CN101252218B - 基于两段型阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线 - Google Patents

Abstract

基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线是一种具有超宽带工作特性并且对于多频率信号干扰能够抑止的超宽带天线，该天线包括一块介质基片(1)，和在介质基片(1)上下表面覆盖的两层金属镀层；下表面金属镀层(2)为馈线部分(5)的金属地，上表面金属镀层(3)包含有天线辐射单元(4)、馈线(5)以及多带阻滤波器(7)几部分；其中，天线辐射单元(4)采用圆盘形式，圆盘背后无金属地(2)分布，该形式辐射单元具有超宽带特性；馈线部分(5)采用微带线形式，馈线部分(5)与天线辐射单元(4)之间连接多带阻滤波器(7)、梯形阻抗变换线(6)，其中梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配连接。

Description

基于两段型阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线

技术领域

本发明是一种具有超宽带工作特性并且对于多频率信号干扰能够抑止的超宽带(Ultra-Wideband，UWB)天线综合设计的技术。所设计天线包含圆盘天线和两段阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators SIRs)耦合馈线结构两部分，具有超宽带天线工作带宽(1.7GHz-10.3GHz)。

背景技术

超宽带通信系统具有高数据传输速率，低成本等诸多有点，逐渐成为室内短距通信应用的主流。然而当今各种无线通信系统迅猛发展，使得带宽资源越来越紧张。大量不同种类的通信业务挤占同一频段的现象越来越普遍。相应的，由于超宽带通信系统几乎占据了11GHz以下所有的带宽(例如美国FCC认定的UWB频带为3.1GHz-10.6GHz)，就同时和其他多个无线系统间存在特定频段的重叠问题，例如：IEEE制定的无限局域网WLAN的2.4/5.8GHz频带系统和WiMAX的3.5GHz/5.8GHz频带系统。这些系统将与超宽带系统相互形成干扰。为了避免这些潜在的信号干扰，同时保护各个通信系统的正常工作，可以通过在通信系统中添加相应的阻带滤波器或者设计具有阻带特性的天线实现。在超宽带天线设计中，将多阻带滤波器和天线综合一体的设计可以构成具有阻带特性的单片天馈线系统。这种天线除了就有很宽的带宽外，其具有滤波特性的馈线结构使天线在特定的频率上产生很大的输入电压驻波比。即对于相应频率的信号，天线呈现截止，不工作的状态，从而起到减小甚至消除超宽带系统与其他通信系统间相互干扰的作用。目前，已有的阻带天线大都具有单一的阻带，不能对多个频点的信号进行抑制；或者，具有两个阻带的天线工作带宽受到影响而减小，不满足超宽带特性。因此，设计一种具有多阻带，超宽带工作带宽的小型化天馈线成为亟待解决的问题。另一方面，两段段型阶梯阻抗谐振线具有体积小和前两个谐振频率单独可控的性质，通过两个阶梯阻抗线很容易实现多阻带滤波器的设计。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于平面印刷电路工艺实现的基于两段型阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线，不仅具有超宽带特性，而且对于多个频点的干扰信号有很好的抑制作用。该天线具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、易加工，便于批量生产等优点，因此适用于多种抗干扰的超宽带应用场合。

技术方案：所设计天线包含圆盘天线和多阻带滤波器两部分。其中滤波器由两个两段型阶梯阻抗谐振器与天线馈线相耦合构成。该天线不仅具有超宽带工作带宽(1.7GHz-10.3GHz)，同时，由两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线部分产生多个阻带，从而使得天线整体表现出具有多阻带特性的超宽带性能。该天线设计基于平面印刷电路技术，采用微带线馈电，体积小巧，适合平面高度集成。

本发明的超宽带天线包含圆盘天线和两段型阶梯阻抗谐振器耦合微带线构成的馈线两部分，通过印刷电路板技术在微波介质基片实现。两段型阶梯阻抗谐振器耦合微带线结构，可以产生多个特定频点的阻带。同时，两段型阶梯阻抗谐振器具有成熟的设计公式，使得多阻带天线的设计过程简便快捷。

本发明采用如下技术方案：

该天线包括一块介质基片，和在介质基片上下表面覆盖的两层金属镀层；下表面金属镀层为馈线部分的金属地，上表面金属镀层包含有天线辐射单元、馈线以及多带阻滤波器几部分；其中，天线辐射单元采用圆盘形式，圆盘背后无金属地分布，该形式辐射单元具有超宽带特性；馈线部分采用微带线形式，馈线部分与天线辐射单元之间连接多带阻滤波器、梯形阻抗变换线，其中梯形阻抗变换线进行阻抗匹配连接。

多带阻滤波器由两段型阶梯谐振器耦合微带馈线构成，两段型阶梯谐振器中的第一谐振器由两段具有不同特征阻抗和电长度的第一微带线、第二微带线构成；第二谐振器由两段具有不同阻抗和电长度的第三微带线、第四微带线构成；其中，第二微带线、第三微带线与微带馈线平行，实现谐振器与微带线馈线的部分耦合；第一微带线和第四微带线通过金属通孔与金属地相接，实现短路效应。

微带馈线可以采用直转角设计，以减小天线的整体体积。第一微带线与第二微带线，第三微带线与第四微带线之间均成垂直分布，构成L型；或第一微带线与第二微带线为共轴分布。通过调节每个谐振器各段的阻抗和电长度可以实现多个不同频率的阻带特性。因此，这一整体的天馈线结构就够成具有多阻带特性的超宽带天线。

有益效果：本发明具有如下优点：

1.天线具有超宽带特性，可以满足超宽带通信系统要求；同时，天线可以产生三个或者四个频率的阻带，具有抗多频点干扰性能。

2.根据所需设计的天线阻带频率可以利用两段型阶梯阻抗谐振器设计公式计算出谐振器的结构尺寸。因此该天线具有阻带可调性，可以满足一些干扰频率特殊场合的应用，并且设计过程简便快捷。

3.两段型阶梯阻抗谐振器具有前两个谐振频率可调特性，相应的一个谐振器就可以产生两个可控的阻带。因此，通过添加两段型阶梯阻抗谐振器可以产生多阻带，适应于多干扰信号场合。

4.谐振器本身具有体积小巧的特点，并且可以弯曲布局，实现小型化设计。因此，天线整体体积小巧。同时，天线采用微带线做为馈线，可以方便与微波平面电路高度集成，适合移动小型化设备使用。

5.整个天线的各部分集成为一体，结构简单，全部利用PCB工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现多阻带超宽带天线，类型I，暨实施实例1和2的结构示意图，其中图1a为正面示意图，图1b为侧面示意图。

图2实施实例1的输入电压驻波比(VSWR)测量结果(实线为测试结果，虚线为仿真结果)。

图3为实施例1的XOZ平面方向图，4条曲线分别是2、3、5、8GHz时的测试结果。

图4为实施例1的YOZ平面方向图，4条曲线分别是2、3、5、8GHz时的测试结果。

图5实施实例2的输入电压驻波比(VSWR)测量结果(实线为测试结果，虚线为仿真结果)。

图6两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现多阻带超宽带天线，类型II，暨实施实例3。结构示意图，其中图6a为正面示意图，图6b为侧面示意图。

图7实施实例3的输入电压驻波比(VSWR)测量结果(实线为测试结果，虚线为仿真结果)。

以上的图中有：介质基片1，下表面金属镀层2，上表面金属镀层3，天线辐射单元4，馈线部分5(含梯形阻抗变换线6)，多阻带滤波器7(含两段型阶梯阻抗谐振器7a和7b)，7a含有微带线8和9，7b含有微带线10和11，所有接地金属孔12。

具体实施方式

基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线，包括一块介质基片1，和在介质基片1上下表面覆盖的两层金属镀层；下表面金属镀层2为馈线部分5的金属地，上表面金属镀层3包含有天线辐射单元4、馈线5以及多带阻滤波器7几部分；其中，天线辐射单元4采用圆盘形式，圆盘背后无金属地2分布，该形式辐射单元具有超宽带特性；馈线部分5采用微带线形式，馈线部分5与天线辐射单元4之间连接多带阻滤波器7(含两段型阶梯阻抗谐振其7a和7b)、梯形阻抗变换线6，其中梯形阻抗变换线6进行阻抗匹配连接。阶梯阻抗谐振器7a含有微带线8和9，7b含有微带线10和11，微带线8和11通过金属孔12接地。

实施实例1和2的结构基本相同，仅是两段型阶梯阻抗谐振器7b的尺寸略有不同；而实施实例3则将微带馈线5做了直转角设计，而特性与实施实例1相同，两者的不同结构可以在实际应用中根据需要进行选择。

实施例1两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现三阻带超宽带天线，类型I。

天线结构如图1所示，尺寸单位均为mm。本实施实例的基片尺寸为46×77.5×1。实测输入电压驻波比(VSWR)以及XOZ、YOZ两个主平面的方向图结果示于图2～图4。

实施例2两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现四阻带超宽带天线。

天线结构如图1所示，尺寸单位均为mm。本实施实例的基片尺寸为46×77.5×1。本设计实例的基本结构同实施实例1，但是具有不同的谐振器结构参数。即由阶梯阻抗谐振器构成的滤波器具有不同的带阻特性。本实例可以实现四阻带特性的超宽带天线。实测天线输入电压驻波比(VSWR)结果示于图5。

实施例3两段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现三阻带超宽带天线，类型II。

天线结构如图6所示，尺寸单位均为mm。本实施实例的基片尺寸为46×77.5×1。本设计实例的与实施实例1所不同的是对微带馈线进行了转角设计，相应的，谐振器结构参数也略有不同。但是，本实例同样可以实现三阻带特性的超宽带天线。实施实例1和3使得实际应用中可以根据需要灵活选择天线结构。实测天线输入电压驻波比(VSWR)结果示于图7。

Claims (4)

1.一种基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括一块介质基片(1)，和在介质基片(1)上下表面覆盖的两层金属镀层；下表面金属镀层为馈线部分(5)的金属地(2)，上表面金属镀层(3)包含有天线辐射单元(4)、馈线部分(5)以及多带阻滤波器(7)几部分；其中，天线辐射单元(4)采用圆盘形式，圆盘背后无金属地(2)分布，该天线辐射单元具有超宽带特性；馈线部分(5)采用微带线形式，馈线部分(5)与天线辐射单元(4)之间连接多带阻滤波器(7)、梯形阻抗变换线(6)，其中梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配连接。

2.根据权利要求1所述的基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线，其特征在于多带阻滤波器(7)由两段型阶梯谐振器耦合微带馈线构成，两段型阶梯谐振器中的第一谐振器(7a)由两段具有不同特征阻抗和电长度的第一微带线(8)、第二微带线(9)构成；第二谐振器(7b)由两段具有不同阻抗和电长度的第三微带线(10)、第四微带线(11)构成；其中，第二微带线(9)、第三微带线(10)与馈线部分(5)平行，实现谐振器与馈线部分(5)的部分耦合；第一微带线(8)和第四微带线(11)通过金属通孔(12)与金属地(2)相接，实现短路效应。

3.根据权利要求1所述的基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线，其特征在于馈线部分(5)采用直转角设计，以减小天线的整体体积。

4.根据权利要求2所述的基于两段型阶梯阻抗谐振器实现的多阻带超宽带天线，其特征在于第一微带线(8)与第二微带线(9)，第三微带线(10)与第四微带线(11)之间均成垂直分布，构成L型；或第一微带线(8)与第二微带线(9)为共轴分布。

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