CN202275947U - 一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，包括介质基板、辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面均安装在介质基板上，共面波导馈电信号带线和共面波导接地面构成共面波导馈电结构，辐射单元位于共面波导接地面里，辐射单元与共面波导接地面形成宽槽结构，阶状阻抗调谐棒包括第一阶状阻抗调谐棒和第二阶状阻抗调谐棒，第一阶状阻抗调谐棒集成在辐射单元上，第二阶状阻抗调谐棒集成在共面波导馈电信号带线上。本实用新型可以降低超宽带通信***与目前使用的窄带***之间的相互干扰，实现两种***之间的协同通信。

Description

一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线

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，人们对无线通信的需求越来越强。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。然而，目前的设备都在朝着小型化，宽频带的通信方向发展，作为无线通信的重要组成部分，超宽带天线和带通滤波器的设计是无线通信的重要组成部分。因此，设计超宽带天线和带通滤波器以及研究二者的集成技术也是目前研究的热点和难点之一。

近年来，国内外的学者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天线的设计。超宽带天线的理论设计是目前的难点，宽带槽技术是实现宽带操作的重要技术之一，同时，在用于无线应用中的下一代天线中，小型化是研究的研究的热点。除此之外，无线电通信设备和电子信息设备都朝着多功能化，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协议规定的超宽带***所占的频带带宽与无线局域网和是其它的窄带***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。同时，超宽带天线涵盖了C波段和部分X波段，而目前C波段和X波段主要用在军事和卫星通信中，因此超宽带通信***会这这个窄带***造成干扰，因此设计带有双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失配，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、C波段、X波段等窄带***的电磁干扰问题。文献“Harmonic Control For An Integrated Microstrip AntennaWith Loaded Transmission Line，Shun-Yun Lin，Kuang-Chih Huang，and Jin-SenChen.Microwave And Optical Technology Letters，Vol.44，No.4，February，2005”，提出一种利用周期结构抑制谐波，采用在天线的后端增加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-GHz Antenna Incorporating a New PatchAntenna，Ching-Hong K.Chin，Quan Xue，Chi Hou Chan，IEEE Antennas AndWireless 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“A miniaturized monopole antenna forultra-wide band applications with band-notch Filter，B.Ahmadi，R.Faraii-Dana，IETMicrow.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，且采用渐变馈电结构，给设计和调试带来不便，同时刻蚀在辐射单元上的U形槽和V形槽会造成电磁波的泄露，从而影响天线的辐射特性。文献“Compact CPW-fed ultra-wideband antenna with dualband-notched characteristics，Y.S.LI，X.D.Yang，C.Y.Liu，T.Jiang，ElectronicsLetters，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。文献“Dual band bandpassfilter using stepped impedance stub loaded hexagonal stepped impedance resonator，Xun Luo，Jianguo Ma，and Erping Li.Microwave and Optical Technology Letters，Vol.53，No.5，2011”，该论文采用阶状调谐技术和阶状谐振腔技术实现双带带通滤波器的设计。文献“Design of a new UWB integrated antenna filter with a rejectedWLAN band at 5.8GHz，A.Djaiz，M.Nedil，M.A.Habib and T.A.Denidni.Microwave and Optical Technology Letters，Vol.53，No.6，2011”，该论文采用在馈电线上设计窄带带通滤波器实现陷波特性的设计，但是该方案仅仅能实现单一的陷波特性，且陷波频率不容易调节。

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”提出了利用调谐微带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，不便于实际生产。但是采用调谐微带线，较好的改善了超宽带天线的辐射特性。

发明内容

本发明的目的在于提供带宽宽、辐射效率高、带有双陷波特性的一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面均安装在介质基板上，共面波导馈电信号带线和共面波导接地面构成共面波导馈电结构，辐射单元位于共面波导接地面里，辐射单元与共面波导接地面形成宽槽结构，阶状阻抗调谐棒包括第一阶状阻抗调谐棒和第二阶状阻抗调谐棒，第一阶状阻抗调谐棒集成在辐射单元上，第二阶状阻抗调谐棒集成在共面波导馈电信号带线上。

本发明还可以包括：

1、所述的辐射单元为圆形结构、矩形结构或者三角形结构。

2、所述的阶状阻抗调谐棒为矩形结构、三角形形结构或圆形结构。

3、所述的宽槽结构为矩形宽槽结构、圆形宽槽结构、多边形宽槽结构或分形宽槽结构。

本发明的优势在于：

1、采用共面波导馈电结构，可以实现单一平面印刷天线结构，并且易于实现与微波集成电路的一体化设计。本发明使用的属于有限地共面波导馈电结构，不仅能有效的展宽天线的阻抗带宽，还能有效的减小天线的尺寸，实现小型化设计。

2、采用阶状阻抗调谐棒技术，不仅能有效提高辐射特性，改善采用在辐射单元和超宽带天线接地面上刻蚀槽等结构造成的辐射方向图畸变，还能有效的降低因采用刻蚀槽等引起的电磁波泄漏，改善***的电磁环境，便于整个设备或者***的电磁兼容设计。此外，采用阶状阻抗调谐棒技术，有效的把阶状阻抗调谐棒滤波器设计技术和超宽带天线设计技术结合在一起，产生谐振频率，进而产生陷波特性，有效的避免超宽带***和目前使用的窄带***之间的相互干扰。

3、采用宽槽结构可以很容易的实现宽频带阻抗带宽，且降低天线介质损耗，提高天线的效率，从而获得更高的天线增益。

4、采用圆形结构辐射单元不仅能有效的减小天线的尺寸，还能展宽天线的阻抗带宽，满足超宽带通信的需求。圆形结构辐射单元和圆形宽槽结构，设计简单，便于实际设计和制作，调试，批量生产。

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为本发明实施方式1的基本结构主视图；

图3为本发明实施方式1的基本结构侧视图；

图4为本发明实施方式1的阶状阻抗调谐棒结构图；

图5为本发明实施方式1的阶状阻抗调谐棒等效电路图；

图6为本发明实施方式2的基本结构俯视图；

图7为本发明实施方式2的阶状阻抗调谐棒结构图；

图8为本发明实施方式3的基本结构俯视图；

图9为本发明实施方式3的阶状阻抗调谐棒结构图。

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：

本发明涉及的是一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，它属于平面印刷板天线。该天线由介质基板、宽槽结构、圆形辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线和共面波导接地面组成。该天线的辐射单元采用圆形结构贴片；共面波导接地面和共面波导馈电信号带线共同构成共面波导馈电结构；本发明采用宽槽结构，在圆形结构辐射单元的周围构成环形接地面，并在圆形辐射贴片上集成阶状阻抗调谐棒结构，从而产生陷波特性，使所设计的天线满足超宽带通信***和窄带***的协同工作。本发明涉及的天线有良好的宽频带特性，很好的全向辐射特性，且具有双陷波特性，使超宽带天线的设计和阶状阻抗调谐棒滤波器结合在一起，从而实现超宽带***和窄带***的协同通信。该天线设计简单，结构紧凑，体积小，加工方便，成本低廉。

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，并利用现有的点此软件进行优化设计。

2、设计满足超宽带通信的宽槽结构超宽带天线，本发明采用圆形宽槽结构和圆形结构辐射单元，通过调整宽槽结构和圆形结构辐射单元的几何尺寸和圆形结构辐射单元与共面波导接地面之间的耦合缝隙设计宽槽结构矩形超宽带天线，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，使所设计的天线能够满足超宽带通信的需求。

3、根据阶状阻抗调谐棒技术理论设计需要的阶状阻抗调谐棒，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。根据仿真分析和阶状阻抗调谐棒技术理论，修正设计的阶状阻抗调谐棒，并根据所需的陷波频率和陷波带宽，对设计的天线进行优化，得到所要的陷波超宽带天线。

本发明所设计的集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，是在圆形结构辐射单元和共面波导馈电信号带线上集成阶状阻抗调谐棒形成陷波特性，根据阶状阻抗调谐棒的结构和计算公式，以及所需要的陷波频率，计算阶状阻抗调谐棒的几何尺寸。

为了采用单一平面印刷天线结构，而同时又能满足其超宽带的阻抗特性需求，本发明采用以下几种措施：

1、利用共面波导的形式实现单一平面印刷天线结构，同时也便于实现和微波集成电路集成化设计，进而降低***的质量，缩小***的体积，实现***的便携式设计。

2、采用在圆形结构辐射单元和共面波导馈电信号带线上阶状阻抗调谐棒，有效地把超宽带天线的设计和阶状阻抗调谐棒滤波器的设计结合起来，有效较小天线的体积和尺寸，满足小型化天线的设计，提高陷波超宽带天线的辐射特性，实现超宽带通信与目前使用的窄带***之间的协同通信。

3、采用圆形结构辐射单元和圆形宽槽结构，不仅能有效的减小天线的结构尺寸，同时还能展宽天线的阻抗带宽，满足超宽带通信的需求，且结构简单，便于实际的设计和制作。

实施方式1：

结合图1～5，圆形结构辐射单元101、共面波导馈电信号带线102、共面波导接地面103、宽槽结构104、阶状阻抗调谐棒105和106和介质基板107组成。该天线的共面波导馈电信号带线102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、图3和图4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103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103之间的缝隙的宽度、介质基板107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、圆形结构辐射单元的设计

根据微带天线知识，单极子天线和知识，设计满足超宽带通信的圆形结构辐射贴片单元。可以调节圆形结构辐射单元的几何尺寸，圆形结构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.阶状阻抗调谐棒

根据滤波器理论和微带传输线理论，计算阶状阻抗调谐棒谐振频率，从而设计出阶状阻抗调谐棒的集合尺寸。

该天线不仅能实现超宽带通信需求，同时还能产生陷波特性，实现超宽带***与目前使用的窄带***的协同通信。阶状阻抗调谐棒产生一个谐振频率，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***或者设备的电磁兼容设计。

图4为本发明所设计的陷波特性阶状阻抗调谐棒的结构，该结构由两段微带线组成，分别为1051和1052，上部的宽微带结构1051可以看作是加载电容匹配结构。根据阶状阻抗调谐棒结构滤波器的知识，该结构的等效电路结构可以表示为图5所示。

实施方式2：

如图6和图7所示，本发明的另一种实施实例是采用圆形辐射单元201和圆形宽槽结构204构成，从而设计满足要求的超宽带天线，为了产生陷波特性，在圆形结构辐射单元上设计一个圆形阶状阻抗调谐棒和共面波导馈电信号带线上集成矩形阶状阻抗调谐棒形成陷波特性，从而两个陷波。圆形结构辐射单元201、共面波导馈电信号带线202、共面波导接地面203、宽槽结构204、阶状阻抗调谐棒205和206和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线202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。根据图6和图7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陷波特性。

图7为本发明所设计的陷波特性阶状阻抗调谐棒的结构，该结构由两段微带线组成，分别为2051和2052。

实施方式3：

如图8和图9所示，为了实现多陷波特性设计，本发明的另一种实施实例是在实施实例2的基础上，改变圆形辐射单元上的阶状阻抗调谐棒，从而产生双陷波特性。圆形结构辐射单元301、共面波导馈电信号带线302、共面波导接地面303、宽槽结构304、阶状阻抗调谐棒305和306和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线302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。根据图6和图7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陷波特性。

图9为本发明所设计的陷波特性阶状阻抗调谐棒的结构，该结构由两段微带线组成，分别为3051和3052。

Claims (5)

1.一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、阶状阻抗调谐棒、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面均安装在介质基板上，共面波导馈电信号带线和共面波导接地面构成共面波导馈电结构，辐射单元位于共面波导接地面里，辐射单元与共面波导接地面形成宽槽结构，阶状阻抗调谐棒包括第一阶状阻抗调谐棒和第二阶状阻抗调谐棒，第一阶状阻抗调谐棒集成在辐射单元上，第二阶状阻抗调谐棒集成在共面波导馈电信号带线上。

2.根据权利要求1所述的一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：所述的辐射单元为圆形结构、矩形结构或者三角形结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：所述的阶状阻抗调谐棒为矩形结构、三角形形结构或圆形结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：所述的宽槽结构为矩形宽槽结构、圆形宽槽结构、多边形宽槽结构或分形宽槽结构。

5.根据权利要求3所述的一种集成阶状阻抗调谐棒的超宽带天线，其特征是：所述的宽槽结构为矩形宽槽结构、圆形宽槽结构、多边形宽槽结构或分形宽槽结构。

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