一種基于ebg結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，它包括部分金屬接地板（10）、介質(zhì)基板（20）、天線輻射貼片（30）、50歐姆饋線（31）和四個L形槽EBG結(jié)構(gòu)單元（40，50，60，70）。將四個尺寸不同的L形槽EBG結(jié)構(gòu)單元（40，50，60，70）分別與正六邊形UWB天線的50歐姆饋線（31）耦合，有效地濾除了WIMAX（3.4GHz-3.7GHz）、WLAN（5.15GHz-5.35GHz，5.725-5.825GHz）和X波段下行衛(wèi)星通訊（7.25GHz-7.75GHz）共四個頻段的信號。該天線在全頻段內(nèi)具有良好的全向輻射特性和穩(wěn)定的增益效果，適用于UWB無線通信系統(tǒng)。
【專利說明】—種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于超寬帶(UWB)無線通信領(lǐng)域的四陷波天線，尤其是一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線。在角部過孔蘑菇形電磁帶隙結(jié)構(gòu)(CLV-EBG)中刻蝕L形槽，并與正六邊形超寬帶(UWB)天線的饋線耦合，有效地濾除了微波互聯(lián)接入(WIMAX，
3.4GHz-3.7GHz)、無線個人局域網(wǎng)(WLAN(5.15GHz_5.35GHz，5.725GHz_5.825GHz))和 X 波段下行衛(wèi)星通訊信號(7.25GHZ-7.75GHz)四個頻段的信號。

【背景技術(shù)】
[0002]2002 年 2 月美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communicat1ns Commiss1n:FCC)將3.1GHz?10.6GHz頻段劃為商用的UWB無線通信業(yè)務(wù)使用，自此以后，超寬帶技術(shù)獲得了快速發(fā)展，UWB天線的研究與設(shè)計(jì)作為UWB無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為了研究的熱點(diǎn)。由于UWB系統(tǒng)的工作頻段與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的某些頻段重合，如全球微波互聯(lián)接入(WIMAX, 3.3GHz-3.6GHz)，無線個人局域網(wǎng)(WLAN, (5.15GHz_5.35GHz,
5.725GHz-5.825GHz))，X波段下行衛(wèi)星通訊信號(7.25GHz_7.75GHz)等。為了減少UWB天線對這些頻段內(nèi)系統(tǒng)通信造成干擾，具有陷波特性的UWB天線被廣泛關(guān)注。
[0003]在實(shí)現(xiàn)良好的陷波特性的同時，保證UWB天線的小型化，寬頻帶，良好的輻射特性是一個比較棘手的難題。目前為止具有陷波特性的UWB天線已有大量的研究成果，實(shí)現(xiàn)陷波的技術(shù)可以概括為以下幾種:
[0004](I)在輻射貼片或接地板刻蝕槽線
[0005](2)添加寄生元素
[0006](3)加載SIR的帶阻濾波器
[0007]這些實(shí)現(xiàn)陷波的技術(shù)存在著以下不足:在天線輻射貼片上刻槽和在輻射貼片附近增加寄生單元的方法都會改變天線輻射貼片表面的電流分布，影響天線的輻射方向圖；在天線地板刻槽的方法會使部分能量從地板槽泄漏，對天線方向圖的后瓣產(chǎn)生影響，減小天線的增益；添加寄生元素會增加天線的尺寸，而加載SIR的帶阻濾波器，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成難度高。另外這些方法普遍存在的一個問題是，各個陷波頻帶相互影響，不易獨(dú)立控制。
[0008]電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的頻率帶隙特性，結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，帶隙特性易于調(diào)節(jié)，如果加以小型化，通過與輸入端耦合，可方便獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)和控制超寬帶天線各個陷波，而對輻射貼片的電流分布影響較小，可保持良好的輻射特性，增益效果。因此，設(shè)計(jì)一款基于EBG結(jié)構(gòu)具有陷波特性的高性能超寬帶天線具有深遠(yuǎn)的意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型的目的在于改善現(xiàn)有UWB天線陷波技術(shù)中影響天線輻射特性、增大天線尺寸、陷波不易獨(dú)立控制等缺陷。通過將四個尺寸不同的L形槽EBG結(jié)構(gòu)分別加載于正六邊形UWB天線的饋線兩側(cè)形成耦合，有效地濾除了 WIMAX (3.3GHz-3.6GHz)、WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)和 X 波段下行衛(wèi)星通訊信號(5.25GHz-5.75GHz)共四個頻段的信號，實(shí)現(xiàn)了良好的窄阻帶特性，并且四個陷波頻段特性可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。
[0010]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0011]一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:包括部分金屬接地板(10)、介質(zhì)基板(20)、天線輻射貼片(30)、50歐姆饋線(31)、L形槽EBG單元一(40)、L形槽EBG單元二(50)、L形槽EBG單元三(60)和L形槽EBG單元四(70)，天線輻射貼片(30)和50歐姆饋線(31)位于介質(zhì)基板(20)的上表面，部分金屬接地板(10)位于介質(zhì)基板(20)的下表面，L形槽EBG單元一(40)和L形槽EBG單元三￠0)加載于50歐姆饋線(31)左側(cè)，而L形槽EBG單元二(50)和L形槽EBG單元四(70)加載于50歐姆饋線(31)右側(cè)。
[0012]所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:部分金屬接地板(10)上頂邊中間部分刻蝕了與50歐姆饋線(31)等寬的矩形槽(11)，天線輻射貼片(30)為正六邊形。
[0013]所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:L形槽EBG單元一
(40)、L形槽EBG單元二(50)、L形槽EBG單元三(60)和L形槽EBG單元四(70)包括EBG金屬貼片、L形槽和金屬圓柱形過孔。
[0014]所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:金屬圓柱形過孔一
(41)、金屬圓柱形過孔二(51)、金屬圓柱形過孔三(61)和金屬圓柱形過孔四(71)貫穿于EBG金屬貼片、介質(zhì)基板(20)和部分接地板(10)之間，金屬圓柱形過孔一(41)和金屬圓柱型過孔三(61)位于EBG金屬貼片的左上角，而金屬圓柱形過孔二(51)和金屬圓柱型過孔四(71)位于EBG金屬貼片的右上角。
[0015]本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及特性:
[0016](I)在CLV-EBG結(jié)構(gòu)中刻蝕L形槽，延長了等效電流路徑，減小了 CLV-EBG單元的尺寸，保證了 UWB天線的小型化，且結(jié)構(gòu)簡單、易于集成。
[0017](2)在CLV-EBG結(jié)構(gòu)中刻蝕L形槽，使阻帶帶寬變窄，獨(dú)立地濾除了 WLAN兩個頻段的信號，提高了頻譜利用率。
[0018](3)天線的相對帶寬較寬，大于134.9%，VSWR〈2的最低頻率為2.33GHz，而最高頻率大于12GHz。
[0019](4)加載L形槽EBG結(jié)構(gòu)，對天線的輻射貼片表面電流影響較小，從而保持了 UWB天線全頻段良好的全向輻射特性和穩(wěn)定的增益效果。
[0020](5) WIMAX(3.3GHz_3.6GHz)、WLAN(5.15GHz_5.35GHz,5.725GHz_5.825GHz)和 X 波段下行衛(wèi)星通訊信號(5.25GHZ-5.75GHz)四個陷波頻段特性(帶寬、位置等)可以通過調(diào)節(jié)四個L形槽EBG結(jié)構(gòu)單元參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立地控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是天線基本結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0022]圖2是天線背面基本結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3是EBG陷波原理圖；
[0024]圖4是天線駐波比參數(shù)示意圖；
[0025]圖5是天線峰值增益示意圖；
[0026]圖6是天線在4GHz下的E面方向圖；
[0027]圖7是天線在4GHz下的H面方向圖；

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
[0029]如圖1、圖2所示，一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，包括部分金屬接地板
(10)、介質(zhì)基板(20)、天線輻射貼片(30)、50歐姆饋線(31)和四個尺寸不同的L形槽EBG單元(40，50，60，70)。其中部分接地板(10)位于介質(zhì)基板(20)底面，且上頂邊與天線輻射貼片(30)之間有一定距離(L1-Lg),此距離用于調(diào)節(jié)UWB天線高頻段阻抗匹配。在部分金屬接地板(10)上頂邊中間部分中心刻蝕了一個寬為1，長為Ls的矩形槽(11)，其寬度與50歐姆饋線(31)相等，此矩形槽用于改善天線寬頻帶特性，提高駐波比帶寬。
[0030]本實(shí)用新型的天線中，介質(zhì)基板(20)的相對介電常數(shù)為3，損耗角正切為0.004，高度為h，加工成本低，易于與普通印刷電路板集成。
[0031]天線輻射貼片(50)是邊長為W的正六邊形，其上頂邊與介質(zhì)基板(20)上頂邊重合，下底邊與50歐姆饋線(31)相接，饋線寬度為Wf。
[0032]四個尺寸不同的L形槽EBG單元(40，50，60，70)為正方形，分別加載于50歐姆饋線(31)兩側(cè)形成耦合，四個L形槽EBG單元(40，50，60，70)與50歐姆饋線(31)的距離分別為g1、g2、g3、g4，包括EBG金屬貼片、L形槽 (42，52，62，72)和四個金屬圓柱形過孔(41，51，61，71)。L形槽EBG單元(40，50，60)中分別刻蝕了三個L形槽，而L形槽EBG單元(70)中刻蝕了兩個L形槽。
[0033]左邊兩個EBG金屬貼片相鄰兩邊相距Ltll，其中下方的EBG金屬貼片與介質(zhì)基板
(20)底邊相距Ltl3t5右邊兩個EBG金屬貼片相鄰兩邊相距Ltl2，其中下方的EBG金屬貼片與介質(zhì)基板(20)底邊相距Ltl4t5四個EBG金屬貼片邊長分別為&1、a2、a3、a4，沒有增加天線的尺寸，保持了天線的小型化。L形槽(42，52，62，72)寬都為0.2mm，彼此之間距離也為0.2mm,且排列成螺旋狀，延長等效電流路徑的同時減小了阻帶帶寬，實(shí)現(xiàn)了小型化和窄阻帶的綜合設(shè)計(jì)。金屬圓柱形過孔(41，61)位于EBG金屬貼片的左上角，而金屬圓柱形過孔(51，71)位于EBG金屬貼片的右上角，四個金屬圓柱形過孔(41,51,61,71)半徑分別為其邊緣與EBG金屬貼片邊緣都相距均為0.2mm。
[0034]如圖3所示，這里從該UWB天線的主視圖來說明L形槽EBG結(jié)構(gòu)的陷波原理，其中介質(zhì)基板為透視結(jié)構(gòu)。以L形槽EBG單元(40)為例進(jìn)行說明，當(dāng)通過50歐姆饋線(31)向天線饋電時，EBG結(jié)構(gòu)金屬貼片與50歐姆饋線(31)形成稱合電容Cltl,與部分金屬接地板(10)通過介質(zhì)基板(20)形成耦合電容C11,通過金屬圓柱形過孔(41)的電流回路等效為電感Lltl，從而形成了一個并聯(lián)LC諧振回路，諧振頻率二〗
同理L形槽EBG單元(50，60，70)也能形成另外三個并聯(lián)LC諧振回路，諧振頻率分別為 /η=1/(2*π*φ€ζι> + €2,)*?2η)、.4 =1/(2^+C,,)*￡,?)和四個諧振回路起到了一個前置濾波器的作用，有效地實(shí)現(xiàn)了四個陷波。四個陷波頻段的中心頻率，陷波帶寬，陷波深度等參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)L形槽EBG單元(40，50，60，70)的結(jié)構(gòu)參數(shù):EBG金屬貼片邊長&1、a2、a3、a4和耦合距離gl、g2、g3、g4等進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型就是通過合理設(shè)計(jì)L形槽EBG單元(40,50,60,70)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保證天線小型化、寬頻帶、良好的輻射特性的同時有效地濾除了WIMAX (3.3GHz-3.6GHz)、WLAN(5.15GHz_5.35GHz，5.725GHz_5.825GHz)和 X 波段下行衛(wèi)星通訊信號(5.25GHz-5.75GHz)四個頻段的信號。其中L形槽EBG單元(60)用來濾除WIMAX頻段的信號，L形槽EBG單元(40，50)分別用來濾除WLAN兩個頻帶的信號，L形槽EBG單元
(70)用來濾除X波段下行衛(wèi)星通訊信號。
[0035]如圖1，圖2,圖3所示,該UWB天線的具體結(jié)構(gòu)的尺寸為:WQ = 34mm,Ltl = 43.9mm,W=10.8mm，L1 = 25.2mm，ax = 3.65mm，a2 = 3.3mm，a3 = 5.45mm，a4 = 2.48mm，Wf = 3.6mm，Lg = 24mm，Ws = 3.6mm，Ls = 2mm，h = 1.6mm，T1 = 0.31mm，r2 = 0.27mm，r3 = 0.3mm，r4 =0.3mm，g1 = 0.5mm，g2 = 0.75mm，g3 = 0.387mm，g4 = 0.624mm，L01 = 5.45mm，L02 = 7.11mm，L03 = 4.275mm，L04 = 5.76mm。
[0036]如圖4所示，VSffR<2的天線駐波比帶寬覆蓋了 UWB的頻帶范圍，低頻為
2.33GHz,高頻大于 12GHz，相對帶寬大于 134.9 %。在 3.5GHz、5.2GHz、5.8GHz 和 7.5GHz處產(chǎn)生了四個陷波，最大陷波深度分別可達(dá)到6.28dB、5.05dB、5.47dB和4.64dB,陷波寬度(VSWR>2)分別為 3.38GHz-3.71GHz、5.02GHz-5.39GHz、5.61GHz-5.99GHz 和
7.12GHz-7.86GHz，具有良好的窄阻帶特性，在保證頻帶利用率的同時，有效地濾除了WIMAX (3.3GHz-3.6GHz)、WLAN(5.15GHz_5.35GHz，5.725GHz_5.825GHz)和 X 波段下行衛(wèi)星通訊信號(5.25GHZ-5.75GHz)四個頻段的信號。
[0037]如圖5所示，從虛線部分可以看出未加載四個L形槽EBG單元(40，50，60，70)時，UffB天線在3.lGHz-10.6GHz頻帶范圍內(nèi)，峰值增益最小值為2.27dB,最大值為5.4dB。加載四個 L 形槽 EBG 單元(40，50，60，70)后，在 3.52GHz、5.29GHz、5.78GHz 和 7.7GHz 四個陷波頻段處增益明顯減小，分別下降到-3.41dB、0.85dB、0.08dB和1.68dB,并且峰值增益最大值為5.85dB，產(chǎn)生了良好的陷波效果。其他頻段兩個曲線基本保持一致，從而表明，四個L形槽EBG單元(40，50，60，70)的加載，除陷波頻段外，對原UWB天線的增益影響非常小，在全頻段內(nèi)保證了穩(wěn)定的增益效果。
[0038]如圖6,圖7所75，在4GHz處E面和H面福射方向圖中，虛線部分和實(shí)線部分基本重合，表明了加載L形槽EBG結(jié)構(gòu)對原UWB天線的輻射特性基本沒有影響，其中H面近似全向輻射特性，E面的輻射特性和偶極子的輻射特性相似，近似為一個‘8’形，該天線良好的全向輻射特性適用于超寬帶無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【權(quán)利要求】
1.一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:包括部分金屬接地板(10)、介質(zhì)基板(20)、天線輻射貼片(30)、50歐姆饋線(31)、L形槽EBG單元一 (40)、L形槽EBG單元二(50)、L形槽EBG單元三(60)和L形槽EBG單元四(70)，天線輻射貼片(30)和50歐姆饋線(31)位于介質(zhì)基板(20)的上表面，部分金屬接地板(10)位于介質(zhì)基板(20)的下表面，L形槽EBG單元一(40)和L形槽EBG單元三￠0)加載于50歐姆饋線(31)左側(cè)，而L形槽EBG單元二(50)和L形槽EBG單元四(70)加載于50歐姆饋線(31)右側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:部分金屬接地板(10)上頂邊中間部分刻蝕了與50歐姆饋線(31)等寬的矩形槽(11)，天線輻射貼片(30)為正六邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:L形槽EBG單元一(40)、L形槽EBG單元二(50)、L形槽EBG單元三￠0)和L形槽EBG單元四(70)包括EBG金屬貼片、L形槽和金屬圓柱形過孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的四陷波超寬帶天線，其特征在于:金屬圓柱形過孔一(41)、金屬圓柱形過孔二(51)、金屬圓柱形過孔三￠1)和金屬圓柱形過孔四(71)貫穿于EBG金屬貼片、介質(zhì)基板(20)和部分接地板(10)之間，金屬圓柱形過孔一(41)和金屬圓柱型過孔三(61)位于EBG金屬貼片的左上角，而金屬圓柱形過孔二(51)和金屬圓柱型過孔四(71)位于EBG金屬貼片的右上角。
【文檔編號】H01Q1/52GK203932311SQ201320782086
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】張道亮, 孔媛媛, 喻人杰 申請人:哈爾濱飛羽科技有限公司