一種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線的製作方法

2023-05-18 01:05:01

專利名稱：一種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是ー種平面印刷板天線，特別是涉及ー種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線。
背景技術：
由於無線電通信設備和電子信息設備朝著多功能化、小型化、超寬帶以及與周圍環境友好協調的方向發展，這使得寬頻帶、小型化、高増益成為國內外研究的熱點課題之一。近年來，各種各樣的超寬帶天線相繼問世，特別是採用微帶技術的超寬帶天線，該結構可以通過照相或者光刻技術製作，並且有較好的極化特性，因此該技術已經應用在超寬帶天線的設計和相關的微波電路元器件的設計中。然而目前的超寬帶通信所佔的頻帶和無線區域網有共用的部分，因此需要設計的超寬帶天線能夠降低、甚至不會給無限區域網帶來幹擾，因此設計帶有陷波特性的超寬帶天線成為目前研究的熱點。如果通過適當的設計來 抑制諧波和寄生發射，這樣的天線將不會對附近的設備產生電磁幹擾，危及系統本身和鄰近系統的正常工作，特別是對目前使用的無線區域網系統造成嚴重的幹擾。傳統的方式是添加濾波器是最常使用的方法，在系統完成之後在天線單元和射頻組件之間添加合適的濾波器來解決。通常這種方法會造成天線與微波電路不匹配，甚至減低系統的整體效能，因此設計帶有陷波特性的超寬帶天線是解決此問題的重要方法之一。傳統的印刷超寬帶天線主要是圓錐天線和印刷盤錐天線，為了減小體積，中國專利「一款超寬帶階梯地板印刷單極子天線，申請編號2005100242288. 7」闡述了一種基於階梯型接地板和橢圓形輻射單元的超寬帶天線，但該天線的帶寬有限，仍不能滿足UWB的應用，且不能克服UWB和WLAN的電磁幹擾問題。文獻「 Harmonic ControlFor An Integrated Microstrip Antenna With Loaded Transmission Line， Shun-YunLin，Kuang-Chih Huang, and Jin-Sen Chen. Microwave And Optical TechnologyLetters, Vol. 44，No. 4，February，2005」，提出ー種利用周期結構抑制諧波，釆用直接在超寬帶天線的後端增加周期性濾波器結構產生陷波特性，實現UWB和WLAN的協同工作，但是體積較大，且結構複雜。為了克服上述缺點，文獻「Design of a 5. 8-GHzAntennaIncorporating a New Patch Antenna，Ching-Hong K. Chin, Quan Xue，Chi Hou Chan, IEEEAntennas And Wireless Propagation, Vol. 4，2005」，闡述了 在共面波導饋電信號線上刻蝕濾波器的方法，產生陷波的特性，但是體積仍然較大，不能很好的實現系統的小型化設計，且該天線的製作要求相對較高。文獻「A miniaturized monopole antenna forultra-wide band applications with band—notch Filter，B. Ahmadi，R. Faraji—Dana，IET Microw. Antennas Propag.，2009，Vol. 3, No. 14，pp. 1224 - 1231. 」 闡述了刻蝕 U 形槽和V形槽的帶有陷波特性的超寬帶天線，但是體積較大，且釆用漸變饋電結構，給設計和調試帶來不便。文獻「Compact CPW-fed ultra-wideband antenna with dual band-notchedcharacteristics, Y. S. LI，X. D. Yang, C. Y. Liuj T. Jiang, Electronics Letters, 2010，vol. 46，No. 14」，釆用在輻射源単元上刻蝕倒U形槽和在共面波導接地面上刻蝕H形槽，來產生陷波特性，該天線採用在輻射元上刻蝕槽的形式，使得部分電磁波外洩，影響天線的輻射方向圖。文獻「Design of a new UffB integrated antenna filter with a rejectedWLAN band at 5. 8GHz, A. Djaiz, M. NediI, M. A. Habib and T. A. Denidni. Microwave andOptical Technology Letters, Vol. 53，No. 6，2011」，該論文採用在饋電線上設計窄帶帶通濾波器實現陷波特性的設計，但是該方案僅僅能實現單一的陷波特性，且陷波頻率不容易調節。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種結構簡單，帶寬寬，輻射效率高，帶有陷波特性的一種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線。本實用新型的目的是這樣實現的包括介質基板109、正五邊形輻射單元103、寬槽結構105、正五邊形諧振腔108、階狀阻抗調諧棒104、一對對稱的L形槽107、正五邊形諧振腔上的縫隙106、共面波導接地 面102、共面波導饋電信號帶線101、共面波導饋電結構；正五邊形輻射單元103、寬槽結構105、正五邊形諧振腔108、階狀阻抗調諧棒104、一對對稱的L形槽107、正五邊形諧振腔上的縫隙106、共面波導接地面102、共面波導饋電信號帶線101印刷在介質基板上，共面波導饋電結構由共面波導饋電信號帶線101和共面波導接地面102組成，且共面波導饋電信號帶線101位於共面波導接地面102的中間，在共面波導接地面上102上刻蝕寬槽結構105，正五邊形的中垂線與水平方向垂直，正五邊形輻射單元103位於寬槽結構105的內部，正五邊形輻射單元103的中垂線和水平方向垂直，正五邊形諧振腔上的縫隙106位於正五邊形輻射單元103的頂部，正五邊形輻射單元103與共面波導饋電信號帶線101連接，在正五邊形輻射單元103上刻蝕階狀阻抗調諧棒104加載的正五邊形諧振腔108，正五邊形諧振腔108的底邊與水平方向平行，在共面波導接地面102的下部鏡像對稱刻蝕一對對稱的L形槽107。所述的階狀阻抗調諧棒104為矩形結構、圓形結構或三角形結構。本實用新型的優點在於I、可以實現更寬的阻抗帶寬，所設計超寬帶天線通過在共面波導接地面上刻蝕一對對稱的L形槽結構，展寬天線的阻抗帶寬，覆蓋UWB的整個頻段。所設計超寬帶天線可以覆蓋2. 72GHZ-11. 12GHz,同時在WLAN頻段內產生一個陷波帶寬，抑制WLAN的潛在幹擾，實現UWB和WLAN的協同工作；2、採用集成寬槽技術和諧振腔濾波器技術的設計方法，有效的減小天線的體積，同時能夠通過諧振腔濾波器的理論設計所需要的陷波頻率，便於設計和生產調試，且可以根據實際需要設計可調陷波的超寬帶天線。3、採用寬槽結構，不僅有效的提高設計天線的阻抗帶寬，同時能通過改變正五邊形寬槽結構和正五邊形輻射單元之間的耦合，改變天線的分布電容和分部電感，從而改變天線的阻抗帶寬，該天線結構簡單，緊湊，體積小，加工方便，成本低。

圖I為本實用新型實施方式I的基本結構俯視圖；[0013]圖2為本實用新型實施方式I的基本結構正視圖；圖3為本實用新型實施方式I的階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔結構；圖4為本實用新型實施方式I的基本結構側視圖；圖5為本實用新型實施方式I的駐波特性曲線；圖6為本實用新型實施方式2的基本結構的俯視圖；圖7為本實用新型實施方式2的駐波曲線；圖8為本實用新型實施方式3的基本結構的俯視圖；圖9為本實用新型實施方式3的駐波曲線。
具體實施方式
以下結合附圖舉例本對實用新型做更詳細地描述本實用新型屬於共面波導饋電的單極子天線，該天線印製在介質基板上，其輻射單元為正五邊形貼片，在共面波導接地面上刻蝕ー個正五邊形寬槽，為了使所設計的天線覆蓋整個超寬帶的工作帶寬，在共面波導接地面上刻蝕ー對対稱的L形槽，進ー步展寬天線的阻抗帶寬，使得所設計的天線能覆蓋UWB通信帶寬；此外，超寬帶通信系統和傳統窄帶系統之間存在著頻率共用部分，為了使所設計的天線能滿足超寬帶通信系統和窄帶系統(如無線區域網)等協同通信，在正五邊形貼片上集成階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔，從而產生ー個陷波帶寬，實現UWB和WLAN (5. 15GHZ-5. 825GHz)的協同工作。該天線具有良好的阻抗帶寬和陷波特性，且陷波帶寬的中心頻率可以調節，因此大大増加了其適用範圍。本實用新型採用印刷天線結構和共面波導饋電結構，大大降低了天線體積，且比較容易和射頻前端微波集成電路集成。本實用新型採用的技術方案為I、輻射單元採用正五邊形貼片，類似於傳統的印刷單極子天線，便於設計和製作，且能保證較好的阻抗匹配，實現寬頻帶阻抗匹配，同時有較好的全向輻射特性。2、本實用新型採用共面波導饋電結構，共面波導饋電結構的饋電信號帶線直接和正五邊形輻射單元連接，從而構成類似於單極子天線結構。3、本實用新型採用在正五邊形輻射単元上刻蝕ー個階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔的方法，有效的將單極子天線和諧振腔濾波器結合起來，從而構成帶有陷波特性的超寬帶天線。通過改變階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔的參數，改變諧振腔的分布電容和分布電感，從而改變陷波特性的中心頻率和陷波帶寬，設計出性能良好的陷波超寬帶天線。4、本實用新型在共面波導接地面上刻蝕ー對対稱的L形槽，有效的改變共面波導接地面的電流分布，增長電流的流經路徑，從而増加天線的阻抗帶寬，使所設計的天線滿足超寬帶的通信需求。實施方式I :如圖I、圖2、圖3和圖4所示，所設計的天線由介質基板109、正五邊形輻射単元103、寬槽結構105、正五邊形諧振腔108、階狀阻抗調諧棒104、一對對稱的L形槽107、正五邊形諧振腔上的縫隙106、共面波導接地面102、共面波導饋電結構組成。共面波導饋電結構的饋電信號帶線饋電線101直接和SMA內導體連接，SMA的外導體與共面波導接地面102連接。根據圖I、圖2、圖3和圖4所示的結構，只要選擇合適的尺寸，就能滿足其超寬帶工作特性和陷波特性。圖5為利用HFSS仿真的駐波比曲線，從圖5可以看出在駐波比彡2 1的阻抗帶寬是2. 72-11. 12GHz，滿足超寬帶通信的需求，在4. 26GHz_6. 08GHZ之間有一個陷波特性，可以消除或者降低超寬帶天線對無線區域網和C波段的電磁幹擾。實施方式2:如圖6所示，本實用新型的另一種實施實例是在實施實例I的基礎上，共面波導接地板上沒有L形槽，該天線仍可以實現帶有陷波特性超寬帶通信需求。所設計的天線由介質基板、正五邊形輻射單元203、寬槽結構205、正五邊形諧振腔208、階狀阻抗調諧棒204、正五邊形諧振腔上的縫隙206、共面波導接地面202、共面波導饋電結構組成。整個天線印刷在介電常數為2. 65的介質基板上。該天線的共面波導饋電結構的饋電信號帶線201直接和SMA內導體連接，SMA的外導體與共面波導接地面202連接。根據圖6所示的結構，只 要選擇合適的尺寸，就能滿足其陷波特性和超寬帶工作特性。圖7為利用HFSS仿真的駐波比曲線，從圖7可以看出在駐波比彡2 1的阻抗帶寬是2. 74GHz-10. 4GHz，滿足超寬帶通信的需求。在4. 26GHz_6. 08GHZ之間有一個陷波特性，可以消除或者降低超寬帶天線對無線區域網和C波段的電磁幹擾。實施方式3 如圖8所示，本實用新型的另一種實施實例是在實施實例2的基礎上，沒有階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔結構，該天線仍滿足超寬帶通信需求。所設計的天線由介質基板、正五邊形輻射單元303、寬槽結構305、共面波導接地面302、共面波導饋電結構組成。整個天線印刷在介電常數為2. 65的介質基板上。該天線的共面波導饋電結構的饋電信號帶線301直接和SMA內導體連接，SMA的外導體與共面波導接地面302連接。根據圖8所示的結構，只要選擇合適的尺寸，就能滿足其超寬帶工作特性。圖9為利用HFSS仿真的駐波比曲線，從圖9可以看出在駐波比彡2 :1的阻抗帶寬是2. 74GHz-10. 4GHz，可以滿足超寬帶通信的需求。
權利要求1.ー種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線，其特徵是包括介質基板(109)、正五邊形輻射單元(103)、寬槽結構(105)、正五邊形諧振腔(108)、階狀阻抗調諧棒(104)、ー對對稱的L形槽(107)、正五邊形諧振腔上的縫隙(106)、共面波導接地面(102)、共面波導饋電信號帶線(101)、共面波導饋電結構；正五邊形輻射単元(103)、寬槽結構(105)、正五邊形諧振腔(108)、階狀阻抗調諧棒(104)、一對對稱的L形槽(107)、正五邊形諧振腔上的縫隙(106)、共面波導接地面(102)、共面波導饋電信號帶線(101)印刷在介質基板上，共面波導饋電結構由共面波導饋電信號帶線(101)和共面波導接地面(102)組成，且共面波導饋電信號帶線(101)位於共面波導接地面(102)的中間，在共面波導接地面上(102)上刻蝕寬槽結構(105)，正五邊形輻射単元(103)位於寬槽結構(105)的內部，正五邊形輻射単元(103)的中垂線和水平方向垂直，正五邊形諧振腔上的縫隙(106)位於正五邊形輻射単元(103)的頂部，正五邊形輻射単元(103)與共面波導饋電信號帶線(101)連接，在正五邊形輻射單元(103)上刻蝕階狀阻抗調諧棒(104)加載的正五邊形諧振腔(108)，正五邊形諧振腔(108)的底邊與水平方向平行，在共面波導接地面(102)的下部鏡像對稱刻蝕ー對對稱的L形槽(107)。
2.根據權利要求I所述的集成多邊形諧振腔的超寬帶天線，其特徵是所述的階狀阻抗調諧棒(104)為矩形結構、圓形結構或三角形結構。
專利摘要本實用新型的目的在於提供一種集成多邊形諧振腔的超寬帶天線，包括介質基板、正五邊形輻射單元、寬槽結構、正五邊形諧振腔、階狀阻抗調諧棒、一對對稱的L形槽、正五邊形諧振腔上的縫隙、共面波導接地面、共面波導饋電信號帶線、共面波導饋電結構；正五邊形輻射單元、寬槽結構、正五邊形諧振腔、階狀阻抗調諧棒、一對對稱的L形槽、正五邊形諧振腔上的縫隙、共面波導接地面、共面波導饋電信號帶線印刷在介質基板上；正五邊形輻射單元位於寬槽結構內部，在其上刻蝕階狀阻抗調諧棒加載的正五邊形諧振腔；在共面波導接地面下部鏡像對稱刻蝕一對L形槽。本實用新型提供一種結構簡單，帶寬寬，輻射效率高，帶有陷波特性的一種超寬帶天線。
文檔編號H01Q1/50GK202616407SQ20122020309
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者李迎松, 李文興, 劉乘源 申請人:哈爾濱工程大學