CN103094676A - 带有t型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线。它是由T型结构带、圆环辐射体、矩形匹配枝节、过渡匹配枝节、共面金属板、微带馈线和介质基片构成。其中在微带馈线的前端加入圆环形结构的辐射体，以改变天线表面电流的路径，使天线工作在超宽带频段。在圆环辐射体的前端设计三个匹配枝节，以增加天线的谐振频率点，达到提高天线带宽的目的。在圆环辐射体的内部嵌入一条T型结构带，以实现天线的带阻功能，使天线在超宽带频段内具有阻带。本发明设计的天线能满足超宽带的技术要求，且在5.1GHz～5.8GHz之间实现良好的带阻特性。本发明天线由于结构小型紧凑，加工方便，易于与有源电路集成，在超宽带领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域中的一种具有带阻特性的超宽带天线，更特别地说，是由带有T型结构的圆环和矩形结构的匹配枝节实现其在3.0～11.0GHz超宽带频段内通信且在5.1～5.8GHz频段内具有带阻特性的超宽带天线。
背景技术
2002年2月，美国联邦通信委员会（FCC）批准将3.1～10.6GHz的频段作为超宽带（UWB）***可使用的频段。从那以后，无线超宽带***的设计得到越来越多的关注。UWB***具有优良的抗多径干扰，宽频带和高数据率等优点。而在无线UWB***中最重要的组成部分是UWB天线。对于UWB天线的要求，主要包括在超宽带内（3.0～11.0GHz）良好的阻抗匹配，稳定的增益和良好的全向辐射特性，并且要求天线小型化以及制造成本低廉。
UWB天线工作在如此宽的带宽内，可能接收到同一环境中在此频段内工作的来自其它通信或射频***的干扰信号，比如无线局域网（WLAN）的IEEE802.11a，频段工作在5.150～5.350GHz和5.725～5.825GHz，HIPERLAN/2频段工作在5.150～5.350GHz和5.470～5.725GHz，它们都将会对超宽带工作***构成干扰。因此设计一种具有带阻功能的超宽带天线，用来滤除其它窄带信号的干扰，是非常有必要和实际的。较常用的方法是在天线后面添加滤波器或者设计多个工作在不同频段的天线相互形成阻带以达到滤除干扰频段信号的功能，但这增加了天线的体积和成本。一个更有效的方法是通过在天线的辐射单元上添加T型、π型或U型结构带以改变辐射单元表面电流分布以达到带阻的功能，但是这通常只能提供一个阻带，不能彻底滤除潜在的干扰。T型结构能在天线中起到带阻特性在文献《Z.Liu,H.Deng,and X.He,A New Band-Notched UWBPrinted Monopole Antenna》（Global Symposium on Millimeter Waves,pp.291-294,2008）和《C.Hong,C.Ling,I.Tarn,and S.Chung,Designof a Planar Ultrawideband Antenna With a New-Notch Structure》（IEEETransation on Antennas Propagation,vol.55,no.12,pp.3391-3397,Dec.2007）中进行了具体分析。。
此外，超宽带单极子天线采用共面波导馈电，由于尺寸小，且在超宽带内具有阻抗匹配特性和全向辐射特性而在UWB领域广泛应用。文献《K.Lau,P.Li,and K.Man,A Monopolar Patch Antenna with Very WideImpedance Bandwidth》（IEEE Transation on Antennas Propagation, vol.53,no.3,pp.1004-1010,Mar.2005）公开一种超宽带单极子贴片天线。由共面波导馈电的超宽带天线具有低剖面，宽带宽，低功耗，易与电路集成等特点，因此广泛应用于通信***。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，不但满足了FCC提出的超宽带要求，而且在5.1GHz～5.8GHz实现了带阻功能，避免了使用天线设备之间的干扰。该天线结构简单，易于加工，便于与有源电路集成。
本发明的一种带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，该超宽带天线包括T型结构带（1）、圆环辐射体（2）、第一矩形匹配枝节（31）、第二矩形匹配枝节（32）、第三矩形匹配枝节（33）、过渡匹配枝节（4）、微带馈线（5）、左共面金属板（61）、右共面金属板（62）和介质基片（7）；
T型结构带（1）位于圆环辐射体（2）内；
第一矩形匹配枝节（31）位于圆环辐射体（2）外部的左侧；
第二矩形匹配枝节（32）位于圆环辐射体（2）外部的上方；
第三矩形匹配枝节（33）位于圆环辐射体（2）外部的左侧；
微带馈线（5）连接在圆环辐射体（2）外部的下方；
左共面金属板（61）位于微带馈线（5）的左侧；
右共面金属板（62）位于微带馈线（5）的右侧；
T型结构带（1）、圆环辐射体（2）、第一矩形匹配枝节（31）、第二矩形匹配枝节（32）、第三矩形匹配枝节（33）、过渡匹配枝节（4）、微带馈线（5）、左共面金属板（61）和右共面金属板（62）为覆铜蚀刻在介质基片（7）上。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明提供了一种小型化，能大量生产且在WLAN频段具有带阻特性的超宽带天线，能有效抑制潜在WLAN频段信号的干扰。
2.本发明中T型结构带、圆环辐射体、矩形匹配枝节、过渡匹配枝节、共面金属板和微带馈线均在介质基片的同一侧，具有结构紧凑简单，加工方便的优点。同时整个天线体积较小（26mm×34mm×1.6mm），重量轻，并且采用平面结构，易于与有源电路集成。
3.本发明采用T型结构带嵌入圆环辐射体的结构实现带阻的方式，通过控制T型结构带的长度和圆环辐射体的半径大小可方便控制阻带的中心频率，能适用于各种具体的需求。
4.本发明采用三个矩形匹配枝节分布在圆环辐射体上、左、右三端，增加天线的谐振频率点，从而改善高频率点的天线驻波比，扩宽天线的带宽，使天线更好地工作在超宽带频段内。
附图说明
图1是本发明超宽带天线的外部结构图。
图1A是本发明超宽带天线的俯视图。
图2是本发明随L11+L12变化天线驻波比的仿真结果图。
图3是本发明随R内变化天线驻波比的仿真结果图。
图4是本发明随L31变化天线驻波比的仿真结果图。
图5是本发明天线的驻波比仿真结果图。
图6是本发明天线的增益仿真结果图。
图7A是本发明天线在5GHz的E面的远场辐射方向图。
图7B是本发明天线在5GHz的H面的远场辐射方向图。
图8A是本发明天线在5.4GHz的E面的远场辐射方向图。
图8B是本发明天线在5.4GHz的H面的远场辐射方向图。
图9A是本发明天线在6GHz的E面的远场辐射方向图。
图9B是本发明天线在6GHz的H面的远场辐射方向图。
图10A是本发明天线在7GHz的E面的远场辐射方向图。
图10B是本发明天线在7GHz的H面的远场辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A所示，本发明是一种带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，该超宽带天线包括T型结构带1、圆环辐射体2、第一矩形匹配枝节31、第二矩形匹配枝节32、第三矩形匹配枝节33、过渡匹配枝节4、微带馈线5、左共面金属板61、右共面金属板62和介质基片7；
所述T型结构带1位于圆环辐射体2内；
第一矩形匹配枝节31位于圆环辐射体2外部的左侧；
第二矩形匹配枝节32位于圆环辐射体2外部的上方；
第三矩形匹配枝节33位于圆环辐射体2外部的左侧；
微带馈线5连接在圆环辐射体2外部的下方；
左共面金属板61位于微带馈线5的左侧；
右共面金属板62位于微带馈线5的右侧；
T型结构带1、圆环辐射体2、第一矩形匹配枝节31、第二矩形匹配枝节32、第三矩形匹配枝节33、过渡匹配枝节4、微带馈线5、左共面金属板61和右共面金属板62为覆铜技术蚀刻在介质基片7上。也就是说，T型结构带1、圆环辐射体2、第一矩形匹配枝节31、第二矩形匹配枝节32、第三矩形匹配枝节33、过渡匹配枝节4、微带馈线5、左共面金属板61和右共面金属板62为金属铜材料。为了实现与有源电路的集成，本发明设计的结构小型且紧凑，成本低且易于加工。
在本发明中，所述的T型结构带1嵌入在圆环辐射体2内，其目的是 为了在天线通带内提供一个5.1GHz～5.8GHz的带阻。T型结构带1的横向长记为L11和纵向长记为L12，T型结构带1的纵向宽记为W11和横向宽记为W12，T型结构带1的厚度记为h1（也是覆铜的厚度）。
在本发明中，所述的圆环辐射体2连接在微带馈线5的前端,圆环形结构改变天线表面电流的路径，使天线的能量可以更有效的向外辐射，为天线提供3.0GHz～11.0GHz超宽带带宽。圆环辐射体2的内半径记为R内，外半径记为R外，高记为h2。
在本发明中，分别设计三个矩形匹配枝节（第一矩形匹配枝节、第二矩形匹配枝节和第三矩形匹配枝节）的目的是为了增加天线的谐振频率点，从而改善天线的驻波比特性，达到提高天线带宽的目的。第一矩形匹配枝节31的长记为L31，宽记为W31，高记为h31；第二矩形匹配枝节32的长记为L32，宽记为W32，高记为h32；第三矩形匹配枝节33的长记为L33，宽记为W33，高记为h33，且L33＝L31，W33＝W31，h31＝h32＝h33；第一矩形匹配枝节31和第三矩形匹配枝节33距离介质基片7窄边的高度分别记为H31和H33，且H31＝H33。
在本发明中，所述的过渡匹配枝节4连接在圆环辐射体2与微带馈线5之间，实现天线的阻抗匹配，使天线带宽更有效展宽。过渡匹配枝节4的长记为L4，宽记为W4，高记为h4。
在本发明中，所述的右共面金属板61和左共面金属板62分布微带馈线5的两侧，微带馈线5和共面金属板6为天线构成了共面波导的馈电方式，在该馈电方式下便于天线与有源电路的集成。微带馈线5的长记为L5，宽记为W5，高记为h5；共面金属板6的长记为L6，宽记为W6，高记为h6。
在本发明中，所述的介质基片7的同一侧分布着T型结构带1、圆环辐射体2、矩形匹配枝节3、过渡匹配枝节4、微带馈线5以及共面金属板6，结构小型紧凑。在本发明中介质基片7采用介电常数为4.4，损耗正切角为0.02的FR4材料。介质基片7的长记为L7，宽记为W7，高记为h7。
在本发明中，T型结构带1、圆环辐射体2、矩形匹配枝节3、过渡匹配枝节4、微带馈线5以及共面金属板6均为铜或者铜箔材料。
在本发明中，T型结构带1、圆环辐射体2、矩形匹配枝节3、矩形过渡枝节4、微带馈线5、共面金属板6的尺寸在高度上是相同的，即h1＝h2＝h31=h32=h33=h4＝h5＝h6。
实施例1
为了对具有带阻特性的超宽带天线结构图1A和图1B中的参数值进行选取，本发明天线在安装有Ansoft HFSS的计算机上进行设计、仿真和 分析。所述计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作***为windows 2000/2003/XP。HFSS软件是由美国Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件，它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗，可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图、特定吸收率等结果，广泛应用于天线、馈线、滤波器等的设计和电磁兼容、电磁干扰、天线布局和互耦等问题的计算。
在本发明天线中，决定天线性能的主要参数是T型结构带1的长度L11和L12，圆环辐射体2的内半径R内，第一矩形匹配枝节31的长度L31，所以主要通过调整参数值L11+L12、R2和L31来达到本发明设计的天线的性能指标。
在本发明中，选取T型结构带1的长度L11+L12为分析参数的原因为：圆环辐射体2和T型结构带1在电路中等同于电感和电容，在圆环辐射体2内嵌入T型结构带1，从而引起在谐振频率处天线阻抗发生变换导致阻抗不匹配，产生一个阻带；调整T型结构带1的参数，其谐振频率点也会跟着变化，从而阻带的中心频率也会发生变化，由于T型结构带1的长度L11和L12比宽度W11和W12更易调整，所以选取T型结构带1的长度L11和L11作为谐振频率点的控制参数；而T型结构带1的长度L11和L12都需要测量，且长度L11和L12变化时产生的效果是等效的，所以为便于分析，把L11和L12组合在在一起采用L11+L12作为分析参数。
在本发明中，选取圆环辐射体2的内半径R内为分析参数的原因为：调整圆环辐射体2的参数，会改变电路中的等效电感值，从而会改变天线阻抗不匹配的程度，进而改变阻带的带宽；为了满足天线小型化的目的，保持圆环辐射体2的外半径R外不变，选取内半径R内作为阻带的带宽的控制参数，所以把R内作为分析参数。
在本发明中，选取第一矩形匹配枝节31的长度L31为分析参数的原因为：调整矩形匹配枝节的参数，会改变高频率处谐振频率点的大小，从而改变通带的带宽；矩形匹配枝节的参数中第一矩形匹配枝节31和第三矩形匹配枝节33比第二矩形匹配枝节32更易调整，长度L31和L33比宽度W31和W33更易调整，且第一矩形匹配枝节31的长度与第三矩形匹配枝节33的长度相同，即L31＝L33，所以把L31作为分析参数。
本发明天线主要参数对天线性能影响分析：
（A）调整T型结构带1中L11+L12的长度从7.9mm增加到9.9mm，其它参数如表1中参数值保持不变，通过HFSS仿真软件（HFSS 11）采集天线驻波比图的仿真结果（如图2所示）；
（B）调整圆环辐射体2的内半径R内从5.2mm增加到7.2mm，其它参数如表1中参数值保持不变，通过HFSS仿真软件（HFSS 11）采集天线驻波比图的仿真结果（如图3所示）；
（C）调整第一矩形匹配枝节3的长度L31从1.9mm增加到3.5mm，其它参数如表1中参数值保持不变，通过HFSS仿真软件（HFSS 11）采集天线驻波比图的仿真结果（如图4所示）。
图2可以看出L11+L12的长度值对阻带中心频率有很大的影响，当L11+L12的长度值从7.9mm增加到9.9mm，阻带的中心频率从5.6GHz变换到4.3GHz，而对通带影响很小。所以可以通过调节T型结构带1中L11+L12的长度来调节阻带的中心频率。
图3可以看出R内的长度值对阻带带宽有很大的影响，当R内从5.2mm增加到7.2mm，阻带中心频率对应的天线驻波比从4.3增加到8.0，而阻带中心频率减少得很小。所以可以通过调节调整圆环辐射体2内半径R内的长度来调节阻带的带宽。
图4可以看出L31的长度值对通带的上截止频率有很大的影响，当L31从1.9mm增加到3.5mm，通带的上截止频率减少到10.5GHz，而通带的下截止频率基本不变。所以可以通过调整第一矩形匹配枝节31中L31长度来调节通带的带宽。
采用HFSS软件对具有带阻特性的超宽带天线结构图中的参数值进行仿真分析，得到的参数如表1所示。
表1超宽带天线结构图中的参数对应的值
| 参数 | 参数值（mm） | 参数 | 参数值（mm） |
| L1x | 5.00 | W11 | 0.50 |
| L12 | 3.54 | W12 | 0.50 |
| L31 | 3.31 | W31 | 1.00 |
| L32 | 0.58 | W32 | 1.00 |
| L4 | 3.00 | W4 | 0.82 |
| L5 | 14.55 | W5 | 2.00 |
| L6 | 13.46 | W6 | 11.15 |
| L7 | 34.00 | W7 | 26.00 |
| h7 | 1.60 | H31 | 6.00 |
| R外 | 9.50 | R内 | 5.91 |
| h6 | 0.0018 |
由表1参数设计出的超宽带天线，通过HFSS仿真，得到天线的驻波比、增益和E面、H面的远场辐射方向图，分别如图5、6和7所示。
由图5可知，超宽带天线在5.1～5.8GHz的驻波比大于2，而在3.0～11.0GHz的其余频段内驻波比都小于2,所以超宽带天线在5.1～5.8GHz具有带阻特性。
由图6可知，超宽带天线在除了在阻带频段5.1～5.8GHz外的频率上都具有较好且平缓的增益，并且在阻带频段内的5.4GHz处的增益明显下降。
在图7A、图7B、图8A、图8B、图9A、图9B、图10A、图10B中，超宽带天线在5、5.4、6和7GHz的工作频率时，对应的E面和H面的主极化和交叉极化的远场辐射方向图。由图可知，在这些工作频率上，天线的H面的方向图是全向辐射，天线的E面的方向图是双向辐射。由于5.4GHz是在阻带频段内，所以图8A、图8B的方向图的增益明显低于图7A、图7B、图9A、图9B、图10A和图10B的方向图的增益。
由图5、6和7～10的仿真图可知本发明天线满足具有带阻特性的超宽带天线的性能指标，在3.0～11.0GHz超宽带通带内具有明显的5.1～5.8GHz阻带。
Claims (6)
1.一种带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：该超宽带天线包括T型结构带（1）、圆环辐射体（2）、第一矩形匹配枝节（31）、第二矩形匹配枝节（32）、第三矩形匹配枝节（33）、过渡匹配枝节（4）、微带馈线（5）、左共面金属板（61）、右共面金属板（62）和介质基片（7）；
T型结构带（1）位于圆环辐射体（2）内；
第一矩形匹配枝节（31）位于圆环辐射体（2）外部的左侧；
第二矩形匹配枝节（32）位于圆环辐射体（2）外部的上方；
第三矩形匹配枝节（33）位于圆环辐射体（2）外部的左侧；
微带馈线（5）连接在圆环辐射体（2）外部的下方；
左共面金属板（61）位于微带馈线（5）的左侧；
右共面金属板（62）位于微带馈线（5）的右侧；
T型结构带（1）、圆环辐射体（2）、第一矩形匹配枝节（31）、第二矩形匹配枝节（32）、第三矩形匹配枝节（33）、过渡匹配枝节（4）、微带馈线（5）、左共面金属板（61）和右共面金属板（62）为覆铜蚀刻在介质基片（7）上。
2.根据权利要求1所述的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：所述的T型结构带（1）嵌入在圆环辐射体（2）内，能够在天线通带内提供5.1GHz～5.8GHz的带阻。
3.根据权利要求1所述的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：所述的圆环辐射体（2）连接在微带馈线（5）的前端,圆环形结构改变天线表面电流的路径，使天线的能量更有效的向外辐射，为天线提供3.0GHz～11.0GHz超宽带带宽。
4.根据权利要求1所述的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：介质基片（7）采用介电常数为4.4，损耗正切角为0.02的FR4材料。
5.根据权利要求1所述的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：为了实现与有源电路的集成，所述带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线的结构满足尺寸关系为：
T型结构带（1）中L11+L12的长度从7.9mm增加到9.9mm；
圆环辐射体（2）的内半径R内从5.2mm增加到7.2mm；
第一矩形匹配枝节（3）的长度L31从1.9mm增加到3.5mm。
6.根据权利要求1所述的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于：设计的带有T型结构和匹配枝节的具有带阻特性的超宽带天线，在5.1～5.8GHz的驻波比大于2，而在3.0～11.0GHz的其余频段内驻波比都小于2,所以超宽带天线在5.1～5.8GHz具有带阻特性。
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