CN110970723B - 一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构，第一弧形开环谐振器与第二弧形开环谐振器的形状不同；第一类U形寄生带连接臂长度为6.5mm；第二类U形寄生带连接臂长度为6.6mm；第一类U形寄生带与介质基板下部边缘的间距为6.5mm，第二类U形寄生带与介质基板下部边缘的间距为8.9mm。以解决现有技术中的4陷波天线的各陷波结构间存在强烈耦合的问题。

Description

一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，尤其涉及一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构。
背景技术
近年来，超宽带(Ultra-Wideband)天线的研究越来越受到人们的关注，特别是2002年FCC将3.1～10.6GHz频段规定为民用频段之后，研发出了该频段的超宽带天线，该频段随后与一些已有应用的频段存在重合的现象，如WiMAX波段上行频和下行频、INSAT波段下行频和WLAN波段下行频这些窄带信号，这些窄带信号会对超宽带通信***产生电磁干扰，要消除这些干扰，通常采用带阻滤波器或陷波天线来抑制，但是采用带阻波器会增加天线的尺寸、造价及复杂度；而采用陷波天线，但是现有技术中的4陷波天线的各陷波结构间会存在强烈耦合，即调节其中一个陷波频率后，其它陷波频率也会跟着改变，导致陷波天线适应性非常差，一种陷波天线结构只能对应特定频率的窄带信号，要改变陷波天线的其中一个频率，整个陷波天线的结构都需要重新设计，另外这还导致了陷波天线对制造精度的要求异常高，陷波天线中只要有一个陷波器的尺寸超差就会牵一发而动全身，导致整个陷波天线完全报废。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的是提供一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构。
本发明的技术方案是：一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构，包括：
介质基板；
金属接地面，所述金属接地面覆在介质基板下表面；
辐射贴片，所述辐射贴片覆在介质基板上表面，辐射贴片以介质基板竖向的中轴线为中轴线左右对称，辐射贴片材质为金属，辐射贴片内开有第一弧形开环谐振器，第一弧形开环谐振器内的辐射贴片上开设有第二弧形开环谐振器；
微带馈线，所述微带馈线覆在介质基板上表面，微带馈线上端与辐射贴片电连接，微带馈线的中轴线与介质基板竖向的中轴线重合，微带馈线左侧设有第一类U形寄生带，微带馈线右侧的设有第二类U形寄生带；
第一弧形开环谐振器与第二弧形开环谐振器的形状不同；
第一类U形寄生带连接臂长度为6.5mm；
第二类U形寄生带连接臂长度为6.6mm；
第一类U形寄生带与介质基板下部边缘的间距为6.5mm，第二类U形寄生带与介质基板下部边缘的间距为8.9mm。
进一步地，所述辐射贴片为椭圆形；
所述第一弧形开环谐振器为与辐射贴片相似的椭圆形，第一弧形开环谐振器的长轴与辐射贴片的长轴重合，第一弧形开环谐振器的短轴与辐射贴片的短轴重合。
进一步地，所述第二弧形开环谐振器为圆形，第二弧形开环谐振器的中心与辐射贴片的圆心重合。
进一步地，所述介质基板材料采用Roggers5880，厚度为0.8mm，长为40mm，宽为38mm；
所述微带馈线的宽度为1.9mm，长度为20.2mm，电阻为50Ω；
所述辐射贴片的长轴长10mm，短轴长8mm；
所述第一弧形开环谐振器的缺口弧长为4mm，第一弧形开环谐振器的长度为42.6mm；
所述第二弧形开环谐振器的缺口弧长为3mm，第二弧形开环谐振器的长度为33.4mm；
所述第一类U形寄生带总长度为20.5mm；
所述第二类U形寄生带总长度为24.6mm。
进一步地，第一弧形开环谐振器的宽度为0.4mm，第二弧形开环谐振器的宽度为0.5mm；
第一类U形寄生带和第二类U形寄生带的宽度为0.5mm。
进一步地，第一类U形寄生带与微带馈线的间距为0.55mm,第二类U形寄生带与微带馈线的间距为0.55mm。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过第一弧形开环谐振器、第二弧形开环谐振器第一类U形寄生带、第二类U形寄生带实现4个陷波，即能够同时对4个频段的窄带信号实现陷波功能；
2)通过使第一弧形开环谐振器与第二弧形开环谐振器形状不同，避免两个相邻的并且形状相似的谐振器间产生强烈的耦合影响；
3)通过设定各类U形陷波器连接臂的长度，保证了各陷波结构间耦合最小；
4)本发明结构紧凑，尺寸较小，便于集成到通信设备中；
5)本发明由于各陷波结构间的耦合小，可以通过单独调节第一弧形开环谐振器、第二弧形开环谐振器第一类U形寄生带和第二类U形寄生带的长度来调节单独陷波结构的陷波中心频率，同时不会对其它陷波结构的陷波中心频率造成影响，不用整个设计推倒重来，更加容易设计，适应性更好；
6)本发明由于各陷波结构间的耦合小，制造时任意一个陷波结构超差并不会导致其余陷波结构的陷波中心频率变化，因此制造精度要求相对较低，制造难度也更低。
附图说明
图1为本发明的立体视图；
图2为本发明通过HFSS15.0软件仿真在3.00GHz下的天线电流分布图；
图3为本发明通过HFSS15.0软件仿真在3.80GHz下的天线电流分布图；
图4为本发明通过HFSS15.0软件仿真在4.74GHz下的天线电流分布图；
图5为本发明通过HFSS15.0软件仿真在5.55GHz下的天线电流分布图；
图6为本发明通过HFSS15.0软件仿真的回波损耗曲线；
图7为本发明通过HFSS15.0软件仿真的电压驻波比曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：
实施实例1：参考图1，一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构，包括：介质基板4；金属接地面5，所述金属接地面5覆在介质基板4下表面；辐射贴片1，所述辐射贴片1覆在介质基板4上表面，辐射贴片1以介质基板4竖向的中轴线为中轴线左右对称，辐射贴片1材质为金属，辐射贴片1内开有第一弧形开环谐振器2，第一弧形开环谐振器2内的辐射贴片1上开设有第二弧形开环谐振器3；微带馈线7，所述微带馈线7覆在介质基板4上表面，微带馈线7上端与辐射贴片1电连接，微带馈线7的中轴线与介质基板4竖向的中轴线重合，微带馈线7左侧设有第一类U形寄生带8，微带馈线7右侧的设有第二类U形寄生带6；第一弧形开环谐振器2与第二弧形开环谐振器3的形状不同；第一类U形寄生带连接臂801长度为6.5mm；第二类U形寄生带连接臂601长度为6.6mm；第一类U形寄生带8与介质基板4下部边缘的间距为6.5mm，第二类U形寄生带6与介质基板4下部边缘的间距为8.9mm。
辐射贴片1为金属材质的薄片，第一弧形开环谐振器2和第二弧形开环谐振器3为开在辐射贴片1上的圆弧形开槽，圆弧形开槽为开环，圆弧形开槽两端之间不连通。第一类U形寄生带8和第二类U形寄生带6为金属材质的薄片。金属接地面5为金属材质的薄片。微带馈线7为金属材质的薄片。本发明利用印刷电路板工艺或集成电路工艺在介质基板4上刻蚀得到。
每个开环谐振器和每个类U形寄生带的长度由下列公式确定：
其中，c为光速，fnotch为陷波中心频率，εreff为有效介电常数，εr为基板的介电常数，h为基板厚度，ωf为微带线宽度，L为各开环谐振器或各类U形寄生带的长度。
工作时，本发明通过第一弧形开环谐振器2、第二弧形开环谐振器3、第一类U形寄生带8和第二类U形寄生带6实现4个陷波，即能够同时对4个频段的窄带信号实现陷波功能；通过使第一弧形开环谐振器2与第二弧形开环谐振器3形状不同，避免两个相邻的并且形状相似的谐振器间产生强烈的耦合影响；通过设定各类U形陷波器连接臂的长度，保证了各陷波结构间耦合最小；本发明结构紧凑，尺寸较小，便于集成到通信设备中；本发明由于各陷波结构间的耦合小，可以通过单独调节第一弧形开环谐振器2、第二弧形开环谐振器3、第一类U形寄生带8和第二类U形寄生带6的长度来调节单独陷波结构的陷波中心频率，同时不会对其它陷波结构的陷波中心频率造成影响，不用整个设计推倒重来，更加容易设计，适应性更好；本发明由于各陷波结构间的耦合小，制造时任意一个陷波结构超差并不会导致其余陷波结构的陷波中心频率变化，因此制造精度要求相对较低，制造难度也更低。
设定各类U形陷波器连接臂的长度，目的是在保证各陷波结构间耦合最小。为了验证不同长度连接臂对各陷波器耦合的影响，采用HFSS15.0对不同长度连接臂天线的回波损耗S11和频率曲线进行仿真。结果显示第一类U形寄生带连接臂801的长度为6.5mm时与其它陷波结构的耦合最小，第二类U形寄生带连接臂601的最佳长度为6.6mm时与其它陷波结构的耦合最小。并且天线在2.8GHz-12GHz频段内的回波损耗S11<-10dB，电压驻波比VSWR<2，同时天线在2.96-3.31GHz、3.74-3.89GHz、4.69-4.82GHz和5.44-5.68GHz频段内的回波损耗S11>-5dB、电压驻波比VSWR>15，体现出了良好的陷波特性。
进一步地，所述辐射贴片1为椭圆形；所述第一弧形开环谐振器2为与辐射贴片1相似的椭圆形，第一弧形开环谐振器2的长轴与辐射贴片1的长轴重合，第一弧形开环谐振器2的短轴与辐射贴片1的短轴重合。
第一弧形开环谐振器2与辐射贴片1为相似的椭圆形是指数学上相似的概念，即两椭圆离心率相同但大小不同。起到的效果是使第一弧形开环谐振器2与辐射贴片1产生强烈的陷波谐振频率，使第一弧形开环谐振器2对应的频段回波损耗增大，电压驻波比增加，增强对对应频段的陷波特性。
进一步地，所述第二弧形开环谐振器3为圆形，第二弧形开环谐振器3的中心与辐射贴片1的圆心重合。
起到的效果是，避免第一弧形开环谐振器2与第二弧形开环谐振器3因为图形相似而产生的强烈互偶。
进一步地，所述介质基板4材料采用Roggers5880，厚度为0.8mm，长为40mm，宽为38mm；所述微带馈线7的宽度为1.9mm，长度为20.2mm，电阻为50Ω；所述辐射贴片1的长轴长10mm，短轴长8mm；所述第一弧形开环谐振器2的缺口弧长为4mm，第一弧形开环谐振器2的长度为42.6mm；所述第二弧形开环谐振器3的缺口弧长为3mm，第二弧形开环谐振器3的长度为33.4mm；所述第一类U形寄生带8总长度为20.5mm；所述第二类U形寄生带6总长度为24.6mm。
通过介质基板4材料采用Roggers5880，厚度为0.8mm，长为40mm，宽为38mm；微带馈线7的宽度为1.9mm，长度为20.2mm，电阻为50Ω实现阻抗匹配。
通过设置第一弧形开环谐振器2的缺口弧长为4mm，第一弧形开环谐振器2的长度为42.6mm，使得第一弧形开环谐振器2对2.96-3.31GHz频段产生陷波特性；
通过设置第二弧形开环谐振器3的缺口弧长为3mm，第二弧形开环谐振器3的长度为33.4mm，使得第二弧形开环谐振器3对3.74-3.89GHz频段产生陷波特性；
通过设置第一类U形寄生带8总长度为20.5mm，使得第一类U形寄生带8对5.44-5.68GHz频段产生陷波特性；
通过设置第二类U形寄生带6总长度为24.6mm，使得第二类U形寄生带6对4.69-4.82GHz频段产生陷波特性。
进一步地，第一弧形开环谐振器2的宽度为0.4mm，第二弧形开环谐振器3的宽度为0.5mm；第一类U形寄生带8和第二类U形寄生带6的宽度为0.5mm。
通过HFSS15.0仿真各陷波结构在不同宽度情况下的耦合，在保证2.8GHz-12GHz频段内除陷波频段(即需要滤除的频段)以外回波损耗S11<-10dB，电压驻波比VSWR<2，通过设定上述参数，在不同陷波频率下陷波结构的表面电流分别集中在不同的陷波结构上，表面在上述参数下各陷波结构的耦合最小。
进一步地，第一类U形寄生带8与微带馈线7的间距为0.55mm,第二类U形寄生带6与微带馈线7的间距为0.55mm。
采用HFSS15.0对类U形陷波结构与微带馈线7的不同间距的回波损耗S11和频率之间的曲线进行仿真，验证得到耦合最小时，第一类U形寄生带8与微带馈线7的间距为0.55mm,第二类U形寄生带6与微带馈线7的间距为0.55mm。
通过HFSS15.0三维电磁仿真软件仿真得到如附图2-5所示的天线电流分布图，从图中看出，
1)对于中心频率为3.00GHz，在天线上谐振产生的表面电流主要集中在第一弧形开环谐振器2附近，对应频带在这些地方谐振产生的电磁能量无法向外辐射；
2)对于中心频率为3.80GHz，在天线上谐振产生的表面电流主要集中在第二弧形开环谐振器3附近，对应频带在这些地方谐振产生的电磁能量无法向外辐射；
3)对于中心频率为4.74GHz，在天线上谐振产生的表面电流主要集中在第二类U形寄生带6附近，对应频带在这些地方谐振产生的电磁能量无法向外辐射；
4)对于中心频率为5.55GHz，在天线上谐振产生的表面电流主要集中在第一类U形寄生带8附近，对应频带在这些地方谐振产生的电磁能量无法向外辐射。
可以得到如下结论：
第一，本发明能够对WiMAX波段上行频(2.96-3.33GHz)和下行频(3.73-3.88GHz)、INSAT波段下行频(4.59-4.77GHz)、WLAN波段下行频(5.60-5.83GHz)这4个特定的频段的电磁波产生陷波特性；
第二，可以看出每一个陷波结构对应一个陷波中心频率，改变其中一个陷波结构的长度不会影响其它陷波结构的陷波中心频率。
为了进一步测试陷波结构之间的耦合，分别单独改变单个陷波结构的长度，然后通过HFSS15.0三维电磁仿真软件仿真，得到个陷波结构不同长度下的回波损耗S11和频率之间的仿真曲线。结果表明各个陷波结构长度增加时，相关陷波的中心频率往高频方向移动，其它的陷波结构的中心频率几乎不改变。
图6为本天线结构的回波损耗曲线，图7为本天线的电压驻波比曲线，从图中可以看出在天线在2.8GHz-12GHz频段内的回波损耗S11<-10dB，电压驻波比VSWR<2，覆盖了3.1-10.6GHz频率范围。天线在2.95-3.31GHz、3.74-3.89GHz、4.69-4.82GHz和5.44-5.68GHz频段内的回波损耗S11>-5dB、电压驻波比VSWR>15，表明这些频段内大量能量都是不能向外辐射的，天线具备显著的陷特性，能有效抑制WiMAX波段上行和下行频、INSAT波段下行频、WLAN波段下行频这四个频段。
本专利中的陷波结构是对第一弧形开环谐振器2、第二弧形开环谐振器3、第一类U形寄生带8、第二类U形寄生带6的统称。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微带馈电的四陷波超宽带天线结构，其特征在于，包括：
介质基板（4）；
金属接地面（5），所述金属接地面（5）覆在介质基板（4）下表面；
辐射贴片（1），所述辐射贴片（1）覆在介质基板（4）上表面，辐射贴片（1）以介质基板（4）竖向的中轴线为中轴线左右对称，辐射贴片（1）材质为金属，辐射贴片（1）内开有第一弧形开环谐振器（2），第一弧形开环谐振器（2）内的辐射贴片（1）上开设有第二弧形开环谐振器（3）；
微带馈线（7），所述微带馈线（7）覆在介质基板（4）上表面，微带馈线（7）上端与辐射贴片（1）电连接，微带馈线（7）的中轴线与介质基板（4）竖向的中轴线重合，微带馈线（7）左侧设有第一类U形寄生带（8），微带馈线（7）右侧的设有第二类U形寄生带（6）；
第一弧形开环谐振器（2）与第二弧形开环谐振器（3）的形状不同；
第一类U形寄生带连接臂（801）长度为6.5mm；
第二类U形寄生带连接臂（601）长度为6.6mm；
第一类U形寄生带（8）与介质基板（4）下部边缘的间距为6.5mm，第二类U形寄生带（6）与介质基板（4）下部边缘的间距为8.9mm；
所述辐射贴片（1）为椭圆形；
所述第一弧形开环谐振器（2）为与辐射贴片（1）相似的椭圆形，第一弧形开环谐振器（2）的长轴与辐射贴片（1）的长轴重合，第一弧形开环谐振器（2）的短轴与辐射贴片（1）的短轴重合。
2.根据权利要求1所述的微带馈电的四陷波超宽带天线结构，其特征在于，
所述第二弧形开环谐振器（3）为圆形，第二弧形开环谐振器（3）的中心与辐射贴片（1）的圆心重合。
3.根据权利要求2所述的微带馈电的四陷波超宽带天线结构，其特征在于，
所述介质基板（4）材料采用Roggers5880，厚度为0.8mm，长为40mm，宽为38mm；
所述微带馈线（7）的宽度为1.9mm，长度为20.2mm，电阻为50Ω；
所述辐射贴片（1）的长轴长10mm，短轴长8mm；
所述第一弧形开环谐振器（2）的缺口弧长为4mm，第一弧形开环谐振器（2）的长度为42.6mm；
所述第二弧形开环谐振器（3）的缺口弧长为3mm，第二弧形开环谐振器（3）的长度为33.4mm；
所述第一类U形寄生带（8）总长度为20.5mm；
所述第二类U形寄生带（6）总长度为24.6mm。
4.根据权利要求3所述的微带馈电的四陷波超宽带天线结构，其特征在于，
第一弧形开环谐振器（2）的宽度为0.4mm，第二弧形开环谐振器（3）的宽度为0.5mm；
第一类U形寄生带（8）和第二类U形寄生带（6）的宽度为0.5mm。
5.根据权利要求4所述的微带馈电的四陷波超宽带天线结构，其特征在于，
第一类U形寄生带（8）与微带馈线（7）的间距为0.55mm,第二类U形寄生带（6）与微带馈线（7）的间距为0.55mm。
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CN106252870A (zh) * 2016-08-31 2016-12-21 温州大学 一种双陷波超宽带天线
CN210957004U (zh) * 2019-12-25 2020-07-07 贵州民族大学 一种微带馈电的四陷波超宽带天线

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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He Huang.etc."COMPACT POLARIZATION DIVERSITY ULTRAWIDEBAND MIMO ANTENNA WITH TRIPLE BAND-NOTCHED CHARACTERISTICS".《MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS》.2015,第57卷(第4期),第946-948页，图1-2. *

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