具有陷波特性的小型超寬帶天線的製作方法

2023-05-15 23:15:06 2

專利名稱：具有陷波特性的小型超寬帶天線的製作方法
技術領域：
本發明屬於天線領域，特別是一種具有陷波特性的小型超寬帶天線，應用於超寬帶無線通信系統。
背景技術：
超寬帶UWB技術是一種新型的無線通信技術，具有傳輸速率高、功耗低、系統結構簡單等特點，符合高速通信發展的需求，從而得到廣泛的應用。作為超寬帶通信系統的關鍵部件，超寬帶天線的特性將直接影響系統的傳輸性能，對其的研究設計具有重要意義。2002 年美國聯邦通信委員會FCC批准將3. 1-10. 6GHz作為超寬帶系統的工作頻段，其中不可避免的存在一些窄帶幹擾信號，比如頻段位於5. 15-5. 35GHz和5. 725-5. 825GHz的無線區域網WLAN。為了避免這些頻段信號的幹擾，就需要設計具有陷波特性的超寬帶天線。同時，由於現有的消費電子類設備，特別是可攜式無線通信設備，都具有很小的體積和很高的集成度，超寬帶天線的小型化設計也成為國內外研究的焦點之一。為了抑制超寬帶系統與窄帶系統之間的潛在幹擾，通常需要在超寬帶系統內引入帶阻濾波器，但這無疑將增大系統的體積、複雜度以及成本。另一種簡單有效的方法是在超寬帶天線中引入陷波結構，包括在天線的輻射單元或地板上刻蝕不同形狀的縫隙，或者在天線結構中引入寄生枝節等。例如專利申請號為201020271241. 7，專利名稱為《一種具有濾除幹擾信號功能的超寬帶天線》的中國專利，就提出了一種具有單個陷波特性的超寬帶天線，該天線的福射單元為一微帶饋電的扇形單極子，由此單極子產生超寬帶特性，天線覆蓋頻段為3GHZ-10. 6GHz，同時在扇形單極子上開了一個U型縫隙，該縫隙在
4.85-5. 95GHz頻段形成陷波，但此發明僅僅濾除了 WLAN —個頻段信號的幹擾。又如專利申請號為201020531935. X，專利名稱為《帶有陷波特性的超寬帶天線》的中國專利，又提出了一種具有雙陷波特性的超寬帶天線，該天線由微帶饋電的矩形輻射單元及共面波導接地面構成，通過在輻射單元和地板上分別刻蝕雙U型槽及矩形槽形成了 3. 8GHz-6GHz、 7. 5GHz-9GHz兩個陷波波段，但此發明中陷波頻段帶寬過寬，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"Planar Ultrawideband Antennas With Multiple Notched Bands Based on Etched Slots on the Patch and/or Split Ring Resonators on the Feed Line，Yan ZhangiWei HongiChen Yu，Zhen-Qi Kuai， Yu-Dan Don， and Jian-Yi Zhou, I EEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION， VOL. 56，NO. 9，SEPTEMBER2008"中設計的一種具有三陷波特性的超寬帶天線，天線的輻射單元為一微帶饋電的圓形單極子，通過在饋線兩側加載3對不同尺寸的開環諧振器形成了
2.24GHz-2. 62GHz, 3. 78GHz_4. 03GHz 以及 5. 94GHz_6. 4GHz 頻段的陷波，但該天線使用了 6 個開環諧振器，天線體積較大，同時位於5. 2GHz與5. SGHz頻帶中間的有用頻段也被濾除， 造成了頻帶浪費
發明內容
本發明的目的在於針對上述已有技術存在的不足，提供一種體積小，頻帶寬，增益大，具有多陷波特性的超寬帶天線，該天線的工作帶寬覆蓋3. 1-10. 6GHz,同時通過調節相關參數，能夠按照需求濾除多個窄帶頻段的幹擾信號，保留有用頻段，實現高質量的超寬帶無線通信。實現上述目的技術關鍵是利用近年來出現的交指電容加載諧振環，設計新型諧振結構，並將其應用於超寬帶天線的設計中。整個天線包括介質基板、輻射單元、金屬地板和微帶饋線，其特徵在於所述輻射單元與微帶饋線的上部相連，該微帶饋線由一段特性阻抗為50歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，R的取值為60-90 歐姆；所述微帶饋線的兩側分別印製有兩個不同尺寸的交指電容加載諧振環和，交指電容加載諧振環與微帶饋線之間設有間隙t, t的取值為O.交指電容加載諧振環通過與微帶饋線的耦合，實現雙陷波特性；所述輻射單元、微帶饋線以及兩個交指電容加載諧振環，均印製在介質基板的上表面；所述金屬地板，由矩形加倒L形組合而成，印製在介質基板的下表面，其中矩形位於介質基板下表面的下部，在矩形的頂邊邊緣處連接倒L形，該倒L形與微帶饋線分別位於介質基板中軸線的兩側。所述交指電容加載諧振環為矩形形狀，由開口諧振環部分與交指部分組成，其中開口諧振環部分開口向上。所述交指部分由數對交指條交叉構成，交指條的指尖處為開路，末端連接在開口環的開口處，且各交指條之間相互平行。所述輻射單元為圓形或橢圓形或矩形貼片。所述輻射單元和微帶饋線位於介質基板中軸線的左側或右側，與介質基板中軸線之間的距離為所述倒L形位於介質基板中軸線的右側或左側，該倒L形的水平枝節的長度為 2mm-6mm,寬度為O. 3mm-2mm ;垂直枝節的長度不小於12mm,寬度為O. 3mm-2mm。所述開口諧振環部分的長度為寬度為環寬為O. 2mm-2mm。所述交指部分的交指數目為2-4對，交指長度為lmm-5mm。與現有技術相比，本發明具有如下優點I、本發明採用的微帶饋線由一段50歐姆微帶線、一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，可以更好的實現阻抗匹配。2、本發明採用的金屬地板由矩形加倒L形組合而成，增加了地板上的電流路徑， 減小了天線的尺寸。3、本發明採用兩個不同尺寸的交指電容加載諧振環形成雙陷波，而常規的對稱加載方式則需要4個諧振環單元，因此縮短了饋線的尺寸，減小了天線體積。4、本發明採用交指電容加載諧振環形成陷波，與一般形成陷波的結構相比，體積小巧，形成陷波的頻帶很窄，有效的濾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。
5、本發明採用交指電容加載諧振環形成雙陷波，代替了濾波器的設計，降低了設計成本和系統複雜性，使得天線結構簡單，緊湊小巧，加工方便，成本低廉，便於生產。6、本發明由於採用平面單極子天線形式，結構簡單，便於與射頻前端的微波電路集成。7、本發明能根據實際需求通過調節輻射單元與交指電容加載諧振環的尺寸，來改變天線性能，濾除頻帶內各種幹擾信號，具有陷波可調性能。同時，通過增加交指電容諧振環的個數，可以實現更多的陷波特性，以滿足不同的應用情況。


圖I為本發明實施例I的結構正視圖；圖2為本發明實施例I的結構側視圖；圖3為本發明實施例2的結構正視圖；圖4為本發明實施例3的結構正視圖；圖5為本發明實施例I的仿真與實測駐波曲線圖；圖6為本發明實施例I在4GHz的測試輻射方向圖
圖7為本發明實施例I在6GHz的測試輻射方向8為本發明實施例I在9GHz的測試輻射方向9為本發明實施例I的測試增益曲線圖。具體實施方法下面結合實施例及附圖，對本發明做進一步描述實施例I :參見圖I和圖2，本發明的超寬帶天線，包括介質基板I、輻射單元2、金屬地板、 微帶饋線4以及兩個交指電容加載諧振環6和7，該輻射單元2、微帶饋線4以及兩個交指電容加載諧振環6和7均印製在介質基板I的上表面，輻射單元2採用圓形貼片，該輻射單元2與微帶饋線4的上部相連。微帶饋線4由一段特性阻抗為50歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，R的取值為60-90歐姆，通過調節R 的大小，可以優化工作頻段內天線的阻抗匹配特性，本實施例中R的取值為75歐姆，輻射單元2和微帶饋線4位於介質基板I中軸線的左側，與介質基板I中軸線之間的距離為2_。金屬地板由矩形3加倒L形5組合而成，印製在介質基板I的下表面，其中矩形3 位於介質基板I下表面的下部，在矩形3的頂邊邊緣處連接倒L形5，該倒L形5位於介質基板I中軸線的右側，其尺寸可根據天線所需的最低工作頻率進行調節，本實施例中天線的最低工作頻率為3GHz，倒L形5的尺寸為水平枝節的長度為5mm，寬度為O. 5mm，垂直枝節的長度為13. 5mm,寬度為1mm。所述交指電容加載諧振環6和7為矩形形狀，兩環的尺寸不同，分別印製於微帶饋線4的兩側，且與微帶饋線4之間設有間隙t，兩環通過與微帶饋線4的耦合，實現雙陷波特性，根據陷波頻段帶寬的要求，可以確定t的取值。交指電容加載諧振環6和7均由開口諧振環部分8與交指部分9組成，其中開口諧振環部分8開口向上，交指部分9由數對交紙條交叉構成，交紙條的指尖處為開路，交紙條的末端連接在開口環的開口處，交紙條之間相互平行。
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本實施例中的超寬帶天線，交指電容加載諧振環6和7分別形成了頻段位於
5.15-5. 4GHz和5. 725-5. 94GHz的兩個陷波，兩環距離微帶饋線4的距離t為O. 5_，兩環尺寸如下交指電容加載諧振環6的開口諧振環部分8長度為5. 9mm,寬度為4mm，環寬為
0.6mm,交指部分9的交指數目為2,交指長度為I. 8mm ;交指電容加載諧振環7的開口諧振環部分8長度為4. 3mm,寬度為4mm,環寬為O. 6mm,交指部分9的交指數目為2,交指長度為
1.6mm。本實施例中的介質基板I的相對介電常數為2. 65,基板厚度為Imm,介電損耗為 O.0015。實施例2 參見圖3，本實施例中超寬帶天線的輻射單元2為橢圓形貼片，其餘結構與實施例 I中的超寬帶天線一樣，各結構之間的關係也與實施例I中的超寬帶天線一樣。本實施例中微帶饋線4由一段特性阻抗為50歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，R為75歐姆，輻射單元2和微帶饋線4位於介質基板I中軸線的左側，與介質基板I中軸線之間的距離為2mm。本實施例中倒L形5位於介質基板I中軸線的右側，天線的最低工作頻率為
3.16GHz,倒L形5的尺寸為水平枝節的長度為2mm，寬度為O. 3mm,垂直枝節的長度為 13. 5謹，寬度為O. 3謹。本實施例中交指電容加載諧振環6和7分別形成了頻段位於3. 5-4. 9GHz和 7. 5-8. 4GHz的陷波，兩環距離微帶饋線4的距離t為O. 2mm，兩環的尺寸如下交指電容加載諧振環6的開口諧振環部分8長度為7mm，寬度為7mm，環寬為2mm，交指部分9的交指數目為4，交指長度為5mm ;交指電容加載諧振環7的開口諧振環部分8長度為3mm，寬度為 3mm,環寬為O. 2mm,交指部分9的交指數目為2,交指長度為1mm。本實施例中的介質基板I的相對介電常數為2. 65,基板厚度為Imm,介電損耗為 O.0015。實施例3 參見圖4，本實施例中超寬帶天線的輻射單元2為矩形貼片，輻射單元2和微帶饋線4位於介質基板I中軸線的右側，與介質基板I中軸線之間的距離為2_，倒L形5位於介質基板I中軸線的左側，其餘結構與實施例I中的超寬帶天線一樣，各結構之間的關係也與實施例I中的超寬帶天線一樣，本實施例中微帶饋線4由一段特性阻抗為50歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，R為75歐姆。本實施例中天線的最低工作頻率為2. 93GHz，倒L形5的尺寸為水平枝節的長度為6mm,寬度為2mm,垂直枝節的長度為13. 5mm,寬度為2mm。本實施例中交指電容加載諧振環6和7分別形成了頻段位於3. 2-3. 27GHz和
7.31-7. 4GHz的陷波，兩環距離微帶饋線4的距離t為1mm，兩環的尺寸如下交指電容加載諧振環6的開口諧振環部分8長度為7mm，寬度為7mm，環寬為2mm，交指部分9的交指數目為4，交指長度為5mm，；交指電容加載諧振環7的開口諧振環部分8長度為3mm，寬度為 3mm,環寬為O. 2mm,交指部分9的交指數目為2,交指長度為1mm。本實施例中的介質基板I的相對介電常數為2. 65,基板厚度為Imm,介電損耗為 O.0015。
本發明的效果可通過以下測試圖進一步說明對本發明實施例I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，本發明的超寬帶天線工作頻段覆蓋3. 1-10. 6GHz，且形成了頻段位於5. 1-5. 36GHz 和5. 72-5. 85GHz的兩個陷波。對本發明實施例I在4GHz，6GHz和9GHz的輻射方向圖分別進行測試，其結果如圖
6、圖7、圖8所示，由圖6、圖7、圖8的測試輻射方向圖可見，本發明的超寬帶天線具有水平全向性。對本發明實施例I的增益進行測試，其結果如圖9所示，由圖9的測試增益曲線圖可見，本發明的超寬帶天線的增益在工作頻段內基本處於2-6dBi之間在陷波頻段的中心頻率處增益顯著下降，比工作頻段內的增益約低IOdB以上，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
1.一種具有陷波特性的小型超寬帶天線，包括介質基板(I)、輻射單元(2)、金屬地板和微帶饋線(4),其特徵在於所述輻射單元(2)與微帶饋線(4)的上部相連，該微帶饋線(4)由一段特性阻抗為50 歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變到R歐姆的漸變微帶線組成，R的取值為 60-90歐姆；所述微帶饋線(4)的兩側分別印製有兩個不同尺寸的交指電容加載諧振環(6)和(7)， 交指電容加載諧振環與微帶饋線⑷之間設有間隙t, t的取值為O.交指電容加載諧振環(6)和(7)通過與微帶饋線⑷的耦合，實現雙陷波特性；所述輻射單元(2)、微帶饋線⑷以及兩個交指電容加載諧振環(6)和(7)，均印製在介質基板(I)的上表面；所述金屬地板，由矩形⑶加倒L形(5)組合而成，印製在介質基板⑴的下表面，其中矩形(3)位於介質基板(I)下表面的下部，在矩形(3)的頂邊邊緣處連接倒L形(5)，該倒L形(5)與微帶饋線(4)分別位於介質基板(I)中軸線的兩側。
2.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於交指電容加載諧振環(6)和(7)為矩形形狀，由開口諧振環部分⑶與交指部分(9)組成，其中開口諧振環部分⑶開口向上。
3.根據權利要求2所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於交指部分(9) 由數對交指條交叉構成，交指條的指尖處為開路，末端連接在開口環的開口處，且各交指條之間相互平行。
4.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於輻射單元(2) 為圓形或橢圓形或矩形貼片。
5.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於輻射單元(2) 和微帶饋線(4)位於介質基板(I)中軸線的左側或右側，與介質基板(I)中軸線之間的距離為 lmm-5mm。
6.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於倒L形(5)位於介質基板(I)中軸線的右側或左側，該倒L形(5)的水平枝節的長度為寬度為O.3mm-2mm ;垂直枝節的長度不小於12mm,寬度為O. 3mm-2mm。
7.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於開口諧振環部分⑶的長度為寬度為環寬為O. 2mm-2mm。
8.根據權利要求I所述的具有陷波特性的小型超寬帶天線，其特徵在於交指部分(9) 的交指數目為2-4對，交指長度為lmm-5mm。
全文摘要
本發明公開了一種具有陷波特性的小型超寬帶天線。它由介質基板(1)和位於介質基板(1)上下表面的金屬鍍層組成，該介質基板(1)的上表面設有輻射單元(2)、微帶饋線(4)以及交指電容加載諧振環(6)和(7)；微帶饋線(4)由一段特性阻抗為50歐姆的微帶線和一段特性阻抗從50歐姆線性漸變的微帶線組成；兩個不同尺寸的交指電容加載諧振環(6)和(7)印製在微帶饋線兩側，用以形成陷波頻段；該金屬地板由矩形(3)和倒L形(5)組成，印製在介質基板(1)的下表面。本發明的工作頻段覆蓋3.1-10.6GHz，通過調節相關參數，能按照需求濾除多個窄帶頻段的幹擾信號，保留有用頻段，具有頻帶寬、阻帶窄、小型化、抗幹擾能力強的優點。
文檔編號H01Q1/38GK102610916SQ20121005094
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者李桂紅, 李桐, 李龍, 梁昌洪, 翟會清 申請人:西安電子科技大學