一种双陷波超宽带天线

摘要

本发明公开了一种双陷波超宽带天线，包括辐射贴片、开槽地板、馈电微带线、短路微带线、耦合贴片、WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构，辐射贴片与开槽地板设有间隔，馈电微带线与开槽地板设有间隔，短路微带线与辐射贴片、开槽地板连接，耦合贴片设于辐射贴片和开槽地板的空隙中，WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构均设置在开槽地板上，WiMAX频段陷波结构采用非对称U型缝隙，WLAN频段陷波结构采用“7”和“1”字样缝隙。本发明在满足天线在WiMAX频段和WLAN频段良好的陷波效果前提下，提高了低频非陷波频段的峰值增益，从而提高了天线在整个超宽带频段上的增益稳定性。

权利要求

1.一种双陷波超宽带天线，其特征在于，包括：辐射贴片、开槽地板、馈电微带线、短路微带线、耦合贴片、介质基板、WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构，所述辐射贴片、开槽地板、馈电微带线、短路微带线以及耦合贴片处于介质基板的同一面上，所述辐射贴片与开槽地板设有间隔，所述馈电微带线与开槽地板设有间隔，所述短路微带线与辐射贴片、开槽地板连接，所述耦合贴片设于辐射贴片和开槽地板的空隙中，所述WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构均设置在开槽地板上，所述WiMAX频段陷波结构采用非对称U型缝隙，所述WLAN频段陷波结构采用“7”和“1”字样缝隙，所述馈电微带线与辐射贴片连接，短路微带线直接连接辐射贴片和开槽地板。

2.根据权利要求1所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述辐射贴片采用矩形辐射贴片，所述开槽地板采用开槽矩形地板，所述耦合贴片采用矩形耦合贴片。

3.根据权利要求1或2所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述开槽地板的槽采用矩形槽，所述开槽地板一侧的两个内角分别设有切角，所述切角角度为45°，切角长度为

0.7mm。

4.根据权利要求1所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述非对称U型缝隙以及“7”和“1”字样缝隙的开槽长度或者枝节臂长，采用下述公式进行计算：其中，f陷波是需要陷波频段中心频率，c是光速，L槽或臂是非对称U型缝隙，或者是“7”和“1”字样缝隙的臂长，εeff是等效介电常数。

5.根据权利要求1所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述非对称U型缝隙的缝隙宽度设为0.4mm，非对称U型缝隙两臂长分别设为10.5mm和3.0mm，总槽长设为28.5mm。

6.根据权利要求1所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述“7”字样缝隙宽带设为

0.8mm，所述“7”字样缝隙两臂长设为8.5mm和7.8mm；所述“1”字样缝隙宽度设为1.1mm，所述“1”字样缝隙长度设为15.7mm。

7.根据权利要求1所述的双陷波超宽带天线，其特征在于，所述介质基板采用介电常数为3.6的罗杰斯板材。

说明书

一种双陷波超宽带天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双陷波超宽带天线。

背景技术

[0002] 超宽带技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，它利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。超宽带技术具有众多优势，根据香农信道容量公式：

[0003]

[0004] 式中，C为信道传输速率(b/s)，B为信道带宽(Hz)，S为信号功率(w)，N为噪声功率(w)。由此式可知，在信道信噪比不变的情况下，扩展信道带宽可以线性地提高信道传输速率。在发射功率不变的情况下，可以降低发射信号功率谱密度。由于超宽带技术采用纳秒级的脉冲传输数据，故而能提供到厘米的定位精度，同时，超宽带通信系统接收端接收到的信号和噪声会同时经过解扩处理，使得被扩频的信号功率被重新集中到工作频率附近而通过通带滤波器，而噪声功率被扩频后被通带滤波器大量滤除，从而使得超宽带通信技术拥有强大的抗干扰能力。

[0005] 2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz频段划归为超宽带通信频段。但是，其中有一些频段已被占用，例如占用3.3-3.8GHz频段的全球微波互联(WiMAX)系统和占用5.725-5.825GHz频段的无线局域网(WLAN)系统。具有陷波特性的陷波超宽带天线因可以减轻由WiMAX、WLAN等窄带系统引起的电磁干扰，已成为国内外研究的热点之一。

[0006] 目前，陷波超宽带天线是在超宽带天线中引入陷波结构而形成的。其基本机理是：在WiMAX、WLAN等窄带系统的工作频带上，在引入的陷波结构上会形成相对较大的电流回路，使得天线的输入阻抗激增。同时，陷波结构上的回路电流在远场上的电场大小大致相当，而方向相反，使得陷波频带上的增益大幅度降低。从而，产生了陷波效果。常用的陷波结构有三种类型，(1)在辐射贴片或地板上刻蚀不同形状的缝隙；(2)在天线结构中引入寄生枝节；(3)在辐射贴片上加载SIR的带阻滤波器。目前，各种陷波超宽带天线的主要问题在于其辐射的稳定性不够，特别是在低频非陷波频段(4-5GHz)的增益往往要低于高频部分。现有公开技术中的双陷波超宽带天线在4-5GHz频段上的增益最小值约为2dB-3dB。

发明内容

[0007] 为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种双陷波超宽带天线，在满足天线在WiMAX频段(3.3-3.8GHz)和WLAN频段(5.725-5.8 25GHz)良好的陷波效果前提下，提高了低频非陷波频段(4-5GHz)的峰值增益，从而提高了天线在整个超宽带频段(3.1-10.6GHz)上的增益稳定性。

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 本发明提供一种双陷波超宽带天线，包括：辐射贴片、开槽地板、馈电微带线、短路微带线、耦合贴片、WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构，

[0010] 所述辐射贴片与开槽地板设有间隔，所述馈电微带线与开槽地板设有间隔，所述短路微带线与辐射贴片、开槽地板连接，所述耦合贴片设于辐射贴片和开槽地板的空隙中，所述WiMAX频段陷波结构和WLAN频段陷波结构均设置在开槽地板上，所述WiMAX频段陷波结构采用非对称U型缝隙，所述WLAN频段陷波结构采用“7”和“1”字样缝隙。

[0011] 作为优选的技术方案，所述辐射贴片采用矩形辐射贴片，所述开槽地板采用开槽矩形地板，所述耦合贴片采用矩形耦合贴片。

[0012] 作为优选的技术方案，所述开槽地板的槽采用矩形槽，所述开槽地板一侧的两个内角分别设有切角，所述切角角度为45°，切角长度为0.7mm；

[0013] 作为优选的技术方案，所述非对称U型缝隙以及“7”和“1”字样缝隙的开槽长度或者枝节臂长，采用下述公式进行计算：

[0014]

[0015] 其中，f陷波是需要陷波频段中心频率，c是光速，L槽或臂是非对称U型缝隙，或者是“7”和“1”字样缝隙的臂长，εeff是等效介电常数。

[0016] 作为优选的技术方案，所述非对称U型缝隙的缝隙宽度设为0.4mm，非对称U型缝隙两臂长分别设为10.5mm和3.0mm，总槽长设为28.5mm。

[0017] 作为优选的技术方案，所述“7”字样缝隙宽带设为0.8mm，所述“7”字样缝隙两臂长设为8.5mm和7.8mm；所述“1”字样缝隙宽度设为1.1mm，所述“1”字样缝隙长度设为15.7mm。

[0018] 作为优选的技术方案，所述非对称U型缝隙左下角顶点相对于开槽地板左下角顶点的坐标设为(8.0mm，2.9mm)。

[0019] 作为优选的技术方案，所述“1”字样缝隙右上角顶点相对于所述“7”字样缝隙右上角顶点的坐标设为(1.3mm，7.7mm)。

[0020] 作为优选的技术方案，还设有介质基板，所述介质基板采用介电常数为3.6的罗杰斯板材。

[0021] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0022] (1)本发明的WiMAX频段陷波结构采用非对称U型缝隙，在WiMAX频段内，天线的峰值增益急剧下降，在WiMAX频段内具有良好的陷波效果。

[0023] (2)本发明的WLAN频段陷波结构采用“7”和“1”字样缝隙，在WiMAX频段内，超宽带天线的峰值增益急剧下降，在WiMAX频段内具有良好的陷波效果。

[0024] (3)本发明的非对称U型缝隙WiMAX频段陷波结构，“7”和“1”字样缝隙WLAN频段陷波结构可以在超宽带天线上共同工作，互不影响，且与现有的同类双陷波超宽带天线相比，本发明提高了在低频非陷波频段(4-5GHz)内的峰值增益最小值，提高了辐射的稳定度。

[0025] (4)本发明的双陷波超宽带天线保留了双陷波超宽带天线具备的全向辐射特性。

附图说明

[0026] 图1为本实施例双陷波超宽带天线三维结构示意图；

[0027] 图2为本实施例双陷波超宽带天线结构俯视图；

[0028] 图3为本实施例双陷波超宽带天线电压驻波比VSWR曲线图；

[0029] 图4为本实施例双陷波超宽带天线峰值增益曲线图；

[0030] 图5为本实施例双陷波超宽带天线4.4GHz，6.4GHz，8.4GHz频点处的E面(Phi＝0°)天线增益波瓣图；

[0031] 图6为本实施例双陷波超宽带天线4.4GHz，6.4GHz，8.4GHz频点处的H面(Phi＝90°)天线增益波瓣图。

[0032] 其中，1-矩形辐射贴片、2-开槽矩形地板、3-馈电微带线、4-短路微带线、5-耦合贴片、6-WiMAX频段陷波结构、71-“7”字样缝隙、72-“1”字样缝隙、8-介质基板。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 如图1、图2所示，本实施例提供一种双陷波超宽带天线，包括矩形辐射贴片1、开槽矩形地板2、馈电微带线3、短路微带线4、耦合贴片5、WiMAX频段陷波结构6、WLAN频段陷波结构和介质基板8，矩形辐射贴片1与开槽矩形地板2设有间隔，馈电微带线3与开槽矩形地板2设有间隔，短路微带线4与矩形辐射贴片1、开槽矩形地板2连接，耦合贴片5设于矩形辐射贴片1和开槽矩形地板2的空隙中，WiMAX频段陷波结构6和WLAN频段陷波结构均设置在开槽矩形地板2上，WiMAX频段陷波结构6采用非对称U型缝隙，WLAN频段陷波结构采用“7”字样缝隙71和“1”字样缝隙72。

[0035] 在本实施例中，超宽带天线的工作频率覆盖了超宽带频段(3.3-10.6GHz)，WiMAX频段陷波结构6和WLAN频段陷波结构分别用于在WiMAX频段和WLAN频段产生陷波效果。

[0036] 本实施例的超宽带天线选型为常规矩形共面波导馈电缝隙天线的一半，以缩减天线的结构尺寸，所述开槽矩形地板2尺寸优选为31.2mm*44.1mm，所述开槽矩形地板2的槽优选为矩形槽，其尺寸优选为22.6mm*27.2mm，矩形槽左下角顶点相对于开槽矩形地板2左下角顶点的坐标为(8.6mm，6.9mm)。为了增加设计自由度，对阻抗匹配有一定的辅助作用，本实施例在开槽矩形地板2的两个内角上分别进行了切角，切角角度优选为45°，切角长度优选为0.7mm。馈电微带线3尺寸优选为8.7mm*3.0mm，馈电微带线3与开槽矩形地板2的间距优选为0.3mm。矩形辐射贴片1尺寸优选为8.8mm*7.0mm。短路微带线4尺寸优选为4.1mm*18.4mm。馈电微带线3用于对辐射贴片进行馈电。辐射贴片对外辐射电磁能量。开槽地板用于构成电流回路。为维持本实施例半切割前后的非对称共面波导馈电缝隙天线与常规共面波导馈电缝隙天线电流的一致性，短路微带线4直接连接辐射贴片和开槽地板。

[0037] 在本实施例中，耦合贴片5用于稳定超宽带天线的增益，特别是稳定低频(3-5GHz)的增益。所述耦合贴片5优选为矩形耦合贴片，所述矩形耦合贴片的尺寸长、宽优选为8.5mm*3.9mm。所述矩形耦合贴片位于所述矩形辐射贴片1与开槽矩形地板2的空隙之中，所述矩形耦合贴片左下角顶点相对于矩形辐射贴片1左下角顶点的坐标系为(8.7mm，3.9mm)。

[0038] 在本实施例中，所述WiMAX频段陷波结构6选型为开在开槽矩形地板2上的非对称U型缝隙；所述开在开槽矩形地板2上的非对称U型缝隙宽度优选为0.4mm。所述开在开槽矩形地板2上的非对称U型缝隙两臂长分别优选为10.5mm和3.0mm，其总槽长为28.5mm，约为WiMAX频段的中心频率3.4GHz所对应的在介质基板8中的半波长(23.24mm)。可在WiMAX频段产生陷波效果。所述开在开槽矩形地板2上的非对称U型缝隙左下角顶点相对于开槽矩形地板左下角顶点的坐标优选为(8.0mm，2.9mm)。

[0039] 在本实施例中，所述WLAN频段陷波结构选型为开在开槽矩形地板2上的“7”和“1”字样缝隙。两种结构共同在WLAN频段产生陷波效果。所述开在开槽矩形地板2上的“7”字样缝隙宽度优选为0.8mm。所述开在开槽矩形地板2上的“7”字样缝隙两臂长分别优化为8.5mm和7.8mm，其右上角顶点相对于开槽矩形地板2右上角顶点的坐标优化为(2.1mm，7.6mm)。所述开在开槽矩形地板2上的“1”字样缝隙宽度优选为1.1mm。所述开在开槽矩形地板2上的“1”字样缝隙长度优选为15.7mm，两者均接近于WLAN频段的中心频率5.8GHz所对应的在介质基板8中的半波长(13.62mm)，可在WLAN频段产生陷波效果。所述开在开槽矩形地板2上的“1”字样缝隙右上角顶点相对于所述开在开槽矩形地板2上的“7”字样缝隙右上角顶点的坐标优化为(1.3mm，7.7mm)。

[0040] 在本实施例中，所述WiMAX频段的非对称U型缝隙波结构以及所述WLAN频段的“7”和“1”字样缝隙陷波结构，其开槽长度或者枝节臂长可由下面公式进行计算：

[0041]

[0042] 式中，f陷波是需要陷波频段中心频率，c是光速，L槽或臂是所述非对称U型缝隙，或者是“7”和“1”字样缝隙的臂长，εeff是等效介电常数。

[0043] 本实施例的具有双陷波特征的超宽带天线设有介质基板8，其中，介质基板8采用介电常数为3.6的罗杰斯RO3050矩形板材，介质基板8的长、宽、高尺寸优选为46.5mm*67.1mm*1mm。超宽带天线和耦合贴片均位于介质基板8的同一面。

[0044] 为了说明本实施例的设计效果，利用CST软件对本实施例进行了辐射特性的模型仿真。

[0045] 如图3所示，本实施例的电压驻波比小于等于2的频率范围为2.6GHz～10.6GHz，覆盖了3.1GHz～10.6GHz的超宽带无线通信频带范围，其陷波频段分别在3.2GHz～4.0GHz和5.7GHz～6.1GHz的频段内，实现了在WiMAX频段和WLAN频段上有着良好的陷波特性。

[0046] 如图4所示，本实施例提供了无开槽的原始超宽带天线(No slot)、仅开WiMAX频段陷波缝隙的单陷波天线(3G slot)、仅开WLAN频段陷波缝隙的单陷波天线(5G slot)、以及同时开WiMAX频段陷波缝隙和WLAN频段陷波缝隙的双陷波天线(3G and 5G slots)的天线峰值增益图。在本实施例天线的工作频段2.6GHz～10.6GHz上，无开槽的原始超宽带天线(No slot)具有稳定峰值增益：大于4dB而小于7dB。

[0047] 对比同尺寸的无开槽的原始超宽带天线(No slot)与仅开WiMAX频段陷波缝隙的单陷波天线(3G slot)的天线峰值增益，可以发现：3G slot天线仅在WiMAX频段内，天线的峰值增益急剧下降，而其他频段内与No slot天线的天线峰值增益基本相同。这说明：3G slot天线中开在开槽矩形地板上的非对称U型缝隙WiMAX频段陷波结构确实可以在WiMAX频段内起到良好的陷波效果。

[0048] 仅开WLAN频段陷波缝隙的单陷波天线(5G slot)的天线峰值增益与同尺寸的无开槽的原始超宽带天线(No slot)的天线峰值增益相比，5G slot天线峰值增益在WLAN频段内急剧下降，而其他频段内与No slot天线峰值增益基本相同。这说明：5G slot天线中开在开槽矩形地板上的“7”和“1”字样缝隙WLAN频段陷波结构确实对WLAN频段上的陷波效果有很大的贡献。

[0049] 对比同尺寸的同时开WiMAX频段陷波缝隙和WLAN频段陷波缝隙的双陷波天线(3G and 5G slots)与仅开WiMAX频段陷波缝隙的单陷波天线(3G slot)的天线和仅开WLAN频段陷波缝隙的单陷波天线(5G slot)的峰值增益曲线，可以发现：3G and 5G slots天线在WiMAX频段内的峰值增益下降幅度和峰值增益最小频点与3G slot天线的峰值增益曲线的基本一致；与此同时，在WLAN频段内，3G and 5G slots天线的峰值增益曲线与3G slot天线的峰值增益曲线几乎重合。这说明：开在开槽矩形地板上的非对称U型缝隙WiMAX频段陷波结构与开在开槽矩形地板上的“7”和“1”字样缝隙WLAN频段陷波结构可以在3G and 5G slots天线上共同工作，互不影响。在3G and 5G slots天线中，两种陷波结构同时工作，在WiMAX频段和WLAN频段产生良好的陷波效果。

[0050] 特别地，本实施例3G and 5G slots天线在低频非陷波频段(4-5GHz)内的峰值增益最小值约为5dB。与现有公开技术相比，本实施例天线在低频非陷波频段(3-4GHz)内的最小峰值增益分别提高了约2dB和3dB。

[0051] 如图5、图6所示，本实施例提供了4.4GHz，6.4GHz，8.4GHz频点处的二维天线增益波瓣图。由图5可知，4.4GHz，6.4GHz，8.4GHz频点处，本实施例天线，在E面(Phi＝0°)上，有着类似于单极子的方向图(“8”字形)；本实施例天线在H面(Phi＝90°)上，有着较为良好的全向性。

[0052] 以上仿真结果说明，通过在开槽矩形地板上开非对称U型缝隙和“7”和“1”字样缝隙，本实施例的天线分别在WiMAX频段和WLAN频段产生良好的陷波效果。与现有的同类双陷波超宽带天线相比，本实施例的天线提高了在低频非陷波频段(4-5GHz)内的峰值增益最小值。与此同时，还保留了同类双陷波超宽带天线所具备的全向辐射特性。

[0053] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。