專利名稱：二階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及平面小型化超寬帶陷波天線，尤其涉及陷波選擇性良好、帶寬可控的超寬帶陷波天線。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，超寬帶(Ultra-Wideband)通信系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)載波脈沖技術(shù)的超寬帶通信有其特有的優(yōu)點(diǎn):高速的數(shù)據(jù)傳輸速率、低功率損耗、短距離等。可以相信，超寬帶通信極有可能成為未來(lái)近距離的通信方式。作為超寬帶通信的前端設(shè)備和重要組成部分，超寬帶天線的研究已經(jīng)成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。對(duì)超寬帶天線的研究包括小型的尺寸、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、良好的阻抗匹配、穩(wěn)定的輻射特性和聞增益等方面。然而，在超寬帶固有的頻段內(nèi)，還存在一些窄帶通信系統(tǒng)，如無(wú)線局域網(wǎng)WLAN，エ作在5.15-5.825GHz。為了減小超寬帶系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)之間的信號(hào)干擾，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是可以在天線的前端級(jí)聯(lián)ー個(gè)帶阻濾波器，用來(lái)濾除指定的頻段信號(hào)。但將天線和濾波器級(jí)聯(lián)勢(shì)必會(huì)增大電路的尺寸，同時(shí)還增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和生產(chǎn)成本。而將天線和帶阻濾波器集成在一起，設(shè)計(jì)出ー個(gè)具有陷波特性的超寬帶天線將很好的解決這些問(wèn)題。在過(guò)去幾年，各種各樣的超寬帶陷波天線已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，探索了很多實(shí)現(xiàn)陷波的方法。這些方法可以歸納為在輻射體或地板上開(kāi)各種形狀的縫隙，或者是在饋線旁邊或輻射體附近加載諧振器。但是，這些陷波天線的陷波大都是由單個(gè)諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不具備良好的頻率選擇特性，很難滿足實(shí)際應(yīng)用中高信噪比的要求。陷波的帶寬也是ー個(gè)超寬帶陷波天線的重要參數(shù)，超寬帶陷波天線應(yīng)該可以調(diào)節(jié)陷波的帶寬來(lái)滿足特定的需要。以往的設(shè)計(jì)中，由于采用的是ー階諧振單元，所以很難實(shí)現(xiàn)ー種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)陷波的方式。另夕卜，這個(gè)天線的尺寸比較大，不能滿足小型化的移動(dòng)設(shè)備的要求。超寬帶天線將主要應(yīng)用在小型化移動(dòng)設(shè)備中，所以，天線的小型化是ー個(gè)必需考慮的因素。另外，為了減小超寬帶通信系統(tǒng)和已有的無(wú)線通信系統(tǒng)之間的頻段干擾，設(shè)計(jì)一個(gè)選擇性良好、帶寬可控的ニ階特性的陷波具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有超寬帶天線尺寸較大、陷波帶寬不可控、選擇性差的技術(shù)問(wèn)題，提供一種ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，利用ニ階諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)陷波，使得陷波的選擇性和ニ階帶寬可控性得到了很大的改善；在通信環(huán)境中，能夠提供良好的抗干擾效果。本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題:ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，印刷在介質(zhì)板上，包括設(shè)置在介質(zhì)板正面的階躍寬度縫隙、設(shè)置在介質(zhì)板背面的微帶饋線、置于所述微帶饋線背面的終端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)縫隙以及置于所述階躍寬度縫隙旁邊的終端短路的半波長(zhǎng)縫隙；所述微帶饋線上的電磁波耦合到所述階躍寬度縫隙上，并且輻射出去；所述四分之一波長(zhǎng)縫隙與所述微帶饋線垂直；所述四分之一波長(zhǎng)縫隙和所述半波長(zhǎng)縫隙構(gòu)成兩個(gè)在陷波頻段內(nèi)相互耦合的諧振器。所述陷波天線的陷波帶寬可調(diào)范圍為7.2%-18.2%，陷波帶寬的調(diào)節(jié)通過(guò)分別調(diào)節(jié)四分之一波長(zhǎng)縫隙及半波長(zhǎng)的尺寸或長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的原理如下:小型化是超寬帶天線設(shè)計(jì)的ー個(gè)重要方面，天線的工作帶寬和尺寸有著重要的聯(lián)系。往往尺寸減小將會(huì)導(dǎo)致天線的匹配帶寬，特別是低頻段的帶寬相應(yīng)的減小。在本實(shí)用新型中，通過(guò)將天線的縫隙設(shè)計(jì)成階躍寬度，并且通過(guò)背面的50歐姆微帶線耦合饋電，可以在很小的天線尺寸上實(shí)現(xiàn)很寬的阻抗匹配帶寬，能夠基本上覆蓋整個(gè)超寬帶的頻段。階躍寬度的縫隙可以使得在超寬帶的頻段內(nèi)產(chǎn)生幾個(gè)匹配點(diǎn)，并且這些匹配點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)縫隙的尺寸來(lái)分別調(diào)節(jié)。通過(guò)在天線上開(kāi)一段終端短路、對(duì)應(yīng)陷波中心頻率的半波長(zhǎng)縫隙，同時(shí)在饋線的背面與饋線垂直的開(kāi)一條終端開(kāi)路、對(duì)應(yīng)陷波中心頻率四分之一波長(zhǎng)的縫隙，可以實(shí)現(xiàn)ー個(gè)具有ニ階特性的陷波。相對(duì)于單個(gè)諧振器形成的單階陷波，陷波的選擇性和相應(yīng)的帶寬的可控性有了很大的改善。半波長(zhǎng)諧振器和四分之一波長(zhǎng)諧振器的諧振頻率分別為5.65GHz和5.35GHz。單個(gè)諧振器形成的陷波選擇性差，帶寬窄，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。把兩個(gè)諧振器放在一起可以使得兩個(gè)諧振器產(chǎn)生的陷波耦合在一起，形成一個(gè)選擇性和帶寬都得到很大改善的ニ階陷波。此外，陷波的帶寬可以通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)諧振器的諧振頻率來(lái)控制。分別調(diào)節(jié)兩個(gè)縫隙的長(zhǎng)度可以獨(dú)立的控制陷波上下邊頻的截止頻率，從而調(diào)節(jié)帶寬。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:1、和現(xiàn)有的超寬帶陷波天線相比，本實(shí)用新型采用階躍寬度的縫隙和微帶饋線進(jìn)行耦合，可以有效的減小天線的總體尺寸。另外，在超寬帶頻段內(nèi)產(chǎn)生的阻抗匹配點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)階躍寬度的縫隙長(zhǎng)度和寬度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。提供了ー種保持天線尺寸不變的情況下，實(shí)現(xiàn)超寬帶的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，將縫隙彎折不但對(duì)天線的阻抗匹配特性沒(méi)有明顯的影響，而且可以減小天線的寬度。2、與現(xiàn)有的陷波技術(shù)相比，本實(shí)用新型引入了全新的實(shí)現(xiàn)陷波的方式。兩個(gè)諧振器分別設(shè)計(jì)在諧振頻率為5.35GHz和5.65GHz的地方。再利用兩個(gè)諧振器之間的耦合，形成ー個(gè)在5.15-5.85GHz具有很好的選擇性、阻帶內(nèi)反射大、過(guò)渡帶窄的具有ニ階特性的陷波。跟一般的單階陷波相比，性能上得到了很大的改善。3、由于陷波內(nèi)的兩個(gè)諧振點(diǎn)分別由兩個(gè)諧振器的產(chǎn)生，所以陷波的帶寬可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)縫隙諧振器的長(zhǎng)度來(lái)控制，為陷波帶寬可控的實(shí)現(xiàn)提供了全新的方案。

圖1是沒(méi)有陷波的超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是超寬帶天線結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)的電磁仿真和測(cè)試曲線。圖3是具有ニ階陷波特性的超寬帶陷波天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是單諧振器和兩個(gè)諧振器的超寬帶天線頻率響應(yīng)的電磁仿真曲線。圖5是ニ階陷波特性的超寬帶天線頻率響應(yīng)的電磁仿真曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線。圖6是ニ階陷波特性的超寬帶天線增益的電磁仿真曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線。圖中標(biāo)號(hào):11為FR4基板正面的銅體，12為FR4基板，13為FR4基板背面的50歐姆微帶線，14為FR4基板正面的縫隙，15為基板正面的開(kāi)路縫隙，16為FR4基板正面的短路縫隙。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例圖1為本實(shí)用新型提出的小型超寬帶天線的幾何結(jié)構(gòu)，它印刷在尺寸為22X8.5X0.8mm介質(zhì)板上，即FR4基板12上。介質(zhì)板的正面是一條彎折的階躍寬度縫隙14 ;介質(zhì)板背面是一條50歐姆的微帶饋線13。微帶饋線13上的電磁波耦合到階躍寬度縫隙14上，并且輻射出去。階躍寬度縫隙14可以在超寬帶的頻段范圍內(nèi)形成多個(gè)匹配點(diǎn)，這些匹配點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)階躍寬度縫隙的尺寸來(lái)控制，使之均勻的分布在超寬帶的頻段范圍內(nèi)。微帶饋線13和階躍寬度縫隙14之間的相對(duì)位置也對(duì)整個(gè)天線的阻抗匹配特性有重要的影響。通過(guò)用軟件對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以使得這個(gè)天線在超寬帶的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，相應(yīng)的天線輸入端ロ的散射系數(shù)Sll的仿真和測(cè)試結(jié)果在圖2中給出。微帶饋線13和階躍寬度縫隙14的位置決定了他們兩者之間的耦合強(qiáng)度和匹配特性，左右調(diào)節(jié)微帶饋線13的位置或者改變饋線的長(zhǎng)度，天線工作頻段的匹配特性會(huì)相應(yīng)的變化，調(diào)節(jié)到某一位置時(shí)，天線會(huì)的匹配比較好。圖3是在圖1天線基礎(chǔ)上開(kāi)兩條縫隙，形成ニ階陷波。其中，15為終端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)縫隙。四分之一波長(zhǎng)縫隙15置于微帶饋線13的背面并且與微帶饋線13垂直。16為終端短路的半波長(zhǎng)縫隙，井置于階躍寬度縫隙14旁邊。四分之一波長(zhǎng)縫隙15和半波長(zhǎng)縫隙16構(gòu)成兩個(gè)諧振器，并分別諧振于5.35GHz和5.65GHz。圖4給出了分別只有四分之一波長(zhǎng)縫隙15和只有半波長(zhǎng)縫隙16時(shí)的產(chǎn)生的陷波特性?？梢钥闯觯瑔蝹€(gè)諧振器產(chǎn)生的單階陷波的性能比較差，陷波帶寬和選擇性都比較差。但是，當(dāng)兩個(gè)縫隙15、16同時(shí)存在時(shí)，在陷波的性能得到了很大的提高。陷波的兩端分別產(chǎn)生ー個(gè)反射零點(diǎn)，使得陷波形成兩個(gè)陡峭的上下邊緣，選擇性得到很大的改善。在陷波的頻段內(nèi)，由于兩個(gè)諧振器之間的相互耦合，形成穩(wěn)定和比較強(qiáng)的反射。由于陷波是由兩個(gè)諧振器同時(shí)產(chǎn)生的，使得陷波的特性可以很好的控制。陷波的帶寬可以通過(guò)分別調(diào)節(jié)兩個(gè)縫隙15及16的尺寸來(lái)控制，也可以同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)縫隙15及16的長(zhǎng)度。本實(shí)用新型中，在陷波的上邊沿可以通過(guò)調(diào)節(jié)半波長(zhǎng)縫隙16來(lái)控制，而下邊沿則可以通過(guò)調(diào)節(jié)四分之一波長(zhǎng)縫隙15來(lái)控制。所以，陷波的帶寬可以在很大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)帶寬可調(diào)范圍
7.2%-18.2%o圖5給出了本實(shí)用新型的回波損耗的電磁仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果。在5.15-5.85GHz的范圍內(nèi)產(chǎn)生ー個(gè)選擇性很好的陷波。陷波的兩端有兩個(gè)反射零點(diǎn)，形成陡峭的上、下邊緣。_3dB的帶寬和-1OdB帶寬的比值達(dá)到0.7左右。遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前提出的超寬帶陷波天線的特性。從圖6可以看出，在整個(gè)工作頻段的范圍內(nèi)，天線保持比較穩(wěn)定的増益。増益大概為2-4dBi，而在陷波的中心頻率附近，超寬帶天線的增益顯著下降至-4dBi左右，有效地抑制了 WLAN窄帶系統(tǒng)的干擾。上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，印刷在介質(zhì)板上，其特征在于:包括設(shè)置在介質(zhì)板正面的階躍寬度縫隙、設(shè)置在介質(zhì)板背面的微帶饋線、置于所述微帶饋線背面的終端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)縫隙以及置于所述階躍寬度縫隙旁邊的終端短路的半波長(zhǎng)縫隙；所述微帶饋線上的電磁波耦合到所述階躍寬度縫隙上，并且輻射出去；所述四分之一波長(zhǎng)縫隙與所述微帶饋線垂直；所述四分之一波長(zhǎng)縫隙和所述半波長(zhǎng)縫隙構(gòu)成兩個(gè)在陷波頻段內(nèi)相互耦合的諧振器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，其特征在于:所述微帶饋線為50歐姆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，其特征在于:所述四分之一波長(zhǎng)縫隙和半波長(zhǎng)縫隙所構(gòu)成的兩個(gè)諧振器分別諧振于5.35GHz和5.65GHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ニ階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，其特征在于:所述陷波天線的陷波帶寬可調(diào)范圍為7.2%-18.2%，陷波帶寬的調(diào)節(jié)通過(guò)分別調(diào)節(jié)四分之一波長(zhǎng)縫隙及半波長(zhǎng)的尺寸或長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)。
專利摘要本實(shí)用新型為二階陷波帶寬可控的小型超寬帶陷波天線，印刷在介質(zhì)板上，包括設(shè)置在介質(zhì)板正面的階躍寬度縫隙、設(shè)置在介質(zhì)板背面的微帶饋線、置于微帶饋線背面的終端開(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)縫隙以及置于階躍寬度縫隙旁邊的終端短路的半波長(zhǎng)縫隙；微帶饋線上的電磁波耦合到階躍寬度縫隙上，并且輻射出去；四分之一波長(zhǎng)縫隙與微帶饋線垂直；四分之一波長(zhǎng)縫隙和半波長(zhǎng)縫隙構(gòu)成兩個(gè)在陷波頻段內(nèi)相互耦合的諧振器。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有超寬帶天線尺寸較大、陷波帶寬不可控、選擇性差的技術(shù)問(wèn)題，陷波的選擇性和二階帶寬可控性得到了很大的改善，具有良好的抗干擾效果。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK202949033SQ20122065733
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者褚慶昕, 毛春旭 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)