CN203166078U - 一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，它包括介质基板（1），和位于介质基板（1）上表面的金属镀层以及两个微电子机械系统（MEMS）开关。所述金属镀层包括辐射单元（2）、共面波导馈线（3）、共面波导地板。其中，所述共面波导地板包括第一共面波导地板（7）、第二共面波导地板（8），所述辐射单元（2）蚀刻出一个类C形槽（4）。本实用新型所提出的天线结构简单紧凑，仅通过控制两个MEMS开关的导通与断开，便可以达到天线陷波特性有无的切换，使天线有效地工作于超宽带（UWB）频段的同时，又能实现陷波频段的产生或消失，从而提高了频带利用率和通信效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信领域中的平面超宽带天线及频率可重构天线技术，具体涉及一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线。
背景技术
由于现代通信系统的迅猛发展，无线技术面临着越来越严峻的挑战。受频带宽度窄、传输速率低以及安全性能差等不良因素的制约，传统的通信技术日渐难以适应新通信方式的要求。超宽带（Ultra-wideband，简称UWB）技术具备系统容量大、保密性好、传输速率高等其它无线技术无法比拟的优点，近几年在通信领域获得了广泛的发展和应用。超宽带天线作为超宽带通信中重要的组成部分，对系统能否有效地运行起着十分关键的作用。随着超宽带技术的开放，如何设计低剖面、重量轻且易于共形的超宽带天线也成了一大研究热点。
根据联邦通信委员会（FCC）所规定的技术标准，UWB系统的工作频率为3.1GHz至10.6GHz。然而，在超宽带通技术不断应用中，其存在的问题也渐渐地凸显。比如，在同一频段范围内，其它通信协议与超宽带存在着需要解决的相互干扰的问题。这些其它通信协议的频段中，比较常见的有WLAN的5.8GHz频段。当超宽带天线的工作区域中存在着其它通信协议的频段时，它们之间势必会形成有害的电磁干扰，彼此的通信质量也会因此遭到破坏。如何有效地解决这种干扰是超宽带通信中必须要面对和研究的问题。
传统的解决系统间干扰的方法是在收发系统的前端加上特定的带阻或带通滤波器，对工作环境中的干扰频段进行滤波，但是这种方法通常会导致系统的成本和复杂度增加。对最初的超宽带天线进行相应的改进，使得超宽带天线在通信中易发生干扰的频段处产生较大的反射系数，呈现出“陷波”特性。这样，在陷波频段内，天线的辐射增益很低，由此便可以解决超宽带技术跟其它的通信协议之间的干扰问题，实现起来简单易行且成本较低。然而，当陷波天线所处的工作环境发生改变时（例如其它无线协议消失），由于加入陷波频段，天线整体的工作频段变窄，这就会导致频率资源的浪费。如何设计出能够适应不同工作环境的超宽带天线，使之既能避免频段干扰，又能在干扰消失时，尽量提高频带利用率，是陷波超宽带天线设计中的一个难题。
实用新型内容
为了降低超宽带天线的制作复杂度和成本，适应不同的工作环境，既能避免频段干扰又能提高频带利用率，本实用新型提供一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线。
为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术方案：
提出的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线包括：介质基板、金属镀层以及两个微电子机械系统（MEMS）开关，其中，所述金属镀层包括辐射单元、共面波导馈线、共面波导地板。所述共面波导地板包括第一共面波导地板、第二共面波导地板，所述辐射单元蚀刻出一个类C形槽，所述两个微电子机械系统（MEMS）开关包括第一MEMS开关、第二MEMS开关。所述金属镀层和所述两个MEMS开关位于所述介质基板的上表面。所述共面波导馈线与所述第一共面波导地板之间存在第一缝隙，所述共面波导馈线与所述第二共面波导地板之间存在第二缝隙。所述第一MEMS开关和第二MEMS开关跨接在所述类C形槽上。
进一步优化的，所述辐射单元为八边形结构。
进一步优化的，所述辐射单元与所述共面波导馈线相连。
进一步优化的，所述金属镀层的材料是导电性能较好的金属，如金、银或铜。
进一步优化的，所述类C形槽的开口向下。
进一步优化的，所述第一共面波导地板与所述第二共面波导地板的形状和大小相同。
进一步优化的，所述第一缝隙与所述第二缝隙的宽度相同。
进一步优化的，所述第一共面波导地板与所述第二共面波导地板分别位于共面波导馈线的两侧并且关于共面波导馈线对称。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型所提出的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线结构简单紧凑，仅通过控制两个MEMS开关的导通与断开，便可以达到天线陷波特性有无的切换。当两个MEMS开关均断开时，超宽带天线在易发生干扰的频段处产生较大的反射系数，呈现出“陷波”特性，此时天线的辐射增益很低，由此便可以解决超宽带技术跟其它的通信协议之间的干扰问题。当两个MEMS开关均闭合时，“陷波”特性消失，天线能够有效地工作于UWB的全频段。该陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线能够适应不同的工作环境，既能避免频段干扰，又能在干扰消失时，提高频带利用率和通信效率。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线的俯视图；
图2是本实用新型实施例提供的当第一MEMS开关和第二MEMS开关都断开时的天线电压驻波比曲线图；
图3是本实用新型实施例提供的当第一MEMS开关和第二MEMS开关都导通时的天线电压驻波比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实用新型实例提供了一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线包括：介质基板1以及位于介质基板1上表面的辐射单元2、共面波导馈线3、第一MEMS开关5、第二MEMS开关6、第一共面波导地板7、第二共面波导地板8。所述辐射单元2蚀刻出一个类C形槽4。所述共面波导馈线3与所述第一共面波导地板7之间存在第一缝隙9，所述共面波导馈线3与所述第二共面波导地板8之间存在第二缝隙10。
所述辐射单元2为八边形结构，等效于在一个矩形的四个角均剪去形状一样的直角三角形，所述辐射单元2的形状关于Z轴对称。所述辐射单元2的形状和大小对于天线工作频段的影响最大，选择合适的尺寸使天线工作于期望的频段中。具体的，本实用新型实施例中，所述辐射单元2等效于在一个沿Z轴方向上长度为14mm、与Y轴平行方向上宽度为23mm的矩形的四个角均剪去形状一样的直角三角形所得的八边形结构。
所述辐射单元2与所述共面波导馈线3相连。
所述金属镀层的材料是导电性能较好的金属，如金、银或铜。
所述类C形槽4的开口向下，其形状关于Z轴对称。所述类C形槽4由五部分连接而成：第一条形槽41、第二条形槽42、第三条形槽43、第四条形槽44、第五条形槽45。其中，第一条形槽41和第二条形槽42形状和大小相同且两者关于Z轴对称，第三条形槽43和第四条形槽44形状和大小相同且两者关于Z轴对称。当类C形槽的总长度为所需抑制频率相应的波长的一半时，在该频率点及其附近输入阻抗失配。陷波中心频率fnotch与类C形槽总长度LC之间的关系为：
，其中，为εre相对有效介电常数，c为真空中的光速。
所述第一共面波导地板7与所述第二共面波导地板8的形状和大小相同。
所述第一缝隙9与所述第二缝隙10的宽度相同。
所述第一共面波导地板7与所述第二共面波导地板8分别位于共面波导馈线3的两侧并且关于共面波导馈线3对称。
所述第一MEMS开关5和第二MEMS开关6跨接在所述类C形槽4的第五条形槽45上，并且所述第一MEMS开关5和第二MEMS开关6的位置关于Z轴对称。
根据传输线中的共面波导理论，所述共面波导馈线3的宽度、所述第一缝隙9的宽度、所述第二缝隙10的宽度、所述介质基板1的厚度以及所述介质基板1的相对介电常数共同决定着所述共面波导馈线3的特征阻抗。选取合适的值，使得所述共面波导馈线3的特征阻抗等于50Ω，以便于进行馈电匹配。具体的，本实用新型实施例中，所述共面波导馈线3的宽度为3.6mm,所述第一缝隙9的宽度和所述第二缝隙10的宽度为0.4mm，所述介质基板1的厚度为1.524mm，所述介质基板1的相对介电常数为3.55。
使用特征阻抗为50Ω的SMA接头进行馈电，将SMA接头的内导体与所述共面波导馈线3进行焊接，将SMA接头的外导体分别与所述第一共面波导地板7、第二共面波导地板8进行焊接。
当天线工作时，第一MEMS开关5和第二MEMS开关6的导通与断开状态，决定着天线陷波特性有无。
具体的，当第一MEMS开关5和第二MEMS开关6都断开时，相当于在所述辐射单元2开了一个类C形槽，也就是说，在天线结构中引入了半波长的谐振结构。此时，天线在
式中所对应的频率及附近输入阻抗失配。如图2所示，天线在5.53~6.24GHz频段内的电压驻波比大于2，在5.8GHz处电压驻波比甚至是大于13，这说明在该频段内天线具备很好的陷波特性，在该频段上天线的收发灵敏度也相应地降低了，因此可以大大地减小与工作于5.8GHz频段的系统之间的干扰；而在3.1~5.53GHz及6.24~10.6GHz频段内，天线的电压驻波比均小于2，这说明此时天线仍旧可以正常工作在除陷波频段外的UWB频段。
当第一MEMS开关5和第二MEMS开关6都导通时，类C形槽遭到破坏，陷波特性消失。如图3所示，天线在3.1~10.6GHz频段内的电压驻波比均小于2，天线能够有效地工作于UWB的全频段。
本实用新型所提出的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线结构简单紧凑，仅通过控制两个MEMS开关的导通与断开，便可以达到天线陷波特性有无的切换。当两个MEMS开关均断开时，超宽带天线在易发生干扰的频段处产生较大的反射系数，呈现出“陷波”特性，此时天线的辐射增益很低，由此便可以解决超宽带技术跟其它的通信协议之间的干扰问题。当两个MEMS开关均闭合时，“陷波”特性消失，天线能够有效地工作于UWB的全频段。该陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线能够适应不同的工作环境，既能避免频段干扰，又能在干扰消失时，提高频带利用率和通信效率。
以上所述的具体实施例，是对本实用新型的目的、技术方案和有益效果做出的进一步的详细说明，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于包括介质基板（1）、金属镀层以及两个微电子机械系统（MEMS）开关，其中，所述金属镀层包括辐射单元（2）、共面波导馈线（3）、共面波导地板；所述共面波导地板包括第一共面波导地板（7）、第二共面波导地板（8），所述辐射单元（2）蚀刻出一个类C形槽（4），所述两个微电子机械系统（MEMS）开关包括第一MEMS开关（5）、第二MEMS开关（6）；所述金属镀层和所述两个MEMS开关位于所述介质基板（1）的上表面；所述共面波导馈线（3）与所述第一共面波导地板（7）之间存在第一缝隙（9），所述共面波导馈线（3）与所述第二共面波导地板（8）之间存在第二缝隙（10）；所述第一MEMS开关（5）和第二MEMS开关（6）跨接在所述类C形槽（4）上。
2.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述辐射单元（2）为八边形结构。
3.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述辐射单元（2）与所述共面波导馈线（3）相连。
4.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述金属镀层的材料是导电性能较好的金属，如金、银或铜。
5.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述类C形槽（4）的开口向下。
6.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述第一共面波导地板（7）与所述第二共面波导地板（8）的形状和大小相同。
7.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述第一缝隙（9）与所述第二缝隙（10）的宽度相同。
8.根据权利要求1所述的陷波特性可重构的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述第一共面波导地板（7）与所述第二共面波导地板（8）分别位于共面波导馈线（3）的两侧并且关于共面波导馈线（3）对称。
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