一种具有多陷波特性的宽带单极子天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，所述介质基板的厚度为1.6mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述接地板与所述辐射贴片的宽度相等，所述辐射贴片上刻蚀有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上设有矩形开槽。本发明天线在3.3?4.3GHz及5.15?6.0GHz两个频段具有陷波特性，其能有效地抑制WiMAX无线通信(3.3?3.7GHz)、C波段卫星通信(3.7?4.2GHz)和WLAN(5.15?5.825GHz)无线通信等这三种频段的其他信号对超宽带系统产生的干扰。该天线性能良好、辐射方向性较为稳定，且尺寸小巧、设计简单、易于制作，适用于超宽带无线通信系统，因此其有很大的应用前景。
【专利说明】
一种具有多陷波特性的宽带单极子天线
技术领域
[0001]本发明涉及天线技术领域，具体的说，是涉及一种具有多陷波特性的宽带单极子天线。
【背景技术】
[0002]宽带天线是天线领域中具有广阔发展和应用前景的天线种类，主要原因是其频带宽、大范围覆盖，可以解决窄带天线频带窄、应用范围小的问题。超宽带天线是宽带天线的一种，是指必须能覆盖3.1-10.6GHz频带，它是在频带资源短缺的背景下得以提出和发展的。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)发布了新的宽带通信系统规范，主要目的之一就是缓解频带资源的紧张以及应对高速通信的需求，将3.1-10.6GHz频段分配给民用超宽带通信使用，使宽带及超宽带技术广泛用于工业、医学、民用生活等领域。
[0003]在过去的几十年中，无线通信发展迅速，超宽带技术由于其在无线通信中的重要性，及其具有如高数据率、低损耗、经济实用、低复杂性等其他窄带通信系统无可比拟的优势，一直是通信领域研究的重要课题。但是，随着无线通信的快速发展和各种应用的出现，出现了频带资源的紧张、不同系统的工作频带发生重叠等严重的问题，影响到无线通信系统的实用性和可靠性。因此，具有陷波特性的超宽带天线引起了学者们的重视，这种天线能屏蔽特定频段的其他干扰信号，以增强天线接收的有用信号的信噪比，降低干扰。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种在3.3-4.3GHz及5.15-
6.0GHz两个频段具有陷波特性的超宽带天线，其能有效地抑制WiMAX无线通信(3.3-
3.7GHz)、C波段卫星通信(3.7-4.2GHz)和WLAN(5.15-5.825GHz)无线通信等这三种频段的其他信号对超宽带系统产生的干扰。该天线性能良好、辐射方向性较为稳定，且尺寸小巧、设计简单、易于制作，适用于超宽带无线通信系统，因此其有很大的应用前景。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种具有多陷波特性的宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，所述介质基板的厚度为1.6mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述接地板与所述辐射贴片的宽度相等，所述辐射贴片上刻蚀有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上设有矩形开槽。
[0007]所述H形槽、倒E形槽和十字形槽的槽宽分别为0.5mm、I mm和I mm。
[0008]所述介质基板由环氧树脂板材料做成。
[0009]所述介质基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02。
[00?0]所述介质基板的规格尺寸为20mm X 25mm。
[0011]所述接地板的宽度为6mm。
[0012]与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0013]1.本发明天线的辐射贴片上刻蚀有H形槽、倒E形槽和十字形槽，该三个开槽的结构可以极大的改变贴片上电流的分布特性，不仅可以降低低频，在中频产生相互影响的互补作用，即调谐中频，还可以在低频附近产生所需要的陷波特性;符合设计目的及要求，频带利用率较高。
[0014]2.本发明天线经过仿真分析，可知天线带宽为3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz频段产生带陷特性，除了这两个频段，天线在有效带宽内回波损耗小于-1OdB，电压驻波比VSWR〈2。在3.3-4.3GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WiMAX(3.3-3.7GHz)及C波段卫星通信(3.7-4.2GHz)这两种窄带信号对超宽带系统产生的干扰;在5.15_6.0GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WLAN(5.15-5.825GHz)无线通信等窄带信号对超宽带系统产生的干扰，从而提高了该天线的实用性。
[0015]3.本发明天线接地板的宽度为6mm，性能最优，且接地板上设有矩形开槽，可通过接地板的矩形开槽来调谐天线带宽，能适宜地降低低频、克服理想阻带的偏移，使天线能达到良好的阻抗匹配，得到了理想的带宽及阻带。
[0016]4.本发明天线采用微带线作为馈电网络，是基于微带线馈电的典型结构设计的一种新颖的、小型化的超宽带天线;并且具有良好的辐射性能，满足了超宽带系统对天线设计的要求。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的结构示意图。
[0018]图2是是本发明的侧视结构示意图。
[0019]图3是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
[0020]图4是本发明天线中辐射贴片在不同开槽状态下的回波损耗仿真结果。
[0021]图5是本发明接地板有无矩形开槽状态下的回波损耗仿真结果。
[0022]图6是对本发明接地板在不同宽度下进行仿真得到的仿真结果。
[0023]图7(a)、图7(b)和图7(c)为本发明天线分别在3.2GHz、6.2GHz和9.0GHz三个频率处的辐射方向图。
[0024]附图标记:1_接地板2-介质基板3-馈电网络4-辐射贴片5-H形槽6_倒E形槽
7-十字形槽8-矩形开槽
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步的描述:
[0026]如图1至图3所示，一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，包括接地板1、介质基板2、馈电网络3和辐射贴片4，介质基板2由常用的FR4(环氧树脂)板材料做成，相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，厚度为1.6mm，天线的形状如图1所示，天线采用侧馈方式，输入阻抗为50 Ω。
[0027]本实施例中的天线是通过蚀刻方法制作在规格尺寸为20mmX25mmX 1.6mm的介质基板2上，接地板I刻蚀于介质基板2—侧，介质基板2的另一侧刻蚀有馈电网络3和辐射贴片4，馈电网络3由微带线构成，接地板I为窄矩形结构，接地板I上设有矩形开槽8，接地板I与辐射贴片4的宽度相等，辐射贴片4上刻蚀有H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7，本实施例中H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7的槽宽分别为0.5mm、Imm和1_。
[0028]如图3所示:该图表示的是本发明天线经过优化设计后的具体尺寸参数，单位均为毫米，其中H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7的槽宽分别为0.5mm、Imm和Imm，介质基板2的厚度为1.6mmο
[0029]通过建立天线模型，进行全波三维电磁仿真及优化，得到天线的回波损耗及在不同频率处的方向图，并对仿真结果进行了分析。图4、图5分别为设计的不同结构辐射贴片的天线的回波损耗及接地板是否有矩形开槽时天线的回波损耗仿真结果。图6为对参数接地板的宽度进行优化的结果，反映出接地板宽度的大小对回波损耗的影响。图7(a)、7(b)和7(c)为天线分别在3.2GHz, 6.2GHz、9.0GHz频率处的辐射方向图仿真结果。
[0030]经过仿真分析，可知天线带宽为3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz频段产生带陷特性，除了这两个频段，天线在有效带宽内回波损耗小于-10dB，电压驻波比VSWR〈2。在3.3-4.3GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WiMAX(3.3-3.7GHz)及C波段卫星通信(3.7-4.2GHz)这两种窄带信号对超宽带系统产生的干扰;在5.15-6.0GHz频段产生的带陷特性，能很好的抑制WLAN(5.15-5.825GHz)无线通信等窄带信号对超宽带系统产生的干扰，从而提高了该天线的实用性。
[0031 ]对天线相关参数进行优化，最终得到天线的带宽为3.09-10.85GHz。可得到其回波损耗的仿真结果，及与不同结构的天线进行了对比分析，如图4所示，从图4中可以看出:
[0032](I)辐射贴片4只有H形槽5和十字形槽7时，天线的带宽为3.2_10.8GHz，在3.5_
4.5GHz及6.15-7.6GHz两个频段有陷波特性，不能得到理想的阻带，牺牲了6.15-7.6GHz的可用频带，且最低频率为3.2GHz，达不到超宽带要求的3.1GHz。
[0033]⑵辐射贴片4只有倒E形槽6和十字形槽7时，天线的带宽为3.8-10.6GHz，在4.7-5.75GHz及6.5-7.5GHz两个频段有陷波特性，不能屏蔽WiMAX及C波段窄带信号的干扰，造成6.5-7.5GHz频段不可用，且不能完全覆盖3.1_10.6的超宽带要求范围。
[0034](3)辐射贴片4只有H形槽5和倒E形槽6时，天线的带宽为3.2-9.5GHz，在3.5-
4.6GHz及5.3-6.45GHz两个频段有陷波特性，在部分期望的频段内有陷波特性，牺牲了部分频段资源，且不能覆盖3.1-10.6的超宽带范围。
[0035](4)辐射贴片4同时具有H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7时，天线的带宽为3.09-10.85GHz，在3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz频段有陷波特性，同时包含了所要抑制的3.3-
3.7GHz,3.7-4.2GHz和5.15-5.825GHz三个频段。符合设计目的及要求，频带利用率较高，能完全覆盖3.1-10.6GHz的超宽带范围。可见，当天线同时具有以上三个相距较近的不同形状及宽度的开槽时，该三个开槽的结构可以极大的改变贴片上电流的分布特性，不仅可以降低低频，在中频产生相互影响的互补作用，即调谐中频，还可以在低频附近产生所需要的陷波特性。
[0036]由图4还可以看出，在除了带陷频段的有效带宽内，本发明天线的回波损耗均在-1OdB以下，在3.2、8.4、10.36取频率处甚至达到了-23.5、-20、-31.5(^，实现了良好的阻抗匹配。
[0037]由图5可以看出:当天线的辐射贴片4始终具有上述H形槽5、倒E形槽6和十字形槽7，而接地板I无矩形开槽8时，天线带宽为3.25-10.85GHz，不能完全覆盖超宽带的低频段(3.1-3.25GHz)，且此时天线的阻带较理想的阻带向右偏移；当天线的接地板I有矩形开槽8时，得到了理想的带宽及阻带。可见，可通过接地板I的矩形开槽8来调谐天线带宽，能适宜地降低低频、克服理想阻带的偏移，使天线能达到良好的阻抗匹配。
[0038]从图6中可以看出:当接地板I的宽为5mm时，天线带宽为3.1-10.65GHz，阻带为3.45-4.5GHz和5.3-5.9GHz，天线仍有两个阻带，与理想的阻带有一定的偏移，低频部分匹配良好，但频率增高时，性能开始逐渐恶化。当接地板I的宽为6mm时，天线有理想的三个阻带，天线带宽为3.09-10.85GHz，阻抗匹配良好。当接地板I的宽为7mm时，天线带宽约为
3.25-11.6GHz，在3.55-7.9GHz频段回波损耗大于-1OdB，显然不符合本设计目的，没有理想的陷波特性。当接地板I的宽为8mm时，天线带宽约为8.9-10.65GHz，有效带宽进一步变窄，天线也变成了普通宽带天线。可见，当接地板I的宽为6mm时，可以得到理想的天线性能，当接地板I的宽度减小或增大时，天线性能都会恶化，带宽都会变窄。经过分析可知，接地板I的宽度取6mm时为最优结果。
[0039]进一步的，由于天线结构的其它参数同样也会对天线性能造成影响，所以需要进一步的优化，最终得到了天线尺寸的最优化值，即图3中的参数大小。
[0040]由图7(a)至图7(c)可知，天线在E面和H面的辐射方向图分别呈近似倒“8”字形及近似全向的辐射特性(高频处产生少量旁瓣)，天线在阻抗带宽内增益最大约为1.8dB。其中E面是指与电场方向平行的方向图切面;H面是指与磁场方向平行的方向图切面。
[0041]本发明天线的馈电网络3采用微带线传输线，仿真和研究结果表明:该天线在3.09-10.85GHz (3.3-4.3GHz及5.15-6.0GHz频段除外)频段内的回波损耗小于-1OdB，并且具有良好的辐射性能，满足超宽带系统对天线设计的要求。
[0042]本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对【具体实施方式】的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，包括接地板、介质基板、馈电网络和辐射贴片，其特征在于，所述介质基板的厚度为1.6mm，接地板设于介质基板一侧，介质基板另一侧设有馈电网络和辐射贴片，所述接地板与所述辐射贴片的宽度相等，所述辐射贴片上刻蚀有H形槽、倒E形槽和十字形槽，所述接地板上设有矩形开槽。2.根据权利要求1所述一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，其特征在于，所述H形槽、倒E形槽和十字形槽的槽宽分别为0.5mm、Imm和1_。3.根据权利要求1所述一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板由环氧树脂板材料做成。4.根据权利要求1或3所述一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02。5.根据权利要求1或3所述一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为20_X25mm。6.根据权利要求1或3所述一种具有多陷波特性的宽带单极子天线，其特征在于，所述接地板的宽度为6mm。
【文档编号】H01Q1/38GK106025528SQ201610506725
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】金杰, 张强, 李茜
【申请人】天津大学