CN103943960A - 一种在馈线和贴片同时加载阻带单元的新型多陷波超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陷波超宽带天线的设计，属于电磁波传播与接收的技术领域。本发明提出了一种在馈线和辐射贴片同时加载阻带单元的多陷波超宽带天线，具体而言，在辐射贴片中采用1/4波长的开口槽，同时在馈线两侧加载不同尺寸的C形半波长开路谐振单元，实现了三阻带陷波超宽带天线，可以滤除来自WiMAX(3.3-3.6GHz)、WLAN(5.15GHz-5.35GHz，5.725GHz-5.825GHz)***的干扰。该天线具有各阻带频点独立可调、各阻带带宽独立可调的优点。仿真结果和实测结果证明了该天线良好的多频滤波特性。

Description

一种在馈线和贴片同时加载阻带单元的新型多陷波超宽带天线

技术领域

本发明提出了一种滤除WiMAX***(3.3-3.6GHz)和WLAN***(5.15GHz-5.35GHz、5.725GHz-5.825GHz)干扰的多频带陷波超宽带天线，属于电磁波传播与接收的技术领域。

背景技术

自从FCC(Federal Communications Commission，联邦通信委员会)将3.1GHz-10.6GHz颁发给商业的超宽带通信频段以后，UWB技术(Ultra Wide Band，超宽带)就成为了室内短距离高速通信最有前途的技术之一。然而，在整个超宽带频率范围内，一些窄带***的存在会对超宽带通信产生干扰，例如WiMAX***和WLAN***。作为超宽带***的核心器件，超宽带天线对***的整体性能具有很大的影响，为了在天线端实现滤除窄带***的干扰，研究陷波超宽带天线具有重大的意义。

1.UWB技术

2002年，FCC批准将3.1GHz-10.6GHz频段作为商用UWB应用频段。UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。由于其具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

UWB技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。超宽带通信技术大约起源于20世纪40年代，最初发展形式相对单一，仅为无线脉冲通信(文献1，Schantz H G.A brief history of UWB antennas[J].IEEE Aerospace and Electronic SystemsMagazine,2004,19(4):22-26.)。从技术领域来讲，超宽带通信技术是一种对那些窄脉冲(其脉冲宽度在0.20-1.5ns之间)进行无载波调制的通信技术，也被称为无载波(Carrier Free)、时域(Time Domain)或脉冲无线电(Impulse Radio)通信。超宽带通信技术具有千兆量级的带宽，并且所需发射能量很小，所以在不占用现今拥挤不堪频率资源的情况下，它将为我们带来一种全新的数据及语音通信方式。从性能来讲，超宽带技术是一种传输速率可以超过100Mbps，并且绝对带宽大于0.5GHz或者相对带宽比高出20％的通信***(文献2，Yarovoy A G,LigthartL P.Ultra-wideband technology today[C].Microwaves,Radar and Wireless Communications,2004.MIKON-2004.15th International Conference on.IEEE,2004,2:456-460.)。

2.平面单极子天线

印刷单极子天线是由单极子天线发展而来，采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)技术，实现单极子天线的平面化。平面印刷单极子天线具有价格低廉、重量轻便、易于制作的优点，同时易于集成，这在集成度越来越高的电子设备中具有很大的优势。目前印刷单极子天线的辐射主体形状各异，有铁钩形、直条形、倒F形等等。

平面单极子天线由于其很宽的阻抗带宽、易于制作、良好的辐射特性等优点使得其可用于UWB***中，目前常见的超宽带印刷单极子天线有圆贴片、方形贴片、椭圆贴片、五边形贴片、六边形贴片、渐变形贴片等等。

本发明采用了一种圆形贴片单极子天线(文献3，Liang J,Chiau C C,Chen X,et al.Study ofa printed circular disc monopole antenna for UWB systems[J].Antennas and Propagation,IEEETransactions on,2005,53(11):3500-3504.)，该天线具有结构简单、阻抗带宽较宽、辐射特性稳定、时域特性良好等优点，可以覆盖2.4GHz-10.3GHz频率段。

3.超宽带天线陷波技术

在超宽带天线的工作频段内，存在几个窄带的无线通信***，比如全球微波接入(WiMAX：3.3GHz-3.6GHz)、无线局域网(WLAN)技术(例如802.11a标准：5.15-5.35GHz、5.7125GHz-5.825GHz)，为了滤除来自这些***的潜在干扰，通常需要在***中加入滤波器，但这无疑增加了***的成本和复杂程度。一个更简单有效的方法则是设计陷波超宽带天线，在天线端即可实现滤波功能。所谓陷波超宽带，是指在特定的频段具有滤波特性，陷波频段内的能量不能被有效辐射和接收，从而在天线端即可实现滤波特性，省去了在***中加入滤波设备的额外工作。

按照陷波实现位置划分，目前的陷波技术可分为：在辐射贴片处实现阻带；在馈线处实现阻带；在接地面实现阻带。

按陷波实现方法划分，目前的滤波技术可分为：开槽(圆弧槽、U形槽、矩形槽等)技术；加寄生贴片技术；加谐振条技术；运用分形技术和遗传算法技术。

目前单频带陷波超宽天线的主要问题是单频阻带过宽并且不能调节，浪费了很大的有用带宽。因此有很多文献实现了多频带陷波超宽带天线。例如文献4(文献4，Chu Q X,Yang YY.A compact ultrawideband antenna with3.4/5.5GHz dual band-notched characteristics[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2008,56(12):3637-3644.)通过在辐射贴片中开两个C形的槽实现了3.4-GHz和5.5-GHz两个频段的双频带陷波超宽带天线。由于两个C形槽相隔很近，相互之间的耦合很强，因此很难对两个阻带独立进行调节。在文献5(文献5，Zhang Y,Hong W,Yu C,et al.Planar ultrawideband antennas with multiple notched bands based onetched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2008,56(9):3063-3068.)中，通过引入多个阻带单元，实现了多频带的陷波超宽带天线，但是有些频段并不是超宽带频带内指定的阻带。文献6(文献6，Ryu K S,Kishk A A.UWB antenna with single or dual band-notches for lower WLAN band and upperWLAN band[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,2009,57(12):3942-3950.)中，在辐射贴片周围利用两个寄生条分别实现了5.2GHz和5.8-GHz两个频段的阻带，使得阻带之间的有用频段可以正常使用。虽然单频的阻带具有可调效果，但是由于两个寄生条之间空间的限制导致两者的耦合比较严重，要实现双频阻带独立可调并不简单。文献7(文献7，PengL,Ruan C L.UWB band-notched monopole antenna design using electromagnetic-bandgapstructures[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,2011,59(4):1074-1081.)中，在天线馈线两侧加载不同尺寸的EBG结构实现了双频独立可调的陷波超宽带天线。原理是将阻带单元分别置于天线的两侧，通过空间的相对独立性实现了双阻带的带宽和频点独立可调的特性。但是文献在仿真过程中并未考虑介质损耗角正切的影响，导致天线实测中第二个阻带的驻波比比较小，不具有明显的阻带效果。文献8(文献8，Zhu F,Gao S,Ho T,et al.Multiple Band-Notched UWB Antenna with Band-Rejected Elements Integrated in the Feed Line[J].2013.)中，通过使用高介电常数和低损耗的介质，在天线馈线加载1/4波长的金属条和1/4波长的开口槽，实现了多阻带的陷波超宽带天线，该天线具有很强的滤波效果，在阻带内增益分别减小了15dB和10dB。但是在三阻带超宽带天线中，阻带的范围过宽，只剩下很小的一部分可用带宽。

根据以上特点，本发明提出了一种新的阻带实现方式——将不同位置实现滤波技术的方法相结合，即在天线馈线和辐射贴片分别加载阻带单元，实现多频带陷波超宽带天线。该方法可以实现两者阻带的线性叠加，且相对原阻带没有明显的偏移。另外，由于各阻带单元具有空间的相对隔离性，同时处于天线的不同端，具有不同的陷波机理，因此该超宽带天线具有各阻带独立可调的特性。

发明内容

本发明设计的多频带陷波超宽带天线是由微带线馈电的单极子圆贴片天线构成。将馈线陷波和辐射贴片陷波相结合，实现多频独立可调的陷波超宽带天线。具体而言，首先在辐射贴片上开了一个矩形的开口槽，槽的长度为1/4的导波波长，槽的宽度主要影响阻带的带宽。本发明利用开口槽实现了3.08-3.74GHz的阻带，用于滤除来自WiMAX***的干扰。其次在馈线处加载了C形半波长开路谐振单元，谐振单元的总长度为阻带中心频率的二分之一波长，阻抗带宽主要由耦合间距、谐振单元线宽决定。通过在馈线处加载一个谐振单元，实现了4.88-6.18GHz的阻带，通过在馈线处两侧加载不同尺寸的谐振单元，实现了4.69-5.43GHz、5.64-6.10GHz双阻带，用于滤除来自WLAN***的干扰。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、辐射贴片采用的陷波技术简单易实现，阻带中心频点和带宽易调节，且引进该陷波技术后不会影响天线工作频段内的辐射特性。

2、馈线采用滤波的技术简单易实现，阻带中心频点和带宽易调节。通过在馈线两侧加载不同尺寸的半波长谐振单元，可以实现双频滤波，而且两个谐振单元分别位于馈线两侧，空间上隔离，因此两个陷波频段可以独立调节，互不干扰。

3、本发明结合了馈线陷波和辐射贴片陷波的方法，因此利于实现多阻带的陷波超宽带天线。同时由于各阻带单元在空间上彼此隔离，互耦较小，因此易于实现多阻带且各阻带独立可调的陷波超宽带天线。

本发明的工作原理如下：

首先介绍平面单极子天线的工作原理。本发明采用的是微带线馈电的圆贴片单极子天线，平面印刷单极子天线的工作频率主要由辐射体决定。本发明采用的圆形辐射贴片具有很好的圆滑度，因此可以在比较宽的频带内实现较好的阻抗匹配，可用于超宽带***中。此外，该天线的地面为部分地，只覆盖在微带线的下方，在辐射体下方没有金属地面。

其次介绍在辐射贴片开槽实现滤波的工作原理。本发明采用的是开口槽，槽的长度为阻带中心频率对应的1/4波长。引入开口槽后，将改变贴片中的电流分布，同时改变电流路径，也就对应着某些频率的能量不能有效地进入辐射贴片进行辐射，形成一个陷波。在进行理论分析时，可以采用电路模型，将开槽后的贴片等效成一个RLC并联电路和天线辐射电阻串联，在RLC电路的谐振频点处，阻抗很大，将阻止谐振频点附近频率内的能量进入辐射贴片，实现陷波功能。

再次介绍在馈线实现滤波的工作原理。本发明采用的是在馈线处加载半波长开路谐振单元，谐振单元的总长度为阻带中心频率对应的1/2波长，引入谐振单元后，谐振单元与馈线之间会形成强耦合，导致某些频率内的能量被反射回去，不能有效地进入辐射贴片，形成一个陷波。通过在馈线两侧引入不同尺寸的谐振单元，可以实现两个阻带，由于谐振单元分别位于馈线两侧，具有空间的独立性，因此两个阻带之间的中心频率和带宽独立可调。

最后介绍多频可控陷波超宽带天线的工作原理。将馈线实现滤波和辐射贴片实现滤波的方法结合起来，在馈线和辐射贴片同时加载对应频率的阻带单元，实现多频带的陷波超宽带天线，由于各阻带单元在空间上彼此隔离，互耦较小，因此各个阻带之间独立可调，也就实现了多频带且各阻带独立可调的陷波超宽带天线。

附图说明

图1(a)为微带线馈电的圆贴片印刷单极子天线的结构示意图。本发明采用的介质为相对介电常数为4.4的FR-4覆铜板，尺寸为W×L×h，天线地面的尺寸为W×L1，50Ω馈电微带线的宽度为Wf，辐射贴片的半径为r，馈电点与天线之间的间距是d。优化后各参数的值为：W＝42mm，L＝50mm，L1＝20mm，h＝1.5mm，Wf＝2.7mm，r＝10mm，d＝0.3mm。图1(b)为圆贴片超宽带天线的仿真和实测驻波比图。仿真显示VSWR<2的频率范围为2.44-10.27GHz，实测显示VSWR<2的频率范围为2.67GHz-12GHz，可见该天线完全覆盖了FCC颁布的超宽带频率范围3.1GHz-10.6GHz。

图2(a)为在辐射贴片实现滤波的单频带陷波超宽带天线的结构示意图。本发明采用的是1/4波长的开口槽，开口槽的尺寸为sl×sw，仿真结果表明：槽的长度sl主要影响阻带的中心频点，槽的宽度sw主要影响阻带的带宽。优化后的参数为：sl＝13mm，sw＝0.4mm。图2(b)为其仿真和实测驻波比图。仿真显示阻带的频率范围为3.08-3.74GHz，中心频率为3.45GHz；实测显示阻带的频率范围为3.11GHz-3.82GHz，中心频率为3.52GHz。从对比图可以看出仿真结果和实测结果一致，阻带吻合较好，在高频略有差异。

图3(a)为在馈线处实现单频滤波的陷波超宽带天线的结构示意图。本发明采用的是1/2波长的开路谐振单元，谐振单元的尺寸如图所示，仿真结果表明：谐振单元的总体长度(Lr+Lr1)主要影响阻带的中心频率，馈线与谐振单元之间的间距主要影响阻带的带宽，优化后参数为：Lr＝9mm，g＝0.3mm，线宽t＝0.6mm，Lr1＝4.2mm。图3(b)为其仿真和实测驻波比图。仿真显示阻带的频率范围为4.88-6.18GHz，中心频点为5.54GHz；实测显示阻带的频率范围为5.45-6.32GHz，中心频点为5.87GHz。从对比图可以看出实测结果向高频偏移了，但是仍有一个明显的阻带。

图4(a)为在馈线两侧加载阻带单元的双频带陷波超宽带天线的结构示意图。本发明采用的是在馈线两侧加载不同尺寸的开路谐振单元，各谐振单元的尺寸如图所示。仿真结果表明，右边谐振单元主要影响第一个阻带，左边谐振单元主要影响第二个阻带，馈线与谐振单元之间的间距主要影响阻带的带宽。优化后的参数为Lr＝9.5mm，Lr1＝4mm，g＝0.5mm，t＝0.5mm，Ll＝8mm，Ll1＝4mm，谐振单元中心与馈线中心的间距cd＝1.5mm。图4(b)为其仿真和实测驻波比图。仿真显示第一个阻带范围为4.69-5.43GHz，中心频点为5.25GHz，第二个阻带的范围为5.64-6.10GHz，中心频点为5.85GHz；实测结果显示第一个阻带的范围为5.09-5.73GHz，中心频点为5.55GHz；第二个阻带的范围为5.97-6.47GHz，中心频点为6.18GHz。从对比图可以看出实测结果向高频偏移了300MHz左右，但两个阻带的带宽基本不变。

图5(a)为馈线和贴片同时加载阻带单元的双频陷波超宽带天线的结构示意图。即天线2与天线3的结合，各阻带单元的尺寸与天线2、天线3的尺寸一致。图5(b)为天线2、天线3、天线5的驻波比对比图。可见将馈线陷波与贴片陷波结合以后，天线5的两个阻带与天线2、天线3的阻带保持很好的一致性，第一个阻带的带宽为3.03-3.77GHz，基本没有发生偏移，第二个阻带的带宽为5.10-5.92GHz，相比天线3，带宽有所减小，但中心频点保持了很好的一致性。该结果可以验证之前提出的方法的正确性，将馈线实现滤波和辐射贴片实现滤波的方法结合起来，可以很好地实现各自阻带的叠加，有利于简化多频陷波超宽带天线的设计。图5(c)为仿真的天线5与天线1的最大增益对比图，从图中可以看出，加载阻带单元后，两个陷波内的增益显著减小，在3.5GHz频点处最大增益由3.06dBi减小为-1.03dBi，减小4.09dB，在5.55GHz频点处最大增益由3.36dBi减小为-4.81dBi，减小8.17dB，验证了双频陷波的有效性，可以用于UWB***中滤除WiMAX和WLAN***的干扰。图5(d)为其仿真和实测驻波比图，实测结果表明第一个阻带的带宽为3.02-3.82GHz，与仿真结果吻合；第二个阻带的带宽为5.40-6.22GHz，与仿真结果相比向高频偏移了300MHz左右，推测很有可能是SMA接头和制作误差导致。

图6(a)为天线2与天线4结合的三频带陷波超宽带天线的结构示意图。各阻带单元的尺寸与天线2、天线4的尺寸一致。图6(b)为天线2、天线4、天线6的驻波比对比图。可见将馈线陷波与贴片陷波结合以后，天线6实现了三个阻带，且各阻带分别与天线2、天线4的阻带保持很好的一致性。第一个阻带的带宽为3.03-3.74GHz，基本没有发生偏移，第二个阻带的带宽为4.85-5.40GHz，第三个阻带的带宽为5.64-6.00GHz，相比天线4，带宽有所变化，但中心频率保持了很好的一致性。该结果可以验证之前提出的方法的正确性，将馈线实现滤波和辐射贴片实现滤波的方法结合起来，可以很好地实现各自阻带的叠加，利于多频陷波超宽带天线的设计和调节。图6(c)为天线6与天线1仿真的最大增益对比图。从图中可以看出，加载阻带单元后，三个陷波内的增益显著减小，在3.5GHz由3.06dBi变为-1.16dBi，减小了4.22dB；在5.25GHz由2.56dBi变为-5.57dBi，减小了8.13dB；在5.8GHz由3.72dBi变为-2.44dBi，减小了6.16dB，验证了三频陷波的有效性，可以用于UWB***中滤除WiMAX和WLAN***的干扰。图6(d)为其仿真和实测驻波比对比图，实测结果显示第一个阻带的带宽为3.01GHz-3.80GHz，与仿真结果吻合；第二个阻带的带宽为5.22-5.73GHz，第三个阻带的带宽为5.94-6.44GHz，与仿真结果相比向高频偏移了300MHz左右，推测很有可能是SMA接头和制作误差导致。

具体实施方式

本发明具体实施方式如下所述。

第一，选定覆盖FCC颁布的商用频段的超宽带天线。根据UWB***对天线超宽带、小尺寸、低成本的要求，结合单极子天线成本低、重量轻便、易于制作的特点，选择了文献3中的圆贴片超宽带天线作为原型，天线的具体结构如1(a)所示。

第二，分别在馈线和辐射贴片实现陷波。具体而言，在辐射贴片了开了一个1/4波长的开口槽，开口槽的尺寸为sl×sw，仿真结果表明：槽的长度sl主要影响阻带的中心频点，槽的宽度sw主要影响阻带的带宽。优化后的参数为sl＝13mm，sw＝0.4mm，阻带的频率范围为3.08-3.74GHz，可用于滤除WiMAX***的干扰，具体结构如图2(a)所示。在馈线处一侧加载1/2波长的谐振单元，也可实现单频陷波，仿真结果表明：谐振单元的总体长度(Lr+Lr1)主要影响阻带的中心频率，馈线与谐振单元之间的间距主要影响阻带的带宽。优化后参数为：Lr＝9mm，g＝0.3mm，线宽t＝0.6mm，Lr1＝4.2mm，阻带的频率范围为4.88-6.18GHz，可用于滤除WLAN***的干扰。在馈线处两侧加载不同尺寸的1/2波长开路谐振单元，可实现双频陷波，仿真结果表明：右边谐振单元主要影响第一个阻带，左边谐振单元主要影响第二个阻带，馈线与谐振单元之间的间距主要影响阻带的带宽。优化后的参数为Lr＝9.5mm，Lr1＝4mm，g＝0.5mm，t＝0.5mm，Ll＝8mm，Ll1＝4mm，谐振单元中心与馈线中心的间距cd＝1.5mm，第一个阻带的范围为4.69-5.43GHz，第二个阻带的范围为5.64-6.10GHz，可用于滤除WLAN***的干扰。所有天线都进行了实测验证，以确保仿真结果的正确性。

第三，将馈线实现滤波和辐射贴片实现滤波的方法结合起来，在馈线和辐射贴片同时加载对应频率的阻带单元。具体而言，将天线2与天线3结合起来，实现了双频带的陷波超宽带天线，而且该天线的两个阻带与天线2、天线3的阻带保持了很好的一致性，第一个阻带的带宽为3.03-3.77GHz，基本没有发生偏移，第二个阻带的带宽为5.10-5.92GHz，相比天线3，带宽有所减小，但中心频点保持了很好的一致性。同理，将天线2与天线4结合起来，实现了三频带的陷波超宽带天线，而且该天线的各阻带分别与天线2、天线4的阻带保持很好的一致性。第一个阻带的带宽为3.03-3.74GHz，基本没有发生偏移，第二个阻带的带宽为4.85-5.40GHz，第三个阻带的带宽为5.64-6.00GHz，相比天线4，带宽有所变化，但中心频率保持了很好的一致性。该结果可以验证之前提出的方法的正确性，将馈线实现滤波和辐射贴片实现滤波的方法结合起来，可以很好地实现各自阻带的叠加，利于多频陷波超宽带天线的设计和调节。此外，还分析了阻带的增益变化，验证了陷波的有效性。最后，所有天线都制作了实物并进行测量，以验证仿真结果的正确性。

Claims (3)

1.提出一种有效的多陷波超宽带天线实现方法，即将辐射贴片实现阻带和馈线实现阻带的方法结合起来，在馈线和辐射贴片同时加载不同陷波频率对应的阻带单元。该方法可以实现两者阻带的叠加，且相对原阻带没有明显的偏移；利用该方法实现的多频带陷波超宽带天线具有阻带频点易调、阻带带宽易调、各阻带之间独立可调的优点。

2.根据权利要求1中所述方法，实现了一个双频带的陷波超宽带天线。具体实现方法是在辐射贴片上开了1/4波长的矩形开口槽，同时在馈线右侧加载了C形半波长开路谐振单元，实现了双阻带(3.03-3.77GHz、5.10-5.92GHz)的陷波超宽带天线，可滤除来自WiMAX***和WLAN***的干扰。

3.根据权利要求1中所述方法，实现了一个三频带的陷波超宽带天线。具体实现方法是在辐射贴片上开了1/4波长的矩形开口槽，同时在馈线两侧分别加载了不同尺寸的C形半波长开路谐振单元，实现了三阻带(3.03-3.74GHz、4.85GHz-5.40GHz、5.64GHz-6.00GHz)的陷波超宽带天线，可滤除来自WiMAX***和WLAN***的干扰。