CN205069875U - 具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，且通过在超宽带天线的共面波导或微带波导的馈线上放置电磁带隙结构，使得一定频率范围的电磁能量不能通过，从而产生阻带。EBG结构为强谐振结构，具有陡峭的谐振曲线，从而两个EBG结构组合在一起能产生一个矩形的阻带。通过调整两个EBG结构的尺寸可方便地调整阻带频率和阻带宽度，使优化效率提高，节约了系统资源和涉及效率。此外，EBG结构置于馈线上，对辐射贴片的影响小。因而，本实用新型所设计的天线适用于存在窄带串扰的超宽带系统中。

Description

具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线

技术领域

本实用新型涉及超宽带天线领域，具体涉及一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线。

背景技术

近距离高数据率无线通信的需求推动着超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术的发展。然而，超宽带系统工作环境中往往又存在窄带系统，如无线局域网(WirelessLocal-AreaNetwork，WLAN，5.150-5.825GHz)和X波段下行卫星通信(X-banddownlinksatellitecommunication，7.10-7.76GHz)就位于美国联邦通信委员会所规定的3.1-10.6GHz的超宽带通信频段内。窄带系统与UWB系统之间的互相串扰严重影响通信的质量。解决串扰的一个高效且经济的方法是在超宽带天线上实现一个阻带，在系统的最前端将串扰抑制掉。

目前，国内外对超宽带带阻天线的研究已经比较多，他们产生阻带的方法一般是在辐射贴片或地板上刻槽或使用寄生谐振单元，如公告号为CN104485504A的中国发明专利申请公开的“一种具有双陷波特性的蓝牙超宽带天线”、公告号为CN103956572A的中国发明专利申请公开的“具有三带阻陷波和额外北斗带通频段特性的超宽带天线”和公告号为CN104638355A的中国发明专利申请公开的“一种带双陷波特性的超宽带天线”，虽然这些研究都在天线的超宽带频段上产生了阻带，但是他们都有一个共同的缺点，即他们的阻带曲线都较为尖锐。而干扰窄带是有一定频段的(如WLAN从5.150-5.825GHz，X波段下行卫星通信频段从7.10-7.76GHz)，这样就使得对干扰窄带的边沿频率抑制大打折扣。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有天线的阻带较为尖锐的问题，提供一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，包括超宽带天线本体，该超宽带天线本体包括介质基板、以及覆贴在介质基板上表面的2个金属地板、信号线和辐射器构成；其中辐射器与信号线位于介质基板1的中部，且辐射器与信号线的一端相连；2个金属地板则分处于信号线的左右两侧；金属地板和信号线构成的共面波导；其不同之处是：还进一步包括至少2个间隔设置的电磁带隙结构；

每个电磁带隙结构均由金属贴片和短路销钉构成；金属贴片覆贴在介质基板的下表面；短路销钉的一端与金属贴片相连，另一端则穿过介质基板与超宽带天线本体的信号线或辐射器相连。

上述方案中，所有电磁带隙结构的金属贴片的尺寸大小不相同，使得每个电磁带隙结构的谐振频率的不同，以形成矩形阻带特性。

上述方案中，短路销钉接在金属贴片靠近信号线的一侧的边缘处，以提高辐射性能。

上述方案中，短路销钉垂直穿过介质基板。

上述方案中，所有电磁带隙结构的短路销钉的另一端均与信号线相连；或所有电磁带隙结构的短路销钉的另一端均与辐射器相连；或一部分电磁带隙结构的短路销钉的另一端均与信号线相连，另一部电磁带隙结构的短路销钉的另一端均与辐射器相连。

另一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，包括超宽带天线本体，该超宽带天线本体包括介质基板、金属地板、信号线和辐射器构成；其中辐射器与信号线覆贴于介质基板的上表面，且辐射器与信号线的一端相连；金属地板覆贴于介质基板的下表面；金属地板和信号线构成的微带波导；其不同之处是：还进一步包括至少2个间隔设置的电磁带隙结构；每个电磁带隙结构均由金属贴片和短路销钉构成；金属贴片覆贴在介质基板的上表面；短路销钉的一端与金属贴片相连，另一端则穿过介质基板与超宽带天线本体的金属地板相连。

上述方案中，所有电磁带隙结构的金属贴片的尺寸大小不相同，使得每个电磁带隙结构的谐振频率的不同，以形成矩形阻带特性。

上述方案中，短路销钉接在金属贴片靠近信号线的一侧的边缘处，以提高辐射性能。

上述方案中，短路销钉垂直穿过介质基板。

上述方案中，所有电磁带隙结构均位于信号线的同一侧。

与现有技术相比，本实用新型通过在超宽带天线的共面波导(Coplanarwaveguide，CPW)馈线上放置电磁带隙(Electromagneticbandgap，EBG)结构，使得一定频率范围的电磁能量不能通过，从而产生阻带。EBG结构为强谐振结构，具有陡峭的谐振曲线，从而两个EBG结构组合在一起能产生一个矩形的阻带。通过调整两个EBG结构的尺寸可方便地调整阻带频率和阻带宽度，使优化效率提高，节约了系统资源和涉及效率。此外，EBG结构置于馈线上，对辐射贴片的影响小。因而，本实用新型所设计的天线适用于存在窄带串扰的超宽带系统中。

附图说明

图1是一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的正面图；

图2是一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的背面图；

图3是一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的侧视图；

图4是图1-3所示天线的实例1天线的S11曲线；

图5是图1-3所示天线的实例1天线在3.5GHz的辐射方向图；

图6是图1-3所示天线的实例1天线在7.0GHz的辐射方向图；

图7是图1-3所示天线的实例1天线在10.0GHz的辐射方向图；

图8是图1-3所示天线的实例2天线的S11曲线；

图9是图1-3所示天线的实例2天线在3.5GHz的辐射方向图；

图10是图1-3所示天线的实例2天线在6.0GHz的辐射方向图；

图11是图1-3所示天线的实例2天线在10.0GHz的辐射方向图。

图12为另一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的正面图；

图13是另一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的背面图；

图14是另一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线的侧视图。

图中标号：1、介质基板；2、金属地板；3、信号线；4、辐射器；5、电磁带隙结构；5-1、金属贴片；5-2短路销钉

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型进行详细说明，本实施例在以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操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，如图1-3所示，为一种共面波导天线，包括超宽带(UWB)天线本体和至少2个电磁带隙(EBG)结构5。

超宽带天线本体与现有共面波导天线的结构相同或相类似，由介质基板1、以及覆贴在介质基板1上表面的金属地板2、信号线3和辐射器4构成。辐射器4与信号线3位于介质基板1的中部，且辐射器4与信号线3的一端相连，两者的组合类似T字形。2个金属地板2则分处于信号线3的左右两侧，金属地板2和信号线3构成的共面波导(CPW)。辐射器4的形状可以根据需要进行设计，如可以为圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形或其他形状。信号线3的形状为长直条状。2个金属地板2的形状均为矩形，且大小相同。2个金属地板2的高度均小于等于信号线3的长度。

在本实施例中，辐射器4采用椭圆形贴片结构，并采用由金属地板2和信号线3构成共面波导进行馈电，辐射器4与共面波导位于介质基板1的同一面。信号线3的宽度为3.5mm，信号线3与金属地板2之间的缝隙为0.2mm，因此共面波导(CPW)的特性阻抗为50Ω。辐射器4的长轴半径为13mm，短轴半径为9.5mm，以使工作频率覆盖3.1-10.6GHz的范围。

每个电磁带隙结构5均由金属贴片5-1和短路销钉5-2构成。金属贴片5-1覆贴在介质基板1的下表面。短路销钉5-2的一端与金属贴片5-1相连，另一端则穿过介质基板1与超宽带天线本体的信号线3或辐射器4相连，此时，信号线3或辐射器4作为电磁带隙结构5的地板使用。电磁带隙结构5的个数根据阻带宽度的要求确定，阻带宽度越宽电磁带隙结构5个数越多。在进行具体布设时，每2个电磁带隙结构5之间需要相互间隔一定的距离。为了能够让天线具有阻带特性，电磁带隙结构5应位于天线的馈线上或馈线附近，具体来说，电磁带隙结构5的分布方式可以采用以下几种：全部电磁带隙结构5的短路销钉5-2的另一端均与信号线3相连；全部电磁带隙结构5的短路销钉5-2的另一端均与辐射器4相连；一部分电磁带隙结构5的短路销钉5-2的另一端均与信号线3相连，另一部电磁带隙结构5的短路销钉5-2的另一端均与辐射器4相连。金属贴片5-1的形状为根据需要进行设置，可以为圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形或其他形状，尺寸根据设计需求进行设计。短路销钉5-2与金属贴片5-1相连时，其可以连接在金属贴片5-1的正中或金属贴片5-1的任意地方，但为了能够提高辐射性能，短路销钉5-2尽量接在金属贴片5-1靠近信号线3的一侧的边缘处。短路销钉5-2可以倾斜或垂直贯穿介质基板1。所有电磁带隙结构5的金属贴片5-1的尺寸大小均不相同，通过调整电磁带隙结构5的尺寸参数可实现任意频段的阻带。各电磁带隙结构5的谐振频率相近，形成矩形的阻带。

在本实施例中，金属贴片5-1采用矩形结构，并位于信号线3的正下方。短路销钉5-2垂直于金属贴片5-1和信号线3所处平面，并嵌入到介质基板1中。短路销钉5-2的一端与金属贴片5-1相连，另一端与信号线3相连，此时，信号线3是作为电磁带隙结构5的地板应用的。短路销钉5-2的位置可位于金属贴片5-1中的任意位置，在本实施例中为了获得更好的性能及更小的尺寸，短路销钉5-2设置在金属贴片5-1的边缘处。为获得矩形特性的阻带，本实施例包含2个电磁带隙结构5，即2个金属贴片5-1和2个短路销钉5-2。第一金属贴片5-1和第二金属贴片5-1均位于信号线3的正下方，第一短路销钉5-2的一端连接第一金属贴片5-1，另一端连接信号线3，第二短路销钉5-2的一端连接第二金属贴片5-1，另一端连接信号线3。2个电磁带隙结构5的谐振频率互相靠近融合，从而形成矩形特性阻带。通过调整2个金属贴片5-1的尺寸，既可以调整矩形特性阻带的频率，也可以调整矩形特性阻带的宽度，以使所述超宽带带阻天线优化后的性能满足抑制不同窄带串扰频段的要求。

为使电磁带隙结构5的谐振频率位于WLAN频段内，电磁带隙结构5的2个矩形的金属贴片5-1的参数分别为：a1×b1＝3.5mm×7.9mm和a2×b2＝3.5mm×7.7mm，其中a1和b1为第一金属贴片5-1的边长，a2和b2为第二金属贴片5-1的边长。

图4为实例1天线的S11曲线。一般，若天线在某一频段内的S11小于-10dB，则认为该频段为正常工作的通带；若某一频段的S11大于-10dB，则认为该频段为阻带。实例1的天线在5.02-5.98GHz频段范围内的S11大于-10dB且最大值达到-0.18dB，为明显的阻带，覆盖整个WLAN频段；而阻带外的其他UWB频段的S11小于-10dB，匹配良好。并从S11曲线可见，阻带形状相似于矩形，使得阻带对整个WLAN频段的抑制效果很好。

图5、图6和图7分别为实例1天线在3.5GHz,7.0GHz和10.0GHz的辐射方向图。可见，天线的E面近乎是“8”字形的辐射方向图，H面近乎全向辐射，适用于超宽带通信。

为使电磁带隙结构5的谐振频率位于X波段下行卫星通信频段内，电磁带隙结构5的2个矩形的金属贴片5-1的参数为：a1×b1＝2.8mm×5.6mm和a2×b2＝2.8mm×5.8mm，其中a1和b1为第一金属贴片5-1的边长，a2和b2为第二金属贴片5-1的边长。

图8为实例2天线的S11曲线。可见，实例2的天线在7.03-7.88GHz频段范围内的S11大于-10dB且最大值达到-1.19dB，为明显的阻带，覆盖整个X波段下行卫星通信频段；而阻带外的其他UWB频段的S11小于-10dB，匹配良好。并从S11曲线可见，与实例1天线相似，实例2天线的阻带形状也相似于矩形，使得阻带对整个X波段下行卫星通信频段的抑制效果很好。

图9、图10和图11分别为实例2天线在3.5GHz,6.0GHz和10.0GHz的辐射方向图。可见，天线的E面近乎是“8”字形的辐射方向图，H面近乎全向辐射，适用于超宽带通信。

可见，本实用新型将若干个谐振频率不同的电磁带隙(EBG)结构置于超宽带天线的共面波导的馈线(即信号线)上，使得不同电磁带隙(EBG)结构的阻带互相靠近融合，形成具有矩形特性的阻带。可有效抑制WLAN(5.150-5.825GHz)和X波段下行卫星通信(7.10-7.76GHz)等窄带系统的干扰。

总之，本实用新型是通过使用两个电磁带隙(EBG)单元于超宽带天线的共面波导(CPW)馈线上来实现矩形阻带。该方法将EBG结构放置于馈线上，不影响辐射器的电流分布，设计时无需考虑阻带设计单元对天线辐射的影响；而且，该方法可通过改变电磁带隙(EBG)结构的参数来改变阻带频率，使优化效率提高，节约了系统资源和设计效率；而且本实施例提供的超宽带带阻天线具有矩形的阻带特性，可应用在不同干扰环境的超宽带系统中。

实施例二：

另一种具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，如图12-14所示，为一种微带波导天线，包括超宽带(UWB)天线本体和至少2个电磁带隙(EBG)结构5。

超宽带天线本体与现有微带天线的结构相同或相类似，由介质基板1、金属地板2、信号线3和辐射器4构成。辐射器4与信号线3覆贴在介质基板1的上表面，并位于介质基板1的中部，且辐射器4与信号线3的一端相连，两者的组合类似T字形。金属地板2覆贴在介质基板1的下表面，并与信号线3的位置相对，且仅覆于信号线3所处区域，金属地板2和信号线3构成的微带波导。辐射器4的形状可以根据需要进行设计，如可以为圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形或其他形状。信号线3的形状为长直条状。2个金属地板2的形状均为矩形，且大小相同。2个金属地板2的高度均小于等于信号线3的长度。在本实施例中，辐射器4采用椭圆形贴片结构，并采用由金属地板2和信号线3构成微带波导进行馈电，辐射器4与信号线3位于介质基板1的同一面。

每个电磁带隙结构5均由金属贴片5-1和短路销钉5-2构成。金属贴片5-1覆贴在介质基板1的上表面。短路销钉5-2的一端与金属贴片5-1相连，另一端则穿过介质基板1与超宽带天线本体的金属地板2相连。金属地板2同时作为电磁带隙结构5和超宽带天线本体的地板使用。电磁带隙结构5的个数根据阻带宽度的要求确定，阻带宽度越宽电磁带隙结构5个数越多。在进行具体布设时，每2个电磁带隙结构5之间需要相互间隔一定的距离。为了能够让天线具有阻带特性，电磁带隙结构5应位于天线的馈线上或馈线附近，具体来说，所有电磁带隙结构5均分布在信号线3的同一侧。金属贴片5-1的形状为根据需要进行设置，可以为圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形或其他形状，尺寸根据设计需求进行设计。短路销钉5-2与金属贴片5-1相连时，其可以连接在金属贴片5-1的正中或金属贴片5-1的任意地方，但为了能够提高性能，短路销钉5-2尽量接在金属贴片5-1靠近信号线3的一侧的边缘处。短路销钉5-2可以倾斜或垂直贯穿介质基板1。所有电磁带隙结构5的金属贴片5-1的尺寸大小均不相同，通过调整电磁带隙结构5的尺寸参数可实现任意频段的阻带。各电磁带隙结构5的谐振频率相近，形成矩形的阻带。

在本实施例中，金属贴片5-1采用矩形结构。短路销钉5-2垂直于金属贴片5-1和信号线3所处平面，并嵌入到介质基板1中。为了获得更好的性能及更小的尺寸，短路销钉5-2设置在金属贴片5-1的边缘处。为获得矩形特性的阻带，本实施例包含2个电磁带隙结构5，即2个金属贴片5-1和2个短路销钉5-2。第一金属贴片5-1和第二金属贴片5-1均位于信号线3的同侧，第一短路销钉5-2的一端连接第一金属贴片5-1，另一端连接金属地板2，第二短路销钉5-2的一端连接第二金属贴片5-1，另一端也连接金属地板2。2个电磁带隙结构5的谐振频率互相靠近融合，从而形成矩形特性阻带。通过调整2个金属贴片5-1的尺寸，既可以调整矩形特性阻带的频率，也可以调整矩形特性阻带的宽度，以使所述超宽带带阻天线优化后的性能满足抑制不同窄带串扰频段的要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，包括超宽带天线本体，该超宽带天线本体包括介质基板(1)、以及覆贴在介质基板(1)上表面的2个金属地板(2)、信号线(3)和辐射器(4)构成；其中辐射器(4)与信号线(3)位于介质基板1的中部，且辐射器(4)与信号线(3)的一端相连；2个金属地板(2)则分处于信号线(3)的左右两侧；金属地板(2)和信号线(3)构成的共面波导；其特征在于：还进一步包括至少2个间隔设置的电磁带隙结构(5)；

每个电磁带隙结构(5)均由金属贴片(5-1)和短路销钉(5-2)构成；金属贴片(5-1)覆贴在介质基板(1)的下表面；短路销钉(5-2)的一端与金属贴片(5-1)相连，另一端则穿过介质基板(1)与超宽带天线本体的信号线(3)或辐射器(4)相连。

2.根据权利要求1所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：所有电磁带隙结构(5)的金属贴片(5-1)的尺寸大小均不相同。

3.根据权利要求1所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：短路销钉(5-2)接在金属贴片(5-1)靠近信号线(3)的一侧的边缘处。

4.根据权利要求1所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：短路销钉(5-2)垂直穿过介质基板(1)。

5.根据权利要求1所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：所有电磁带隙结构(5)的短路销钉(5-2)的另一端均与信号线(3)相连；或所有电磁带隙结构(5)的短路销钉(5-2)的另一端均与辐射器(4)相连；或一部分电磁带隙结构(5)的短路销钉(5-2)的另一端均与信号线(3)相连，另一部电磁带隙结构(5)的短路销钉(5-2)的另一端均与辐射器(4)相连。

6.具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，包括超宽带天线本体，该超宽带天线本体包括介质基板(1)、金属地板(2)、信号线(3)和辐射器(4)构成；其中辐射器(4)与信号线(3)覆贴于介质基板(1)的上表面，且辐射器(4)与信号线(3)的一端相连；金属地板(2)覆贴于介质基板(1)的下表面；金属地板(2)和信号线(3)构成的微带波导；其特征在于：还进一步包括至少2个间隔设置的电磁带隙结构(5)；

每个电磁带隙结构(5)均由金属贴片(5-1)和短路销钉(5-2)构成；金属贴片(5-1)覆贴在介质基板(1)的上表面；短路销钉(5-2)的一端与金属贴片(5-1)相连，另一端则穿过介质基板(1)与超宽带天线本体的金属地板(2)相连。

7.根据权利要求6所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：所有电磁带隙结构(5)的金属贴片(5-1)的尺寸大小均不相同。

8.根据权利要求6所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：短路销钉(5-2)接在金属贴片(5-1)靠近信号线(3)的一侧的边缘处。

9.根据权利要求6所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：短路销钉(5-2)垂直穿过介质基板(1)。

10.根据权利要求6所述的具有矩形阻带特性的超宽带带阻天线，其特征在于：所有电磁带隙结构(5)均位于信号线(3)的同一侧。