可选的，第三矩形凹槽位于辐射贴片的左下角位置，其水平长度为1.9-2.0mm，其垂直长度为1.6-1.7mm。
可选的，所述平行四边形贴片的左端距离所述辐射贴片的右下端0.4-0.5mm。
可选的，所述介质基板的厚度为1.7mm，介质基板的长度和宽度分别为33mm和22mm。
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单陷波特性的超宽带天线的结构图；
图2是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线的正面结构图；
图3是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线的背面结构图；
图4是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线的回波损耗曲线图；
图5是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线在3GHz频点的辐射方向图；
图6是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线在5GHz频点的辐射方向图；
图7是本发明的小型化单陷波特性的超宽带天线在8GHz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，本发明的小型化单陷波双频带超宽带天线包括介质基板10、辐射贴片20、微带馈线30和矩形接地板40，该辐射贴片20和微带馈线30印制在介质基板10的正面，矩形接地板40印制在所述介质基板10的背面。如图1所示，辐射贴片20采用矩形贴片开设第一矩形凹槽21、第二矩形凹槽22、第三矩形凹槽23和第四矩形凹槽24的结构。第一矩形凹槽21和第二矩形凹槽22关于介质基板10的中轴线对称，其水平长度为1.95-2.05mm，优选为1.97mm，其竖直长度为11.95-12.05mm，优选为12.03mm。第三矩形凹槽23的水平长度为1.9-2.00mm，优选为1.98mm，第三矩形凹槽23的竖直长度为1.60-1.70mm，优选为1.63mm。第四矩形凹槽24的水平长度为1.8-2.1mm，优选为1.9mm，第四矩形凹槽24的竖直长度为10.8-11.1mm，优选为10.9mm。
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采用正方形贴片31、梯形贴片32与平行四边形贴片33相连接，微带馈线30的正方形贴片31的边长为3.9-4.0mm，梯形贴片32的上边长为0.7-0.8mm，梯形贴片32的下边长为3.9-4.0mm，平行四边形贴片33的短边长度为0.7-0.8mm，平行四边形贴片33的长边长度为21-22mm。
具有第五矩形凹槽41的矩形接地板40印制在介质基板10背面的下侧如图3所示，矩形接地板40的水平长度为14.50-14.60mm，优选为14.53mm，矩形接地板40的竖直长度为11.95-12.05mm，优选为11.98mm。第五矩形凹槽41位于矩形接地板40的右侧，第五矩形凹槽41的水平长度为8.95-9.05mm，优选为9.02mm，第五矩形凹槽41竖直长度为11.95-12.05mm，优选为11.98mm。第五矩形凹槽41的设置可改善天线的阻抗匹配特性。采用如上矩形接地板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33mm、22mm、1.7mm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单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3.1-10.8GHz，完全满足FCC规定的超宽带频带范围，并且在3.3-4.2GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除WiMax和C波段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8GHz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3.1-10.8GHz，工作带宽完全满足3.1-10.6GHz的超宽带频段范围，在3.3-4.2GHz两个频段具有较好的阻带特性，可同时滤除WiMax波段(3.3-3.6GHz)和C波段(3.7-4.2GHz)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。
上述实施例揭示的一种单陷波双频带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，通过刻蚀第四矩形凹槽24方式产生阻带，滤除了WiMax波段和C波段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，通过调节第四矩形凹槽24的水平和竖直长度，可灵活调整陷波的中心频率和带宽，具有陷波可调节特性。采用矩形右侧的切除，顶部挖第一矩形凹槽21和第二矩形凹槽22以及第三矩形凹槽23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上刻蚀第四矩形凹槽24，在很大程度上改变天线表面电流分布特性，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矩形接地板40结构，并在接地板右侧开设第五矩形凹槽41，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，本发明采用引入第四矩形凹槽24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。
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 (9)

1.一种小型化单陷波双频带超宽带天线，包括介质基板(10)、辐射贴片(20)、微带馈线(30)和矩形接地板(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，所述矩形接地板(40)印制在所述介质基板(10)的背面；
所述辐射贴片(20)采用矩形基础图形，在其左右对称的设有第一矩形凹槽(21)和第二矩形凹槽(22)，在辐射贴片(20)的左下方开设第三矩形凹槽(23)；
所述微带馈线(30)采用正方形贴片(31)、梯形贴片(32)与平行四边形贴片(33)依次连接，且所述平行四边形贴片(33)比所述正方形贴片(31)更靠近所述辐射贴片(20)；
所述微带馈线(30)处于所述辐射贴片(20)的底部右下方；
所述矩形接地板(40)右方开有第五矩形凹槽(41)；
所述平行四边形贴片(33)的左端距离所述辐射贴片(20)的右下端0.4-0.5mm。
2.如权利要求1所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(20)的中下部切除一个第四矩形凹槽(24)形成一个U形缺口。
3.如权利要求2所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述U形缺口位于所述介质基板(10)的中轴线位置，U形缺口的水平长度为1.8-2.1mm，其竖直长度为10.8-11.1mm，U形缺口的上方距离辐射贴片(20)的上方4.5-4.6mm。
4.如权利要求1所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述第一矩形凹槽(21)和第二矩形凹槽(22)位于所述辐射贴片(20)的中轴线两侧位置，第一矩形凹槽(21)的水平长度为1.95-2.05mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
5.如权利要求1所述的一种小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述第五矩形凹槽(41)的水平长度为8.95-9.05mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
6.如权利要求5所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述矩形接地板(40)的水平长度为14.5-14.6mm，其竖直长度为11.95-12.05mm。
7.如权利要求1所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(30)的特性阻抗为50Ω，所述正方形贴片(31)的边长为3.9-4.0mm；所述梯形贴片(32)的上边长为0.7-0.8mm，其下边长为3.9-4.0mm，梯形贴片(32)的下边长与正方形贴片(31)的边长一致；所述平行四边形贴片(33)的短边长度为0.7-0.8mm，其长边长度为21-22mm。
8.如权利要求1所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：第三矩形凹槽(23)位于辐射贴片(20)的左下角位置，其水平长度为1.9-2.0mm，其垂直长度为1.6-1.7mm。
9.如权利要求1至8中任一项所述的小型化单陷波双频带超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(10)的厚度为1.7mm，介质基板(10)的长度和宽度分别为33mm和22mm。
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