CN108767460A - 一种具有三陷波特性的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有三陷波特性的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短接地板，辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，截短接地板印制在介质基板的背面；辐射贴片为采用正多边形沿各边向外延伸迭代的二阶分形结构；微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，并相对应的重叠在所述截短接地板的开槽上；截短接地板的顶部两侧形成有对称设置的切角部。本发明采用分形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过开槽和引入鱼钩形枝节的方式产生阻带，有效滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带***与其他窄带通信***的相互兼容协同通信，具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强的优点，具有较高的实用价值。

Description

一种具有三陷波特性的超宽带天线

技术领域

本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种具有三陷波特性的超宽带天线。

背景技术

超宽带技术因具有传输速率高、功耗低、分辨率高等优点，广泛应用于雷达遥感和军事通信领域。自2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1～10.6GHz的超宽带频带划分到民用通信领域后，超宽带技术更是引起了学术界和商业界的重点关注。超宽带天线作为***的核心部件，其性能的好坏直接影响着整个***的传输质量。

由于超宽带***占用的频段极宽，其中包含着很多窄带通信***，比如3.3-3.6GHz的无线局域网(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)，3.7-4.2GHz的C波段卫星通信和7.25-7.75GHz的X波段卫星通信***。这些窄带***不可避免地会与超宽带***之间产生电磁干扰。为了避免这些窄带信号的干扰，需要设计具有陷波特性的超宽带天线，同时，为了满足当今电子产品日益小型化和便携化的要求，实现超宽带天线的小型化设计是目前国内外的研究热点。

为了避免超宽带***与窄带***之间存在的电磁干扰，传统的方法是在超宽带***中引入带阻滤波器，但这无疑加大了***的体积、设计复杂度和成本。另一种简单的方法是在超宽带天线结构中引入陷波结构，例如在天线的辐射单元、馈线或者接地板上刻蚀不同形状的槽或者引入寄生单元等。例如参考文献“Modified sierpinski square fractalantenna covering ultra-wide band application with band notch characteristics，Choukiker Y，Behera S，IET Microwaves Antennas& Propagation，2014，8(7):506-512”中提出的一种具有单陷波特性的超宽带天线，天线采用改进的Sierpinski矩形分形结构作为作为辐射单元，通过在馈线处开倒U形槽产生5-6GHz的陷波特性，天线的整体尺寸为34*34*1.6mm3，但该天线仅仅滤除了WLAN一个频段窄带信号的干扰且物理尺寸较大。又如《电子与信息学报》2017年第6期页码1520-1524的“具有陷波特性的改进Sierpinski分形超宽带天线”文章中，胡章芳，胡银平，罗元提出了一种具有单陷波特性的超宽带天线，天线采用改进的4阶Sierpinski菱形分形结构作为辐射单元，馈电方式为共面波导馈电，接地板为两块位于馈线两侧的梯形金属片，通过在辐射单元两侧引入对称L形开路枝节产生了中心频率为5.5GHz的陷波特性，该天线尺寸较小仅为16*30*1.6mm3，但也只能滤除WLAN一个频段的窄带信号。

再如专利名称为一种具有U形槽的正方形双陷波超宽带天线、申请号为201510933667.1的中国专利，提出了一种具有双陷波特性的超宽带天线，该天线由正方形辐射单元和共面波导馈电的接地面组成，通过在正方形辐射单元上开U形槽，辐射单元两侧引入螺旋谐振器的方法产生双陷波特性，天线的物理尺寸为42*42*0.924mm³，同样物理尺寸较大，不易于集成。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的具有三陷波特性的超宽带天线，能滤除不同窄带信号的干扰。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种具有三陷波特性的超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述截短接地板印制在所述介质基板的背面；

所述辐射贴片为采用正多边形沿各边向外延伸迭代的二阶分形结构，辐射贴片中部和顶部设有开槽并引入寄生枝节；

所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，并相对应的重叠在所述截短接地板的开槽上，且微带馈线上设置有开槽结构；

所述截短接地板的中上部开设矩形槽，顶部两侧形成有对称设置的切角部。

由上，本发明的具有三陷波特性的超宽带天线采用分形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过辐射贴片引入寄生枝节和设置微带馈线开槽的方式产生阻带，能滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带***与其他窄带通信***的相互兼容协同通信；具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强等优点。

作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的具有三陷波特性的超宽带天线进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述正多边形为正六边形单元，且所述辐射贴片的中部开设有正六边形凹槽；

所述辐射贴片的顶部开设有矩形凹槽，并在所述矩形凹槽的下方设置一对对称的鱼钩形枝节。可选的，所述鱼钩形枝节位于所述介质基板的中轴线两侧且与所述矩形凹槽相连。

由上，采用正六边形经二阶迭代分形结构作为辐射贴片，利用分形结构的自相似特性和空间填充特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸；辐射贴片上开设正六边形和矩形凹槽可改变天线表面电流分布特性，增加天线表面电流路径，扩展天线的低频段带宽；引入对称鱼钩形枝可产生阻带特性并且通过调节鱼钩形枝节的直钩长度和弯钩长度灵活地调整陷波的中心频率和带宽。

另外，在本发明的具体实施例方式中，所述正六边形单元的边长为2.2mm，所述正六边形凹槽的边长为6.2-6.8mm。所述矩形凹槽的长为2.8-3.2mm，宽为1.8-2.2mm。所述鱼钩形枝节的直钩长度为9-11mm，弯钩长度为3-4mm。

在本发明的一个实施例中，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线的长度为6.2-6.5mm，其宽度为2.89mm；

所述微带馈线上刻蚀形成有倒U形窄缝隙，该倒U形窄缝隙由微带馈线的顶部向下延伸，倒U形窄缝隙的缝隙宽度为0.4mm。

由上，在微带馈线上刻蚀倒U形窄缝隙产生另一陷波频段，通过调整倒U形窄缝隙的宽度、长度以及与馈电端口的距离等参数实现良好的陷波特性，调节过程灵活。

另外，采用引入对称的鱼钩形枝节和开倒U形窄缝隙的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产。

在本发明的一个实施例中，所述截短接地板的开槽位于截短接地板的中上部，并位于所述微带馈线的正下方，且该开槽的宽度与所述微带馈线的宽度相同，所述开槽的长度为4-5mm。

作为上述技术方案的改进，所述截短接地板的切角部的水平长度为4-5mm，切角部的竖直长度为4-5mm。

由上，采用截短接地板结构，并在接地板顶部两侧切除三角形边角、中上部开矩形槽，该结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线性能。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板的厚度为1.6mm，介质基板的长度和宽度分别为25mm和18mm。

由上，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的结构图；

图2是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的正面结构图；

图3是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的背面结构图；

图4是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的辐射贴片的分形结构图；

图5是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的回波损耗曲线图；

图6是本发明优选实施例的具有三陷波特性的超宽带天线的峰值增益曲线图；

图7a和图7b是本发明的具有三陷波特性的超宽带天线在不同频点的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-7所示，本发明的具有三陷波特性的超宽带天线的包括介质基板10、辐射贴片20、微带馈线30和截短接地板40，该辐射贴片20和微带馈线30印制在介质基板10的正面，截短接地板40印制在所述介质基板10的背面。如图4所示，辐射贴片20采用正六边形沿各边向外延伸迭代的二阶分形结构，分形结构的辐射贴片20采用如下的方式形成：将基本的正多边形结构以比例因子k缩小或以等比例相同的大小，并沿各边向外延伸一个正多边形，形成一阶分形；将一阶分形以比例因子k缩小或以等比例相同的大小，并沿各边继续分别向外延伸一个正多边形得到二阶分形结构，比例因子k小于1，例如k＝0.5。在本发明的较佳实施例中，基本的正多边形为正六边形单元，且正六边形单元的边长为2.2mm。在辐射贴片20上挖去正六边形和矩形凹槽，正六边形凹槽22位于辐射贴片20的中心位置，矩形凹槽21位于辐射贴片20的顶部，正六边形和矩形凹槽的位置如图1和2所示，其中正六边形凹槽22的边长为6.2-6.8mm，正六边形凹槽22的边长优选为6.5mm，矩形凹槽21的长为2.8-3.2mm，宽为1.8-2.2mm，优选地，矩形凹槽21的长为3mm，宽为2mm。另外，在辐射贴片20上引入对称的鱼钩形枝节23，鱼钩形枝节23的位置如图2所示，设置在所述矩形凹槽21的下方，并位于所述介质基板10的中轴线两侧且与所述矩形凹槽21相连。其中，鱼钩形枝节23的直钩长度为9-11mm，弯钩长度为3-4mm，鱼钩形枝节23的弯钩朝背向介质基板10的中轴线的方向弯曲，将鱼钩形枝节23的直钩长度定为10mm，弯钩长度定为3.5mm。

辐射贴片20的底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线30相连，所述微带馈线30的长度为6.2-6.5mm，其宽度为2.89mm。微带馈线30上刻蚀有倒U形窄缝隙31，并自微带馈线30的顶部向下延伸，缝隙位置如图1和2所示，缝隙宽度为0.4mm。采用50Ω的微带线馈电，在微带线上刻蚀倒U形窄缝隙产生另一陷波频段，通过调整倒U形窄缝隙的宽度、长度以及与馈电端口的距离等参数实现良好的陷波特性，调节过程灵活。

带有两侧切角部41和中上部开槽42的截短接地板40印制在介质基板10背面的下侧，微带馈线30位于介质基板10的正面，其位置与介质基板10背面上截短接地板40的开槽的位置相对应，并重叠在所述截短接地板40的开槽上，两侧切角部41的位置如图3所示，其中两个切角部41对称设置，切角部41呈三角形边角，可理解地，该切角部41也可以为弧形切角或其它形状等。切角部41的设置可改善天线的阻抗匹配特性，切角部41的水平长度为4-5mm，切角部的竖直长度为4-5mm，优选地，切角部41的水平长度为4.2mm，竖直长度为4.5mm，并且切除后在截短接地板40上形成的顶点与靠近顶点的开槽的一竖直边之间的距离为2.5-2.8mm。截短接地板40的开槽42的位置如图3所示，开槽位于截短接地板40的中上部，并位于所述微带馈线30的正下方，且该开槽的宽度与所述微带馈线30的宽度相同，宽度均为2.89mm，所述开槽的长度为4-5mm，其中开槽42的长度优选为4.5mm。采用如上截短接地板40的结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线的性能。

本实施例中的超宽带天线印制在长、宽、厚分别为25mm、18mm、1.6mm的FR4环氧树脂材料的介质基板10上，介质基板10的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.024。

为了进一步说明本发明的具有三陷波特性的超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进行了射频特性的建模仿真。

参见图5，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽为2.8-11.6GHz，完全满足FCC规定的超宽带频带范围，并且在3.27-4.27GHz、7.2-8GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除WiMAX、C波段卫星和X波段卫星三种窄带信号带来的电磁干扰。

参见图6，本发明的超宽带天线在通带频段内增益基本稳定在4-6dBi之间，在陷波频段处增益明显下降，比通带频段增益降低约8dBi以上，这表明该天线在陷波频段几乎不能正常工作，产生了很好的陷波效果。

参见图7，提供了本发明实施例中超宽带天线在3GHz、6GHz、9GHz时的辐射方向图。由图7(a)可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，由图7(b)可知，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性，该天线在整个通带频段内均具有较好的全向辐射特性。

以上仿真分析表明，本发明天线的带宽为2.8-11.8GHz，工作带宽完全满足3.1-10.6GHz的超宽带频段范围，在3.27-4.27GHz、7.2-8GHz两个频段具有较好的阻带特性，可同时滤除WiMAX(3.3-3.6GHz)、C波段卫星(3.7-4.2GHz)和X波段卫星(7.25-7.75GHz)三个窄带通信***产生的电磁干扰，且在通带频段内具有基本稳定的峰值增益和全向辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。

上述实施例揭示的具有三陷波特性的超宽带天线具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定等优点，采用分形结构作为辐射贴片20，实现了超宽带天线的小型化，通过开槽和引入寄生枝节(鱼钩形枝节)的方式产生阻带，滤除了WIMAX、C波段卫星和X波段卫星三种窄带信号的干扰，实现了超宽带***与其他窄带通信***的相互兼容协同通信。另外，通过调节鱼钩形枝节23的直钩和弯钩长度以及倒U形窄缝隙31的参数，可灵活调整陷波的中心频率和带宽，具有陷波可调节特性。采用正六边形经二阶迭代分形结构作为辐射贴片20，利用分形结构的自相似特性和空间填充特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸。在辐射贴片20上挖去正六边形和矩形凹槽并引入对称的鱼钩形枝节23，在很大程度上改变天线表面电流分布特性，增加了天线表面电流路径，在产生陷波频段的同时天线扩展低频段带宽。本发明的天线接地板采用截短接地板40结构，并在接地板顶部两侧切除三角形边角、中上部开矩形槽，该结构可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线性能。另外，本发明采用引入对称的鱼钩形枝节23和开倒U形窄缝隙31的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有三陷波特性的超宽带天线，包括介质基板(10)、辐射贴片(20)、微带馈线(30)和截短接地板(40)，其特征在于：

所述辐射贴片(20)和微带馈线(30)均印制在所述介质基板(10)的正面，所述截短接地板(40)印制在所述介质基板(10)的背面；

所述辐射贴片(20)为采用正多边形沿各边向外延伸迭代的二阶分形结构；

所述微带馈线(30)与所述辐射贴片(20)的底部相连接，并相对应的重叠在所述截短接地板(40)的开槽(42)上；

所述截短接地板(40)的顶部两侧形成有对称设置的切角部(41)。

2.如权利要求1所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于，所述正多边形为正六边形单元，且所述辐射贴片(20)的中部开设有正六边形凹槽(22)；

所述辐射贴片(20)的顶部开设有矩形凹槽(21)，并在所述矩形凹槽的下方设置一对对称的鱼钩形枝节(23)。

3.如权利要求2所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述鱼钩形枝节(23)位于所述介质基板(10)的中轴线两侧且与所述矩形凹槽(21)相连。

4.如权利要求1所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述截短接地板(40)的开槽(42)位于截短接地板(40)的中上部，并位于所述微带馈线(30)的正下方，且该开槽(42)的宽度与所述微带馈线(30)的宽度相同；所述开槽(42)的长度为4-5mm。

5.如权利要求2所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述正六边形单元的边长为2.2mm，所述正六边形凹槽(22)的边长为6.2-6.8mm。

6.如权利要求2所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述矩形凹槽(21)的长为2.8-3.2mm，宽为1.8-2.2mm。

7.如权利要求3所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述鱼钩形枝节(23)的直钩长度为9-11mm，弯钩长度为3-4mm。

8.如权利要求1所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(30)为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线(30)的长度为6.2-6.5mm，其宽度为2.89mm；

所述微带馈线(30)上刻蚀形成有倒U形窄缝隙(31)，该倒U形窄缝隙(31)由微带馈线(30)的顶部向下延伸，倒U形窄缝隙(31)的缝隙宽度为0.4mm。

9.如权利要求1所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述截短接地板(40)的切角部(41)的水平长度为4-5mm，切角部的竖直长度为4-5mm。

10.如权利要求1至9中任一项所述的具有三陷波特性的超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(10)的厚度为1.6mm，介质基板(10)的长度和宽度分别为25mm和18mm。