一种单陷波超宽带单极子天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种单陷波超宽带单极子天线。

背景技术：

超宽带(UWB，Ultra-Wide Band)技术是一种新型的无线通信技术，按照美国联邦通信委员会(FCC，Federal Communications Commiss ion)的规定，UWB通信的频段为3.1GHz～10.6GHz。但是，这个带宽达7.5GHz的频率范围包含了当前无线局域网(WLAN)5.2GHz(5.15GHz～5.35GHz)和5.8GHz(5.725GHz～5.825GHz)的工作频率。为了避免这些频段信号的干扰，需要超宽带天线在5GHz～6GHz范围的频带上产生阻断，即具有陷波(带阻)特性。另外，当前通信系统越来越趋向于小型化与高度集成化，这也对天线的小型化设计提出了较高的要求。

平面单极子天线作为超宽带天线中的一个重要类型，由于其结构简单，以及低剖面、低成本、宽频带、全向辐射等特性，在短距离无线通信系统中，获得了广泛的应用。

目前平面单极子超宽带天线实现陷波功能的方法主要有两种：(1)在天线开槽或加载寄生元形成谐振结构，如中国专利申请号为201510218287.X的专利申请公开了一种具有带陷特性的超宽带单极子天线，该天线在辐射贴片上刻蚀H形槽和十字形槽，从而在3.3GHz～3.7GHz和3.7GHz～4.2GHz两个频带产生带陷特性。该方法是通过在天线辐射贴片上刻蚀不同形状的缝隙，然后调整缝隙的尺寸，使之等于需要抑制的中心频率对应波长的四分之一或一半，即可在相应的中心频率上引入带阻特性。这种设计的缺点在于在天线辐射部分开槽会引起高次模的产生，从而使天线方向图(天线方向函数的图形化表示即为天线的方向图)在高频段畸变；同时改变了表面电流的流径，也增加了天线的交叉极化，使得方向图恶化；(2)在馈线上进行带阻滤波设计，如中国专利申请号为201410809770.0的专利申请公开了一种新型EBG结构的超宽带陷波天线，该天线利用对称分布于阻抗匹配输入微带线两侧的折线型电磁带隙(EBG，Electromagnetic Band-gap)结构实现带阻特性。这种方法的优点是直接把设计好的带阻结构嵌入到微带线(馈线)中，不需要对其它结构进行优化就可以实现较好的带陷性能；不足之处在于该EBG结构额外增加了天线的尺寸，不利于小型化，并且复杂的结构对加工制作提出了较高的要求。

因此，有必要提供一种具有良好的陷波特性且结构简单并有利于小型化设计的单陷波超宽带单极子天线。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种单陷波超宽带单极子天线，能够满足良好的陷波特性、结构简单且有利于小型化设计的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种单陷波超宽带单极子天线，包括介质基板，该介质基板的下表面设置有接地板，该介质基板的上表面设置有辐射贴片以及与该辐射贴片相连的微带馈线，该介质基板为长方形介质基板，该辐射贴片覆盖该介质基板的上部，该微带馈线与该辐射贴片的下边缘的中心处相连且沿该长方形介质基板的长边方向向下延伸，该微带馈线的中部刻蚀有带阻谐振单元。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该辐射贴片下部开设有穿透该辐射贴片的透孔。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该辐射贴片和透孔分别为长轴沿长方形介质基板的宽边方向延伸的椭圆形辐射贴片和椭圆形透孔，且该椭圆形辐射贴片的中心与该椭圆形透孔的中心不重合，该椭圆形辐射贴片的短轴与该椭圆形透孔的短轴共线且与该长方形介质基板的长边平行；该椭圆形辐射贴片的长轴与短轴的比值与该椭圆形透孔的长轴与短轴的比值相同。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该带阻谐振单元包括刻蚀穿透该微带馈线并沿该微带馈线长度方向延伸的缝隙，在该缝隙内沿该微带馈线长度方向延伸设置有平行且具有耦合间隔的第一耦合线和第二耦合线，该第一耦合线的上端一体连接该缝隙的上边，该第一耦合线的下端为开路的自由端，该第二耦合线的下端一体连接该缝隙的下边，该第二耦合线的上端为开路的自由端。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该接地板覆盖该介质基板下表面的下部，该接地板包括长轴沿长方形介质基板的宽边方向延伸的半椭圆形接地板和与该半椭圆形接地板一体相连的矩形接地板，该半椭圆形接地板与该椭圆形辐射贴片的长轴相等，短轴也相等；该半椭圆形接地板的短轴顶点的切线与该椭圆形辐射贴片下部短轴顶点的切线在该介质基板平面上的投影重合。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该半椭圆形接地板的短轴顶点处开设有向该半椭圆形接地板的中心凹陷的凹槽。

在本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该介质基板的长边为30mm、宽边为20mm、厚度为1mm；该椭圆形辐射贴片上部的短轴顶点与该介质基板的上部宽边相切，该椭圆形辐射贴片的长轴的两个顶点分别与该介质基板的两侧长边相切；该椭圆形辐射贴片的长轴为20mm、短轴为16mm；该椭圆形透孔的长轴为10mm、短轴为8mm，该椭圆形辐射贴片的中心与该椭圆形透孔的中心之间的间距为3.5mm；该微带馈线的长度为14mm，宽度为2mm；该带阻谐振单元上所刻蚀的缝隙为矩形缝隙，该矩形缝隙的长度为5mm、宽度为1.6mm，该矩形缝隙的上边与该微带馈线的上边之间的距离以及矩形缝隙的下边与微带馈线的下边之间的距离均为4.5mm；该第一耦合线和第二耦合线的长度均为4.8mm、宽度均为0.2mm，该第一耦合线和第二耦合线之间的耦合间隔为0.1mm；该第一耦合线的右侧边与该矩形缝隙的右侧边之间的距离以及第二耦合线的左侧边与矩形缝隙的左侧边之间的距离均为0.55mm。

本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该凹槽为矩形凹槽，该矩形凹槽的宽度为4mm、凹陷深度为2mm。

本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该单陷波超宽带单极子天线的工作频率范围是3.1GHz～10.6GHz，陷波范围是5GHz～6GHz。

本发明单陷波超宽带单极子天线的另一实施例中，该介质基板的材料是环氧树脂材料，其相对介电常数为4.1，介电损耗正切值为0.02；该微带馈线的特性阻抗为50欧姆。

本发明的有益效果是：本发明的单陷波超宽带单极子天线在微带馈线上刻蚀带阻谐振单元，具有带阻和慢波特性，陷波特性良好，能够有效抑制超宽带系统与WLAN系统的相互干扰，并且避免了在辐射贴片上刻蚀开槽所引起的天线辐射特性恶化的情况。该带阻谐振单元的结构简单，紧凑小巧，便于集成，不会额外增加整个天线的尺寸，使天线能够实现小型化。该天线具有频带宽、尺寸小、成本低、易加工的优点，在整个频带范围内有着良好的方向图，而且还可以通过调节带阻谐振单元的长度来选择需要的陷波频段，在短距离通信系统的应用中具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明单陷波超宽带单极子天线实施例的结构示意图；

图2a是图1所示本发明单陷波超宽带单极子天线实施例的右视图；

图2b是图1所示本发明单陷波超宽带单极子天线实施例的左视图；

图3是图2a和图2b所示单陷波超宽带单极子天线实施例的结合示意图；

图4是图3所示本发明单陷波超宽带单极子天线实施例中带阻谐振单元的结构示意图；

图5是本发明单陷波超宽带单极子天线实施例与无谐振单元的超宽带单极子天线的实测驻波对比曲线图；

图6是本发明单陷波超宽带单极子天线实施例实测的xz面辐射方向图；

图7是本发明单陷波超宽带单极子天线实施例实测的yz面辐射方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的具体实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明首先对相关名词进行说明：

天线方向图：天线方向函数的图形化表示即为天线的方向图；

电压驻波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)：VSWR指驻波(频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列行波叠加后形成的波)的电压峰值与电压谷值之比，驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。也就是说，驻波比越大，反射功率越高，也就是阻抗不匹配；

通带：是指能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率范围；

阻带：在某个频率范围内的衰减大于一个规定值的频率范围；阻带的上限频率与下限频率之差称为阻带带宽，即阻止某频率范围内信号通过的频率范围；阻带特性也就是带外抑制特性，表明了滤波器滤除杂波的能力，是评价滤波器最重要的指标之一。

中心频率：是滤波器通带或阻带中间的频率，一般用它来做参数均衡标准来计算一些参数；中心频率对应的波长即为中心波长。

如图1～4所示为本发明单陷波超宽带单极子天线实施例的结构图，该天线包括介质基板6，该介质基板为长方形介质基板，介质基板6的下表面下部设置有接地板2，该接地板2是与介质基板6等宽的结构；介质基板6的上表面设置有辐射贴片1以及与辐射贴片1相连的微带馈线4，该辐射贴片4覆盖介质基板的上部，微带馈线4与辐射贴片1的下边缘的中心处相连且沿长方形介质基板的长边方向向下延伸，且微带馈线4上刻蚀有带阻谐振单元5。

本发明的单陷波超宽带单极子天线是通过蚀刻方法在介质基板6上进行制作的，将接地板2印刷于介质基板6的下表面，上表面印刷辐射贴片1和微带馈线4，再在微带馈线4上刻蚀用于陷波的带阻谐振单元5。带阻谐振单元5具有带阻和慢波特性，陷波特性良好，能够有效抑制超宽带系统与WLAN系统的相互干扰，并且避免了采用在辐射贴片1上刻蚀开槽的方式所引起的天线辐射特性的恶化。该带阻谐振单元5的结构简单、长度可以小于阻带中心波长的四分之一，紧凑小巧，便于集成，因此不会额外增加整个天线的尺寸，使天线能够实现小型化。该天线具有频带宽、尺寸小、成本低、易加工的优点，在整个频带范围内有着良好的方向图，而且还可以通过调节带阻谐振单元5的长度来选择需要的陷波频段。

为了提高天线的通带特性，本实施例微带馈线4优选特性阻抗50欧姆的馈线；介质基板6由环氧树脂材料制成，其相对介电常数为4.1，介电损耗正切值为0.02。该介质基板6的长边为30mm、宽边为20mm、厚度为1mm。

进一步地，辐射贴片1上临近微带馈线4的位置开设有一个穿透该辐射贴片的透孔8，该透孔刻蚀在辐射贴片1上。本实施例辐射贴片1和透孔8分别为长轴沿长方形介质基板的宽边方向延伸的椭圆形辐射贴片和椭圆形透孔，椭圆形辐射贴片1的长半轴、短半轴分别为R₁、R₂，椭圆形透孔8的长半轴、短半轴分别为r₁和r₂。椭圆形辐射贴片1的中心O_a与椭圆形透孔8的中心O_b不重合，且具有间距L，L不等于0；椭圆形辐射贴片1的短轴所在直线与椭圆形透孔8的短轴所在直线共线且与长方形介质基板的长边平行。另外，椭圆形辐射贴片1上部的短轴顶点与介质基板6的上部宽边相切，椭圆形辐射贴片1长轴的两个顶点分别与介质基板6的两侧长边相切。椭圆形辐射贴片1的长轴与短轴的比值与椭圆形透孔8的长轴与短轴的比值相同，即R₂/R₁＝r₂/r₁。该椭圆形透孔8增加了辐射贴片1上辐射电流的有效路径，有助于天线小型化。

本实施例椭圆形辐射贴片1的长轴优选20mm、短轴优选16mm；椭圆形透孔的长轴优选10mm、短轴优选8mm，椭圆形辐射贴片1的长轴与短轴的比值与椭圆形透孔8的长轴与短轴的比值均为R₂/R₁＝r₂/r₁＝0.8。椭圆形辐射贴片1的中心与椭圆形透孔8的中心的间距L优选3.5mm。本实施例将辐射贴片设计为长轴沿介质基板宽边方向延伸的椭圆形，有利于减小介质基板长边的尺寸，更有助于天线小型化。

为了提高单陷波超宽带单极子天线的带阻特性，本实施例带阻谐振单元5的结构如图2a、图3和图4所示，该带阻谐振单元5包括刻蚀在微带馈线4上并沿微带馈线长度方向延伸的缝隙9，在缝隙9内沿微带馈线4长度方向延伸设置有平行且具有耦合间隔G的第一耦合线71和第二耦合线72。本实施例的缝隙9优选矩形缝隙，该矩形缝隙的长边沿微带馈线4的长度方向延伸；两条耦合线的长度相等且均小于矩形缝隙长边的长度，第一耦合线71的上端一体连接矩形缝隙的上边，第一耦合线71的下端为开路的自由端，第二耦合线72的下端一体连接矩形缝隙的下边，第二耦合线72的上端为开路的自由端。

本实施例中微带馈线4的长度为14mm，宽度为2mm，矩形缝隙设置于微带馈线4的正中间处，长度L₂优选5mm、宽度W₂优选1.6mm，矩形缝隙的上边与微带馈线4的上边之间的距离以及矩形缝隙的下边与微带馈线4的下边之间的距离均为4.5mm；两个耦合线的尺寸相等，其长度L₃为4.8mm、宽度W₃为0.2mm，第一耦合线71和第二耦合线72之间的耦合间隔为0.1mm，两个耦合线的自由端距离矩形缝隙对应上/下边的距离均为0.2mm；第一耦合线71和第二耦合线72设置于矩形缝隙的中间处，第一耦合线71的右侧边与矩形缝隙的右侧边之间的距离以及第二耦合线72的左侧边与矩形缝隙的左侧边之间的距离均为0.55mm。

通过调节带阻谐振单元矩形缝隙的长度和两条耦合线的长度，可以实现对所要抑制的频段进行调节。当带阻谐振单元矩形缝隙的长度、耦合线的长度增加时，所要抑制频段的阻带中心会向低频方向偏移；反之，当带阻谐振单元矩形缝隙的长度、耦合线的长度减小时，所要抑制频段的阻带中心会向高频方向偏移。

需要说明的是：这里缝隙9的形状不局限于矩形，也可以是任意一种具有一定延伸长度且能实现上述陷波功能的形状。

进一步地，本实施例的接地板2覆盖介质基板6下表面的下部，包括一个长轴沿介质基板6宽边方向延伸的半椭圆形接地板21和一个与该半椭圆形接地板21一体相连的矩形接地板22，半椭圆形接地板21的长轴与矩形接地板22的长边均与介质基板6的宽度相等；半椭圆形接地板21与椭圆形辐射贴片1的尺寸相同，即半椭圆形接地板21与椭圆形辐射贴片的长轴相等，短轴也相等。对接地板上半部进行半椭圆化设计，使之与辐射贴片的形状相吻合，可以增加地面的有效电长度，增加了电流路径，进一步有助于天线小型化。

另外，半椭圆形接地板21的短轴顶点的切线与椭圆形辐射贴片1下部短轴顶点的切线在介质基板平面上的投影重合，进一步地，本实施例中半椭圆形接地板短轴顶点与椭圆形辐射贴片下部的短轴顶点在介质基板平面上的投影重合。

进一步地，本实施例中半椭圆形接地板21的短轴顶点处开设有向该半椭圆形接地板的中心凹陷的凹槽3，该凹槽分别沿介质基板的长边和宽边方向延伸。本实施例的凹槽3优选矩形凹槽，该矩形凹槽关于该半椭圆形接地板的短轴对称。矩形凹槽沿介质基板宽边延伸的宽度W₁为4mm，沿介质基板长边延伸的凹陷深度L₁为2mm。该矩形凹槽可以进一步改善天线阻抗匹配特性，通过调节矩形凹槽的尺寸可以在很宽的频率范围内实现较好的阻抗匹配。

这里需要说明的是：辐射贴片1、透孔8和接地板2的形状不局限于椭圆形，也可以是矩形或者圆形等，只要能够改变辐射贴片上电流的分布特性且根据适用场合有利于小型化设计的形状均在本发明的保护范围内。

基于本实施例介质基板6的选材及尺寸，当陷波的频带(阻带)为5GHz～6GHz时，对应的中心频率为5.5GHz，根据相关的计算公式：光速c＝3×10⁸m/s，相对介电常数为4.1，由此可计算得阻带中心波长为：那么阻带中心波长的四分之一即为6.7mm左右，而本实施例带阻谐振单元的长度优选值为5mm，小于阻带中心波长的四分之一。

本发明的单陷波超宽带单极子天线通过采用辐射贴片上的透孔8、接地板2和凹槽3能够增加辐射电流的路径，改善天线阻抗匹配特性，从而实现天线的小型化和宽频带设计；带阻谐振单元5的结构简单、便于集成化、易加工，长度小于阻带中心的四分之一波长，不会额外增加整个天线的尺寸。该天线的工作频率范围为3.1GHz～10.6GHz，陷波范围是5GHz～6GHz，可以通过调节谐振单元5的长度来选择需要的陷波频段，在短距离通信系统的应用中具有较高的应用价值。

需要说明的是：本发明中接地板、辐射贴片以及微带馈线采用的都是本行业用的通用型材，其厚度符合行业标准，这里不再赘述。

如图5是本发明单陷波超宽带单极子天线实施例与无带阻谐振单元天线的实测驻波对比曲线图，其中K1为本发明有带阻谐振单元天线实施例的驻波曲线图，K2为无带阻谐振单元天线的驻波曲线图。由该图可以看出，在3.0GHz～11.3GHz频率范围内的4.9GHz～6GHz频段(阻带)，本实施例具有带阻谐振单元天线的电压驻波比VSWR的值较高，最高值甚至达到了7.5左右，由此可见该天线在此频率段具有良好的陷波特性，避免了与WLAN系统间的相互干扰，其他范围的VSWR都小于2，能够满足FCC的工作频段要求。而没有设计带阻谐振单元的天线，整个频段内的VSWR值都小于2，也就是说该天线在5GHz～6GHz范围内不具有陷波特性。

如图6和图7是本发明陷波超宽带单极子天线实施例实测的辐射方向图，首先定义一下三维坐标系，以介质基板所在平面为水平基准面，本实施例规定介质基板宽边延伸方向为x轴，长边延伸方向为y轴，垂直于介质基板所在平面延伸的轴为z轴。根据上述坐标系，图6所示为xz面的辐射方向图，图7所示为yz面的辐射方向图。以图6为例，图6中的圆周分了360度，其中的30、60等表示角度标注，径向表示归一化的场强值，单位为分贝(dB)。图6中的实线q1代表该天线工作频率为4GHz时的辐射方向图，虚线q2代表该天线工作频率为7GHz时的辐射方向图，点画线q3代表该天线工作频率为10GHz时的辐射方向图，可见这三个频点均具有较好的周向全向辐射特性，4GHz、7GHz和10GHz是3.1GHz～10.6GHz频段中等间隔选取的三个频率点，且不在5GHz～6GHz陷波范围内，分别表示了该频率段的低、中、高频率，具有代表性。由图6和图7可知，该天线有着良好的方向图，满足超宽带无线系统应用要求，具有良好的辐射特性。

本发明的陷波超宽带单极子天线采用在微带馈线4上刻蚀带阻谐振单元5的方式实现陷波，结构简单、长度较短，紧凑小巧，不会额外增加整个天线的尺寸，使天线能够实现小型化；另外，辐射贴片及接地板采用横向椭圆形结构更有利于天线长度的减小，同时增加了接地板的有效电长度，增加了电流路径，也有助于天线小型化；接地板上的矩形凹槽，可以进一步的改善天线阻抗匹配特性，通过调节凹槽的尺寸可以在很宽的频率范围内实现较好的阻抗匹配。

以上该仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。