專利名稱：具有四陷波特性的超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有四陷波特性的超寬帶天線，應用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超寬帶UWB技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)，具有傳輸速率高、功耗低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等特點，因而成為近年來無線通信的研究熱點之一。作為超寬帶通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 超寬帶天線的特性將直接影響系統(tǒng)的傳輸性能，對其的研究設計具有重要意義。2002年美國聯(lián)邦通信委員會FCC批準將3. 1-10. 6GHz作為超寬帶系統(tǒng)的工作頻段，然而這個頻段內(nèi)可能存在有一些無線通信系統(tǒng)的窄帶干擾信號，比如頻段位于3. 3-3. 6GHz的全球微波互聯(lián)接入WiMax和頻段位于2. 4GHz附近、5. 15-5. 35GHz,5. 725-5. 825GHz的無線局域網(wǎng)WLAN 等。因此，超寬帶天線必須在這些頻段產(chǎn)生陷波，以避免可能存在的干擾問題。為了抑制超寬帶系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)之間的潛在干擾，通常需要在超寬帶系統(tǒng)內(nèi)引入帶阻濾波器，但這無疑將增大系統(tǒng)的體積、復雜度以及成本。另一種簡單有效的方法是在超寬帶天線中引入陷波結(jié)構(gòu)，使天線在干擾頻段內(nèi)產(chǎn)生較大的反射，抑制干擾頻段信號的傳輸。陷波結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中引入寄生枝節(jié)等。例如專利申請?zhí)枮?01020271241. 7， 專利名稱為《一種具有濾除干擾信號功能的超寬帶天線》的中國專利，提出了一種具有單個陷波特性的超寬帶天線，天線的輻射單元為一微帶饋電的扇形單極子，由此單極子產(chǎn)生超寬帶特性，天線覆蓋頻段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(fā)明僅僅濾除了 WLAN —個頻段信號的干擾。又如專利申請?zhí)枮?01020531935. X，專利名稱為《帶有陷波特性的超寬帶天線》的中國專利， 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(gòu)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(fā)明中陷波頻段帶寬過寬，遠超出了干擾信號的頻段范圍，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 Zhang, Wei Hong, Chen Yu, Zhen-Qi Kuai，Yu-Dan Don,and Jian-Yi Zhou,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56，NO. 9，SEPTEMBER 2008〃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(cè)加載3對不同尺寸的開環(huán)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，但在陷波頻段內(nèi)駐波比普遍偏小，濾波性能偏差，同時開環(huán)諧振器的雙環(huán)結(jié)構(gòu)復雜，不便于設計和調(diào)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對上述已有技術(shù)存在的不足，提供一種頻帶寬，增益大，小型化，易加工的具有四陷波特性的超寬帶天線，以在2-12GHZ頻段內(nèi)使駐波比均小于2，覆蓋超寬帶工作頻段，并且能夠濾除WiMax和WLAN頻段的干擾信號，實現(xiàn)高質(zhì)量的超寬帶無線上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)具有四陷波特性的超寬帶天線，包括介質(zhì)基板、輻射單元、共面波導接地面和共面波導饋電微帶線，輻射單元、共面波導接地面和共面波導饋電微帶線均印制在介質(zhì)基板的正表面上，呈軸對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述輻射單元與共面波導饋電微帶線的上部相連，其上刻蝕有兩個互補開口諧振環(huán)，兩環(huán)開口同向，相互嵌套，圓心重合，形成了頻段位于2. 32-2. 7GHz和3. 35-3. 78GHz的兩個陷波；所述共面波導接地面設為兩個，分別位于共面波導饋電微帶線的兩側(cè)，且與共面波導饋電微帶線之間設有間隙t，t的取值為0. Imm-Imm ；該共面波導接地面上刻蝕有兩對倒L型縫隙，縫隙朝向相同，形成了頻段位于5. 02-5. 45GHz和5. 7-6. 22GHz的兩個陷波。所述輻射單元為圓形或橢圓形或矩形貼片。所述輻射單元上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)，采用開口的圓形或橢圓形或矩形， 開口寬度取值為0. 2mm-4mm。所述互補開口諧振環(huán)的半徑取值為3mm-9mm，環(huán)寬取值為0. lmm-2mm。所述互補開口諧振環(huán)的半徑取值為2mm-8mm，環(huán)寬取值為0. lmm-2mm。所述兩個共面波導接地面靠近輻射單元的一側(cè)為圓弧形角，遠離輻射單元的一側(cè)切去三角形角，被切去三角形的兩直角邊取值為4mm-7mm。所述倒L型縫隙的水平枝節(jié)長度取值為3mm-12mm，寬度取值為0. lmm-2mm,垂直枝節(jié)長度取值為3mm-18mm，寬度取值為0. lmm-2mm。所述倒L型縫隙的水平枝節(jié)長度取值為3mm-12mm，寬度取值為0. lmm-2mm,垂直枝節(jié)長度取值為3mm-18mm，寬度取值為0. lmm-2mm。所述介質(zhì)基板的介電常數(shù)介于2-9. 8之間，介質(zhì)基板厚度為0. 5mm-3mm，介電損耗
小于10_2。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明由于在輻射單元上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)圓心重合，相互嵌套，減小了天線所需的輻射單元的面積。2、本發(fā)明由于在共面波導接地面上刻蝕的兩個倒L型縫隙朝向相同，相互嵌套， 減小了天線所需的地板的面積。3、本發(fā)明由于采用共面波導饋電結(jié)構(gòu)，且兩個共面波導接地面靠近輻射單元的一側(cè)為圓弧形角，遠離輻射單元的一側(cè)切去三角形角，從而改善了工作頻段內(nèi)的高頻阻抗匹配特性。4、本發(fā)明由于采用共面波導饋電結(jié)構(gòu)，地板與輻射單元印制在介質(zhì)基板的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)簡單，便于與射頻前端的微波電路集成。5、本發(fā)明由于通過在輻射單元上刻蝕互補開口諧振環(huán)以及在地板上刻蝕倒L型縫隙形成了四個陷波頻段，有效的濾除了超寬帶頻段范圍內(nèi)的窄帶干擾信號，濾波效果較好。
6、本發(fā)明采用互補開口諧振環(huán)和倒L型縫隙結(jié)構(gòu)，代替了濾波器的設計，降低了設計成本和系統(tǒng)復雜性，使得天線結(jié)構(gòu)簡單，緊湊小巧，加工方便，成本低廉，便于生產(chǎn)。7、本發(fā)明能根據(jù)實際需求自行改進，通過調(diào)節(jié)輻射單元、互補開口諧振環(huán)及倒L 型縫隙的尺寸，來改變天線性能，濾除頻帶內(nèi)各種干擾信號，具有陷波可調(diào)性能，滿足不同的應用情況，改進方法簡單易行。


圖1為本發(fā)明實施例1的正視圖；圖2為本發(fā)明實施例1的側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明實施例2的正視圖；圖4為本發(fā)明實施例3的正視圖；圖5為本發(fā)明實施例1的仿真與測試駐波曲線圖；圖6為本發(fā)明實施例1在2GHz的測試輻射方向圖；
圖7為本發(fā)明實施例1在5GHz的測試輻射方向圖；圖8為本發(fā)明實施例1在7GHz的測試輻射方向圖；圖9為本發(fā)明實施例1的測試增益曲線圖。具體實施方法下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明做進一步描述實施例1 參見圖1和圖2，本發(fā)明的超寬帶天線，包括介質(zhì)基板1、輻射單元2、共面波導接地面3和共面波導饋電微帶線4，該輻射單元2、共面波導接地面3和共面波導饋電微帶線4 均印制在介質(zhì)基板1的正表面上。輻射單元2為圓形貼片，與共面波導饋電微帶線4的上部相連，該輻射單元2上刻蝕有兩個互補開口諧振環(huán)5和6，兩環(huán)采用開口的圓形形狀，開口向上，圓心重合，相互嵌套，環(huán)的長度為對應諧振頻率波長的1/2，即/ =c/2(/ _^)，其中
In為互補開口諧振環(huán)的環(huán)長，c為光速，fn為陷波中心頻率，^eff為等效介電常數(shù)。根據(jù)上述公式，可計算出兩個互補開口諧振環(huán)5和6的環(huán)長，進而確定出兩環(huán)的半徑與環(huán)寬?；パa開口諧振環(huán)的開口寬度對陷波特性的影響不太大，可在0. 2mm-3mm之間任意設定，前提是保證環(huán)的總長基本保持不變。為了得到更精確的尺寸，可以借助電磁仿真軟件HFSS進行優(yōu)化調(diào)試。本實例中的超寬帶天線，互補開口諧振環(huán)5和6分別形成了頻段位于2. 32-2. 7GHz 和3. 35-3. 78GHz的兩個陷波，陷波的中心頻率fn分別為2. 4GHz和3. 5GHz，兩環(huán)尺寸如下 互補開口諧振環(huán)5的半徑為7. 6mm，環(huán)寬為0. 2mm，環(huán)開口處寬度為0. 2mm ；互補開口諧振環(huán) 6的半徑為5. 5mm,環(huán)寬為0. 9mm,環(huán)開口處寬度為0. 2mm。通過調(diào)節(jié)互補開口諧振環(huán)的尺寸， 可以改變陷波的頻段，例如互補開口諧振環(huán)5的半徑為8mm，環(huán)寬為0. 3mm,環(huán)開口處寬度為 Imm時，該環(huán)產(chǎn)生的陷波頻段位于2-3GHz ；互補開口諧振環(huán)6的半徑為6mm，環(huán)寬為0. 3mm, 環(huán)開口處寬度為Imm時，該環(huán)產(chǎn)生的陷波頻段位于3. 1-3. 9GHz。共面波導接地面3設為兩個，分別位于共面波導饋電微帶線4的兩側(cè)，且與共面波導饋電微帶線4之間設有間隙t，t的取值為0. lmm-lmm，通過調(diào)節(jié)t的大小，可以優(yōu)化工作頻段內(nèi)天線的阻抗匹配特性，本實例中t的取值為0. 2mm。兩個共面波導接地面3靠近輻射單元2的一側(cè)為圓弧形角，遠離輻射單元2的一側(cè)切去三角形角，通過調(diào)節(jié)弧形與三角形的尺寸，改善工作頻段內(nèi)高頻的阻抗匹配特性。本實例中弧形半徑為0. 5mm，被切去三角形的兩直角邊為6mm。該共面波導接地面3上刻蝕有兩對倒L型縫隙7和8，這兩個縫隙相
互嵌套，朝向相同，且長度為對應諧振頻率波長的1/4，即/ =C/4(/ 7%)，其中In為倒L型
縫隙的總長，c為光速，fn為陷波中心頻率，ε rff為等效介電常數(shù)。根據(jù)該公式，可計算出兩對倒L型縫隙7和8的長度。為了得到更精確的尺寸，可以借助電磁仿真軟件HFSS進行優(yōu)化調(diào)試。本實例中的超寬帶天線，倒L型縫隙7和8分別形成了頻段位于5. 02-5. 45GHz 和5. 7-6. 22GHz的兩個陷波，陷波的中心頻率fn分別為5. 2GHz和5. 8GHz，縫隙尺寸如下 倒L型縫隙7的水平枝節(jié)的長度為4. 9mm,寬度為0. 5mm,垂直枝節(jié)的長度為13. 5mm,寬度為0. 25mm ；倒L型縫隙8的水平枝節(jié)的長度為14. 7mm,寬度為0. 5mm,垂直枝節(jié)的長度為 6. 8mm,寬度為0. 25mm。通過調(diào)節(jié)倒L型縫隙的尺寸，可以改變陷波的頻段，例如倒L型縫隙 7的水平枝節(jié)的長度為5. Imm,寬度為0. 5mm,垂直枝節(jié)的長度為13. 8mm,寬度為0. 25mm時， 產(chǎn)生的陷波頻段位于4. 9-5. 35GHz ；倒L型縫隙8的水平枝節(jié)的長度為15mm，寬度為0. 5mm, 垂直枝節(jié)的長度為7mm，寬度為0. 25mm時，產(chǎn)生的陷波頻段位于5. 55-5. 9GHz。所述輻射單元2、共面波導接地面3、共面波導饋電微帶線4以及所刻蝕的互補開口諧振環(huán)5和6、倒L型縫隙7和8均關(guān)于介質(zhì)基板1的中軸線呈軸對稱結(jié)構(gòu)。所述介質(zhì)基板1的介電常數(shù)為2. 65，基板厚度為1mm，介電損耗為0. 0015。所述輻射單元2上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)5和6，不限于圓形結(jié)構(gòu)，也可采用開口的橢圓形或矩形或曲線形狀。實施例2 參見圖3，本實施例中超寬帶天線的輻射單元2為矩形貼片，該輻射單元2上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)5和6采用開口的矩形形狀，其余結(jié)構(gòu)與實施例1中的超寬帶天線一樣，各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系也與實施例1中的超寬帶天線一樣。所述輻射單元2上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)5和6，不限于矩形結(jié)構(gòu)，也可采用開口的圓形或橢圓形或曲線形狀。實施例3 參見圖4，本實施例中超寬帶天線的輻射單元2為橢圓形貼片，該輻射單元2上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)5和6采用開口的橢圓形形狀，其余結(jié)構(gòu)與實施例1中的超寬帶天線一樣，各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系也與實施例1中的超寬帶天線一樣。所述輻射單元2上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)5和6，不限于橢圓形結(jié)構(gòu)，也可采用開口的圓形或矩形或曲線形狀。本發(fā)明的效果可通過以下測試圖進一步說明對本發(fā)明實施例1的駐波比進行測試，其結(jié)果如圖5所示，由圖5的測試駐波曲線圖可見，本發(fā)明的超寬帶天線工作頻段覆蓋2-12GHZ，且形成了四個陷波，陷波頻段分別覆蓋了 2. 3-2. 5GHz，3. 3-3. 6GHz，5. 15-5. 35GHz 和 5. 725-5. 825GHz。對本發(fā)明實施例1在2GHz，5GHz和7GHz的輻射方向圖分別進行測試，其結(jié)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(fā)明的超寬帶天線具有水平全向性。對本發(fā)明實施例1的增益進行測試，其結(jié)果如圖9所示，由圖9的測試增益曲線圖可見，本發(fā)明的超寬帶天線的增益在工作頻段內(nèi)基本處于2-6dBi之間，在陷波頻段的中心頻率處增益顯著下降，天線在陷波頻段處幾乎不工作，達到了抑制干擾的效果。
權(quán)利要求
1.一種具有四陷波特性的超寬帶天線，包括介質(zhì)基板(1)、輻射單元O)、共面波導接地面C3)和共面波導饋電微帶線G)，該輻射單元O)、共面波導接地面C3)和共面波導饋電微帶線(4)均印制在介質(zhì)基板(1)的正表面上，呈軸對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述輻射單元O)與共面波導饋電微帶線的上部相連，該輻射單元上刻蝕有兩個互補開口諧振環(huán)( 和⑴)，兩環(huán)開口同向，相互嵌套，圓心重合，形成了頻段覆蓋 2. 3-2. 5GHz 和 3. 3-3. 6GHz 的兩個陷波；所述共面波導接地面C3)設為兩個，分別位于共面波導饋電微帶線的兩側(cè)，且與共面波導饋電微帶線(4)之間設有間隙t，t的取值為0. lmm-lmm，該共面波導接地面(3) 上刻蝕有兩對倒L型縫隙(7)和(8)，縫隙朝向相同，形成了頻段覆蓋5. 15-5. 35GHz和 5. 725-5. 825GHz的兩個陷波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于輻射單元(2) 為圓形或橢圓形或矩形貼片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于輻射單元(2) 上刻蝕的兩個互補開口諧振環(huán)(5)和(6)，采用開口的圓形或橢圓形或矩形或曲線形狀，開口寬度的取值為0. 2mm-3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于互補開口諧振環(huán)(5)的半徑取值為3mm-9mm，環(huán)寬取值為0. lmm-2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于互補開口諧振環(huán)(6)的半徑取值為2mm-8mm，環(huán)寬取值為0. lmm-2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于兩個共面波導接地面(3)靠近輻射單元O)的一側(cè)為圓弧形角，遠離輻射單元O)的一側(cè)切去三角形角， 被切去三角形的兩直角邊取值為4mm-7mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于倒L型縫隙(7)的水平枝節(jié)的長度取值為3mm-12mm，寬度取值為0.lmm-2mm，垂直枝節(jié)的長度取值為 3mm-18mm,寬度取值為 0. lmm-2mm0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于倒L型縫隙(8)的水平枝節(jié)的長度取值為3mm-12mm，寬度取值為0.lmm-2mm，垂直枝節(jié)的長度取值為 3mm-18mm,寬度取值為 0. lmm-2mm0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有四陷波特性的超寬帶天線，其特征在于介質(zhì)基板(1) 的介電常數(shù)介于2-9. 8之間，介質(zhì)基板厚度為0. 5mm-3mm，介電損耗小于10_2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有四陷波特性的超寬帶天線。該天線包括介質(zhì)基板(1)、輻射單元(2)、共面波導接地面(3)和共面波導饋電微帶線(4)；輻射單元(2)、共面波導接地面(3)和共面波導饋電微帶線(4)均印制在介質(zhì)基板(1)的正表面上；輻射單元(2)上刻蝕有兩個互補開口諧振環(huán)(5)和(6)；共面波導接地面(3)設為兩個，分別位于共面波導饋電微帶線(4)兩側(cè)，該共面波導接地面(3)上刻蝕有兩對倒L型縫隙(7)和(8)；所述開口諧振環(huán)(5)、(6)和倒L型縫隙(7)、(8)形成四個陷波頻段。本發(fā)明的工作頻段覆蓋2-12GHz，能很好的抑制超寬帶工作頻段內(nèi)的干擾信號，可用于超寬帶無線通信。
文檔編號H01Q1/48GK102570023SQ20121005057
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)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