专利名称：：具有带阻特性的超宽带天线的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于超宽带(UWB)通信系统的天线，且特别涉及一种在5GHz频段具有带阻特性的UWB天线。
背景技术：
：UWB通信系统被定义为一种具有中心频率的25%或更高、或L5GHz或更高的带宽的通信系统。UWB通信采用功率分布于宽带上的信号，例如脉冲信号。也就是说，使用具有若干纳秒到皮秒宽度(持续时间)的脉冲，以便在GHz量级的宽带上分布功率。UWB通信机制是一种具有的带宽远比宽带CDMA通信机制所具有的约5MHz的带宽更宽的通信机制。在UWB通信系统中，信号受到调制，以利用短脉冲传送信息。使用诸如通断键控(On-OffKeying,OOK)、脉幅调制(PulseAmplitudeModulation,PAM)或脉位调制(PulsePositionModulation,PPM)之类的调制方法，以便在调制信号的同时保持脉冲自身的宽带特性。所以，UWB系统因其无需载体(carrier)而结构简单并易于实施。而且，因为功率分布于宽频带上，每个频率分量仅需很低的功率。这使得UWB系统较少与采用窄频带的其它通信系统发生干扰，而且还使搭线(wiretapping不易发生。因此，UWB系统适于保障通信安全。而且，UWB系统的优点在于其允许以极低功率进行高速通信，并具有良好的阻碍透射特性。因为以上优点，预计UWB系统将会广泛地用于下一代无线个人局域网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)，例如无线家庭网(wirelesshomenetwork)领域。更特别的是，在2002年2月经美国联邦通信委员会(FCC)批准，UWB通信方法可商用于3.1GHz或更高频段。这就加速了UWB系统的商业化。.与传统通信系统相比，UWB系统采用宽频带。因而不可避免地要开发具有适用于宽频带的宽带特性的小型天线。用于UWB系统的天线一般包括喇叭天线(hornantenna)、双锥天线(bi-conicalantenna)等等。授予TimeDomainCorporation的美国专利第6,621,462号、授予XtremeSpectrum,Inc的美国专利第6，590，545号等还公开了其它类型的UWB天线。然而，以上这些天线是有问题的，原因在于它们因为其尺寸而不适用于需要小而轻的天线的领域。LGElectronics,Co.，Ltd的韩国专利申请第2003-49755号和ElectronicsandTelecommunicationsResearchInstitute(ETRI)的卓韦国专利申请第2002-77323号公开了其它类型的UWB系统天线。这些专利申请公开了相对小和具有宽带特性的平面天线或倒L形天线。建立有关无线LAN标准的IEEE802.11a以及HYPERLAN/2规定，5.15到5.825GHz的频段(不需许可的国家信息基础设施(UnlicensedNationalInformationInfrastructure,UNII)频段)，该频段包括于UWB的可用频段中，可用于无线LAN。因使用了高功率信号，这些标准可能导致与UWB系统在UNII频段发生干扰。因此在UWB系统中，与无线LAN的频段重叠的UNII频段被限制使用。然而，在以上美国专利和韩国专利申请中公开的天线仅具有UWB特性，而在使用受限的频段不具有带阻特性。所以，为了实际应用这些天线，需要针对与无线LAN的频段重叠的频段，额外地使用具有高品质因数的带阻滤波器。然而增加带阻滤波器不仅增加成本，还限制了设备的小型化和轻量化。增加带阻滤波器还会引起使用极短脉冲的UWB系统中的脉冲畸变，导致性能降低。
发明内容本发明所要解决的技术问题因此，本发明的一个目的是提供一种可用在UWB系统中的超宽带天线。本发明的另一目的是提供一种在UNII频段具有带阻特性的超宽带天线。本发明还有另一目的是提供一种能够小型化并能大量生产的UWB天线。技术方案为实现上述目的，根据本发明的一个实施例，提供了一种UWB天线，该天线包括基板、形成于该基板的顶面上的辐射元件、形成于该基板的底面上的接地板、及连接到该辐射元件的馈电元件，其中在该辐射元件中形成短截线(stub)，而在该接地板中形成台阶。上述辐射元件可以是圆形的。而且，上述短截线可具有对应于30。的长度到对应于60。的长度。根据本发明的另一个实施例，提供了一种UWB天线，该天线包括基板、形成于该基板的顶面上的辐射元件、形成于该基板的底面上的接地板、及连接到该辐射元件的馈电元件，其中在该接地板中形成凹口。上述辐射元件可以是矩形的，并且在上述辐射元件的下缘处可形成切口。而且，上述接地板可形成为不与辐射元件交叠。而且，上述馈电元件可以是微带馈线。而且，在上述辐射元件中可形成槽，以便获得带阻特性。所述槽可具有倒U形并可具有13到16mm的长度。而且，所述槽可具有(XcA/i;)/2的长度，其中Sr是基板的相对介电常数而、是对应于阻带的中心频率&的波长。在此情况下，阻带的中心频率fe可处于5到6GHz的范围内。根据本发明的又一实施例，提供了一种UWB天线，该天线包括基板、形成于该基板的顶面上的辐射元件、形成于该基板的底面上的接地板、及连接到该辐射元件的馈电元件，其中在该辐射元件中形成U形槽以便获得带阻特性。有益效果根据本发明，在辐射元件中形成了短截线。因此能够实现在低频段具有扩展带宽的UWB天线。而且根据本发明，因为在接地板中形成了台阶，因而能够改善在中频段的天线特性并且能扩展天线的带宽。此外，根据本发明，因为在上述辐射元件中形成了槽，所以能够实现具有带阻特性的UWB天线。而且根据本发明，因为在上述接地板中形成了凹口，所以能够实现具有3到llGHz的宽带宽的UWB天线。而且根据本发明，能够实现具有轻的重量和小尺寸、适于大量生产且具有全向辐射图案的UWB天线。图1是根据本发明一个实施例的天线的俯视图；图2是根据本发明一个实施例的天线的仰视图；图3是示意图，以图解方式示出电流在根据本发明一个实施例的天线的辐射元件中的流动；图4是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例的短截线长度(a)的变化而获得的频率与反射系数的模拟值关系曲线；图5是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例的接地板上的台阶的形成而获得的频率与反射系数的模拟值关系曲线；图6是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例的槽的长度(Lsl。t)而获得的频率与驻波比(VSWR)的关系曲线；图7是曲线图，示出根据本发明一个实施例实现的示例性天线的频率与增益的实测值关系曲线；图8是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例实现的示例性天线的频率而获得的辐射图案；图9是根据本发明另一实施例的天线的俯视图；图IO是根据本发明另一实施例的天线的仰视图；图11是示意图，以图解方式示出电流在根据本发明另一实施例的天线的辐射元件中的流动；图12是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的接地板的凹口的变化而获得的频率与回波损耗的模拟值关系曲线；图13是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的槽长度的变化而获得的频率与回波损耗模拟值关系曲线；图14是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的凹口和槽的形成而获得的频率与回波损耗的实测值关系曲线；图15是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例天线的槽的形成而获得的频率与增益的实测值关系曲线；以及图16是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例实现的示例性天线的频率而获得的辐射图案。其中，附图标记说明ji口下10，100:辐射元件12，120:基板14，140:馈电元件16，跳槽18:短截线20，200:接地板22:台阶180:切口220:凹口具体实施方式以下将参考附图，结合特定实施例来详细说明本发明。但尽管公开了天线的具体形状和相关数值，应理解它们仅是说明性的。所描述的实施例可用多种方式进行改动，而均不偏离本发明的精神或范围。图1和图2是根据本发明一个实施例的UWB天线的俯视和仰视图。本实施例的天线基本上是一种微带贴片天线，且其包含基板12、形成于基板的顶面上的圆形辐射元件10、连接到辐射元件10的馈电元件14、及形成于基板的底面上的接地板20。在辐射元件10中形成倒U形槽16。在接地板20的上部两侧形成台阶22。而且，在辐射元件10处形成短截线18。在本实施例的天线中，圆形辐射元件10主要用于获得宽带特性。而且，为了在低频段扩展带宽，可在辐射元件10处形成短截线18。由于辐射元件IO的电长度(electricallength)能够因形成了短截线18而增加，所以能改善低频(即长波长)段的天线特性。通过控制短截线18的长度，即可控制扩展带宽的程度。在本实施例中，说明了短截线18是形成于辐射元件10的同心圆上的。但这仅是说明性的。如果保持短截线18的长度不变，短截线18可具有各种形状。同时，通过在接地板20上形成台阶22，可改善在中频段(约6GHz到lOGHz)的天线特性。通过馈电元件14与辐射元件10之间的耦合，接地板20具有天线的阻抗匹配效应。所以，可通过改变接地板20的形状而改变天线的阻抗(因此改变带宽)。在本实施例中，通过在接地板20上形成台阶22，改善了中频段的天线特性。然而，本领域技术人员易于理解，即使接地板20改变为不同于上述的形状，也可改善天线特性。这类更改也应落入本发明的范围内。同时，在本实施例中，接地板20是仅在基板12的部分底面处、以不与辐射元件10交叠的方式形成的。因此，电磁波可从辐射元件10发出而不会受到接地板20的屏蔽，并能获得与普通单极天线的全向辐射图案类似的全向辐射图案。在本实施例的天线中，可通过形成于辐射元件10中的倒U形槽16来获得带阻特性。以下将参考图3说明如何通过槽16获得带阻特性。图3是以图解方式示出根据本发明一个实施例的天线的辐射元件中的电流流动的图形。提供给辐射元件10的电流的前进受到槽16的阻碍。电流环绕槽16而行。在此情况下，如图3所示，在槽16内流动的电流与在槽16外流动的电流具有相反的方向。因此，由这两种电流产生的电磁场即会抵消。换言之，因为槽16构成半波谐振结构，所以能阻止来自相应波长的辐射。在此情况下，通过控制槽16的长度，即可决定电磁场被抵消的波长。通常，由自由空间的电磁波转换成的电介质中的波长为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(其中^是电介质的相对介电常数)。因此，可用以下公式表示可以使此槽得以在中心频率fc(波长X》处具有带阻特性的槽的长度(Lsl。t)。数学公式1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>如上所述，在本实施例中，因为在辐射元件10中形成了槽16，所以可给天线添加带阻特性。因为可通过适当确定槽的长度来控制阻带的中心频率，所以能够产生在UNII频段的带阻特性。而且，通过控制槽16的宽度即可控制阻带的带宽。通常，槽16的宽度越宽，则阻带的带宽就越宽。以上是结合倒U形槽来描述本实施例的。然而，本发明不限于所公开的实施例。本领域普通技术人员将能理解，本发明可应用于落在本说明书所公开的本发明的精神和范围内的各种形状的槽。同时，作为基本结构，本实施例的天线以采用微带馈电的贴片天线作为馈电元件14。所以，本实施例的天线实现了天线的轻量化和小型化，并因此而具有适于大量生产的结构。而且，基板12可由聚四氟乙烯(FR4)、高阻硅、玻璃、氧化铝、特氟龙、环氧树脂或LTCC制成。更特别的是，可采用FR4基板以节省生产成本。根据本实施例的天线实际上已经实现并经过测试。已实现的天线具有如图1和图2所示的结构，并且每个构件的尺寸均列于下表中。每个尺寸的单位均为mm。同时，采用具有2.6mm宽度和54Q的微带馈线作为馈电元件14，并采用具有1.6mm厚度且相对介电常数为4.4的FR4基板作为基板12。下表中，"(X"表示短截线的长度。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图4是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例的短截线的长度(a)的变化而获得的频率与反射系数的模拟值关系曲线。本实施例的圆形辐射元件10最初设计成首先在4.8GHz处产生谐振。然而，当形成短截线18时，谐振频率改变了。人们发现短截线长度(a)越大，则谐振频率越高。还发现随着短截线的长度增加，低频的反射系数特性改善了。详细而言，有这样的趋势在3.7GHz或更高频率处，简单的圆形辐射元件具有-10dB或更低的反射系数，然而在形成短截线18后，具有-10dB反射系数的频率下降到3.7GHz或更低。所以可知，低频段的带宽可通过形成短截线18而扩展。图5是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例的在接地板上的台阶的形成而获得的频率与反射系数的模拟值关系曲线。图5中的两条曲线，使用的是其中形成了具有45mm长度的短截线的辐射元件，并且仅接地板20的形状不同。台阶22具有lmm的宽度，并在基板上、自上向下分别具有lmm、1.5mm、2mm及2.5mm的高度。在接地板20中没有形成台阶22的情况下(虚线)，发现在约6.26到10.3GHz的中频段，反射系数为-10dB或更高。反之，在形成了台阶22的情况下(实线)，会发现中频段的反射系数下降到-10dB或更低，从而使特性得到了改善。换言之，带宽在中频段因台阶22的形成而得到了扩展。结果获得了一种UWB系统的天线，该天线在3.1到10.6GHz的整个可用频段上都具有-10dB或更低的良好反射系数。图6是曲线图，示出基于根据本发明的实施例的槽长度(Lsl。t)而获得的频率与驻波比(VSWR)的关系曲线。在曲线a到d中，槽的长度(Lsl。t)分别是13mm、14mm、15mm、及16mm。总体来看，在3至(J1lGHz范围内的驻波比为2或更低，且相应示出了UWB特性。在如上所述形成了槽16的情况下，在4到7GHz范围内出现带阻特性。而且，由以上公式可用看出，人们己经发现随着槽长度(Lsl。t)的增加，阻带的中心频率会降低。更特别的是，当U,。产15mm时(曲线c)，在4.9到6GHz范围内获得了带阻特性。所以，能够获得可对UNII频段进行滤波的适用天线。图7是曲线图，示出根据本发明一个实施例实现的示例性天线的频率与增益的实测值的关系曲线。由图7可看出，在3到lOGHz的整个频段上都可获得良好增益，并且增益在接近5GHz频段时突然下降，从而导致带阻特性。因此，本实施例的天线具有适用于与在UNII频段的其它通信系统较少产生干扰的UWB天线的特性。图8是曲线图，示出基于根据本发明一个实施例实现的示例性天线的频率而获得的辐射图案。图8(a)和图8(b)分别示出4GHz禾Q9GHz的辐射图案。如上述所实现的天线采用不与辐射元件交叠并具有小面积的接地板。所以可看出，如上述所实现的天线具有与一般单极天线类似的全向特性。图9和图10是根据本发明另一实施例的天线的俯视图和仰视图。本实施例的天线基本上是一种微带贴片天线，且其包含基板120、形成于基板的顶面上的矩形辐射元件100、连接到辐射元件100的馈电元件140、及形成于基板的底面上的接地板200。在辐射元件100中可形成U形槽160，而在接地板200中可形成凹口220。而且，在辐射元件100的下缘处可形成切口180。形成于辐射元件100的下缘处的切口180引入了接地板200与辐射元件IOO之间的耦合。因此，可通过切口180来控制天线的阻抗匹配，并可相应地扩展天线带宽。通过控制切口的长度(NJ和宽度(Nw)即可调整带宽。进而，在本实施例中，在接地板200中形成凹口220以便实现UWB特性。借助辐射元件100与馈电元件140之间相耦合的方式，在接地板200中形成的凹口220还用作阻抗匹配电路。所以，通过在接地板中，于形成馈电元件140的部分形成凹口220，即可控制阻抗匹配。通过控制凹口220的深度(Hl)和宽度(Hw)即可控制电容和电感。所以能够控制谐振频率(即带宽扩展程度)的移动。在本实施例中，已说明凹口220是形成于接地板200中的。然而，本发明并不受限于此，而是可将接地板200改变成各种形状。同时在本实施例中，接地板200可通过不与辐射元件100交叠的方式，仅形成于基板120的部分底面上。因此，电磁波可从辐射元件100发出而不被接地板200屏蔽，并可获得与一般单极天线的全向辐射特性类似的全向辐射特性。在本实施例的天线中，是通过形成于辐射元件100中的U形槽160而获得带阻特性的。以下将参考图11说明由槽160而获得的带阻特性。图11是示意图，以图解方式示出电流在根据本发明另一实施例的天线的辐射元件中的流动。通过馈电元件140提供的电流借助耦合方式流入槽160。源于槽160内部的电流借助耦合方式而环绕槽160的外部而行，并随后通过馈电元件140流出。如果电流进行如上所述的流动，在槽内侧流动的电流与在槽外侧流动的电流就具有相反的方向，如图11所示。所以，由这两种电流产生的电磁场即可被抵消。换言之，因为槽160构成半波谐振结构，所以能阻止来自相应波长的辐射。在此情况下，通过控制槽160的长度，即可决定在哪一个波长使得电磁场偏移。通常，由自由空间的电磁波的波长X转换成的电介质中的波长为(其中^是电介质的相对介电常数)。所以，可用上述数学公式l来表示可以使槽得以在中心频率fe(波长、)处具有带阻特性的槽的长度(Lsl。t)。如上所述，在本实施例中，因为在辐射元件100中形成了槽160，所以可将带阻特性添加到天线。而且，通过适当确定槽的长度即可控制阻带的中心频率。因此就能够在UNII频段产生带阻特性。此外，通过控制槽160的宽度，就能够控制阻带的带宽。一般而言，有这样一种趋势随着槽160的宽度加宽，阻带的带宽即增加。以上是结合倒U形槽来说明本实施例的。然而，本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员将能理解，本发明可应用于落在本说明书公开的本发明的精神和范围内的各种形状的槽。同时，作为基本结构，本实施例的天线以采用微带馈电的贴片天线作为馈电元件140。所以，本实施例的天线实现了天线的轻量化和小型化，并因此而具有适于大量生产的结构。而且，基板120可由FR4、高阻硅、玻璃、氧化铝、特氟龙、环氧树脂或LTCC制成。更特别的是，如果采用FR4基板的话能够节省生产成本。根据本实施例的天线实际上已经实现并经过测试。已实现的天线具有如图9和图IO所示的结构，并且每个构件的尺寸均列于下表中。每个尺寸的单位均为mm。同时，馈电元件140具有2mm宽度和5.5mm长度，并采用具有1,6mm厚度且相对介电常数为4.4的FR4基板作为基板120。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>图12是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的接地板的凹口的变化而获得的频率与回波损耗的模拟值关系曲线。在图12中，简单单极天线的曲线表明，谐振发生于约5.5GHz频率处，并且在约3到8GHz频段，回波损耗值为-10dB或更低。同时，其中形成有凹口220的天线的曲线表明，谐振发生于接近4.5GHz和接近9GHz频率处。上述曲线表明，与简单单极天线相比，在8GHz的高频段或更高频段的阻抗匹配得到了改善，并且一般而言，在大约3到llGHz频段，回波损耗值保持在-10dB或更低。因此可知，通过形成凹口220即可获得UWB特性。图13是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的槽长度(Islot)的变化而获得的频率与回波损耗模拟值的关系曲线。以下将说明未形成槽时的曲线。由图13可看出，因为从大约3GHz到llGHz频率处，回波损耗值保持在-10dB或更低，所以在UNII频段没有出现带阻特性。反之可以看到，在形成槽后的曲线中，回波损耗值分别在4GHz、5GHz、及6GHz频段处增加到约-3dB，使得带阻特性得以出现。更特别的是，由图中可看出，随着槽的长度(Lsl。t)变短，阻带的中心槽频率从4.3GHz提高到6.5GHz。当槽的长度是14mm(Lsl。t/2=7mm)时，在UNII频段出现带阻特性。图14是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例的天线的凹口和槽的形成而获得的频率与回波损耗的实测值关系曲线。与简单单极天线相比，当仅形成凹口时，在高频段(约7.9GHz到10.5GHz)获得了阻抗匹配效应，并且扩展了带宽，而当凹口和槽二者均形成时，带阻特性会以与模拟所示相同的方式，额外出现于5GHz频段(UNII频段X具体说就是4.92GHz到5.86GHz之间)。因此，通过同时形成凹口和槽，即可实现在4.92GHz到5.86GHz频率段具有带阻特性并具有3.1GHz到11.25GHz带宽的UWB天线。图15是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例形成的天线的槽而获得的频率与增益的实测值关系曲线。由该曲线可看出，其中没有形成槽的天线未表现出带阻特性，而其中形成有槽的天线则表现出带阻特性，因为增益在5GHz处显著下降。进而，该曲线表明，在整个频段(3GHz到llGHz)上，增益在2.8dBi或更低的范围内变化。图16是曲线图，示出基于根据本发明另一实施例实现的示例性天线的频率而获得的辐射图案。图16(a)、图16(b)、及图16(c)分别示出3GHz、6GHz、及9GHz处的辐射图案。在所示曲线中，虚线表示共极化(co-pol)的辐射图案，而实线表示交叉极化(cross-pol)的辐射图案。如上述所实现的天线釆用不与辐射元件交叠并具有小面积的接地板。所以可看出，上述天线具有与一般单极天线类似的全向特性。权利要求1.一种超宽带天线，包括基板；辐射元件，形成于所述基板的顶面上；接地板，形成于所述基板的底面上；以及馈电元件，连接到所述辐射元件；其中在所述辐射元件处形成短截线，且在所述接地板中形成至少一个台阶。2.根据权利要求1所述的超宽带天线，其中所述辐射元件是圆形的。3.根据权利要求1所述的超宽带天线，其中所述短截线具有对应于30。的长度到对应于60。的长度。4.一种超宽带天线，包括基板；辐射元件，形成于所述基板的顶面上；接地板，形成于所述基板的底面上；以及馈电元件，连接到所述辐射元件，其中在所述接地板中形成凹口。5.根据权利要求4所述的超宽带天线，其中所述辐射元件是矩形的，且在所述辐射元件的下缘处形成切口。6.根据权利要求1或4所述的超宽带天线，其中所述接地板形成为不与所述辐射元件交叠。7.根据权利要求1或4所述的超宽带天线，其中所述馈电元件是微带馈线。8.根据权利要求1或4所述的超宽带天线，其中在所述辐射元件中形成槽，以获得带阻特性。9.根据权利要求8所述的超宽带天线，其中所述槽具有倒U形状。10.根据权利要求8所述的超宽带天线，其中所述槽具有范围为13到16mm的长度。11.根据权利要求8所述的超宽带天线，其中所述槽所具有的长度为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中^是所述基板的相对介电常数，而、是与阻带的中心频率f;对应的波长。12.根据权利要求11所述的超宽带天线，其中所述阻带的中心频率fc处于5到6GHz范围内。13.—种具有带阻特性的超宽带天线，包括基板；辐射元件，形成于所述基板的顶面上；接地板，形成于所述基板的底面上；以及馈电元件，连接到所述辐射元件；其中在所述辐射元件中形成U形槽，以获得带阻特性。全文摘要本发明公开一种具有带阻特性、用于超宽带(UWB)通信的天线。根据本发明的一个实施例，该UWB天线为采用微带馈电的贴片天线。为了在低频段扩展带宽，在辐射元件中形成短截线。进而，由于在接地板中形成了台阶，因而可改善在中频段的天线特性并获得UWB特性。根据本发明的另一实施例，UWB天线是采用微带馈电的贴片天线，并具有在接地板中形成的凹口，因而实现了UWB特性。本发明的天线具有在辐射元件中形成的倒U形槽，从而在UNII频段实现了带阻特性。此外，本发明的天线相应包含具有小面积且具有全向辐射图案的接地板。文档编号H01Q13/08GK101164199SQ200680013917公开日2008年4月16日申请日期2006年4月25日优先权日2005年4月26日发明者卢良云,崔佑荣,崔在薰,成元模,柳秉勋申请人:株式会社Emw天线