本實用新型屬于天線技術領域，具體涉及一種單陷波超寬帶單極子天線。

背景技術：

超寬帶(UWB，Ultra-Wide Band)技術是一種新型的無線通信技術，按照美國聯邦通信委員會(FCC，Federal Communications Commission)的規(guī)定，UWB通信的頻段為3.1GHz～10.6GHz。但是，這個帶寬達7.5GHz的頻率范圍包含了當前無線局域網(WLAN)5.2GHz(5.15GHz～5.35GHz)和5.8GHz(5.725GHz～5.825GHz)的工作頻率。為了避免這些頻段信號的干擾，需要超寬帶天線在5GHz～6GHz范圍的頻帶上產生阻斷，即具有陷波(帶阻)特性。另外，當前通信系統(tǒng)越來越趨向于小型化與高度集成化，這也對天線的小型化設計提出了較高的要求。

平面單極子天線作為超寬帶天線中的一個重要類型，由于其結構簡單，以及低剖面、低成本、寬頻帶、全向輻射等特性，在短距離無線通信系統(tǒng)中，獲得了廣泛的應用。

目前平面單極子超寬帶天線實現陷波功能的方法主要有兩種：(1)在天線開槽或加載寄生元形成諧振結構，如中國專利申請?zhí)枮?01510218287.X的專利申請公開了一種具有帶陷特性的超寬帶單極子天線，該天線在輻射貼片上刻蝕H形槽和十字形槽，從而在3.3GHz～3.7GHz和3.7GHz～4.2GHz兩個頻帶產生帶陷特性。該方法是通過在天線輻射貼片上刻蝕不同形狀的縫隙，然后調整縫隙的尺寸，使之等于需要抑制的中心頻率對應波長的四分之一或一半，即可在相應的中心頻率上引入帶阻特性。這種設計的缺點在于在天線輻射部分開槽會引起高次模的產生，從而使天線方向圖(天線方向函數的圖形化表示即為天線的方向圖)在高頻段畸變；同時改變了表面電流的流徑，也增加了天線的交叉極化，使得方向圖惡化；(2)在饋線上進行帶阻濾波設計，如中國專利申請?zhí)枮?01410809770.0的專利申請公開了一種新型EBG結構的超寬帶陷波天線，該天線利用對稱分布于阻抗匹配輸入微帶線兩側的折線型電磁帶隙(EBG，Electromagnetic Band-gap)結構實現帶阻特性。這種方法的優(yōu)點是直接把設計好的帶阻結構嵌入到微帶線(饋線)中，不需要對其它結構進行優(yōu)化就可以實現較好的帶陷性能；不足之處在于該EBG結構額外增加了天線的尺寸，不利于小型化，并且復雜的結構對加工制作提出了較高的要求。

因此，有必要提供一種具有良好的陷波特性且結構簡單并有利于小型化設計的單陷波超寬帶單極子天線。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對上述現有技術的不足，而提供一種單陷波超寬帶單極子天線，能夠滿足良好的陷波特性、結構簡單且有利于小型化設計的要求。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的一個技術方案是：一種單陷波超寬帶單極子天線，包括介質基板，該介質基板的下表面設置有接地板，該介質基板的上表面設置有輻射貼片以及與該輻射貼片相連的微帶饋線，該介質基板為長方形介質基板，該輻射貼片覆蓋該介質基板的上部，該微帶饋線與該輻射貼片的下邊緣的中心處相連且沿該長方形介質基板的長邊方向向下延伸，該微帶饋線的中部刻蝕有帶阻諧振單元。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該輻射貼片下部開設有穿透該輻射貼片的透孔。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該輻射貼片和透孔分別為長軸沿長方形介質基板的寬邊方向延伸的橢圓形輻射貼片和橢圓形透孔，且該橢圓形輻射貼片的中心與該橢圓形透孔的中心不重合，該橢圓形輻射貼片的短軸與該橢圓形透孔的短軸共線且與該長方形介質基板的長邊平行；該橢圓形輻射貼片的長軸與短軸的比值與該橢圓形透孔的長軸與短軸的比值相同。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該帶阻諧振單元包括刻蝕穿透該微帶饋線并沿該微帶饋線長度方向延伸的縫隙，在該縫隙內沿該微帶饋線長度方向延伸設置有平行且具有耦合間隔的第一耦合線和第二耦合線，該第一耦合線的上端一體連接該縫隙的上邊，該第一耦合線的下端為開路的自由端，該第二耦合線的下端一體連接該縫隙的下邊，該第二耦合線的上端為開路的自由端。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該接地板覆蓋該介質基板下表面的下部，該接地板包括長軸沿長方形介質基板的寬邊方向延伸的半橢圓形接地板和與該半橢圓形接地板一體相連的矩形接地板，該半橢圓形接地板與該橢圓形輻射貼片的長軸相等，短軸也相等；該半橢圓形接地板的短軸頂點的切線與該橢圓形輻射貼片下部短軸頂點的切線在該介質基板平面上的投影重合。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該半橢圓形接地板的短軸頂點處開設有向該半橢圓形接地板的中心凹陷的凹槽。

在本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該介質基板的長邊為30mm、寬邊為20mm、厚度為1mm；該橢圓形輻射貼片上部的短軸頂點與該介質基板的上部寬邊相切，該橢圓形輻射貼片的長軸的兩個頂點分別與該介質基板的兩側長邊相切；該橢圓形輻射貼片的長軸為20mm、短軸為16mm；該橢圓形透孔的長軸為10mm、短軸為8mm，該橢圓形輻射貼片的中心與該橢圓形透孔的中心之間的間距為3.5mm；該微帶饋線的長度為14mm，寬度為2mm；該帶阻諧振單元上所刻蝕的縫隙為矩形縫隙，該矩形縫隙的長度為5mm、寬度為1.6mm，該矩形縫隙的上邊與該微帶饋線的上邊之間的距離以及矩形縫隙的下邊與微帶饋線的下邊之間的距離均為4.5mm；該第一耦合線和第二耦合線的長度均為4.8mm、寬度均為0.2mm，該第一耦合線和第二耦合線之間的耦合間隔為0.1mm；該第一耦合線的右側邊與該矩形縫隙的右側邊之間的距離以及第二耦合線的左側邊與矩形縫隙的左側邊之間的距離均為0.55mm。

本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該凹槽為矩形凹槽，該矩形凹槽的寬度為4mm、凹陷深度為2mm。

本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該單陷波超寬帶單極子天線的工作頻率范圍是3.1GHz～10.6GHz，陷波范圍是5GHz～6GHz。

本實用新型單陷波超寬帶單極子天線的另一實施例中，該介質基板的材料是環(huán)氧樹脂材料，其相對介電常數為4.1，介電損耗正切值為0.02；該微帶饋線的特性阻抗為50歐姆。

本實用新型的有益效果是：本實用新型的單陷波超寬帶單極子天線在微帶饋線上刻蝕帶阻諧振單元，具有帶阻和慢波特性，陷波特性良好，能夠有效抑制超寬帶系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)的相互干擾，并且避免了在輻射貼片上刻蝕開槽所引起的天線輻射特性惡化的情況。該帶阻諧振單元的結構簡單，緊湊小巧，便于集成，不會額外增加整個天線的尺寸，使天線能夠實現小型化。該天線具有頻帶寬、尺寸小、成本低、易加工的優(yōu)點，在整個頻帶范圍內有著良好的方向圖，而且還可以通過調節(jié)帶阻諧振單元的長度來選擇需要的陷波頻段，在短距離通信系統(tǒng)的應用中具有較高的應用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例的結構示意圖；

圖2a是圖1所示本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例的右視圖；

圖2b是圖1所示本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例的左視圖；

圖3是圖2a和圖2b所示單陷波超寬帶單極子天線實施例的結合示意圖；

圖4是圖3所示本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例中帶阻諧振單元的結構示意圖；

圖5是本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例與無諧振單元的超寬帶單極子天線的實測駐波對比曲線圖；

圖6是本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例實測的xz面輻射方向圖；

圖7是本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例實測的yz面輻射方向圖。

具體實施方式

為了便于理解本實用新型，下面結合附圖和具體實施例，對本實用新型進行更詳細的說明。附圖中給出了本實用新型的較佳的實施例。但是，本實用新型可以以許多不同的形式來實現，并不限于本說明書所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本實用新型的公開內容的理解更加透徹全面。

需要說明的是，除非另有定義，本說明書所使用的所有的技術和科學術語與屬于本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本實用新型的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是用于限制本實用新型。本說明書所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

在本實用新型的具體實施方式的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是指兩個或兩個以上。本說明書所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解。例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

本實用新型首先對相關名詞進行說明：

天線方向圖：天線方向函數的圖形化表示即為天線的方向圖；

電壓駐波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)：VSWR指駐波(頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列行波疊加后形成的波)的電壓峰值與電壓谷值之比，駐波比等于1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗；駐波比為無窮大時，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。也就是說，駐波比越大，反射功率越高，也就是阻抗不匹配；

通帶：是指能夠通過濾波器而不會產生衰減的信號頻率范圍；

阻帶：在某個頻率范圍內的衰減大于一個規(guī)定值的頻率范圍；阻帶的上限頻率與下限頻率之差稱為阻帶帶寬，即阻止某頻率范圍內信號通過的頻率范圍；阻帶特性也就是帶外抑制特性，表明了濾波器濾除雜波的能力，是評價濾波器最重要的指標之一。

中心頻率：是濾波器通帶或阻帶中間的頻率，一般用它來做參數均衡標準來計算一些參數；中心頻率對應的波長即為中心波長。

如圖1～4所示為本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例的結構圖，該天線包括介質基板6，該介質基板為長方形介質基板，介質基板6的下表面下部設置有接地板2，該接地板2是與介質基板6等寬的結構；介質基板6的上表面設置有輻射貼片1以及與輻射貼片1相連的微帶饋線4，該輻射貼片4覆蓋介質基板的上部，微帶饋線4與輻射貼片1的下邊緣的中心處相連且沿長方形介質基板的長邊方向向下延伸，且微帶饋線4上刻蝕有帶阻諧振單元5。

本實用新型的單陷波超寬帶單極子天線是通過蝕刻方法在介質基板6上進行制作的，將接地板2印刷于介質基板6的下表面，上表面印刷輻射貼片1和微帶饋線4，再在微帶饋線4上刻蝕用于陷波的帶阻諧振單元5。帶阻諧振單元5具有帶阻和慢波特性，陷波特性良好，能夠有效抑制超寬帶系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)的相互干擾，并且避免了采用在輻射貼片1上刻蝕開槽的方式所引起的天線輻射特性的惡化。該帶阻諧振單元5的結構簡單、長度可以小于阻帶中心波長的四分之一，緊湊小巧，便于集成，因此不會額外增加整個天線的尺寸，使天線能夠實現小型化。該天線具有頻帶寬、尺寸小、成本低、易加工的優(yōu)點，在整個頻帶范圍內有著良好的方向圖，而且還可以通過調節(jié)帶阻諧振單元5的長度來選擇需要的陷波頻段。

為了提高天線的通帶特性，本實施例微帶饋線4優(yōu)選特性阻抗50歐姆的饋線；介質基板6由環(huán)氧樹脂材料制成，其相對介電常數為4.1，介電損耗正切值為0.02。該介質基板6的長邊為30mm、寬邊為20mm、厚度為1mm。

進一步地，輻射貼片1上臨近微帶饋線4的位置開設有一個穿透該輻射貼片的透孔8，該透孔刻蝕在輻射貼片1上。本實施例輻射貼片1和透孔8分別為長軸沿長方形介質基板的寬邊方向延伸的橢圓形輻射貼片和橢圓形透孔，橢圓形輻射貼片1的長半軸、短半軸分別為R₁、R₂，橢圓形透孔8的長半軸、短半軸分別為r₁和r₂。橢圓形輻射貼片1的中心O_a與橢圓形透孔8的中心O_b不重合，且具有間距L，L不等于0；橢圓形輻射貼片1的短軸所在直線與橢圓形透孔8的短軸所在直線共線且與長方形介質基板的長邊平行。另外，橢圓形輻射貼片1上部的短軸頂點與介質基板6的上部寬邊相切，橢圓形輻射貼片1長軸的兩個頂點分別與介質基板6的兩側長邊相切。橢圓形輻射貼片1的長軸與短軸的比值與橢圓形透孔8的長軸與短軸的比值相同，即R₂/R₁＝r₂/r₁。該橢圓形透孔8增加了輻射貼片1上輻射電流的有效路徑，有助于天線小型化。

本實施例橢圓形輻射貼片1的長軸優(yōu)選20mm、短軸優(yōu)選16mm；橢圓形透孔的長軸優(yōu)選10mm、短軸優(yōu)選8mm，橢圓形輻射貼片1的長軸與短軸的比值與橢圓形透孔8的長軸與短軸的比值均為R₂/R₁＝r₂/r₁＝0.8。橢圓形輻射貼片1的中心與橢圓形透孔8的中心的間距L優(yōu)選3.5mm。本實施例將輻射貼片設計為長軸沿介質基板寬邊方向延伸的橢圓形，有利于減小介質基板長邊的尺寸，更有助于天線小型化。

為了提高單陷波超寬帶單極子天線的帶阻特性，本實施例帶阻諧振單元5的結構如圖2a、圖3和圖4所示，該帶阻諧振單元5包括刻蝕在微帶饋線4上并沿微帶饋線長度方向延伸的縫隙9，在縫隙9內沿微帶饋線4長度方向延伸設置有平行且具有耦合間隔G的第一耦合線71和第二耦合線72。本實施例的縫隙9優(yōu)選矩形縫隙，該矩形縫隙的長邊沿微帶饋線4的長度方向延伸；兩條耦合線的長度相等且均小于矩形縫隙長邊的長度，第一耦合線71的上端一體連接矩形縫隙的上邊，第一耦合線71的下端為開路的自由端，第二耦合線72的下端一體連接矩形縫隙的下邊，第二耦合線72的上端為開路的自由端。

本實施例中微帶饋線4的長度為14mm，寬度為2mm，矩形縫隙設置于微帶饋線4的正中間處，長度L₂優(yōu)選5mm、寬度W₂優(yōu)選1.6mm，矩形縫隙的上邊與微帶饋線4的上邊之間的距離以及矩形縫隙的下邊與微帶饋線4的下邊之間的距離均為4.5mm；兩個耦合線的尺寸相等，其長度L₃為4.8mm、寬度W₃為0.2mm，第一耦合線71和第二耦合線72之間的耦合間隔為0.1mm，兩個耦合線的自由端距離矩形縫隙對應上/下邊的距離均為0.2mm；第一耦合線71和第二耦合線72設置于矩形縫隙的中間處，第一耦合線71的右側邊與矩形縫隙的右側邊之間的距離以及第二耦合線72的左側邊與矩形縫隙的左側邊之間的距離均為0.55mm。

通過調節(jié)帶阻諧振單元矩形縫隙的長度和兩條耦合線的長度，可以實現對所要抑制的頻段進行調節(jié)。當帶阻諧振單元矩形縫隙的長度、耦合線的長度增加時，所要抑制頻段的阻帶中心會向低頻方向偏移；反之，當帶阻諧振單元矩形縫隙的長度、耦合線的長度減小時，所要抑制頻段的阻帶中心會向高頻方向偏移。

需要說明的是：這里縫隙9的形狀不局限于矩形，也可以是任意一種具有一定延伸長度且能實現上述陷波功能的形狀。

進一步地，本實施例的接地板2覆蓋介質基板6下表面的下部，包括一個長軸沿介質基板6寬邊方向延伸的半橢圓形接地板21和一個與該半橢圓形接地板21一體相連的矩形接地板22，半橢圓形接地板21的長軸與矩形接地板22的長邊均與介質基板6的寬度相等；半橢圓形接地板21與橢圓形輻射貼片1的尺寸相同，即半橢圓形接地板21與橢圓形輻射貼片的長軸相等，短軸也相等。對接地板上半部進行半橢圓化設計，使之與輻射貼片的形狀相吻合，可以增加地面的有效電長度，增加了電流路徑，進一步有助于天線小型化。

另外，半橢圓形接地板21的短軸頂點的切線與橢圓形輻射貼片1下部短軸頂點的切線在介質基板平面上的投影重合，進一步地，本實施例中半橢圓形接地板短軸頂點與橢圓形輻射貼片下部的短軸頂點在介質基板平面上的投影重合。

進一步地，本實施例中半橢圓形接地板21的短軸頂點處開設有向該半橢圓形接地板的中心凹陷的凹槽3，該凹槽分別沿介質基板的長邊和寬邊方向延伸。本實施例的凹槽3優(yōu)選矩形凹槽，該矩形凹槽關于該半橢圓形接地板的短軸對稱。矩形凹槽沿介質基板寬邊延伸的寬度W₁為4mm，沿介質基板長邊延伸的凹陷深度L₁為2mm。該矩形凹槽可以進一步改善天線阻抗匹配特性，通過調節(jié)矩形凹槽的尺寸可以在很寬的頻率范圍內實現較好的阻抗匹配。

這里需要說明的是：輻射貼片1、透孔8和接地板2的形狀不局限于橢圓形，也可以是矩形或者圓形等，只要能夠改變輻射貼片上電流的分布特性且根據適用場合有利于小型化設計的形狀均在本實用新型的保護范圍內。

基于本實施例介質基板6的選材及尺寸，當陷波的頻帶(阻帶)為5GHz～6GHz時，對應的中心頻率為5.5GHz，根據相關的計算公式：光速c＝3×10⁸m/s，相對介電常數為4.1，由此可計算得阻帶中心波長為：那么阻帶中心波長的四分之一即為6.7mm左右，而本實施例帶阻諧振單元的長度優(yōu)選值為5mm，小于阻帶中心波長的四分之一。

本實用新型的單陷波超寬帶單極子天線通過采用輻射貼片上的透孔8、接地板2和凹槽3能夠增加輻射電流的路徑，改善天線阻抗匹配特性，從而實現天線的小型化和寬頻帶設計；帶阻諧振單元5的結構簡單、便于集成化、易加工，長度小于阻帶中心的四分之一波長，不會額外增加整個天線的尺寸。該天線的工作頻率范圍為3.1GHz～10.6GHz，陷波范圍是5GHz～6GHz，可以通過調節(jié)諧振單元5的長度來選擇需要的陷波頻段，在短距離通信系統(tǒng)的應用中具有較高的應用價值。

需要說明的是：本實用新型中接地板、輻射貼片以及微帶饋線采用的都是本行業(yè)用的通用型材，其厚度符合行業(yè)標準，這里不再贅述。

如圖5是本實用新型單陷波超寬帶單極子天線實施例與無帶阻諧振單元天線的實測駐波對比曲線圖，其中K1為本實用新型有帶阻諧振單元天線實施例的駐波曲線圖，K2為無帶阻諧振單元天線的駐波曲線圖。由該圖可以看出，在3.0GHz～11.3GHz頻率范圍內的4.9GHz～6GHz頻段(阻帶)，本實施例具有帶阻諧振單元天線的電壓駐波比VSWR的值較高，最高值甚至達到了7.5左右，由此可見該天線在此頻率段具有良好的陷波特性，避免了與WLAN系統(tǒng)間的相互干擾，其他范圍的VSWR都小于2，能夠滿足FCC的工作頻段要求。而沒有設計帶阻諧振單元的天線，整個頻段內的VSWR值都小于2，也就是說該天線在5GHz～6GHz范圍內不具有陷波特性。

如圖6和圖7是本實用新型陷波超寬帶單極子天線實施例實測的輻射方向圖，首先定義一下三維坐標系，以介質基板所在平面為水平基準面，本實施例規(guī)定介質基板寬邊延伸方向為x軸，長邊延伸方向為y軸，垂直于介質基板所在平面延伸的軸為z軸。根據上述坐標系，圖6所示為xz面的輻射方向圖，圖7所示為yz面的輻射方向圖。以圖6為例，圖6中的圓周分了360度，其中的30、60等表示角度標注，徑向表示歸一化的場強值，單位為分貝(dB)。圖6中的實線q1代表該天線工作頻率為4GHz時的輻射方向圖，虛線q2代表該天線工作頻率為7GHz時的輻射方向圖，點畫線q3代表該天線工作頻率為10GHz時的輻射方向圖，可見這三個頻點均具有較好的周向全向輻射特性，4GHz、7GHz和10GHz是3.1GHz～10.6GHz頻段中等間隔選取的三個頻率點，且不在5GHz～6GHz陷波范圍內，分別表示了該頻率段的低、中、高頻率，具有代表性。由圖6和圖7可知，該天線有著良好的方向圖，滿足超寬帶無線系統(tǒng)應用要求，具有良好的輻射特性。

本實用新型的陷波超寬帶單極子天線采用在微帶饋線4上刻蝕帶阻諧振單元5的方式實現陷波，結構簡單、長度較短，緊湊小巧，不會額外增加整個天線的尺寸，使天線能夠實現小型化；另外，輻射貼片及接地板采用橫向橢圓形結構更有利于天線長度的減小，同時增加了接地板的有效電長度，增加了電流路徑，也有助于天線小型化；接地板上的矩形凹槽，可以進一步的改善天線阻抗匹配特性，通過調節(jié)凹槽的尺寸可以在很寬的頻率范圍內實現較好的阻抗匹配。

以上該僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均包括在本實用新型的專利保護范圍內。