專利名稱：一種矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及無線通信用的天線技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種小型平面具有陷波功能的超寬帶天線。
背景技術(shù)：
由于無線電通信設(shè)備和電子信息設(shè)備朝著多功能、小型化方向發(fā)展，超寬帶(Ultra-wide Band, UffB)通信技術(shù)得到越來越多的研究和應(yīng)用。超寬帶無線通信技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性高、多徑分辨能力強等優(yōu)點。自從2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將3. 1-10. 6GHz頻段劃歸超寬帶(UWB)的民用頻段，UffB無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用便成為了無線通信領(lǐng)域激烈競爭的焦點。UWB尤其適合于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應(yīng)用中。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線是超寬帶無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之 一，又是電子信息戰(zhàn)中電子對抗設(shè)備的關(guān)鍵部件，還在沖激雷達等時域系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。隨著高速電子集成電路的快速發(fā)展，為適應(yīng)小型集成化的需求，超寬帶天線的設(shè)計也成為了科學(xué)界和工程界的熱門研究課題，超寬帶平面天線的研究與應(yīng)用日益引人矚目。但是在UWB頻段內(nèi)(3. I 10. 6GHz)存在其他無線窄帶通信系統(tǒng)，比如
3.3-3. 6GHz的WiMAX和5. 15-5. 825GHz的WLAN等，它們和超寬帶系統(tǒng)會形成相互干擾。為了減小UWB系統(tǒng)與其他無線通信系統(tǒng)的相互干擾，具有陷波功能的超寬帶天線也被廣泛研究，用來抑制超寬帶系統(tǒng)和窄帶系統(tǒng)之間潛在的干擾。近年來已經(jīng)有許多具有陷波功能的超寬帶天線相繼被提出，其中大量的陷波結(jié)構(gòu)都是通過在天線上開槽實現(xiàn)的。對于微帶類超寬帶天線，還可以通過在地板開槽或者饋線處加載諧振器來實現(xiàn)陷波功能，對于共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線，大部分陷波都是通過在輻射體上開槽實現(xiàn)。傳統(tǒng)的陷波超寬帶天線主要有開槽、加諧振器以及同時開槽和加諧振器的方法來實現(xiàn)天線的陷波?？梢栽谔炀€的輻射體或者地板上添加各種形狀的槽線，如倒U形結(jié)構(gòu)、在圓形單極天線上開兩條縫隙、在平面天線結(jié)構(gòu)中引入C形寄生元件等等?；蛘咴陴伨€附近增加金屬諧振器，添加SIR或者SRR諧振器結(jié)構(gòu)是比較常用的方法。比較新型的陷波超寬帶天線使用帶阻濾波器結(jié)合天線單元來實現(xiàn)，例如使用U形超寬帶天線，在U形天線切割區(qū)域內(nèi)添加各種形狀的帶線或者加載枝節(jié)來實現(xiàn)陷波。但是，這些方法只能形成一個或者多個陷波頻率或者陷波帶寬較窄，不能徹底抑制WLAN窄帶系統(tǒng)對超寬帶系統(tǒng)的干擾。并且由于阻帶帶寬不足，濾波效果較差，同時很多有用的頻率也被浪費掉，而且這些結(jié)構(gòu)的文獻中很少有提及陷波結(jié)構(gòu)對陷波帶寬的影響。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線。很多的研究表明，陷波特性可以通過在天線輻射體上加載槽技術(shù)來實現(xiàn)。槽在諧振頻率上的點長度等于半波長。把槽的長度調(diào)節(jié)到諧振頻率半波長的長度，就可以得到該頻率的帶阻特性。當(dāng)槽是開路的時候，它的長度則只需要四分之一波長。在陷波頻率時，電流主要集中在槽的邊緣附近，從而導(dǎo)致在該頻率上產(chǎn)生駐波，在天線饋線段產(chǎn)生阻抗失配。為了實現(xiàn)超寬帶天線的陷波阻帶具有良好的選擇性，多諧振槽被加載在天線輻射體或者饋線微帶上。通過調(diào)節(jié)槽之間的耦合強度，則可以對陷波阻帶進行可控調(diào)節(jié)。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、濾波效果好、通帶匹配特性良好、阻帶矩形度良好、阻帶中心頻率和阻帶帶寬可控等優(yōu)點。為了達到上述目的，本實用新型通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，其特征在于包括基板，設(shè)置在基板正面上的是共面波導(dǎo)饋電的微帶天線，包括地板一和地板二、天線福射體、天線饋線以及縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四。天線饋線設(shè)置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二對稱設(shè)置在天線饋線兩側(cè)，地板一和地板二的頂端形成三角切片；沿中軸線對稱分布的天線輻射體緊貼設(shè)置在地板一和地板二的頂端，天線輻射體的頂端呈圓弧形漸變結(jié)構(gòu)；縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四設(shè)置在天線輻射體的頂端之上且與天線輻射體的頂端之間有間距；每個縫隙槽的總長度由以下公式確定·
,陷波％槽
S +1Seff其中，Srff是有效介電常數(shù)，L是基板的介電常數(shù)，1^是縫隙槽的長度，f_是所需陷波的頻率；所述縫隙槽一與縫隙二之間、縫隙三與縫隙四之間有耦合間距；所述縫隙一與縫隙三之間、縫隙二和縫隙四之間有耦合間距。在上述方案中，四個縫隙槽是用來實現(xiàn)WLAN無線局域網(wǎng)范圍內(nèi)的陷波阻帶，上述方案可利用四個縫隙槽的耦合位置關(guān)系，有效地調(diào)節(jié)陷波阻帶的帶寬和矩形度。同時，縫隙槽的長度是一個重要的參數(shù)，縫隙槽的長度都對應(yīng)于其諧振頻率波長的1/2。更具體地說，所述縫隙槽一由枝節(jié)一和枝節(jié)二相互垂直組成；所述縫隙槽三依次由枝節(jié)三、枝節(jié)四、枝節(jié)五和枝節(jié)六垂直連接組成，其中枝節(jié)三和枝節(jié)五與縫隙槽一的枝節(jié)二相互平行，枝節(jié)四和枝節(jié)六與縫隙槽一的枝節(jié)一相互平行。所述縫隙槽二和縫隙槽四與縫隙槽一和縫隙槽三關(guān)于基板正面的縱中軸線的鏡像對稱。為了更好地實現(xiàn)本實用新型，所述基板的正面為金屬材料介質(zhì)層。本實用新型陷波天線的工作原理是這樣的縫隙槽二和縫隙槽四與縫隙槽一和縫隙槽三關(guān)于基板正面的縱中軸線的鏡像對稱，根據(jù)濾波器理論，相當(dāng)于嵌入了兩組帶阻濾波器。調(diào)節(jié)四個縫隙槽之間的位置就能控制縫隙槽之間的耦合，從而控制陷波阻帶的帶寬。同時由于多個縫隙槽之間的位置耦合，相當(dāng)于增加了多階諧振器，可以讓陷波阻帶的矩形度效果變好。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點與有益效果I、陷波的阻帶帶寬可控。通過改變縫隙槽一和縫隙槽二之間耦合以及縫隙槽三和縫隙槽四之間耦合距離，可以改變陷波阻帶的帶寬，從而達到控制陷波阻帶的效果。2、陷波的阻帶矩形度良好。通過控制縫隙槽一和縫隙槽三之間耦合以及縫隙槽二和縫隙槽四之間耦合距離，可以改變阻帶陷波的矩形度；經(jīng)過優(yōu)化處理之后，可以得到矩形度良好的陷波阻帶。3、通帶匹配特性良好。天線輻射體采用圓弧型漸變結(jié)構(gòu)，使得天線能從一個頻率諧振模式平緩的過渡到另外一個頻率諧振模式，確保了天線在較寬的頻率范圍內(nèi)可以得到很好的阻抗匹配效果。同時地板上的三角切片，用來得到最佳的天線輸入阻抗匹配。 4、本實用新型專利中的超寬帶陷波天線采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，整體尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高。
圖1(a)是本實用新型矩形度良好和阻帶帶寬可控超寬帶陷波天線的結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖；圖1(b)是本實用新型矩形度良好和阻帶帶寬可控超寬帶陷波天線的結(jié)構(gòu)正面示意圖；圖2是本實用新型矩形度良好和阻帶帶寬可控超寬帶陷波天線的回波損耗響應(yīng)曲線示意圖；圖3是本實用新型矩形度良好和阻帶帶寬可控超寬帶陷波天線的增益響應(yīng)曲線示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的描述。實施例本實施例以實現(xiàn)超寬帶天線的陷波阻帶范圍為5. 15GHz 5. 825GHz為例進行說明。本實用新型矩形度良好和阻帶帶寬可控超寬帶陷波天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)和圖I (b)所示,包括高度為30mm,寬度為30mm,厚度為0. 8mm,介電常數(shù)為4. 4的基板11,還包括設(shè)置在基板11正面12上的天線饋線15、在天線饋線15兩側(cè)對稱的地板一 14a和地板二 14b、天線輻射體112 (112a和112b為半徑是18mm的天線輻射體的圓弧型漸變結(jié)構(gòu))以及縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四。其中，基板11正面12為金屬材料介質(zhì)層，13為基板11的背面。天線饋線15設(shè)置在基板11正面12的底端中部；相同的地板一 14a和地板二 14b對稱設(shè)置在天線饋線15兩側(cè)；天線輻射體112緊貼設(shè)置在地板一 14a和地板二 14b的頂端；縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四設(shè)置在天線輻射體112的頂端之上且與天線輻射體112的頂端之間有間距?？p隙槽一由枝節(jié)一 161和枝節(jié)二 162垂直組成；縫隙槽三依次由枝節(jié)三181、枝節(jié)四182、枝節(jié)五183和枝節(jié)六184垂直連接組成，其中枝節(jié)三181和枝節(jié)五183與縫隙槽一的枝節(jié)二 162相互平行，枝節(jié)四182和枝節(jié)六184與縫隙槽一的枝節(jié)一 161相互平行。如圖I所示，縫隙槽二和縫隙槽四與縫隙槽一和縫隙槽三關(guān)于基板正面的縱中軸線的鏡像對稱?？p隙槽二由枝節(jié)七171和枝節(jié)八172組成，縫隙槽四由枝節(jié)九191、枝節(jié)十192、枝節(jié)十一 193和枝節(jié)十二 194組成。本實用新型中，縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四，是用來實現(xiàn)WLAN無線局域網(wǎng)范圍內(nèi)的陷波阻帶。圖I中，地板一 14a和地板二 14b的頂端形成三角切片，I IOa和Illa是地板14a的三角切片，IlOb和Illb是地板14b的三角切片，該設(shè)計可得到最佳的天線輸入阻抗匹配。天線饋線15能有效地傳送天線接收的信號，其畸變小、損耗小、抗干擾能力強，確保天線與接收信號輸入端之間有良好的阻抗匹配。本實用新型利用四個縫隙槽的耦合位置關(guān)系，可以調(diào)節(jié)陷波阻帶的帶寬和矩形度，每個縫隙槽的長度都對應(yīng)于其諧振頻率波長的1/2。本實用新型的工作原理是這樣的縫隙槽二和縫隙槽四與縫隙槽一和縫隙槽三關(guān)于基板正面的縱中軸線的鏡像對稱，根據(jù)濾波器理論，相當(dāng)于嵌入了兩組帶阻濾波器。調(diào)節(jié)四個縫隙槽之間的位置就能控制槽線之間的耦合，從而控制陷波阻帶的帶寬。同時由于多個槽之間的位置耦合，相當(dāng)于增加了多階諧振器，可以讓陷波阻帶的矩形度效果變好。在本實施例中，每個縫隙槽的總長度由公式由下式確定
f -^^
陷波—I~
ZLm^4seff⑴其中Sr(2)e eff是有效介電常數(shù)，e r是基板的介電常數(shù)，La是縫隙槽的長度，f p■是陷波的頻率。利用HFSS仿真軟件優(yōu)化校正之后，縫隙槽一和縫隙槽二的長度為16. 7mm，縫隙槽三和縫隙槽四的長度是17. 3_。調(diào)節(jié)縫隙槽一的枝節(jié)一 161和縫隙槽二的枝節(jié)七171的間距，可以調(diào)節(jié)耦合的大小。當(dāng)陷波阻帶較寬時，則是因為耦合較強，可以調(diào)節(jié)枝節(jié)一 161和枝節(jié)七171的間距變大來減小耦合，從而控制陷波阻帶的帶寬。同理，調(diào)節(jié)縫隙槽三的枝節(jié)六184和縫隙槽四的枝節(jié)十二 194，也可以達到同樣的效果來控制陷波阻帶的帶寬。調(diào)節(jié)縫隙槽一的枝節(jié)二 162和縫隙槽三的枝節(jié)三181之間的間距，也可以調(diào)節(jié)耦合的大小，用來控制陷波阻帶的矩形度，利用仿真軟件HFSS可以優(yōu)化得到枝節(jié)二 162和枝節(jié)三181之間的合理間距，從而獲得良好的陷波阻帶矩形度。同理，調(diào)節(jié)縫隙槽二的枝節(jié)八172和縫隙槽四的枝節(jié)九191，也可以控制陷波阻帶的矩形度。本實用新型的回波損耗響應(yīng)和增益響應(yīng)隨頻率變化的曲線如圖2和圖3所示。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，其特征在于包括基板，設(shè)置在基板正面上的地板一和地板二、天線輻射體、天線饋線以及縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四；天線饋線設(shè)置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二對稱設(shè)置在天線饋線兩側(cè)，地板一和地板二的頂端形成三角切片；沿中軸線對稱分布的天線輻射體緊貼設(shè)置在地板一和地板二的頂端，天線輻射體的頂端呈圓弧形漸變結(jié)構(gòu)；縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四設(shè)置在天線輻射體的頂端之上且與天線輻射體的頂端之間有間距；每個縫隙槽的總長度由以下公式確定
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，其特征在于所述縫隙槽一由枝節(jié)一和枝節(jié)二相互垂直組成；所述縫隙槽三依次由枝節(jié)三、枝節(jié)四、枝節(jié)五和枝節(jié)六垂直連接組成，其中枝節(jié)三和枝節(jié)五與縫隙槽一的枝節(jié)二相互平行，枝節(jié)四和枝節(jié)六與縫隙槽一的枝節(jié)一相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，其特征在于所述縫隙槽二和縫隙槽四與縫隙槽一和縫隙槽三關(guān)于基板正面的縱中軸線的鏡像對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，其特征在于所述基板的正面為金屬材料介質(zhì)層。
專利摘要本實用新型提供一種矩形度良好和阻帶帶寬可控的超寬帶陷波天線，包括基板，設(shè)置在基板正面上的地板一和地板二、天線輻射體、天線饋線以及縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四；天線饋線設(shè)置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二對稱設(shè)置在天線饋線兩側(cè)；縫隙槽一、縫隙槽二、縫隙槽三和縫隙槽四設(shè)置在天線輻射體的頂端之上且與天線輻射體的頂端之間有間距；縫隙槽一與縫隙二之間、縫隙三與縫隙四之間有耦合間距；縫隙一與縫隙三之間、縫隙二和縫隙四之間有耦合間距。本實用新型天線具有陷波的阻帶帶寬可控、阻帶矩形度良好和通帶匹配特性良好的特點，并且天線采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，整體尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高。
文檔編號H01Q1/48GK202434694SQ201220025919
公開日2012年9月12日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者楊光, 褚慶昕 申請人:華南理工大學(xué)