CN101320840A - 基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线 - Google Patents

基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线 Download PDF

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基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线包括一块介质基片(1)，和在介质基片(1)上下表面覆盖的下表面金属镀层(2)，上表面金属镀层(3)；下表面金属镀层(2)为馈线部分的地，采用了等腰梯形的设计，以满足馈线(5)和天线辐射单元(4)之间的阻抗匹配需求；上表面金属镀层(3)包含了如下几部分：天线辐射单元(4)、馈线(5)、第一双模阶梯阻抗谐振器(8)、第二双模阶梯阻抗谐振器(9)、第三双模阶梯阻抗谐振器(10)、零阶***环谐振器(11)，该天线具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，因此适用于多种抗干扰的超宽带应用场合。

Description

基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线
技术领域
本发明是一种能够抑止多个频带信号干扰的多阻带超宽带(Ultra-Wideband，UWB)通信天线的综合设计技术。
背景技术
超宽带通信***具有大带宽、高数据速率、低成本等优点，近年来得到广泛的关注和应用。与此同时，各种无线通信***的发展和应用使得已有的频带资源变得越来越紧张，特别是10GHz以下的频段，拥挤着大量不同种类的通信业务。例如，UMTS/WCDMA、GPS、WLAN、WiMAX和FBWA等。这些***的工作频带与超宽带通信***存在重叠问题，因此都可能成为潜在的干扰源。为了避免这些潜在的信号干扰，同时保护各个通信***的正常工作，可以通过设计具有阻带特性的天线实现。这种天线可以工作在很宽的频带，同时具有滤波特性的馈线结构可以使天线在特定的频率上具有很大的输入电压驻波比，即对于相应频率的信号天线呈现截止，不工作的状态，从而起到减小甚至消除超宽带***与其他通信***间相互干扰的作用。已有的阻带天线大都具有单一的阻带，不能对多个频点的信号进行抑制；或者，具有两个阻带的天线工作带宽受到影响而减小，不满足超宽带特性。因此，设计一种具有多阻带，超宽带工作带宽的小型化天馈线成为亟待解决的问题。
另一方面，具有双模特性的阶梯阻抗谐振线具有体积小和前两个谐振频率单独可控的性质，可以用于设计多阻带的滤波器。具有零阶谐振特性的***环谐振器同时具有体积小巧和寄生谐振间距较远的特性。因此，利用这两种谐振器设计多阻带滤波器可以使得天线整体体积较小，同时对不需要的寄生阻带进行控制。因此利用这两种谐振器可以设计出可以调协的阻带。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种采用平面印刷电路工艺的基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线，不仅具有超宽带特性，而且对于多个频点的干扰信号有很好的抑制作用。该天线具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，因此适用于多种抗干扰的超宽带应用场合。
技术方案：所设计天线包含半椭圆盘天线和双模阶梯阻抗谐振器、零阶***环谐振器耦合馈线结构两部分，具有超宽带工作带宽(1-6.05GHz)。同时，通过两种谐振器与馈线相耦合，构成具有多个阻带的滤波器，将该滤波器与圆盘天线级联，就能形成具有多阻带特性的超宽带天线。该天线设计基于平面印刷电路技术，利用微波介质基片实现，采用微带线馈电，体积小巧，适合平面高度集成。同时，双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器具有成熟的设计公式，因此，在多阻带天线设计中可以大大简化设计过程。
本发明基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线采用如下技术方案：该天线包括一块介质基片，和在介质基片上下表面覆盖的下表面金属镀层，上表面金属镀层；下表面金属镀层为馈线部分的地，采用了等腰梯形的设计，以满足馈线和天线辐射单元之间的阻抗匹配需求；上表面金属镀层包含了如下几部分：天线辐射单元、馈线、第一双模阶梯阻抗谐振器、第二双模阶梯阻抗谐振器、第三双模阶梯阻抗谐振器、零阶***环谐振器，其中，天线辐射单元采用半圆形以减小天线的整体尺寸，圆盘背后无金属地分布，该单元形式具有超宽带特性；馈线为微带线形式，并且采用了L型的直转角，与天线辐射单元相接部分还采用了渐变线以提高阻抗匹配性能；第一双模阶梯阻抗谐振器、第二双模阶梯阻抗谐振器、第三双模阶梯阻抗谐振器和***环谐振器分别排布在馈线两侧并与之相耦合构成多阻带滤波器；第一双模阶梯阻抗谐振器、第二双模阶梯阻抗谐振器、第三双模阶梯阻抗谐振器的接地部分采用了金属通孔实现。
每个双模阶梯阻抗谐振器均由两段具有不同特征阻抗和电长度的微带线相连构成，一端开路，另一端短路。短路端由金属通孔接地实现。所有阶梯阻抗谐振器和***环谐振器均与馈线平行耦合。
通过调节阶梯阻抗谐振器各段的特征阻抗和电长度可以实现几个不同频率的阻带特性；通过调节***环谐振器的物理尺寸也可以实现一个单一的阻带特性。组合由几个谐振器产生的阻带可以使得天线整体表现出五阻带特性。
有益效果：本发明具有如下优点：
1.天线具有超宽带特性(1-6.05GHz)，可以满足超宽带通信***要求；同时，天线可以产生五个频率的阻带，具有抗多频点干扰性能。
2.天线阻带的频率可以利用双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器设计公式进行计算得出谐振器的结构尺寸，因此具有阻带可调性，因此可以满足一些干扰频率特殊场合的应用。
3.双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器与传统的谐振结构相比具有体积小的特点。因此，利用这两种谐振器设计的天线是小型化的。同时，天线采用微带线作为馈线，可以方便与微波平面电路高度集成，适合移动小型化设备使用。
4.整个天线的各部分集成为一体，结构简单，全部利用PCB工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。
附图说明
图1为基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线的结构示意图，其中图1a为正面结构示意图，图1b为侧面结构示意图。
图2为实施实例1的***损耗(Return Loss)测量结果。
图3为实施实例1的输入电压驻波比(VSWR)测量结果。
下表面金属镀层2，上表面金属镀层3，天线辐射单元4，馈线部分5，L型连接部分6，渐变线7，第一双模阶梯阻抗谐振器8、第二双模阶梯阻抗谐振器9、第三双模阶梯阻抗谐振器10，零阶***环谐振器11、金属通孔12。
具体实施方式
本发明所提出的天线由半椭圆形式的辐射单元和由双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器构成的多阻带滤波器构成。天线的超宽带特性取决于辐射单元的形式和馈线与辐射单元的阻抗匹配。因此，有多种形式具有超宽带特性的辐射单元可供选择，常见的有：矩形圆形、椭圆形、半椭圆形等。辐射单元与馈线之间的阻抗匹配可以通过渐变馈线或者渐变金属地形式实现。另一方面，天线的多阻带特性则由双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器耦合馈线结构实现。阻带的频率可以通过对双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器物理尺寸的调节进行改变，并且有成熟的设计公式可供参考，这就使得设计工作大为简化。将具有超宽带特性的辐射单元与上述的多阻带滤波器相结合均可实现多阻带超宽带天线。此外，双模阶梯阻抗谐振器和零阶***环谐振器均具有体积小的特点，并且两者与馈线耦合的结构可以根据设计需要进行形状和布局上的调整，以满足电路小型化和紧凑布局的要求。
基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线包括一块介质基片1，和在介质基片1上下表面覆盖的下表面金属镀层2，上表面金属镀层3；下表面金属镀层2为馈线部分的地，采用了等腰梯形的设计，以满足馈线5和天线辐射单元4之间的阻抗匹配需求；上表面金属镀层3包含了如下几部分：天线辐射单元4、馈线5、第一双模阶梯阻抗谐振器8、第二双模阶梯阻抗谐振器9、第三双模阶梯阻抗谐振器10、零阶***环谐振器11，其中，天线辐射单元4采用半圆形以减小天线的整体尺寸，圆盘背后无金属地2分布，该单元形式具有超宽带特性；馈线5为微带线形式，并且采用了L型的直转角6，与天线辐射单元4相接部分还采用了渐变线7以提高阻抗匹配性能；第一双模阶梯阻抗谐振器8、第二双模阶梯阻抗谐振器9、第三双模阶梯阻抗谐振器10和***环谐振器11分别排布在馈线5两侧并与之相耦合构成多阻带滤波器；第一双模阶梯阻抗谐振器8、第二双模阶梯阻抗谐振器9、第三双模阶梯阻抗谐振器10的接地部分采用了金属通孔12实现。
实施例1基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线。
天线结构如图1所示，尺寸单位均为mm。本实施实例的基片尺寸为150×104.2×1。实测的天线***损耗(Return Loss)和输入电压驻波比(VSWR)的结果示于图2和图3。
所设计的天线实例包含半椭圆形天线和多阻带滤波器两部分。其中多阻带滤波器由多个双模阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators SIRs)和一个零阶***环谐振器(Split Ring Resonators SRRs)与馈线相耦合实现。天线具有超宽带天线工作带宽(1-6.05GHz)和五个阻带(1.28-1.39，1.51-1.61，2.99-3.11，4.02-4.35，4.88-5.16GHz)。

Claims (1)

1.一种基于小型化双模谐振器和零阶谐振器的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括一块介质基片(1)，和在介质基片(1)上下表面覆盖的下表面金属镀层(2)，上表面金属镀层(3)；下表面金属镀层(2)为馈线部分的地，采用了等腰梯形的设计，以满足馈线(5)和天线辐射单元(4)之间的阻抗匹配需求；上表面金属镀层(3)包含了如下几部分：天线辐射单元(4)、馈线(5)、第一双模阶梯阻抗谐振器(8)、第二双模阶梯阻抗谐振器(9)、第三双模阶梯阻抗谐振器(10)、零阶***环谐振器(11)，其中，天线辐射单元(4)采用半圆形以减小天线的整体尺寸，圆盘背后无金属地(2)分布，该单元形式具有超宽带特性；馈线(5)为微带线形式，并且采用了L型的直转角(6)，与天线辐射单元(4)相接部分还采用了渐变线(7)以提高阻抗匹配性能；第一双模阶梯阻抗谐振器(8)、第二双模阶梯阻抗谐振器(9)、第三双模阶梯阻抗谐振器(10)和***环谐振器(11)分别排布在馈线(5)两侧并与之相耦合构成多阻带滤波器；第一双模阶梯阻抗谐振器(8)、第二双模阶梯阻抗谐振器(9)、第三双模阶梯阻抗谐振器(10)的接地部分采用了金属通孔(12)实现。
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