CN205159502U - 差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，包括介质基板、地板和差分馈电结构，所述地板设置在介质基板顶层，所述差分馈电结构设置在介质基板底层，所述地板上刻蚀有一个矩形宽缝、两个左右对称的T形槽和四个相互对称的矩形狭缝，所述矩形宽缝和T形槽均位于差分馈电结构的上方；所述差分馈电结构中部的上下两侧均呈左右对称的阶梯状，差分馈电结构上刻蚀有两个左右对称的弯折狭缝，所述地板上的矩形狭缝和差分馈电结构上的弯折狭缝构成两组缝隙谐振器。本实用新型的超宽带缝隙天线具有小尺寸、宽频段、辐射方向图好、陷波矩形度好的优点，能够满足小型化、低成本、易于加工、易与差分电路集成的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种差分超宽带天线，尤其是一种差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
近年来，由于无线移动通信的迅猛发展，人们对新的通信方式提出了更高的要求。原有的通信频谱已经被许多无线通信系统使用，可用的频段越来越少。而超宽带通信技术(Ultra-wideband，UWB)很好的解决了这些问题，它将成为未来短距离无线通信的主流技术。超宽带通信是一种无载波通信技术，它利用纳秒到微秒级的窄脉冲来传播数据，脉冲覆盖范围广，而且不需要常规的调制和变频技术，直接送到天线上发射。因此这种通信方式可以占用非常宽的带宽，并且功率密度极小，同时还具有传播距离远，抗干扰能力强和保密性好的特点，能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。UWB的带宽为3.1-10.6GHz，在整个频段内与WLAN系统的5.2GHz/5.8GHz和WiMAX的5.5GHz产生了重叠，这样就会造成通信干扰。为了避免这种干扰，就需要在超宽带天线的设计过程中滤除这些频带。一种简单而实用的解决方法是在超宽带天线设计中加入滤波设计，形成具有陷波特性的UWB天线。在辐射体上开槽或加载谐振器，在地板上开缝或者加载谐振器等都可以达到一定的陷波作用。但是，一般一阶陷波的频率选择性差，不能满足实际应用的需要。采用多个谐振器来设计二阶或更高阶的陷波是UWB天线的一个研究趋势。
随着无线通信技术的飞速发展，也促进了紧凑、全集成射频前端产品成为无线通信系统的设计主流。目前，除天线外，大多数射频前端都能够集成到收发器芯片，大大减少了分立元件的数目，降低了无线设备的成本，天线元与射频前端的集成日益受到国际学者的关注。由于平衡电路可以大大减小串扰，射频前端通常采用差分技术。天线作为射频前端的关键部件之一，大多数设计为单端口器件，为了解决单端口天线与射频前端的集成，通常采用巴仑(平衡不平衡转换器)把差分信号转换为单端信号后馈入单端口天线。但是，巴仑的引入会引起射频前端损耗，降低系统效率等等一系列问题，也不是全集成的解决方案。差分天线改变了传统的单端口设计方法，设计为双端口天线，直接把差分信号馈入到天线的两个端口，省去了巴伦，为设计高集成的射频前端提供了行之有效的解决方案。
据调查与了解，目前公开的现有技术如下：
1)2011年，JamesR.Kelly，PeterS.Hall和PeterGardner等人在“IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION”上发表题为“Band-NotchedUWBAntennaIncorporatingaMicrostripOpen-LoopResonator”的文章中，使用传统的单端口天线设计方法，采用共面波导(CPW)馈电的单极子UWB天线，CPW馈电具有较宽的带宽。值得注意的是天线的陷波结构——开环谐振器加在介质板的另外一侧，利用耦合使开环谐振器达到陷波的目的，但是由于文章中采用的是单谐振器结构，只能达到单陷波特性，陷波矩形度不够好。
2)2014年，Zhi-hongTu，Wen-AoLi和Qing-XinChu等人在“IEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS”发表题为“Single-LayerDifferentialCPW-FedNotch-BandTapered-SlotUWBAntenna”的文章中，采用差分CPW馈电，在地板上开锥形槽的UWB天线，这样可以实现较宽的带宽。然后在地板的缝隙边上加载枝节谐振器，在馈电部分开缝形成谐振器，最终达到二阶陷波的效果，陷波矩形度很好，陷波的频率可以通过调节谐振器的长度来自由改变。由于该天线采用了双端口差分馈电，天线辐射方向图的交叉极化非常小，而且是单层天线，易于加工。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，该天线具有小尺寸、宽频段、辐射方向图好、陷波矩形度好的优点，能够满足小型化、低成本、易于加工、易与差分电路集成的要求。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，包括介质基板、地板和差分馈电结构，所述地板设置在介质基板顶层，所述差分馈电结构设置在介质基板底层，所述地板上刻蚀有一个矩形宽缝、两个左右对称的T形槽和四个相互对称的矩形狭缝，所述矩形宽缝和T形槽均位于差分馈电结构的上方；所述差分馈电结构中部的上下两侧均呈左右对称的阶梯状，差分馈电结构上刻蚀有两个左右对称的弯折狭缝，所述地板上的矩形狭缝和差分馈电结构上的弯折狭缝构成两组缝隙谐振器。
作为一种优选方案，所述差分馈电结构的左、右两端分别为第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一馈电端口和第二馈电端口分别位于介质基板底层的左、右边缘处。
作为一种优选方案，所述地板上的矩形狭缝用于产生5.8GHz的陷波频率，其电流路径长度为5.8GHz陷波频率波导波长的1/2。
作为一种优选方案，所述差分馈电结构上的弯折狭缝用于产生5.2GHz的陷波频率，其电流路径长度为5.2GHz陷波频率波导波长的1/2。
作为一种优选方案，所述介质基板采用FR4介质基板，其介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
作为一种优选方案，所述差分馈电结构采用微带馈线构成。
本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本实用新型的超宽带缝隙天线在地板上刻蚀有一个矩形宽缝和两个左右对称的T形槽，差分馈电结构设计成阶梯渐变结构，并采用耦合馈电，为了实现更好的阻抗匹配，达到较宽带宽的目的；此外，地板上还刻蚀有四个相互对称的矩形狭缝，差分馈电结构刻蚀有两个左右对称的弯折狭缝，构成了两组缝隙谐振器，在可能产生干扰的频段(5-6GHz)内实现了具有良好矩形度的陷波特性，从而可以消除UWB(UltraWideband，超宽带)通信系统与WLAN、WiMAX系统的互扰。
2本实用新型的超宽带缝隙天线可以通过改变地板上的矩形狭缝和差分馈电结构上的弯折狭缝的电流路径长度对陷波的频率和带宽进行控制，达到想要的陷波频段，其中地板上的矩形狭缝用于产生5.8GHz的陷波频率，差分馈电结构上的弯折狭缝用于产生5.2GHz的陷波频率。
3、本实用新型的超宽带缝隙天线采用双端口差分馈电形式，在整个频带内具有很好的辐射方向图，并且经过电磁仿真表明，除了陷波频段增益较低外，其它频段的增益基本稳定在5dBi左右，因此在整个频带内具有较稳定的增益。
4、本实用新型的超宽带缝隙天线采用了平面结构，其结构简单、尺寸小、易于加工，而且采用耦合馈电形式，更容易实现超宽带，与现有的UWB天线相比，采用差分馈电结构，更容易与差分电路集成；与现有的差分UWB天线相比，采用两组缝隙谐振器(一组为地板上的矩形狭缝，另一组为差分馈电结构上的弯折狭缝)组合实现了具有良好矩形度的陷波特性，消除了UWB通信系统与WLAN及WiMAX系统的互扰。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的超宽带缝隙天线顶层的结构示意图。
图2为本实用新型实施例1的超宽带缝隙天线底层的结构示意图。
图3为本实用新型实施例1的超宽带缝隙天线的电磁仿真增益曲线图。
图4为本实用新型实施例2的四种不同天线结构的电磁仿真奇模反射系数曲线图。
其中，图1中用虚线表示底层结构，图2中用虚线表示顶层结构；1-介质基板，2-地板，3-差分馈电结构，4-矩形宽缝，5-T形槽，6-矩形狭缝，7-弯折狭缝，Port1-第一馈电端口，Port2-第二馈电端口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的超宽带缝隙天线包括介质基板1、地板2和差分馈电结构3，所述地板2设置在介质基板1顶层，所述差分馈电结构3设置在介质基板1底层；
所述地板2上刻蚀有一个矩形宽缝4、两个左右对称的T形槽5和四个相互对称的矩形狭缝6，所述矩形宽缝4和T形槽5均位于差分馈电结构3的上方；
所述差分馈电结构3中部的上下两侧均呈左右对称的阶梯状，对地板2上的矩形宽缝4进行临近耦合馈电，该差分馈电结构3上刻蚀有两个左右对称的弯折狭缝7；
所述差分馈电结构3的左、右两端分别为第一馈电端口Port1和第二馈电端口Port2，由于采用了双端口差分馈电，克服了传统单端口UWB天线不能直接与差分电路集成的缺点；所述第一馈电端口Port1和第二馈电端口Port2分别位于介质基板1底层的左、右边缘处，从图2中可以看出，与传统的差分馈电不同的是，本实施例差分馈电的第一馈电端口Port1和第二馈电端口Port2是直接相连的，第一馈电端口Port1和第二馈电端口Port2分别馈入幅度相同、相位相反的差分信号；
所述矩形宽缝4和T形槽5均位于差分馈电结构3的上方，以及差分馈电结构3的阶梯渐变馈电设计，都是为了达到较好的阻抗匹配，从而实现了2.12～11.2GHz的超宽带工作，使天线的性能满足UWB通信系统的要求；
所述地板2上的矩形狭缝6和差分馈电结构3上的弯折狭缝7可以起到缝隙谐振器的作用，即实际上构成了两组缝隙谐振器，矩形狭缝6和弯折狭缝7可分别控制5.8GHz和5.2GHz附近的陷波波段；首先，矩形狭缝6用于产生5.8GHz的陷波频率，由电流分布可看出电流路径为S1，S1的长度大概等于5.8GHz时的其中λg是指5.8GHz时的波导波长；然后，弯折狭缝7用于产生5.2GHz的陷波频率，由电流分布可看出电流路径为S2+S3+S4，S2+S3+S4的长度大概等于5.2GHz时的 其中λg是指5.2GHz时的波导波长；两个陷波频率都可以通过调整狭缝的长度(矩形狭缝6的S1，以及弯折狭缝7的S2+S3+S4)来加以控制，适当的调整之后两个陷波带宽合并在一起，在5.05～5.9GHz形成了矩形度较好的陷波特性，从而可以避免WLAN和WiMAX通信系统对UWB系统的干扰，克服了现有差分UWB天线没有陷波特性的缺点。
如图3所示，本实施例的超宽带缝隙天线从仿真增益上可以看出，除了陷波频段增益较低外，其它频段的增益基本稳定在5dBi左右。
实施例2：
本实施例采用的介质基板1为FR4介质基板，其介电常数εe＝4.4，厚度d＝1.6mm，差分馈电结构3采用微带馈线构成，地板2印刷在介质基板1顶层，其上有一个较大的矩形宽缝4、两个较小的左右对称的T形槽5和四个相互对称的矩形狭缝6；差分馈电结构3印刷在介质基板1底层，有两个馈电端口，中部的上下两侧均被设计成阶梯状，其上有两个左右对称的弯折狭缝7；矩形狭缝6和弯折狭缝7都是为了实现陷波功能，其长度大概等于对应陷波频率波导波长的1/2，在陷波频率处，电流主要分布在对应的狭缝边缘上。
如图4所示，为本实施例的四种不同天线结构的电磁仿真奇模反射系数曲线，其中四种天线结构分别是差分馈电结构上有弯折狭缝(对应图4中馈线上有陷波缝隙)、地板上有矩形狭缝(对应图4中地板上有陷波缝隙)、差分馈电结构上有弯折狭缝和地板上有矩形狭缝(对应图4中馈线和地板上都有陷波缝隙)、差分馈电结构和地板上均无陷波缝隙；通过比较可以看出两种狭缝(矩形狭缝6和弯折狭缝7)的功能作用，并且当馈线和地板上都有陷波缝隙时，在5.05～5.9GHz形成了矩形度较好的陷波特性，从而可以避免WLAN和WiMAX通信系统对UWB系统的干扰。
综上所述，本实用新型的超宽带缝隙天线采用了平面结构，结构简单，尺寸小，易于加工，采用耦合馈电形式，更容易实现超宽带，与现有的UWB天线相比，采用差分馈电结构，更容易与差分电路集成；与现有的差分UWB天线相比，采用两组缝隙谐振器组合实现了具有良好矩形度的陷波特性，消除了UWB通信系统与WLAN及WiMAX系统的互扰。
以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。
Claims (6)
1.差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，包括介质基板、地板和差分馈电结构，所述地板设置在介质基板顶层，所述差分馈电结构设置在介质基板底层，其特征在于：所述地板上刻蚀有一个矩形宽缝、两个左右对称的T形槽和四个相互对称的矩形狭缝，所述矩形宽缝和T形槽均位于差分馈电结构的上方；所述差分馈电结构中部的上下两侧均呈左右对称的阶梯状，差分馈电结构上刻蚀有两个左右对称的弯折狭缝，所述地板上的矩形狭缝和差分馈电结构上的弯折狭缝构成两组缝隙谐振器。
2.根据权利要求1所述的差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电结构的左、右两端分别为第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一馈电端口和第二馈电端口分别位于介质基板底层的左、右边缘处。
3.根据权利要求1所述的差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，其特征在于：所述地板上的矩形狭缝用于产生5.8GHz的陷波频率，其电流路径长度为5.8GHz陷波频率波导波长的1/2。
4.根据权利要求1所述的差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电结构上的弯折狭缝用于产生5.2GHz的陷波频率，其电流路径长度为5.2GHz陷波频率波导波长的1/2。
5.根据权利要求1-4任一项所述的差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，其特征在于：所述介质基板采用FR4介质基板，其介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的差分阶梯馈电的高矩形度陷波超宽带缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电结构采用微带馈线构成。
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