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CN112467352A - 一种扳手形陷波可重构超宽带天线 - Google Patents

一种扳手形陷波可重构超宽带天线 Download PDF

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CN112467352A CN202011303061.7A CN202011303061A CN112467352A CN 112467352 A CN112467352 A CN 112467352A CN 202011303061 A CN202011303061 A CN 202011303061A CN 112467352 A CN112467352 A CN 112467352A
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Abstract

本发明公开了一种扳手形陷波可重构超宽带天线，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；辐射贴片为采用矩形中部挖去三个矩形凹槽结构以及矩形贴片左右下方各挖去一个矩形凹槽；微带馈线与辐射贴片的底部相连接，并在连接处设置对称的四边形。本发明采用矩形贴片挖矩形槽结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过引入U形枝节的方式产生阻带，有效滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信；通过在U形枝节上添加二极管开关，控制开关的闭合来实现不同的工作状态，抗干扰能力强，具有较高的实用价值。

Description

一种扳手形陷波可重构超宽带天线
技术领域
本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种扳手形陷波可重构超宽带天线。
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。超宽带天线作为系统的核心部件，其性能的好坏直接影响着整个系统的传输质量。
由于超宽带系统占用的频段极宽，其中包含着很多窄带通信系统，比如3.3-3.6GHz的WiMAX频段，3.7-4.2GHz的C波段，8.01-8.5GHz的国际电信联盟ITU波段。这些窄带系统不可避免地会与超宽带系统之间产生电磁干扰。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，不同的通信系统需求也为可重构技术的进步增添了必要性。
为了避免超宽带系统与窄带系统之间存在的电磁干扰，传统的方法是在超宽带系统中引入带阻滤波器，但这无疑加大了系统的体积、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“潘勇，侯梓叶，赵二刚，马永涛，熊江，曾悦.一种矩形环状频率可重构天线设计[J].南开大学学报(自然科学版)，2019，52(06):7-11.”中提出的一种具有可重构特性的陷波超宽带天线，天线采用两个圆的矩形环、一条横矩形带及两个椭圆环结构作为作为辐射单元，在陷波结构上加载二极管开关实现天线的可重构特性，天线的整体尺寸为36*24*0.8mm3，但该天线不同工作状态下的相对带宽较小且物理尺寸较大。
再如专利名称为具有陷波特性的可重构超宽带单极天线、申请号201710048815.0的中国专利，提出了一种具有陷波特性的可重构超宽带天线，该天线由梯形辐射单元和矩形接地板组成，通过在梯形辐射单元上开半圆环形槽，产生陷波特性，并在陷波结构上添加二极管开关，通过控制开关闭合，形成不同的工作状态，天线的物理尺寸为25*20*1.6mm3，同样物理尺寸较大，不易于集成且不同工作状态下的相对带宽较小。
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、性能稳定的扳手形陷波可重构超宽带天线，能滤除不同窄带信号的干扰，同时还能切换天线不同的工作状态，从而满足多种通信系统的需求。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种扳手形陷波可重构超宽带天线，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；所述辐射贴片为矩形且在中部挖去第一矩形凹槽、第二矩形凹槽和第三矩形凹槽结构，在辐射贴片下部左右各挖去第四矩形凹槽和第五矩形凹槽；所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，并在连接处设置对称的两个四边形贴片。
由上，本发明的扳手形陷波可重构超宽带天线采用矩形贴片挖去矩形凹槽结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过在辐射贴片上引入U形枝节的方式产生阻带，以及在矩形贴片上引入U形枝节直接的方式产生阻带，能滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统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扳手形陷波可重构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，在所述第三矩形凹槽中引入开口朝下的第一U形枝节，在矩形贴片上引入开口朝上、围住所述第一矩形凹槽、第二矩形凹槽和第三矩形凹槽的第二U形枝节。
由上，采用矩形中部挖去三个矩形凹槽结构以及下部左右各挖去一个矩形凹槽作为辐射贴片，利用单极子天线的简易特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸；辐射贴片上开设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U形枝可产生阻带特性并且通过调节U形枝节的竖直长度和水平长度灵活地调整陷波的中心频率和带宽。
进一步的，所述矩形贴片的水平长度为24mm，其竖直长度为13mm；所述第一矩形凹槽的水平长度为9.0mm，其竖直长度为4.9mm；所述第二矩形凹槽的水平长度为7.4mm，其竖直长度为3.0mm；所述第三矩形凹槽的水平长度为3mm，其竖直长度为2.5mm；所述第四矩形凹槽的水平长度为1.90mm，其竖直长度为1.08mm；所述第五矩形凹槽的水平长度为1.2mm，其竖直长度为1.08mm。
在本发明的一个实施例中，所述第二U形枝节的竖直长度为10.5-10.9mm，水平长度为11.0-11.4mm，厚度为0.5mm。
进一步的，所述第一U形枝节的竖直长度为4.1-4.5mm，水平长度为2.5-3.0mm，厚度为0.2mm，第一U形枝节的中间矩形贴片位于辐射贴片的中轴线上。
由上，采用引入U形枝节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。
可选的，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线由对称的两个四边形贴片、梯形贴片以及矩形贴片组成，其中四边形的较短边的长度为0.9-1.0mm，较长边长度为4.4-4.8mm，距离辐射贴片的中轴线的长度为2.4-2.7mm；所述梯形贴片的上边长为0.9-1.0mm，下边长为2.9-3.2mm；所述矩形贴片的水平长度为2.9-3.2mm，竖直长度为3.9-4.2mm。
可选的，在所述矩形贴片引入第三U形枝节，所述第三U形枝节位于所述介质基板的中轴线上并在第三U形枝节上引入二极管开关。
进一步的，所述第三U形枝节上的二极管开关控制天线的工作状态，所述第三U形枝节的竖直长度为3.0-3.3mm，水平长度为0.9-1.2mm，厚度为0.1mm，所述二极管开关的水平长度为0.41mm，竖直长度为0.41mm。
由上，在U形枝节上引入二极管开关，实现了陷波超宽带天线的可重构特性，使其能自由切换工作状态。
可选的，所述截短接地板的高度为8.3-8.5mm。
由上，采用截短接地板结构，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。
进一步的，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24mm和16mm。
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扳手形陷波可重构超宽带天线的结构图；
图2是本发明优选实施例的扳手形陷波可重构超宽带天线的正面结构图；
图3是本发明优选实施例的扳手形陷波可重构超宽带天线的背面结构图；
图4是本发明优选实施例的扳手形陷波可重构超宽带天线的回波损耗曲线图；
图5是本发明优选实施例的扳手形陷波可重构超宽带天线的不同工作状态对应回波损耗曲线图；
图6是本发明的扳手形陷波可重构超宽带天线在4GHz频点的辐射方向图；
图7是本发明的扳手形陷波可重构超宽带天线在6GHz频点的辐射方向图；
图8是本发明的扳手形陷波可重构超宽带天线在8GHz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1-8所示，本发明的扳手形陷波可重构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，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采用矩形中部挖去第一矩形凹槽21、第二矩形凹槽23、第三矩形凹槽24结构，在矩形下部左右各挖去第四矩形凹槽26和第五矩形凹槽27。在本发明的较佳实施例中，基本的矩形为辐射单元，矩形贴片20的水平长度为24mm，竖直长度为13mm。第一矩形凹槽21的水平长度为9.0mm，竖直长度为4.9mm。第二矩形凹槽23的水平长度为7.4mm，竖直长度为3.0mm。第三矩形凹槽24的水平长度为3mm，竖直长度为2.5mm。第四矩形凹槽26的水平长度为1.90mm，竖直长度为1.08mm。第五矩形凹槽27的水平长度为1.2mm，竖直长度为1.08mm。
另外，在辐射贴片20上引入第二U形枝节22，在第三矩形凹槽24中引入第一U形枝节25。第二U形枝节22的竖直长度为10.5-10.9mm，水平长度为11.0-11.4mm。优选地，第二U形枝节22的竖直长度为10.7mm，水平长度为11.2mm。第一U形枝节25的竖直长度为4.1-4.5mm，水平长度为2.5-3.0mm，U形凹槽的中间矩形贴片位于中轴线上。优选地，第一U形枝节25的竖直长度为4.1mm，水平长度为0.4mm。
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由对称的两个四边形贴片31、梯形贴片32以及矩形贴片33组成，其中四边形31的较短边长度为0.9-1.0mm，较长边长度为4.4-4.8mm，距离中轴线的长度为2.4-2.7mm；梯形贴片32的上边长为0.9-1.0mm，下边长为2.9-3.2mm；矩形贴片33的水平长度为2.9-3.2mm，竖直长度为3.9-4.2mm。第三U形枝节34位于所述介质基板10的中轴线上并在第三U形枝节34上引入二极管开关36。
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，采用截短接地板40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24mm、16mm、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。
本发明的矩形贴片为辐射单元，且所述辐射贴片的中部开设有三个矩形凹槽，所述辐射贴片的下部左右各开设有矩形凹槽，所述辐射贴片的中部引入两个U形枝节，所述馈线有矩形贴片、梯形贴片以及对称的两个四边形组成，在所述矩形馈线的中间引入U形枝节，U形枝节位于所述介质基板的中轴线两侧。
为了进一步说明本发明的扳手形陷波可重构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4，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽完全满足超宽带频带范围，并且在2.8-3.8GHz、8.1-8.6GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除微波互联网WiMAX波段、C波段和国际电信联盟ITU波段三种窄带信号带来的电磁干扰。
参见图5，本发明的超宽带天线可通过控制开关的闭合状态，进而实现不同的工作状态，用以满足陷波超宽带天线应用于多种通信系统当中，满足实际需求，实现陷波超宽带天线的可重构特性。
参见图6，提供了本发明实施例中超宽带天线在4GHz时的辐射方向图，由图6可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图7，提供了本发明实施例中超宽带天线在6GHz时的辐射方向图，由图7可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图8，提供了本发明实施例中超宽带天线在8GHz时的辐射方向图，由图8可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，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，本发明天线的工作带宽完全满足超宽带频段范围，在2.8-3.8GHz频段具有较好的阻带特性，可同时滤除微波互联网WiMAX波段、C波段，在8.1-8.6GHz频段具有较好的阻带特性，可滤除国际电信联盟ITU波段窄带通信系统产生的电磁干扰，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。
上述实施例揭示的扳手形陷波可重构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，采用矩形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化，通过引入寄生枝节(U形枝节)的方式产生阻带，滤除了WiMAX和C波段和国际电信联盟ITU三种窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信，通过在U形枝节上引入二极管开关，实现了天线的可重构特性。另外，通过调节U形枝节的水平和竖直长度，可灵活调整陷波的中心频率和带宽，具有陷波可调节特性。另外，本发明采用引入U形枝节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)

1.一种扳手形陷波可重构超宽带天线，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)为矩形且在中部挖去第一矩形凹槽(21)、第二矩形凹槽(23)和第三矩形凹槽(24)结构，在辐射贴片(20)下部左右各挖去第四矩形凹槽(26)和第五矩形凹槽(27)；
所述微带馈线(30)与所述辐射贴片(20)的底部相连接，并在连接处设置对称的两个四边形贴片(31)。
2.如权利要求1所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于，在所述第三矩形凹槽(24)中引入开口朝下的第一U形枝节(25)，在矩形贴片(20)上引入开口朝上、围住所述第一矩形凹槽(21)、第二矩形凹槽(23)和第三矩形凹槽(24)的第二U形枝节(22)。
3.如权利要求2所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：所述矩形贴片(20)的水平长度为24mm，其竖直长度为13mm；
所述第一矩形凹槽(21)的水平长度为9.0mm，其竖直长度为4.9mm；
所述第二矩形凹槽(23)的水平长度为7.4mm，其竖直长度为3.0mm；
所述第三矩形凹槽(24)的水平长度为3mm，其竖直长度为2.5mm；
所述第四矩形凹槽(26)的水平长度为1.90mm，其竖直长度为1.08mm；
所述第五矩形凹槽(27)的水平长度为1.2mm，其竖直长度为1.08mm。
4.如权利要求3所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：所述第二U形枝节(22)的竖直长度为10.5-10.9mm，水平长度为11.0-11.4mm，厚度为0.5mm。
5.如权利要求3所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：所述第一U形枝节(25)的竖直长度为4.1-4.5mm，水平长度为2.5-3.0mm，厚度为0.2mm，第一U形枝节(25)的中间矩形贴片位于辐射贴片(20)的中轴线上。
6.如权利要求1所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，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)由对称的两个四边形贴片(31)、梯形贴片(32)以及矩形贴片(33)组成，其中四边形的较短边的长度为0.9-1.0mm，较长边长度为4.4-4.8mm，距离辐射贴片(20)的中轴线的长度为2.4-2.7mm；
所述梯形贴片(32)的上边长为0.9-1.0mm，下边长为2.9-3.2mm；
所述矩形贴片(33)的水平长度为2.9-3.2mm，竖直长度为3.9-4.2mm。
7.如权利要求6所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：在所述矩形贴片(33)引入第三U形枝节(34)，所述第三U形枝节(34)位于所述介质基板(10)的中轴线上并在第三U形枝节(34)上引入二极管开关(36)。
8.如权利要求7所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：所述第三U形枝节(34)上的二极管开关(36)控制天线的工作状态，所述第三U形枝节(34)的竖直长度为3.0-3.3mm，水平长度为0.9-1.2mm，厚度为0.1mm，所述二极管开关(36)的水平长度为0.41mm，竖直长度为0.41mm。
9.如权利要求1所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，其特征在于：所述截短接地板(40)的高度为8.3-8.5mm。
10.如权利要求1至9中任一项所述的扳手形陷波可重构超宽带天线，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24mm和16mm。
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