多陷波超寬帶天線的製作方法

2023-05-27 00:48:26

多陷波超寬帶天線的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種結構簡單、體積小、易於控制、容易加工的多陷波超寬帶天線。該多陷波超寬帶天線，包括介質基板，所述介質基板的下表面設置有金屬地板，所述介質基板的上表面設置有輻射單元以及與輻射單元相連的微帶饋線，所述介質基板的上表面設置有多個枝節組成的電磁帶隙結構，所述電磁帶隙結構上設置有用於接地的金屬接地通孔。該多陷波超寬帶天線採用多個枝節組成的電磁帶隙結構形成陷波，代替了濾波器的設計，減低了設計成本和系統的複雜性，使得天線結構簡單，緊湊小巧，加工方便，成本低廉，易於生產，形濾波效果較好，易於控制，另外，通過設置不同的枝節的個數，可以實現更多的陷波特性，適合在天線領域推廣應用。
【專利說明】多陷波超寬帶天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及天線領域，具體涉及一種多陷波超寬帶天線。
【背景技術】
[0002]超寬帶技術是一種新型的無線通信技術，具有傳輸速率高、功耗低、成本低、系統結構簡單等特點，因而成為近年來無線通信的研究熱點之一。美國聯邦通信委員會(Federal Communication Commission, FCC)在 2002 年開放了 3.lGHz-10.6GHz 頻段，並允許UWB技術用於民用，從那以後，無線超寬帶技術得到極大的關注與發展。作為無線通信系統的關鍵組成部分，超寬帶天線的設計成為制約超寬帶無線通信信道容量與質量的重要因素。由於超寬帶的頻帶從3.1到10.6GHz,而這個頻段內不可避免的存在一些無線通信系統的信號幹擾，例如頻段在3.3-3.7GHz的WiMAX (全球微波互聯接入)，以及頻段在
5.15-5.825GHz的WLAN (無線區域網)等。為了避免這些頻段信號的幹擾，就有必要設計出具有帶阻特性的超寬帶天線。
[0003]一般解決上述問題的方法是在超寬帶系統內引入帶阻濾波器，但這不可避免的增大了系統的體積、複雜度以及相應的成本，而另一種更加簡單而又有效的方法是在超寬帶天線結構中引入陷波結構。通常，產生陷波的方法有兩種:一種是在天線結構中加入不同形狀的寄生枝節，如開口諧振環，階梯阻抗諧振器等實現帶阻功能；另一種有效的方法是在天線的輻射單元或者地板上刻蝕各種不同形狀的縫隙，如半圓形槽，U形槽，π形槽，H形槽等實現濾波特性，通常來說，上述兩種方法一種結構只能產生一種有效的陷波，要產生多個陷波必須使用多個結構。前者產生多個陷波需要加載多個寄生枝節，這樣雖然可以有效的產生多個不同帶寬的陷波，但是不可避免的要佔用較大的面積；後者實現多個陷波需要刻蝕多個不同的縫隙，雖然不會增加天線的體積，但是由於縫隙之間有強耦合，導致很難調節陷波的帶寬，增加了天線設計的複雜性。近年來，電磁帶隙(Electromagnetic BandGap, EBG)結構作為一種新興的人工材料，引起人們極大的研究興趣。該結構具有帶阻、慢波、高阻抗特性，可以人為地控制表面波的傳播，使頻率落在帶隙中的電磁波得到有效的抑制，因此被引入到超寬帶天線設計中。該類型的天線兼具上述兩類天線能產生阻帶特性的特點，同時具有良好的阻帶特性和窄帶特性，阻帶較深，能減小阻帶之間的互耦，且結構簡單易於實現、體積小、重量輕、便於集成等優點，因此，受到廣泛關注和深入研究。如文獻「Design of a Band-Notched UffB Monopole Antenna by Means of an EBG Structure,Mohammad Yazdi and Nader Komjani， IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATIONLETTERS, Vo I.10，Mar ch2011」使用了 一種蘑菇狀的電磁帶隙結構，實現了 一個在5.5GHz左右的WLAN頻帶的陷波,但該天線使用了四個EBG,天線體積較大,且不能濾除掉3.5GHz左右的WiMAX頻段信號的幹擾。又如文獻「Narrow Band Notches for Ultra-WidebandAntenna Using Electromagnetic Band-Gap Structures, J.Y.Deng,L.X.Guo andJ.H.Yang, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol.25，2011，，使用兩種不同結構的蘑菇狀的電磁帶隙結構形成了 4.6-5.55GHz >5.7-6.28GHz兩個陷波頻段，但此文獻中的陷波頻段帶寬過寬，遠超出了幹擾信號的頻段範圍，這無疑造成了超寬帶天線本身工作頻段的縮減。再如文獻「UWB Band-Notched Monopole Antenna DesignUsing Electromagnetic-Bandgap Structures, Lin Peng and Cheng-Li Ruan, IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Vol.59，N0.4，Apri 12011」對比使用了兩種不同結構的電磁帶隙結構實現陷波，雖然可以有效的控制帶寬，同時也沒有增大天線的體積，但是該結構要實現兩個陷波就需要採用兩種結構，這樣就增加了設計天線的複雜性。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、體積小、易於控制、容易加工的多陷波超寬帶天線。
[0005]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是:該多陷波超寬帶天線，包括介質基板，所述介質基板的下表面設置有金屬地板，所述介質基板的上表面設置有輻射單元以及與輻射單元相連的微帶饋線，所述介質基板的上表面設置有多個枝節組成的電磁帶隙結構，所述電磁帶隙結構上設置有用於接地的金屬接地通孔，所述電磁帶隙結構位於微帶饋線的一側。
[0006]進一步的是,所述電磁帶隙結構由第一 L形枝節與第二 L形枝節組成,所述第一 L形枝節的垂直枝節與第二 L形枝節的垂直枝節相連並且第一 L形枝節的垂直枝節、第二 L形枝節的垂直枝節均與微帶饋線平行且不重合。
[0007]進一步的是，所述第一 L形枝節的垂直枝節或第二 L形枝節的垂直枝節與微帶饋線之間的間隙為0.lmm-1.0mm。
[0008]進一步的是,所述第一 L形枝節的水平枝節寬度為0.第一 L形枝節的水平枝節長度為第一 L形枝節的垂直枝節寬度為0.第一 L形枝節的垂直枝節長度為;所述第二 L形枝節的水平枝節寬度為0.第二 L形枝節的水平枝節長度為0.第二 L形枝節的垂直枝節寬度為0.第二 L形枝節的垂直枝節長度為0.5mm-5mm。
[0009]進一步的是,所述金屬接地通孔位於第一 L形枝節的垂直枝節或第二 L形枝節的垂直枝節上，並且金屬接地通孔的半徑為0.lmm-lmm，金屬接地通孔的圓心距離垂直枝節外側邊緣的距離為Omm-0.5mm,所述金屬接地通孔的圓心與第一 L形枝節的水平枝節之間的距離、金屬接地通孔的圓心與第二 L形枝節的水平枝節之間的距離二者相差0.lmm-5mm。
[0010]進一步的是，所述微帶饋線由特性阻抗為50歐姆的微帶線組成。
[0011]進一步的是，所述輻射單元為橢圓形貼片或圓形貼片或矩形貼片。
[0012]進一步的是,所述介質基板的介電常數介於2-10之間，厚度為0.介電損耗小於0.02。
[0013]本發明的有益效果:該多陷波超寬帶天線採用多個枝節組成的電磁帶隙結構形成陷波，代替了濾波器的設計，減低了設計成本和系統的複雜性，使得天線結構簡單，緊湊小巧，加工方便，成本低廉，易於生產，與一般形成的陷波結構相比，體積小巧，形成的陷波頻帶很窄，有效的消除了超寬帶頻段內的窄帶幹擾信號，保留有用頻段，濾波效果較好，而且可以通過調整L形枝節的寬度來控制陷波帶寬，調節枝節的長度來控制陷波諧振頻率，易於控制，另外，通過設置不同的枝節的個數，可以實現更多的陷波特性，滿足不同的應用情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發明多陷波超寬帶天線的俯視圖；
[0015]圖2是本發明多陷波超寬帶天線的側視圖；
[0016]圖3是本發明多陷波超寬帶天線的結構尺寸圖；
[0017]圖4是本發明所述的電磁帶隙結構尺寸圖；
[0018]圖5為本發明實施例的仿真與實測駐波曲線圖；
[0019]圖6為本發明實施例在3GHz的仿真輻射方向圖；
[0020]圖7為本發明實施例在6GHz的仿真輻射方向圖；
[0021 ] 圖8為本發明實施例在9GHz的仿真輻射方向圖；
[0022]圖9為本發明實施例的測試增益曲線圖；
[0023]圖中標記說明:介質基板1、金屬地板2、輻射單元3、微帶饋線4、電磁帶隙結構5、第一 L形枝節51、第二 L形枝節52、金屬接地通孔6。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0025]如圖1、2所示，該多陷波超寬帶天線，包括介質基板I，所述介質基板I的下表面設置有金屬地板2，所述介質基板I的上表面設置有輻射單元3以及與輻射單元3相連的微帶饋線4，所述介質基板I的上表面設置有多個枝節組成的電磁帶隙結構5，所述電磁帶隙結構5上設置有用於接地的金屬接地通孔6，所述電磁帶隙結構5位於微帶饋線4的一側。電磁帶隙結構5通過與微帶饋線4的耦合，實現陷波特性，該多陷波超寬帶天線採用多個枝節組成的電磁帶隙結構5形成陷波，代替了濾波器的設計，減低了設計成本和系統的複雜性，使得天線結構簡單，緊湊小巧，加工方便，成本低廉，易於生產，與一般形成的陷波結構相比，體積小巧，形成的陷波頻帶很窄，有效的消除了超寬帶頻段內的窄帶幹擾信號，保留有用頻段，濾波效果較好，而且可以通過調整L形枝節的寬度來控制陷波帶寬，調節枝節的長度來控制陷波諧振頻率，易於控制，另外，通過設置不同的枝節的個數，可以實現更多的陷波特性，滿足不同的應用情況。
[0026]所述電磁帶隙結構5可以由多個枝節組合而成，枝節的形狀可以是L形、圓形、菱形等，通常情況下，所述電磁帶隙結構5由第一 L形枝節51與第二 L形枝節52組成，所述第一 L形枝節51的垂直枝節與第二 L形枝節52的垂直枝節相連並且第一 L形枝節51的垂直枝節、第二 L形枝節52的垂直枝節均與微帶饋線4平行且不重合。
[0027]為了達到最優的雙陷波特性，所述第一L形枝節51的垂直枝節或第二 L形枝節52的垂直枝節與微帶饋線4之間的間隙為0.lmm-1.0mm。
[0028]進一步的是,所述第一 L形枝節51的水平枝節寬度為0.第一 L形枝節51的水平枝節長度為第一 L形枝節51的垂直枝節寬度為0.第一L形枝節51的垂直枝節長度為;所述第二 L形枝節52的水平枝節寬度取值為
0.第二 L形枝節52的水平枝節長度為0.第二 L形枝節52的垂直枝節寬度為0.第二 L形枝節52的垂直枝節長度為0.5mm-5mm。第一 L形枝節51形成了
頻段覆蓋3.3-3.7GHz的陷波，第二 L形枝節52形成了頻段覆蓋5.15-5.825GHz的陷波，能夠濾除WiMAX和WLAN頻段的幹擾信號，阻帶特性好，能實現高質量的超寬帶無線通信。所述第一 L形枝節51與第二 L形枝節52的位置可以互換，可以將第一 L形枝節51放置在靠近輻射單元3的地方，或者將第二 L形枝節52放置在靠近輻單元3的地方。
[0029]所述金屬接地通孔6位於第一 L形枝節51的垂直枝節或第二 L形枝節52的垂直枝節上，並且金屬接地通孔6的半徑為0.lmm-lmm，金屬接地通孔6的圓心距離垂直枝節外側邊緣的距離為Omm-0.5mm,所述金屬接地通孔6的圓心與第一 L形枝節51的水平枝節之間的距離、金屬接地通孔6的圓心與第二 L形枝節52的水平枝節之間的距離二者相差
0.lmm-5mm0
[0030]金屬地板2的形狀是將一個矩形切去兩個拐角處的小矩形片構成，被切的矩形片的大小可以根據天線所需要的帶寬調節。
[0031]另外，所述微帶饋線4可以採用現有的各種饋線，通常情況下優選的是，所述微帶饋線4由特性阻抗為50歐姆的微帶線組成。
[0032]再者，所述輻射單元3形狀可以根據實際情況而定，可以是圓形、橢圓形、菱形、矩形等，通常情況下，為了提高天線的輻射效果，所述輻射單元3優選為橢圓形貼片或圓形貼片或矩形貼片。
[0033]為了保證天線的性能達到最優，所述介質基板I的介電常數介於2-10之間，厚度為0.5mm-3mm,介電損耗小於0.0 2。
[0034]實施例
[0035]該實施例中多陷波超寬帶天線的採用介質基片的具體參數為相對介電常數ε r=4.4,厚度h=l.0mm。圖3、圖4為實施例的結構尺寸示意圖，其具體的幾何參數為
Wsub=38mm，Lsub=40mm，Lgnd=20mm，Rl=8mm，R2=12.8mm，S=0.2mm，d=0mm，w50=l.86mm，Lt=3.0mm，Wt=3.0mm，g=l.0mm，r=0.2mm，Wl = L 2mm，Ll=8.0mm，W2=0.4mm，L2=4.8mm，W3=l.0mm L3=8.2mm。
[0036]本發明的效果可通過以下仿真及測試圖進一步說明:
[0037]對本發明實施案例的駐波比進行測試，其結果如圖5所示，由圖5的測試駐波曲線圖可見，本發明所述的多陷波超寬帶天線的工作頻段覆蓋3.1-10.6GHz,且形成了頻段位於3.3-3.8GHz和5.0-5.8GHz的兩個陷波。
[0038]對本發明實施案例在3GHz、4GHz、6GHz的輻射方向圖進行仿真，其結果如圖6、圖
7、圖8所示，由圖6、圖7、圖8的仿真輻射方向圖可見，本發明的超寬帶天線在H面具有水平全向性，E面具有8字形狀。
[0039]對本發明實施案例的增益進行測試，其結果如圖9所示，由圖9的測試增益曲線可見，本發明所述的多陷波超寬帶天線的增益在工作頻段被基本處於2dBi左右，而在陷波段的中心頻率處明顯下降，天線在陷波頻段處幾乎不工作，達到了抑制幹擾的效果。
【權利要求】
1.多陷波超寬帶天線，包括介質基板(1)，所述介質基板(I)的下表面設置有金屬地板(2)，所述介質基板(I)的上表面設置有輻射單元(3)以及與輻射單元(3)相連的微帶饋線(4)，其特徵在於:所述介質基板(I)的上表面設置有多個枝節組成的電磁帶隙結構(5)，所述電磁帶隙結構(5)上設置有用於接地的金屬接地通孔(6)，所述電磁帶隙結構(5)位於微帶饋線(4)的一側。
2.如權利要求1所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述電磁帶隙結構(5)由第一L形枝節(51)與第二 L形枝節(52)組成,所述第一 L形枝節(51)的垂直枝節與第二 L形枝節(52)的垂直枝節相連並且第一 L形枝節(51)的垂直枝節、第二 L形枝節(52)的垂直枝節均與微帶饋線(4)平行且不重合。
3.如權利要求2所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述第一L形枝節(51)的垂直枝節、第二 L形枝節(52)的垂直枝節與微帶饋線(4)之間的間隙為0.lmm-1.0mm。
4.如權利要求3所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述第一L形枝節(51)的水平枝節寬度為0.lmm-2mm,第一 L形枝節(51)的水平枝節長度為第一 L形枝節(51)的垂直枝節寬度為0.lmm-2mm,第一 L形枝節(51)的垂直枝節長度為;所述第二 L形枝節(52)的水平枝節寬度為0.lmm-2mm，第二 L形枝節(52)的水平枝節長度為0.5mm-5mm,第二 L形枝節(52)的垂直枝節寬度為0.lmm-2mm,第二 L形枝節(52)的垂直枝節長度為0.5mm-5mm。
5.如權利要求4所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述金屬接地通孔(6)位於第一 L形枝節(51)的垂直枝節或第二 L形枝節(52)的垂直枝節上，並且金屬接地通孔(6)的半徑為0.1mm-1mm,金屬接地通孔(6)的圓心距離垂直枝節外側邊緣的距離為Omm-0.5mm,所述金屬接地通孔(6)的圓心與第一 L形枝節(51)的水平枝節之間的距離、金屬接地通孔(6)的圓心與第二 L形枝節(52)的水平枝節之間的距離二者相差0.lmm-5mm。
6.根據權利要求1至5中任意一項權利要求所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述微帶饋線(4)由特性阻抗為50歐姆的微帶線組成。
7.如權利要求6所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述輻射單元(3)為橢圓形貼片或圓形貼片或矩形貼片。
8.如權利要求7所述的多陷波超寬帶天線，其特徵在於:所述介質基板(I)的介電常數介於2-10之間，厚度為0.介電損耗小於0.02。
【文檔編號】H01Q1/48GK103441327SQ201310381724
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】徐自強, 劉昊, 吳波, 張根, 夏紅, 廖家軒, 尉旭波, 汪澎, 田忠 申請人:電子科技大學