CN1945899A - 一种微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工作于微波频段的天线。目前为了抑制高次谐波的干扰，通常在天线和电路其他器件添加滤波器，成本高、体积容量大，并且增加了高频损耗。本发明包括介质衬底，在介质衬底的一面附着金属层作为地面，另一面附着一作为贴片天线单元的凹形金属片和作为馈线的微带线，微带线与金属片的凹口处相连接，在微带线两侧对称设置有人工电磁介质材料，人工电磁介质材料附着在介质衬底上。本发明在一定的工作频率范围内可以实现禁带，从而可以达到抑制高次谐波的目的。
Description
技术领域
本发明属于通讯技术领域，特别涉及一种工作于微波频段的天线，通过在馈线两端加载新型人工电磁介质材料，从而抑制高频情况下常见的谐波干扰。
背景技术
现代无线通信技术的发展要求收发终端在保持整个系统性能不变的前提下，整个系统更加紧凑，低成本。实现上述要求的传统做法就是提高系统的集成度，但是除了基波之外，天线在接收/发送信号过程中会产生高次谐波，而使系统内部器件的电磁干扰(Electromagnetic Interference EMI)问题恶化。为了抑制高次谐波的干扰，通常在天线和电路其他器件如放大器之间添加一个滤波器，但这样做的结果就是提高了电路的成本，增加了整个电路的体积容量，而且由于必须要在天线与滤波器、放大器之间添加更多的连接器，进一步增加了电路体积，破坏了电路系统的匹配并且增加了高频损耗。而且由于外加滤波器的影响，也常常会使原有天线系统的功能受到不良影响，如使天线的方向性变差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种微带天线，通过将普通贴片天线(patch antenna)与目前流行的新型人工电磁介质材料一体化，抑制了高次谐波，并提高集成电路的电磁抗干扰能力。
本发明的另一目的在于提供一种天线，以便使天线所在电路的体积缩小，减低占用的空间。
本发明的又一目的在于提供一种天线，可以减少传统电路中天线、滤波器、放大器等之间的连接器，减小电路的高频损耗，并且保持原有天线系统的性能。
为达到上述目的，本发明的微带天线包括介质衬底，在介质衬底的一面附着金属层作为地面，另一面附着一作为贴片天线单元的凹形金属片和作为馈线的微带线，微带线与金属片的凹口处相连接，在微带线两侧对称设置有人工电磁介质材料，人工电磁介质材料附着在介质衬底上。
所述的人工电磁介质材料为附着在介质衬底上的金属片，该金属片的形状为一对带开口的金属环构成的同心环(split-ring resonator/SRR)，两金属环的开口位置均在微带线的平面垂直方向上，且开口位置相反；微带线两侧的两个同心环形状相同，且开口位置对应。
人工电磁介质材料在微带馈线两端加载的位置是通过计算电磁软件(如HFSS，CST等)的模拟计算，使天线的反射系数(S11)在工作频率附近最小(一般小于-10dB即可)，此时其位置放置在使整个加载后的天线达到阻抗匹配。该技术为一成熟技术。
人工电磁介质，在业内又被称为左手材料(Left-handed Material)，负材料(Negative Refraction Material/Matemateriai)。此种材料中两个金属环在时变磁场的激励下可以等效的作为一个电感电容谐振腔。在特定频率范围内可以实现负折射率以及具有左手性高通特性(left-handed high-passstopband)和右手性低通特性(right-handed high-pass stopband)。通过改变环的长度，以及开口的大小，即可控制谐振环的谐振频率。
按照本发明，由于此种新型人工电磁介质材料具有左手性高通特性和右手性低通特性，因此在一定的工作频率范围内可以实现禁带(阻止一定频率范围的信号的传输)，从而可以达到抑制高次谐波的目的。另外，由于此种新型人工电磁介质材料完全是由金属片附着在介质衬底上，因此将其加载于天线馈线两端，不会额外增加原有天线的体积。而且由于仅仅是加载于原有天线的馈线两端，不必额外添加导线或其他连接器，从而减小电路的高频损耗。
为了便于了解本发明的结构、功能、特征和工作机理，下面结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是现有的贴片天线单元的结构图；
图2是本发明的一个实施例的天线单元的结构；
图3是现有的贴片天线单元的反射系数(S11)；
图4是是本发明的一个实施例的天线单元的反射系数(S11)；
图5-1是现有的贴片天线单元和本发明的实施例的天线单元E面的方向图(2.6GHz)，其中虚线代表现有的贴片天线，实线代表本发明的实施例的天线；
图5-2是现有的贴片天线单元和本发明的实施例的天线单元H面的方向图(2.6GHz)，其中虚线代表现有的贴片天线，实线代表本发明的实施例的天线。
具体实施方式
参见图1表示的现有的贴片天线单元的结构。天线包括介质衬底11，该衬底采用的是介电系数较高的材料，比如相对介电系数为10.2的材料。在介质衬底11的一面附着金属层作为地面，另一面附着一凹形金属片12作为贴片天线单元。微带馈线13与金属片的凹口处相连接。
图2是本发明的一个实施例的天线单元的结构。天线包括介质衬底21，该衬底采用的是介电系数较高的材料，比如相对介电系数为10.2的材料。在介质衬底21的一面附着金属层作为地面，另一面附着一凹形金属片22作为贴片天线单元。微带馈线23与金属片的凹口处相连接，在微带馈线23两侧对称设置有人工电磁介质材料，人工电磁介质材料附着在介质衬底21上。
所述的人工电磁介质材料为附着在介质衬底21上的金属片24，该金属片24的形状为一对带开口的金属环构成的同心环(split-ringresonator/SRR)，两金属环的开口位置均在微带馈线23的平面垂直方向上，且开口位置相反；微带馈线23两侧的两个同心环形状相同，且开口位置对应。
人工电磁介质材料在微带馈线两端加载的位置是通过计算电磁软件(如HFSS，CST等)的模拟计算，使天线的反射系数(S11)在工作频率附近最小(一般小于-10dB即可)，此时其位置放置在使整个加载后的天线达到阻抗匹配。该技术为一成熟技术。
如前所述，通过控制环的长度，以及开口的大小，即可调节谐振环的谐振频率，继而调节其产生的禁带宽度。在本实施例中，天线的基本工作频率为2.6GHz，则产生的2阶和3阶高次谐波的频率依次为5.2GHz，7.8GHz。本实施例中的开口谐振环的谐振频率也在5.2GHz以及7.8GHz附近。当信号通过馈线进入天线系统时先通过此谐振器，滤除掉这些高阶谐波，再进入天线的辐射体。从而避免了高阶谐波的干扰。
图3是现有贴片天线单元的反射系数(S11)，从中可以看到天线除了在基本工作频率附近的反射系数低于-10dB以外，在2阶和3阶谐波附近的反射系数也低于-10dB。当加载了此新型人工电磁介质材料之后，如图4所示，天线的2阶和3阶谐波附近的反射系数都有很大的提高，表明2阶和3阶谐波已经被滤除。
图5-1和图5-2分别是现有的贴片天线单元和本发明的实施例的天线单元在基本工作频率下的天线方向图，两者相比较，可以看到当加载了新型人工电磁介质材料后，除了滤除了干扰的高次谐波之外，并不影响天线的原有的工作性能。
综上所述，根据本发明，可以在保持系统性能不变，并且不增加系统体积的情况下，抑制微波系统中常见的高频谐波干扰。同时由于不需要额外添加滤波器以及其他器件之间的连接器，降低了系统成本，减小了额外的高频损耗。
Claims (1)
1、一种微带天线，包括介质衬底，在介质衬底的一面附着金属层作为地面，另一面附着作为贴片天线单元的凹形金属片和作为馈线的微带线，微带线与金属片的凹口处相连接，其特征在于在微带线两侧对称设置有人工电磁介质材料；所述的人工电磁介质材料为附着在介质衬底上的金属片，该金属片的形状为一对带开口的金属环构成的同心环，两金属环的开口位置均在微带线的平面垂直方向上，且开口位置相反；微带线两侧的两个同心环形状相同，且开口位置对应。
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2006
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