CN102064384A - 一种超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种超宽带天线。包括介质基板，在介质基板印制有辐射单元、馈电结构和接地面，辐射单元为叉形贴片，馈电结构为共面波导馈电结构，接地面为共面波导接地面。本发明采用共面波导结构，可以实现单一平面印刷天线结构；可以很容易的与微波集成电路集成；共面波导的接地面即可充当整个天线的接地面，特别是对于宽带槽结构的共面波导结构，不但能实现宽带工作，且也能有效的避免外届的对该天线的电磁干扰；可以很容易的实现宽频带阻抗带宽，且有利于提高天线的效率，从而获得更高的天线增益。

Description

一种超宽带天线 

技术领域

本发明涉及的是一种超宽带天线，该天线可以用于接受和发射无线电波。 

背景技术

由于无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化，超宽带以及与周围环境友好协调的方向发展，这使得宽频带，小型化，高增益成为国内外研究的热点课题之一。近年来，不需要钻孔和易于集成的共面波导结构日新月异，并且该结构可以通过照相或者光刻技术制作，并且有较好的极化特性，因此该技术已经应用在超宽带天线的设计和相关的微波电路元器件的设计中。然而目前的超宽带通信所占的频带和无线局域网有共用的部分，因此需要设计的天线能够降低，甚至不会给无限局域网带来干扰，因此设计带有陷波特性的超宽带天线成为目前研究的热点。如果没有适当的设计来抑制谐波共振和寄生发射，这样的天线将对附近的设备产生电磁干扰，危及***本身和邻近***的正常工作，特别是对目前使用的无线局域网***造成严重的干扰。传统的方式是添加滤波器是最常使用的方法，在***完成之后在天线单元和射频组件之间添加合适的滤波器来解决。通常这种方法会造成天线与微波电路不匹配，甚至减低***的整体效能，因此设计带有陷波特性的超宽带天线是解决此问题的重要方法之一。同时解决现有超宽带天线的一些缺点：(1)目前的超宽带天线大多数是采用微带单极子天线或者是共面波导馈电的单极子天线，这些天线的尺寸相对较大。近年来虽然基于槽式天线的超宽带天线能够满足UWB(3.1GHz-10.6GHz)的应用需求，但是这些天线的馈电方式比较复杂，不便于实际的调试和生产。(2)目前大多数超宽带天线，在***集成时通常需要钻孔，使用电抗元件等方式和射频前端连接，因此增加***的复杂性，降低了***的效能，不能满足小型化的需求。(3)目前的超宽带天线，大多数是仅仅满足UWB(3.1GHz-10.6GHz)的应用需求，不能兼容WLAN(2.4GHz-2.483GHz)的应用。(4)近年来，学术界提出的大多数带有陷波特性的超宽带天线，大都是采用在接地面和辐射单元上刻蚀各种各样的槽实现陷波特性，因此刻蚀的槽会产生电磁波的泄露，影响天线的辐射方向图。 

传统的印刷超宽带天线主要是圆锥天线和印刷盘锥天线，为了减小体积，中国专利“一款超宽带阶梯地板印刷单极子天线，申请编号2005100242288.7”阐述了一种基于阶梯型接地板和椭圆形辐射单元的超宽带天线，但该天线的带宽有限，仍不能满足UWB的应用，且不能克服UWB和WLAN的电磁干扰问题。文献“Harmonic Control For An Integrated Microstrip AntennaWith Loaded Transmission Line，Shun-Yun Lin，Kuang-Chih Huang，and Jin-Sen Chen.MicrowaveAnd Optical Technology Letters，Vol.44，No.4，February，2005”，提出一种利用周期结构抑制谐 波，采用额外的周期性滤波器结构产生陷波特性，实现UWB和WLAN的协同工作，但是体积较大，且结构复杂。为了克服上述缺点，文献“Design of a 5.8-GHz Antenna Incorporating a NewPatch Antenna，Ching-Hong K.Chin，Quan Xue，Chi Hou Chan，IEEE Antennas And WirelessPropagation，Vol.4，2005”，阐述了在共面波导馈电信号线上刻蚀滤波器的方法，产生陷波的特性，但是体积仍然较大，不能很好的实现***的小型化设计，且该天线的制作要求相对较高。文献“A miniaturized monopole antenna for ultra-wide band applications with band-notch Filter，B.Ahmadi，R.Faraji-Dana，IET Microw.Antennas Propag.，2009，Vol.3，No.14，pp.1224-1231.”阐述了刻蚀U形槽和V形槽的带有陷波特性的超宽带天线，但是体积较大，且采用渐变馈电结构，给设计和调试带来不便。文献“Compact CPW-fed ultra-wideband antenna with dualband-notched characteristics，Y.S.LI，X.D.Yang，C.Y.Liu，T.Jiang，Electronics Letters，2010，vol.46，No.14”，采用在辐射源单元上刻蚀倒U形槽和在共面波导接地面上刻蚀H形槽，来产生陷波特性，该天线采用在共面波导接地面上刻蚀槽的形式，使得部分电磁波外泄，影响天线的辐射方向图。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、工作带宽宽，便于批量生产，且成本低廉的超宽带天线。 

包括介质基板，在介质基板印制有辐射单元、馈电结构和接地面，辐射单元为叉形贴片，馈电结构为共面波导馈电结构，接地面为共面波导接地面。 

本发明还可以包括： 

1、在叉形辐射单元中间设置一条调谐微带线。 

2、在共面波导接地面的左边和右边对称的刻蚀一对倒L形槽。 

3、共面波导馈电结构为调谐微带线，所述调谐微带线是矩形结构的微带线和I形结构的微带线。 

本发明属于共面波导馈电的单极子天线，该天线印制在介质基板上，其辐射单元为叉形贴片，采用共面波导馈电结构，同时在共面波导左边和右边的接地面上对称的刻蚀一对倒L形槽，从而有效的增加天线的阻抗带宽，使得所设计的天线能覆盖WLAN(2.4GHz-2.483GHz)和UWB通信带宽；同时在叉形辐射单元中间***一条调谐微带线，从而产生一个陷波带宽，实现UWB和WLAN(5.15GHz-5.825GHz)的协同工作。该天线具有良好的阻抗带宽和陷波特性，结构简单，且陷波带宽的中心频率可以调节，因此大大增加了其适用范围。本发明采用印刷天线结构和共面波导结构，大大降低了天线体积，且比较容易和射频前端微波集成电 路集成。调谐微带线，可以采用矩形结构的微带线和I形结构的微带线，采用这些结构可以进一步缩小天线的尺寸，实现天线的小型化，同时可以有效的产生陷波带宽，抑制不需要的频带。 

为了采用单一平面印刷天线结构，而同时又能满足其超宽带的阻抗特性需求，本发明采用以下几种措施： 

1、采用在共面波导接地面上刻蚀倒L形槽的结构，增加电流流经接地面的电流长度，进一步增加天线的阻抗带宽。 

2、利用共面波导的形式实现单一平面印刷天线结构，同时也便于和微波集成电路集成。 

3、采用共面波导接地面包围在辐射单元的周围，以便在超宽带范围内能够与SMA接头实现较好的阻抗匹配特性。 

4、采用调谐开路微带线形式，实现陷波特性，从而有效的降低天线的体积。 

使用共面波导结构的优点： 

1、采用共面波导结构，可以实现单一平面印刷天线结构。 

2、采用共面波导结构，可以很容易的与微波集成电路集成。 

3、采用共面波导结构，共面波导的接地面即可充当整个天线的接地面，特别是对于宽带槽结构的共面波导结构，不但能实现宽带工作，且也能有效的避免外届的对该天线的电磁干扰。 

4、采用共面波导结构可以很容易的实现宽频带阻抗带宽，且有利于提高天线的效率，从而获得更高的天线增益。 

本发明与现有技术相比，具有显著的优点为： 

1、本发明可以实现更宽的阻抗带宽，该超宽带天线采用在共面波导接地面上刻蚀一对对称的倒L形槽，这对倒L形槽有效的增加流经表面的电流的长度，从而增加天线的阻抗带宽。该超宽带天线可以覆盖2.38GHz-11.6GHz的阻抗带宽，同时在WLAN频段内产生一个陷波带宽，抑制WLAN的潜在干扰，实现UWB和WLAN的协同工作； 

2、本发明所设计的超宽带天线印刷在介质基板上同一面，采用叉形辐射单元，类似于偶极子的形式，有利于天线辐射单元的设计； 

3、采用宽带槽设计结构，在共面波导的接地面上挖去一个矩形槽，形成宽带槽结构，有效的增加天线的阻抗带宽，同时有效增强辐射单元和共面波导接地面之间的耦合。同时宽带槽包围着辐射单元，有利于降低电磁干扰； 

4、采用共面波导馈电结构，便于展宽阻抗带宽； 

5、本发明引入滤波器设计理论与技术和开路/短路微带线调节技术。在辐射单元的叉形贴片之间***一条调谐微带线，产生陷波特性。本发明采用开路的微带线，调节陷波的中心频率和带宽。该结构省去滤波器的设计，降低设计成本和***的复杂性，同时提高***的整体效能，也缩小了整体体积； 

6、采用调谐微带线产生陷波带宽，避免在辐射单元和接地面上刻蚀槽，从而避免电磁波的泄露，有效的提高天线的辐射特性。且该天线结构简单，紧凑，体积小，加工方便，成本低。 

附图说明

图1为本发明实施实例1的基本结构俯视图； 

图2为本发明实施实例1的基本结构正视图； 

图3为测试的本发明实施实例1的驻波特性曲线； 

图4为测试的本发明实施实例1在4GHz的辐射方向图； 

图5为测试的本发明实施实例1在GHz面辐射方向图； 

图6为测试的本发明实施实例1在9.5GHz面辐射方向图； 

图7为本发明实施实例2的基本结构的俯视图； 

图8为本发明实施实例2的驻波曲线； 

图9为本发明实施实例3的基本结构的俯视图。 

具体实施方式

下面结合附图举例本对发明做更详细地描述： 

实施实例1： 

本发明的一个实例如图1和图2所示。它有介质基板107、辐射单元104、共面波导馈电信号带线106、调谐微带线103，宽槽101，两个倒L形槽105和共面波导接地面102组成。该天线的共面波导馈电信号带线106的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面102连接。根据图1和图2所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性。 

参数的设定： 

1、调谐微带线 

该天线的陷波特性主要是在叉形辐射单元之间***一条开路调谐微带线实现的，该调谐 微带线相当于一个带阻滤波器，在某一需要的频带产生一个调谐带宽。根据相关的微波理论和开路/短路微带线理论，该调谐微带线的长度约为所设计的陷波带宽中心频率的1/4。且陷波带宽中心频率的有效波长可以采用λ_n＝c/(f_nε_eff)计算得出。其中c为光速，f_n为陷波的中心频率，有效介电常数ε_eff≈(ε_r+1)/2。由于该调谐微带线对谐波带宽和陷波频率起着决定性的作用，因此再设计时可以根据设计需求，对其进行优化，同时，本发明采用调谐微带线的形式，避免在辐射单元或者是接地面上刻蚀槽的形式实现陷波特性，因此该结构能有效的改善天线的辐射特性。 

2、倒L形槽的设计 

根据该天线的电流分布，在共面波导接地面的左右各刻蚀一个倒L形槽，该结构能有效的改变流经共面波导接地面的电流程度，从而增加天线的阻抗带宽，使该天线能覆盖2.38GHz-11.6GHz，满足UWB和2.4GHz的应用需求。 

3、共面波导的设计 

整个天线在共面波导的馈电结构的阻抗为50Ω，而共面波导的接地面采用围绕辐射贴片的结构，因此在中间部分和上下端部分采用不一致的宽度，有益于阻抗的匹配。共面波导的阻抗与共面波导馈电信号带线106的导带宽度和长度、以及共面波导接地面与辐射单元的缝隙、介质基板107的厚度和介电常数有关，只要改变一个参数，而其它的参数不便就能改天线的特性阻抗。为此还可以利用常用的计算公式来计算共面波导的特性阻抗。 

4、介质基板的选择 

介质基板的介电常数一般在2-9.8之间，本发明采用的介电常数为2.65的聚四氟乙烯板，该基板价格较低，损耗较小，基于上述要求。在实际中，可根据实际应用采用介电常数损耗角小的介质基板，如介电常数损耗角小于10^-2的基板。本发明采用的介质基板的厚度为1.6mm，满足所需的强度。 

5、天线的连接接头可以采用N型接头或者是SMA接头，根据生产要选择。 

图3为测试的驻波比曲线，从图上可以看出在驻波比(≤2∶1)的阻抗带宽是2.38-11.6GHz，满足超宽带通信的需求，在5-6GHZ之间有一个陷波特性，可以消除或者降低超宽带天线对无线局域网的电磁干扰。 

实施实例2： 

如图7所示，本发明的另一种实施实例是该天线没有两个倒L形槽，该天线辐射单元204、共面波导馈电信号带线206、调谐微带线203，宽槽201组成。整个天线印刷在介电常数为2.65的介质基板上。该天线的共面波导馈电信号带线206的下端与SMA内导体连接。 SMA的外导体与共面波导接地面202连接。根据图7所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性。该天线的陷波特性仍由调谐微带线实现，通过调节调谐微带线的长度和宽度，可以调节陷波的中心频率和陷波的带宽。 

实施实例3： 

如图9所示，本发明的另一种实施实例是辐射单元直接由叉形贴片构成，没有两个倒L形槽和调谐微带线。该天线辐射单元304、共面波导馈电信号带线306、宽槽301组成。整个天线印刷在介电常数为2.65的介质基板上。该天线的共面波导馈电信号带线306的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面302连接。根据图9所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性。 

Claims (5)

1.一种超宽带天线，包括介质基板，在介质基板印制有辐射单元、馈电结构和接地面，其特征是：辐射单元为叉形贴片，馈电结构为共面波导馈电结构，接地面为共面波导接地面。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带天线，其特征是：在叉形辐射单元中间设置一条调谐微带线。

3.根据权利要求1或2所述的一种超宽带天线，其特征是：在共面波导接地面的左边和右边对称的刻蚀一对倒L形槽。

4.根据权利要求1或2所述的一种超宽带天线，其特征是：共面波导馈电结构为调谐微带线，所述调谐微带线是矩形结构的微带线和I形结构的微带线。

5.根据权利要求3所述的一种超宽带天线，其特征是：共面波导馈电结构为调谐微带线，所述调谐微带线是矩形结构的微带线和I形结构的微带线。

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