一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，包括接地板、介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述介質(zhì)基板的厚度為1.6mm，接地板設(shè)于介質(zhì)基板一側(cè)，介質(zhì)基板另一側(cè)設(shè)有饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述接地板與所述輻射貼片的寬度相等，所述輻射貼片上刻蝕有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上設(shè)有矩形開槽。本發(fā)明天線在3.3?4.3GHz及5.15?6.0GHz兩個頻段具有陷波特性，其能有效地抑制WiMAX無線通信(3.3?3.7GHz)、C波段衛(wèi)星通信(3.7?4.2GHz)和WLAN(5.15?5.825GHz)無線通信等這三種頻段的其他信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。該天線性能良好、輻射方向性較為穩(wěn)定，且尺寸小巧、設(shè)計簡單、易于制作，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)，因此其有很大的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線。
【背景技術(shù)】
[0002]寬帶天線是天線領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展和應(yīng)用前景的天線種類，主要原因是其頻帶寬、大范圍覆蓋，可以解決窄帶天線頻帶窄、應(yīng)用范圍小的問題。超寬帶天線是寬帶天線的一種，是指必須能覆蓋3.1-10.6GHz頻帶，它是在頻帶資源短缺的背景下得以提出和發(fā)展的。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布了新的寬帶通信系統(tǒng)規(guī)范，主要目的之一就是緩解頻帶資源的緊張以及應(yīng)對高速通信的需求，將3.1-10.6GHz頻段分配給民用超寬帶通信使用，使寬帶及超寬帶技術(shù)廣泛用于工業(yè)、醫(yī)學、民用生活等領(lǐng)域。
[0003]在過去的幾十年中，無線通信發(fā)展迅速，超寬帶技術(shù)由于其在無線通信中的重要性，及其具有如高數(shù)據(jù)率、低損耗、經(jīng)濟實用、低復(fù)雜性等其他窄帶通信系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢，一直是通信領(lǐng)域研究的重要課題。但是，隨著無線通信的快速發(fā)展和各種應(yīng)用的出現(xiàn)，出現(xiàn)了頻帶資源的緊張、不同系統(tǒng)的工作頻帶發(fā)生重疊等嚴重的問題，影響到無線通信系統(tǒng)的實用性和可靠性。因此，具有陷波特性的超寬帶天線引起了學者們的重視，這種天線能屏蔽特定頻段的其他干擾信號，以增強天線接收的有用信號的信噪比，降低干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種在3.3-4.3GHz及5.15-
6.0GHz兩個頻段具有陷波特性的超寬帶天線，其能有效地抑制WiMAX無線通信(3.3-
3.7GHz)、C波段衛(wèi)星通信(3.7-4.2GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)無線通信等這三種頻段的其他信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。該天線性能良好、輻射方向性較為穩(wěn)定，且尺寸小巧、設(shè)計簡單、易于制作，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)，因此其有很大的應(yīng)用前景。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]—種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，包括接地板、介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述介質(zhì)基板的厚度為1.6mm，接地板設(shè)于介質(zhì)基板一側(cè)，介質(zhì)基板另一側(cè)設(shè)有饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述接地板與所述輻射貼片的寬度相等，所述輻射貼片上刻蝕有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上設(shè)有矩形開槽。
[0007]所述H形槽、倒E形槽和十字形槽的槽寬分別為0.5mm、I mm和I mm。
[0008]所述介質(zhì)基板由環(huán)氧樹脂板材料做成。
[0009]所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為4.4，損耗正切值為0.02。
[00?0]所述介質(zhì)基板的規(guī)格尺寸為20mm X 25mm。
[0011]所述接地板的寬度為6mm。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是:
[0013]1.本發(fā)明天線的輻射貼片上刻蝕有H形槽、倒E形槽和十字形槽，該三個開槽的結(jié)構(gòu)可以極大的改變貼片上電流的分布特性，不僅可以降低低頻，在中頻產(chǎn)生相互影響的互補作用，即調(diào)諧中頻，還可以在低頻附近產(chǎn)生所需要的陷波特性;符合設(shè)計目的及要求，頻帶利用率較高。
[0014]2.本發(fā)明天線經(jīng)過仿真分析，可知天線帶寬為3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz頻段產(chǎn)生帶陷特性，除了這兩個頻段，天線在有效帶寬內(nèi)回波損耗小于-1OdB，電壓駐波比VSWR〈2。在3.3-4.3GHz頻段產(chǎn)生的帶陷特性，能很好的抑制WiMAX(3.3-3.7GHz)及C波段衛(wèi)星通信(3.7-4.2GHz)這兩種窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;在5.15_6.0GHz頻段產(chǎn)生的帶陷特性，能很好的抑制WLAN(5.15-5.825GHz)無線通信等窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，從而提高了該天線的實用性。
[0015]3.本發(fā)明天線接地板的寬度為6mm，性能最優(yōu)，且接地板上設(shè)有矩形開槽，可通過接地板的矩形開槽來調(diào)諧天線帶寬，能適宜地降低低頻、克服理想阻帶的偏移，使天線能達到良好的阻抗匹配，得到了理想的帶寬及阻帶。
[0016]4.本發(fā)明天線采用微帶線作為饋電網(wǎng)絡(luò)，是基于微帶線饋電的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種新穎的、小型化的超寬帶天線;并且具有良好的輻射性能，滿足了超寬帶系統(tǒng)對天線設(shè)計的要求。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是是本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明具體實施例的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明天線中輻射貼片在不同開槽狀態(tài)下的回波損耗仿真結(jié)果。
[0021]圖5是本發(fā)明接地板有無矩形開槽狀態(tài)下的回波損耗仿真結(jié)果。
[0022]圖6是對本發(fā)明接地板在不同寬度下進行仿真得到的仿真結(jié)果。
[0023]圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)為本發(fā)明天線分別在3.2GHz、6.2GHz和9.0GHz三個頻率處的輻射方向圖。
[0024]附圖標記:1_接地板2-介質(zhì)基板3-饋電網(wǎng)絡(luò)4-輻射貼片5-H形槽6_倒E形槽
7-十字形槽8-矩形開槽
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述:
[0026]如圖1至圖3所示，一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，包括接地板1、介質(zhì)基板2、饋電網(wǎng)絡(luò)3和輻射貼片4，介質(zhì)基板2由常用的FR4(環(huán)氧樹脂)板材料做成，相對介電常數(shù)為4.4，損耗正切值為0.02，厚度為1.6mm，天線的形狀如圖1所示，天線采用側(cè)饋方式，輸入阻抗為50 Ω。
[0027]本實施例中的天線是通過蝕刻方法制作在規(guī)格尺寸為20mmX25mmX 1.6mm的介質(zhì)基板2上，接地板I刻蝕于介質(zhì)基板2—側(cè)，介質(zhì)基板2的另一側(cè)刻蝕有饋電網(wǎng)絡(luò)3和輻射貼片4，饋電網(wǎng)絡(luò)3由微帶線構(gòu)成，接地板I為窄矩形結(jié)構(gòu)，接地板I上設(shè)有矩形開槽8，接地板I與輻射貼片4的寬度相等，輻射貼片4上刻蝕有H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7，本實施例中H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7的槽寬分別為0.5mm、Imm和1_。
[0028]如圖3所示:該圖表示的是本發(fā)明天線經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的具體尺寸參數(shù)，單位均為毫米，其中H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7的槽寬分別為0.5mm、Imm和Imm，介質(zhì)基板2的厚度為1.6mmο
[0029]通過建立天線模型，進行全波三維電磁仿真及優(yōu)化，得到天線的回波損耗及在不同頻率處的方向圖，并對仿真結(jié)果進行了分析。圖4、圖5分別為設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)輻射貼片的天線的回波損耗及接地板是否有矩形開槽時天線的回波損耗仿真結(jié)果。圖6為對參數(shù)接地板的寬度進行優(yōu)化的結(jié)果，反映出接地板寬度的大小對回波損耗的影響。圖7(a)、7(b)和7(c)為天線分別在3.2GHz, 6.2GHz、9.0GHz頻率處的輻射方向圖仿真結(jié)果。
[0030]經(jīng)過仿真分析，可知天線帶寬為3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz頻段產(chǎn)生帶陷特性，除了這兩個頻段，天線在有效帶寬內(nèi)回波損耗小于-10dB，電壓駐波比VSWR〈2。在3.3-4.3GHz頻段產(chǎn)生的帶陷特性，能很好的抑制WiMAX(3.3-3.7GHz)及C波段衛(wèi)星通信(3.7-4.2GHz)這兩種窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;在5.15-6.0GHz頻段產(chǎn)生的帶陷特性，能很好的抑制WLAN(5.15-5.825GHz)無線通信等窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，從而提高了該天線的實用性。
[0031 ]對天線相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到天線的帶寬為3.09-10.85GHz?？傻玫狡浠夭〒p耗的仿真結(jié)果，及與不同結(jié)構(gòu)的天線進行了對比分析，如圖4所示，從圖4中可以看出:
[0032](I)輻射貼片4只有H形槽5和十字形槽7時，天線的帶寬為3.2_10.8GHz，在3.5_
4.5GHz及6.15-7.6GHz兩個頻段有陷波特性，不能得到理想的阻帶，犧牲了6.15-7.6GHz的可用頻帶，且最低頻率為3.2GHz，達不到超寬帶要求的3.1GHz。
[0033]⑵輻射貼片4只有倒E形槽6和十字形槽7時，天線的帶寬為3.8-10.6GHz，在4.7-5.75GHz及6.5-7.5GHz兩個頻段有陷波特性，不能屏蔽WiMAX及C波段窄帶信號的干擾，造成6.5-7.5GHz頻段不可用，且不能完全覆蓋3.1_10.6的超寬帶要求范圍。
[0034](3)輻射貼片4只有H形槽5和倒E形槽6時，天線的帶寬為3.2-9.5GHz，在3.5-
4.6GHz及5.3-6.45GHz兩個頻段有陷波特性，在部分期望的頻段內(nèi)有陷波特性，犧牲了部分頻段資源，且不能覆蓋3.1-10.6的超寬帶范圍。
[0035](4)輻射貼片4同時具有H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7時，天線的帶寬為3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz頻段有陷波特性，同時包含了所要抑制的3.3-
3.7GHz,3.7-4.2GHz和5.15-5.825GHz三個頻段。符合設(shè)計目的及要求，頻帶利用率較高，能完全覆蓋3.1-10.6GHz的超寬帶范圍。可見，當天線同時具有以上三個相距較近的不同形狀及寬度的開槽時，該三個開槽的結(jié)構(gòu)可以極大的改變貼片上電流的分布特性，不僅可以降低低頻，在中頻產(chǎn)生相互影響的互補作用，即調(diào)諧中頻，還可以在低頻附近產(chǎn)生所需要的陷波特性。
[0036]由圖4還可以看出，在除了帶陷頻段的有效帶寬內(nèi)，本發(fā)明天線的回波損耗均在-1OdB以下，在3.2、8.4、10.36取頻率處甚至達到了-23.5、-20、-31.5(^，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配。
[0037]由圖5可以看出:當天線的輻射貼片4始終具有上述H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7，而接地板I無矩形開槽8時，天線帶寬為3.25-10.85GHz，不能完全覆蓋超寬帶的低頻段(3.1-3.25GHz)，且此時天線的阻帶較理想的阻帶向右偏移；當天線的接地板I有矩形開槽8時，得到了理想的帶寬及阻帶?？梢?，可通過接地板I的矩形開槽8來調(diào)諧天線帶寬，能適宜地降低低頻、克服理想阻帶的偏移，使天線能達到良好的阻抗匹配。
[0038]從圖6中可以看出:當接地板I的寬為5mm時，天線帶寬為3.1-10.65GHz，阻帶為3.45-4.5GHz和5.3-5.9GHz，天線仍有兩個阻帶，與理想的阻帶有一定的偏移，低頻部分匹配良好，但頻率增高時，性能開始逐漸惡化。當接地板I的寬為6mm時，天線有理想的三個阻帶，天線帶寬為3.09-10.85GHz，阻抗匹配良好。當接地板I的寬為7mm時，天線帶寬約為
3.25-11.6GHz，在3.55-7.9GHz頻段回波損耗大于-1OdB，顯然不符合本設(shè)計目的，沒有理想的陷波特性。當接地板I的寬為8mm時，天線帶寬約為8.9-10.65GHz，有效帶寬進一步變窄，天線也變成了普通寬帶天線。可見，當接地板I的寬為6mm時，可以得到理想的天線性能，當接地板I的寬度減小或增大時，天線性能都會惡化，帶寬都會變窄。經(jīng)過分析可知，接地板I的寬度取6mm時為最優(yōu)結(jié)果。
[0039]進一步的，由于天線結(jié)構(gòu)的其它參數(shù)同樣也會對天線性能造成影響，所以需要進一步的優(yōu)化，最終得到了天線尺寸的最優(yōu)化值，即圖3中的參數(shù)大小。
[0040]由圖7(a)至圖7(c)可知，天線在E面和H面的輻射方向圖分別呈近似倒“8”字形及近似全向的輻射特性(高頻處產(chǎn)生少量旁瓣)，天線在阻抗帶寬內(nèi)增益最大約為1.8dB。其中E面是指與電場方向平行的方向圖切面;H面是指與磁場方向平行的方向圖切面。
[0041]本發(fā)明天線的饋電網(wǎng)絡(luò)3采用微帶線傳輸線，仿真和研究結(jié)果表明:該天線在3.09-10.85GHz (3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz頻段除外)頻段內(nèi)的回波損耗小于-1OdB，并且具有良好的輻射性能，滿足超寬帶系統(tǒng)對天線設(shè)計的要求。
[0042]本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對【具體實施方式】的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，包括接地板、介質(zhì)基板、饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，其特征在于，所述介質(zhì)基板的厚度為1.6mm，接地板設(shè)于介質(zhì)基板一側(cè)，介質(zhì)基板另一側(cè)設(shè)有饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射貼片，所述接地板與所述輻射貼片的寬度相等，所述輻射貼片上刻蝕有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上設(shè)有矩形開槽。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，其特征在于，所述H形槽、倒E形槽和十字形槽的槽寬分別為0.5mm、Imm和1_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板由環(huán)氧樹脂板材料做成。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為4.4，損耗正切值為0.02。5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的規(guī)格尺寸為20_X25mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述一種具有多陷波特性的寬帶單極子天線，其特征在于，所述接地板的寬度為6mm。
【文檔編號】H01Q1/38GK106025528SQ201610506725
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】金杰, 張強, 李茜
【申請人】天津大學