CN102299420A

CN102299420A - 一种环形多陷波超宽带天线

Info

Publication number: CN102299420A
Application number: CN2011101635963A
Authority: CN
Inventors: 李迎松; 杨晓冬; 吴成云; 白玉
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明的目的在于提供一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线，辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线均固定在介质基板上，共面波导馈电信号带线布置在辐射单元下方，共面波导接地面有两个、且布置在共面波导馈电信号带线两侧。本发明不仅有利于与微波集成电路集成，而且还能实现***的紧凑设计；采用共面波导馈电结构，便于展宽阻抗带宽；在环形辐射单元内部设置多个开槽调谐微带线，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。

Description

一种环形多陷波超宽带天线

技术领域

本发明涉及的是一种平面印刷板天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线通信的依赖越来越强，从第一代移动通信的AMPS，TACS，NMT等模拟***，第二代的GSM，IS-95等数字通信***，发展到现在的MT-2000，UMTS，TD-CDMA，WCDMA等第三代移动通信***。通信的容量越来越大，语音的传输质量越来越好，提供的服务越来越多，移动通信对人们的生活和工作也起着越来越大的作用。然而，目前的设备都在朝着小型化，宽频带的通信方向发展，特别是2002年，美国联邦通信委员会(FCC)把3.1GHz-10.6GHz作为超宽带通信频段公布以来，超宽带通信技术成为国内专家和学者研究的热门课题之一，超宽带天线作为超宽带通信***的重要组成部分，也随之得到了国内外专家的广泛研究。

近年来，国内外的学者都在超宽带通信上提出了很多解决方案，但是作为无线通信的重要组成部分的超宽带天线都是采用各式各样的结构实现超宽带工作。除此之外，无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化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。而目前的超宽带通信所占的频带与无线局域网或者是其它的窄带***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等窄带***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窄带***造成严重的干扰，甚至不能实现正常通信。传统的方式是在***设计完成之后或者是在天线的后面添加滤波器的方法抑制或者消除不需要的信号。通常这种方法会造成天线与微波电路不匹配，甚至降低***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和槽线的结合尺寸加工精度要求高，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)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 Antenna With Loaded TransmissionLine，Shun-Yun Lin，Kuang-Chih Huang，and Jin-Sen Chen.Microwave And OpticalTechnology 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-GHzAntenna Incorporating a New Patch Antenna，Ching-Hong K.Chin，Quan Xue，ChiHou Chan，IEEE Antennas And Wireless Propagation，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“Aminiaturized monopole antenna for ultra-wide band applications with band-notchFilter，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“CompactCPW-fed ultra-wideband antenna with dual band-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。

综上所述，目前提出的超宽带天线主要是采用单极子的形式实现超宽带特性，为了实现超宽带***与目前使用的窄带***之间的兼容，目前国内外学者主要采用在天线的后集成滤波器，在辐射单元上刻蚀各种各样的槽抑制带外信号和寄生信号，但是以上技术增加了天线的体积，而在天线上刻蚀各种各样的槽抑制带外信号和寄生信号的方法，破坏了天线的辐射单元的形状，从而造成电磁波泄漏，影响天线的辐射方向图。

为了进一步改善天线的辐射特性，同时实现超宽带通信***与目前使用的窄带***的协同工作，文献“Small Square Monopole Antenna for UWBApplications with Variable Frequency Band-Notch Function，M.Ojaroudi，G.Ghanbari，N.Ojaroudi，C.Ghobadi，IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2009，Vol.8，pp.1061-1064.”和文献“Compact Monopole Antenna withBand-notched Characteristic for UWB Applications，H.W.，Liu，C.H.，Ku，T.S.，Wang，C.F.，YANG，IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2010，pp.397-400”提出了利用微带调谐线的实现陷波的方法，这两种天线采用微带馈电的方法，但是天线的体积较大，且需要调节的参数较多，同时不便于多陷波特性的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供结构简单、工作带宽宽、印刷在介质基板的一面的一种环形多陷波超宽带天线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线，辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线均固定在介质基板上，共面波导馈电信号带线布置在辐射单元下方，共面波导接地面有两个、且布置在共面波导馈电信号带线两侧。

本发明还可以包括：

1、所述的辐射单元为环形辐射单元，环形辐射单元包括圆形环形辐射单元、矩形环形辐射单元、三角形环形辐射单元。

2、所述的环形辐射单元上安装调谐微带线。

3、所述的调谐微带线为开槽调谐微带线。

4、所述的开槽调谐微带线的结构包括L形结构和T形结构。

5、所述的开槽调谐微带线个数为2或3个。

6、所述的介质基板为聚四氟乙烯介质基板，且介电损耗正切角不大于10-2。

7、所述的共面波导接地面为矩形。

8、所述的两个矩形的共面波导接地面靠近环形辐射单元一侧分别切去一个圆弧形角。

本发明的优势在于：本发明可以实现超宽带的阻抗带宽；本发明所设计的天线印刷在介质基板上同一面，由环形辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电结构和开槽调谐微带线组成，该结构不仅有利于与微波集成电路集成，而且还能实现***的紧凑设计；采用共面波导馈电结构，便于展宽阻抗带宽；在环形辐射单元内部设置多个开槽调谐微带线，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；采用调谐微带线技术，结构简单，设计容易，且可以根据所需要的谐波带宽，经计算得出调谐微带线的尺寸；本发明设计的环形多陷波超宽带天线结构简单，紧凑，体积小，加工方便，成本低。

附图说明

图1为本发明的实施方式1的基本结构俯视图；

图2为本发明的实施方式1的基本结构主视图；

图3为本发明的实施方式1的基本结构侧视图；

图4为本发明的实施方式2的基本结构俯视图；

图5为本发明的实施方式3的基本结构俯视图；

图6为本发明的实施方式4的基本结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明一种环形多陷波超宽带天线，包括介质基板105、辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线，辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线均固定在介质基板105上，共面波导馈电信号带线布置在辐射单元下方，共面波导接地面有两个、且布置在共面波导馈电信号带线两侧。

本发明采用的技术方案为：

1、根据有限地共面波导结构的馈电方式和相关的计算公式计算出有限地共面波导的共面波导馈电信号带线的尺寸以及共面波导馈电信号带线与共面波导接地面之间的缝隙尺寸。

2、设计满足超宽带通信的环形超宽带天线，通过调整环形辐射单元的几何尺寸和环形辐射单元与共面波导接地面之间的耦合缝隙设计环形超宽带天线，并利用基于有限元方法的高频结构仿真软件HFSS对设计的天线进行优化，是所设计的天线能够满足超宽带通信的需求。

3、根据开路/短路调谐微带线技术理论设计需要的调谐微带线，并利用基于有限元方法的高频结构仿真软件HFSS对所设计的天线进行仿真分析和表面电流分析。根据仿真分析和开路/短路调谐微带线技术理论，在调谐微带线开槽，形成开槽调谐微带线，并根据所需的陷波频率，对设计的天线进行优化，得到所要的多陷波超宽带天线。

本发明所设计的环形多陷波超宽带天线，是在环形辐射单元内部设置多个开槽调谐微带线形成陷波特性，开槽调谐微带线的有效长度可以采用λ_n＝c/4(f_nε_eff)计算得出。其中c为光速，f_n为陷波特性的中心频率，ε_eff为有效介电常数。上述介质板的介电常数在2-9.8之间，且介电常数损耗角小于10^-3。

实施方式1：

如图1，图2和图3所示。它有开槽调谐微带线101、环形辐射单元102、共面波导接地面103、共面波导馈电信号带线104和介质基板105组成。该天线的共面波导馈电信号带线104的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面103连接。根据图1，图2和图3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多陷波特性。

天线参数的设计：

1、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10-3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。

2、共面波导馈电结构的设计

整个天线的共面波导的馈电结构的阻抗为50Ω，根据有限地共面波导馈电结构的计算公式，计算出共面波导馈电信号带线104的宽度，以及共面波导馈电信号带线104与共面波导接地面之间的缝隙的宽度。共面波导的阻抗与共面波导馈电信号带线104的导带宽度、以及共面波导馈电信号带线104与共面波导接地面之间的缝隙的宽度、介质基板105的厚度和介电常数有关，只要改变一个参数，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有限接地面共面波导的特性阻抗。

3、环形辐射单元的设计

根据微带天线知识和单极子天线的基本理论，设计满足超宽带通信的环形辐射贴片单元。可以调节环形辐射单元的几何尺寸，环形辐射单元与共面波导接地面之间的耦合缝隙等对所设计的天线进行优化，使所设计的天线能够满足超宽带通信的需求。

4、开槽调谐微带线的设计

根据开路调谐微带线的理论知识，根据陷波中心频率设计满足需要的调谐微带线，形成开路的四分之一开路线，产生一个谐振频率，进而产生一个陷波特性，有效的避免超宽带***和目前使用的窄带***之间的相互干扰。为了进一步减小天线的尺寸，在微带调谐线上开槽，形成开槽调谐微带线，该技术有效的改变天线的电流分布，进一步减小多陷波天线的尺寸，同时改变天线的环形辐射单元结构。

该天线不仅能实现超宽带通信需求，同时还能产生多陷波特性，实现超宽带***与目前使用的窄带***的协同通信。开槽调谐微带线产生一个四分之一波长的谐振频率，能够抑制带外信号和不需要的寄生信号，降低***之间的相互干扰，有利于电磁兼容设计。

实施方式2：

如图4所示，在共面波导接地面靠近环形辐射单元部分切去两个圆弧形角，这样不仅能改善环形辐射单元与共面波导接地面之间的耦合电容和耦合电感，而且还能增加天线的阻抗带宽。该天线由调谐微带线201、环形辐射单元202、共面波导接地面203、共面波导馈电信号带线204和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线204的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面203连接。为了实现陷波特性，环形辐射单元内部的开槽调谐微带线可以采用调谐微带线代替，这样仍可以实现超宽带通信的需求，同时调谐微带线可以产生陷波特性，抑制不需要的带外信号，实现超宽带通信***与目前的摘到***之间的协同工作，但是该天线的尺寸比实施方式1的尺寸大。

实施方式3：

如图5所示，去掉开槽调谐微带线和调谐微带线，改天线可以用作超宽带天线使用，该天线由环形辐射单元302、共面波导接地面303、共面波导馈电信号带线304和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线304的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面303连接。结构简单，便于设计和实现，且易于和微波集成电路集成。

实施方式4：

如图6所示，采用矩形圆环代替圆环，该天线仍可以用作超宽带天线使用。为了实现陷波特性，在矩形环的内部设置两个L形调谐微带线实现陷波特性。它有调谐微带线401、矩形环辐射单元402、共面波导接地面403、共面波导馈电信号带线404和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线404的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面403连接。可以通过调节矩形环的结构尺寸，矩形环与共面波导接地面之间的缝隙，实现超宽带工作。该天线的陷波特性可以通过调节两个L形调谐微带线的尺寸，实现多陷波功能。该天线结构简单，便于设计和实现，且易于和微波集成电路集成。

Claims

1.一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线，辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电信号带线均固定在介质基板上，共面波导馈电信号带线布置在辐射单元下方，共面波导接地面有两个、且布置在共面波导馈电信号带线两侧。

2.根据权利要求1所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的辐射单元为环形辐射单元，环形辐射单元包括圆形环形辐射单元、矩形环形辐射单元、三角形环形辐射单元。

3.根据权利要求2所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的环形辐射单元上安装调谐微带线。

4.根据权利要求3所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的调谐微带线为开槽调谐微带线。

5.根据权利要求4所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的开槽调谐微带线的结构包括L形结构和T形结构。

6.根据权利要求5所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的开槽调谐微带线个数为2或3个。

7.根据权利要求6所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的介质基板为聚四氟乙烯介质基板，且介电损耗正切角不大于10。

8.根据权利要求7所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的共面波导接地面为矩形。

9.根据权利要求8所述的一种环形多陷波超宽带天线，其特征是：所述的两个矩形的共面波导接地面靠近环形辐射单元一侧分别切去一个圆弧形角。