CN113140905B - 一种蝶形六陷波特性的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蝶形六陷波特性的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和矩形接地板；辐射贴片为蝴蝶形结构，其底部有半圆环连接两侧翅膀，接地板为矩形结构，其中间位置刻蚀矩形槽。本发明采用单极子天线结构作为辐射贴片，实现了天线的超宽带阻抗特性且结构新颖，通过引入U形和矩形缝隙以及开口谐振环和L形枝节的方式产生陷波功能，有效避免了窄带信号对超宽带通信系统的干扰，具有结构新颖、抗干扰能力强、辐射特性好的优点，可广泛应用在多种超宽带通信系统。

Description

一种蝶形六陷波特性的超宽带天线

技术领域

本发明涉及微波通信的技术领域，具体涉及一种蝶形六陷波特性的超宽带天线。

背景技术

在过去的几十年里，无线通信技术的发展提供了许多新的服务，如语音、音频、视频和数据服务等，改变了人们的日常生活。此外，它还实现了在便携设备和计算机之间更快的数据传输，这种高速的数据传输可以通过增加传输功率或工作带宽来实现。然而，许多使用无线通信技术的便携式设备都是由电池供电的，因此大的频宽将是实现高速率数据传输的解决方案，从这个角度来看，超宽带通信技术将是无线通信领域的革命性技术。自美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz频段用于民用超宽带(UWB)通信系统以来，由于其数据传输的高速性和良好的抗多径干扰能力，使得超宽带技术受到研究人员的广泛关注。超宽带天线作为超宽带通信系统的核心部分，其性能的好坏直接影响着整个系统的传输质量。

窄带通信频段的存在，使得超宽带系统在工作时，会与其相互干扰，如全球微波互联网WiMAX(3.3GHz-3.7GHz)频段、无线局域网WLAN(5.725GHz-5.825GHz)频段、C波段卫星下行链路(7.25GHz-7.75GHz)频段、国际电信联盟ITU(8.025GHz-8.4GHz)频段和部分无线电导航(9GHz-14GHz)频段等。为了避免超宽带通信系统和窄带信号之间的电磁干扰，传统的方法是在超宽带天线中加入滤波器件，这种方法没有达到紧凑性，同时增加了射频前端系统的复杂性和成本。目前解决这种干扰的主要方法就是在超宽带天线中引入陷波功能，主要有刻槽、添加寄生单元和引入直接谐振法。例如参考文献“吴毅强,张平平,胡少文,等.一种新型的具有带阻特性的超宽带天线[J].电子器件,2014,37(01):1-4”中提出的一种单陷波超宽带天线，天线采用六边形单极子天线结构作为辐射单元，通过在辐射贴片上开一对称的U形槽，使天线产生一个陷波特性，天线的整体尺寸为52×28×1.6mm3，该天线仅仅滤除了WLAN频段窄带信号的干扰且物理尺寸较大。

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，天线的整体尺寸为38×38×0.812mm³，仅仅滤除了两个频段窄带信号的干扰。

专利名称为《一种嵌套矩形和E型结构的8陷波超宽带天线结构》，申请号为201911360661.4提出的天线在工作带宽内最大增益为3.54dB，3GHz时最大方向角为Theta＝10deg，5GHz时最大方向角为Theta＝13deg，7GHz时最大方向角为Theta＝20deg，且H面全向性消失，方向图恶化，天线材料为Roggers5880，尺寸为36mm×32mm×0.8mm，成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决超宽带天线中存在窄带干扰以及方向图畸变等缺点和不足之处，为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的问题，而提供了一种蝶形六陷波特性的超宽带天线设计方案。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种蝶形六陷波特性的超宽带天线，包括介质基板10、辐射贴片20、半圆环30、微带馈线40、L形枝节50、矩形接地板60和开口谐振环70，其特征在于：

所述辐射贴片20、半圆环30、微带馈线40和L形枝节50均印制在所述介质基板10的正面，所述矩形接地板60和开口谐振环70均在所述介质基板10的背面；

以介质基板10中心线为轴自上而下依次设置辐射贴片20、半圆环30、微带馈线40；

所述L形枝节50镜像对称分布在所述微带馈线40的两侧；

所述辐射贴片20为蝴蝶形结构，半圆环30连接在辐射贴片20两侧下方对称翅膀上，辐射贴片20中间位置有开口向下的第一U形槽21；

所述微带馈线40顶部有开口向上的第二U形槽41；

所述矩形接地板60的顶部有矩形槽61，且在所述矩形槽61两侧有对称的小矩形槽62；

所述开口谐振环70在所述矩形接地板60上方位置，分为向上开口内环71和向下开口外环72两部分。

进一步地，所述第一U形槽21、第二U形槽41的两边与水平边垂直。

进一步地，所述辐射贴片20蝴蝶形结构占介质基板10正面幅面的2/5～2/3，所述半圆环30与辐射贴片20两侧下方对称翅膀中段1/3～1/2处连接；所述微带馈线40占幅面的1/3-2/5；

所述开口谐振环70占介质基板10反面幅面的3/5～2/3，所述矩形接地板60占介质基板10幅面的2/5～1/2。

进一步地，所述半圆环30内外环半径分别为5.0mm和6.0mm。

进一步地，所述开口向下的第一U形槽21位于所述辐射贴片20中间位置，第一U形槽21水平长度为9.0mm，竖直长度为3.0mm，槽宽为0.4mm。

进一步地，所述第二U形槽41位于微带馈线40顶部下方1mm处，第二U形槽41水平长度为2.0mm，竖直长度为5.0mm，槽宽为0.2mm；

所述微带馈线40为特性阻抗50Ω的微带馈线，微带馈线40长度为14.0mm，宽度为3.5mm；

所述L形枝节50与微带馈线40水平距离1～2mm，距微带馈线40顶部下方2～3mm处，L形枝节50水平长度为9.0mm，竖直长度为6.0mm，枝节宽度为0.4mm；

进一步地，所述开口谐振环70位于矩形接地板60的上方，所述内环71开口向上，竖直方向底部与矩形接地板60距离为9.5mm，内环71水平长度为14.0mm，竖直长度为6.0mm，开口长度为2mm，宽度为0.4mm。

所述外环72开口向下，竖直方向底部与矩形接地板60距离为4.5mm,外环72水平长度为18.0mm，竖直长度为8.0mm，开口长度为4mm，宽度为0.2mm；

进一步地，所述矩形槽61及两边对称的小矩形槽62位于所述矩形接地板60的顶部水平重合；

所述矩形槽61水平长度为3.0mm，竖直长度为5.0mm，所述小矩形槽62水平长度为0.4mm，竖直长度为3.7mm，所述小矩形槽62与矩形槽61之间距离为4.5mm。

进一步地，其特征在于：所述介质基板10材料采用FR4环氧树脂，介质基板10的厚度为1.6mm，介质基板10的长度和宽度分别为32.0mm和24.0mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明设计采用蝶形平面单极子结构作为辐射贴片，实现了天线的超宽带阻抗特性，能够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。本发明采用平面结构，具有低成本、结构紧凑新颖、辐射特性好、抗干扰能力强等优点，便于实现于射频前端电路的集成。

2.本发明采用蝶形结构作为辐射贴片，利用单极子天线空间占用小且易于改进的特有效扩展了天线的带宽；辐射贴片上刻蚀的U形槽产生第一个陷波频段，且使天线工作频率降低，减小了天线尺寸。通过调整U形槽的长度可以灵活的调整陷波工作的中心频率。

3.本发明通过在微带馈线两侧添加L形枝节和刻蚀U形槽产生第二个和第三个陷波频段，调整L形枝节和U形槽的长度和宽度以及L形枝节到所述微带馈线的距离等参数实现良好的陷波特性，进一步实现对窄带信号的滤除。

4.本发明通过矩形接地板上方设有开口谐振环产生第四个和第五个陷波频段，调整开口谐振环的长度和宽度以及内外环之间的间隔等参数实现良好的陷波特性，调整过程灵活。另外，这种方法结构简单，成本低，加工方便。

5.本发明采用矩形接地板能够很好扩展天线工作带宽，调整矩形接地板的竖直长度实现超宽带天线更好的阻抗特性；在所述矩形接地板顶部刻蚀矩形槽，调整矩形槽的宽度和长度，使天线在高频时阻抗达到要求。在所述矩形槽两侧对称刻蚀小矩形槽实现第六个陷波频段，调整小矩形槽长度和间隔等参数实现良好的陷波特性。

附图说明

图1是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线的正面结构图。

图2是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线的背面结构图。

图3是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线的回波损耗曲线图。

图4是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在3GHz频点的辐射方向图。

图5是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在5GHz频点的辐射方向图。

图6是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在7GHz频点的辐射方向图。

图7是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在9GHz频点的辐射方向图。

图8是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在4.5GHz频点的表面电流分布。

图9是本发明蝶形六陷波特性的超宽带天线在6.6GHz频点的表面电流分布。

附图标记说明：

10-介质基板，20-辐射贴片，21-第一U形槽，30-半圆环，40-微带馈线，41-第二U形槽，50-L形枝节，60-矩形接地板，61-矩形槽，62-小矩形槽，70-开口谐振环，71-内环，72-外环。

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和图2所示，本发明的蝶形六陷波特性的超宽带天线包括介质基板10、辐射贴片20、半圆环30、微带馈线40和矩形接地板60，辐射贴片20、半圆环30和微带馈线40均印制在所述介质基板10的正面，矩形接地板60印制在所述介质基板10的背面。

如图1所示，介质基板10以蝶形触角方向为上，以介质基板10中心线为轴自上而下依次设置辐射贴片20、半圆环30、微带馈线40；辐射贴片20采用蝴蝶形结构，并通过半圆环30贴片连接左右两侧下方翅膀，在辐射贴片中部刻蚀开口向下底角为直角的第一U形槽21产生一个陷波频段，其水平长度为9.0mm，竖直长度为3.0mm，槽宽为0.4mm，半圆环30贴片内外环半径分别为5.0mm和6.0mm。

辐射贴片20底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线40相连接，所述微带馈线40长度为14.0mm，宽度为3.5mm。微带馈线40上刻蚀开口向上底角为直角的第二U形槽41，并自微带馈线40的中部往上延伸，第二U形槽41位于微带馈线40顶部下方1mm处，槽的位置如图1所示，第二U形槽41水平长度为2.0mm，竖直长度为5.0mm，槽宽为0.2mm；在所述微带馈线两侧对称添加对称L形枝节50，L形枝节50与微带馈线40水平距离1～2mm，距微带馈线40顶部下方2～3mm处，L形枝节50水平长度为9.0mm，竖直长度为6.0mm，枝节宽度为0.4mm。采用50Ω的微带线馈线，在微带馈线40上刻蚀第二U形槽41以及在微带馈线两侧添加对称L形枝节50产生其中两个陷波频段，通过调整第二U形槽41的宽度、长度以及L形枝节50的长度和宽度等参数实现良好的陷波特性，调节过程灵活。采用对称结构连接，可以更好地实现良好的陷波特性。

矩形地板60顶部刻蚀矩形槽61，如图2所示，其水平长度为3.0mm，竖直长度为5.0mm，调整矩形槽61的宽度和长度实现超宽带天线在高频频点的良好阻抗匹配。在所述矩形槽61两侧刻蚀对称的小矩形槽62产生一个陷波，其水平长度为0.4mm，竖直长度为3.7mm，小矩形槽62与矩形槽61之间距离为4.5mm。通过调整小矩形槽62的宽度和长度以及两者之间的间隔大小等参数可以灵活调整陷波中心频率。

开口谐振环70位于所述矩形接地板60上方位置，如图2所示，内环71开口向上，外环72开口向下，所述开口谐振环70关于所述介质基板10中轴线对称，所述内环71直方向底部与矩形接地板60距离为9.5mm，水平长度为14.0mm，竖直长度为6.0mm，开口长度为2mm，宽度为0.4mm，所述外环72竖直方向底部与矩形接地板60距离为4.5mm，水平长度为18.0mm，竖直长度为8.0mm，开口长度为4mm，宽度为0.2mm。通过在地板上方引入开口谐振环70产生了剩下两个陷波频段，通过调整开口谐振环的长度和宽度等参数实现良好的陷波特性。

本实施例中的蝶形六陷波特性的超宽带天线印制在长、宽、厚分别为32.0mm、24.0mm、1.6mm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，损耗正切角为0.02。

本发明采用蝶形结构天线，以及在馈线上开槽，可以减少对方向图的影响，方向图稳定性高，在工作带宽内最大增益为5.02dB，比上述发明增益大1.48dB，3GHz时最大方向角为Theta＝-3deg，5GHz时最大方向角为Theta＝5deg，7GHz时最大方向角为Theta＝10deg。天线材料为FR4，尺寸为32mm×24mm×1.6mm，成本低廉。

为了进一步说明本发明的蝶形六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3，本发明的蝶形六陷波特性的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽为2.8-11.4GHz，完全满足FCC规定的超宽带频带范围，并且在3.24-3.65GHz、4.35-4.63GHz、5.55-6.04GHz、6.4-6.7GHz、7.08-8.4GHz和8.7-10.3GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除多个窄带信号对超宽带天线的干扰。

参见图4，提供了本发明实施例中蝶形六陷波特性的超宽带天线在3GHz的辐射方向图，由图4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，呈现全向的辐射特性。

参见图5，提供了本发明实施例中蝶形六陷波特性的超宽带天线在5GHz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，呈现全向的辐射特性。

参见图6，提供了本发明实施例中蝶形六陷波特性的超宽带天线在7GHz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，呈现全向的辐射特性，该天线在整个通带内均具有良好的全向辐射特性。

参见图7，提供了本发明实施例中蝶形六陷波特性的超宽带天线在9GHz的辐射方向图，由图7可知，在9GHz频点处天线E面和H面的辐射特性均出现衰减，但是仍然具有全向辐射特性，证明天线在2.8-11.4GHz的频段内具有良好的辐射特性。

参见图8、图9，提供了本发明实施例中蝶形六陷波特性的超宽带天线分别在4.5GHz、6.5GHz和8GHz陷波中心频率处的表面电流分布情况图，由图8、图9可知，当天线工作在陷波中心频点时，电流聚集在陷波结构附近，无法正常辐射，从而产生阻带特性。

以上仿真分析表明，本发明的天线的工作带宽为2.8GHz-11.4GHz，工作带宽满足3.1-10.6GHz的超宽带频段范围，在3.24-3.65GHz、4.35-4.63GHz、5.55-6.04GHz、6.4-6.7GHz、7.08-8.4GHz和8.7-10.3GHz频段产生较好的阻带特性，可同时滤除六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的辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。

上述实施例揭示的蝶形六陷波特性的超宽带天线具有结构简单、成本低、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定等优点，采用平面单极子天线作为辐射贴片20，实现了超宽带天线的阻抗特性，通过在蝶形辐射贴片20、微带馈电40和矩形接地板60上分别刻蚀第一U形槽21、第二U形槽41以及在微带馈电40两端和矩形接地板60上分别添加对称的L形枝节50和开口谐振环70结构产生了阻带特性，滤除了六个窄带信号频段的干扰，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。

另外通过调节刻蚀槽线、L形枝节50和开口谐振环70的水平和竖直长度的参数，可灵活调整陷波的中心频率和带宽，具有陷波可调节特性。辐射贴片20采用蝴蝶形结构，在很大程度上改变了天线表面电流分布特性，增加了天线表面电流路径。在辐射贴片20底部连接半圆环30结构，当微带馈线40对天线馈电时，可以增加天线表面垂直电流分布，减小水平电流分布，进一步提高了天线的工作带宽。

另外，本发明采用刻蚀槽和添加枝节结构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，采用平面结构，尺寸相对小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。

本发明设计平面蝶形单极子天线作为辐射贴片，实现了超宽带天线的阻抗特性，通过刻蚀槽和添加枝节结构的方法产生阻带，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、成本低、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。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施只局限于这些说明。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，这些改进和变动也应当视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种蝶形六陷波特性的超宽带天线，包括介质基板(10)、辐射贴片(20)、半圆环(30)、微带馈线(40)、L形枝节(50)、矩形接地板(60)和开口谐振环(70)，其特征在于：

所述辐射贴片(20)、半圆环(30)、微带馈线(40)和L形枝节(50)均印制在所述介质基板(10)的正面，所述矩形接地板(60)和开口谐振环(70)均在所述介质基板(10)的背面；

以介质基板(10)中心线为轴自上而下依次设置辐射贴片(20)、半圆环(30)、微带馈线(40)；

所述L形枝节(50)镜像对称分布在所述微带馈线(40)的两侧；

所述辐射贴片(20)为蝴蝶形结构，半圆环(30)连接在辐射贴片(20)两侧下方对称翅膀上，辐射贴片(20)中间位置有开口向下的第一U形槽(21)；

所述微带馈线(40)顶部有开口向上的第二U形槽(41)；

所述矩形接地板(60)的顶部有矩形槽(61)，且在所述矩形槽(61)两侧有对称的小矩形槽(62)；

所述开口谐振环(70)在所述矩形接地板(60)上方位置，分为向上开口内环(71)和向下开口外环(72)两部分。

2.根据权利要求1所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述第一U形槽(21)、第二U形槽(41)的两边与水平边垂直。

3.根据权利要求2所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(20)蝴蝶形结构占介质基板(10)正面幅面的2/5～2/3，所述半圆环(30)与辐射贴片(20)两侧下方对称翅膀中段1/3～1/2处连接；所述微带馈线(40)占幅面的1/3-2/5；

所述开口谐振环(70)占介质基板(10)反面幅面的3/5～2/3，所述矩形接地板(60)占介质基板(10)幅面的2/5～1/2。

4.根据权利要求3所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述半圆环(30)内外环半径分别为5.0mm和6.0mm。

5.根据权利要求4所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述开口向下的第一U形槽(21)位于所述辐射贴片(20)中间位置，第一U形槽(21)水平长度为9.0mm，竖直长度为3.0mm，槽宽为0.4mm。

6.根据权利要求5所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述第二U形槽(41)位于微带馈线(40)顶部下方1mm处，第二U形槽(41)水平长度为2.0mm，竖直长度为5.0mm，槽宽为0.2mm；

所述微带馈线(40)为特性阻抗50Ω的微带馈线，微带馈线(40)长度为14.0mm，宽度为3.5mm；

所述L形枝节(50)与微带馈线(40)水平距离1～2mm，距微带馈线(40)顶部下方2～3mm处，L形枝节(50)水平长度为9.0mm，竖直长度为6.0mm，枝节宽度为0.4mm。

7.根据权利要求6所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述开口谐振环(70)位于矩形接地板(60)的上方，所述内环(71)开口向上，竖直方向底部与矩形接地板(60)距离为9.5mm，内环(71)水平长度为14.0mm，竖直长度为6.0mm，开口长度为2mm，宽度为0.4mm；

所述外环(72)开口向下，竖直方向底部与矩形接地板(60)距离为4.5mm,外环(72)水平长度为18.0mm，竖直长度为8.0mm，开口长度为4mm，宽度为0.2mm。

8.根据权利要求7所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述矩形槽(61)及两边对称的小矩形槽(62)位于所述矩形接地板(60)的顶部水平重合；

所述矩形槽(61)水平长度为3.0mm，竖直长度为5.0mm，所述小矩形槽(62)水平长度为0.4mm，竖直长度为3.7mm，所述小矩形槽(62)与矩形槽(61)之间距离为4.5mm。

9.如权利要求1至8中任一项所述的蝶形六陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(10)材料采用FR4环氧树脂，介质基板(10)的厚度为1.6mm，介质基板(10)的长度和宽度分别为32.0mm和24.0mm。

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