专利名称：一种可滤波小型平面宽带天线的制作方法
技术领域：
本发明属于宽带天线和无源器件技术领域，特别涉及将宽带天线与宽带滤波器协同设 计的可滤波平面宽带天线。
背景技术：
国际电子电气工程师学会《微波理论与技术会刊》杂志(IEEE Transaction on Microwave Theory and Technology, Vol. 55, No. 9， June. 2007， p 1182-1189)介绍了 一种应用 于K波段的天线-滤波器系统(Mutual Synthesis of Combined Microwave Circuits Applied to the Design of a Filter-Antenna Subsystem),反映出采用协同设计的系统可比传统的设计尺 寸小而功能强。但由于其为窄带系统，且非平面结构，不利于实际应用。
国际电子电气工程师学会《2007年天线与传播国际会议论文集》(Antennas and Propagation International Symposium, 2007 IEEE)介绍了一种基于平行耦合线(Coupled Parallel Stripline)结构的应用于3到5G的微带天线-滤波器系统，但该系统的端口阻抗 匹配到60欧姆，暂无有效方法给出实测结果，且尺寸较大，不利于实际应用。
国际电子电气工程师学会《2007年天线与传播国际会议论文集》(Antennas and Propagation International Symposium, 2007 IEEE)介绍了一种应用于3到10G的天线滤波 器系统，但其带内响应并不良好，且尺寸较大，在应用中多有不便。
中国专利申请号200810123432.6提出的一种小型化平面超宽频带时域天线，其阻抗 带宽可覆盖3. lGHz-10.6GHz频段，且易于馈电和制作；但由于此天线为渐变结构，其带 宽很大，只能完成将能量辐射至空间中的功能，不具有带外抑制性，且该天线的性能对 于应用环境的敏感性较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种可滤波小型平面宽带天线，具有良好的带外抑制性，易于 馈电和制作，以有效地应用于宽带无线通信系统。
本发明可滤波小型平面宽带天线，包括分别敷设在宽度为20 40隱、长度为35隨 50mm、厚度为0. 5 5. 0咖，介电常数为2. 0 8. 0的介质基板正、反两个平面上的辐射金 属层和接地金属层；所述辐射金属层包括对于介质基板中线呈左右对称的圆环形辐射单 元和矩形传输条带；所述圆环形辐射单元的外环半径为介质基板宽度的1/6至1/3，内环 半径为外环半径的1/4至1/2，在其外环边沿的左右两端最远处设置有正对圆心的、长为 外环半径的1/10至1/5、宽为0. 2mm至外环半径1/10的矩形突起，在内环边沿的左、右、 上、下四端最远处设置有正对圆心的矩形开槽，开槽的宽度为0.2mm至外环半径的1/10， 左、右及上端三个开槽的深度为外环半径的1/10至1/5,下端开槽的深度为内环半径的 1/10至1/5;其特征在于
取圆环形条带,其内环周长为1/2中心波长，宽为圆环形条带内环半径的1/4至1/3， 在其左右两端最远处裁去正对圆心的矩形开口将圆环形条带分割成上、下两部分，左边
3的矩形开口宽为0. 2mra至圆环形条带内环半径的1/5，右边的矩形开口宽为圆环形条带内
周长的1/10至1/5;所述矩形传输条带分为上、下两段，将上段矩形传输条带作为圆环
形辐射单元与圆环形条带的上半部的连接线，上段矩形传输条带长为圆环形条带外环半
径的2至3倍，宽为50欧姆阻抗线宽至增减1/10以内，其上端边沿与圆环形辐射单元 外环下端相连接，下端边沿与圆环形条带上半部分的右端相连接，且上段矩形传输条带 的下端边沿的左端与圆环形条带右端矩形开口的切口上边沿左端重合或在此位置上再右
移小于1/10矩形传输条带宽度；下段矩形传输条带作为可滤波小型平面宽带天线的微带
馈电结构，长为圆环形条带外环半径的l至两倍，宽为50欧姆阻抗线宽，其上端边沿与 圆环形条带下半部分的右端相连接，下段矩形传输条带的下端边沿在介质基板的下边沿
处，上、下两段矩形传输条带的左边沿在一条直线上；
所述接地金属层由矩形金属层裁剪去圆环形开槽和小矩形开槽而成，该矩形金属层 的左、右及下边沿分别与介质基板的左、右及下边沿重合，上边沿与圆环形辐射单元的
外环下端分别处于介质基板上下平面的相同位置；在该矩形金属层的上边沿正中间处裁 去左右对称的小矩形开槽，该小矩形开槽的宽度为上段矩形传输条带的宽度至该宽度的
1/2范围，开槽深度为上段矩形传输条带长度的l/4至l/3;所述圆环形开槽与介质基板
另一面辐射金属层上的圆环形条带处于相同的位置且开槽与条带的内外环半径尺寸相互
一致，在圆环形开槽对应于圆环形条带的正对圆心的左端开口处设有宽0. 2mm至1/5圆 环形开槽外环半径的矩形断开使圆环形开槽成为一个非闭合状开槽。
本发明可滤波小型平面宽带天线在中国专利申请号200810123432.6提出的小型化平 面超宽频带时域天线的基础上，在其后端增加设计了工作带宽为3. lGHz 5. 2GHz的滤波 单元，故不仅能将工作频带内的能量高效辐射至空间中，且对带外信号具有良好的抑制 功能，其工作带宽为3.1GHz 5.2GHz;所采用的滤波单元具有小型化特征，且为不平衡 馈电结构，故滤波单元与天线辐射单元可以直接相连，减小了整体尺寸；天线辐射单元 后接滤波单元，拓展了天线的接地面积，从而使整个系统对应用环境的敏感性降低。
-
图1为本发明可滤波小型平面宽带天线的结构示意图； 图2为本发明可滤波小型平面宽带天线的侧视图； 图3为本发明可滤波小型平面宽带天线的后视图； 图4为本发明可滤波小型平面宽带天线的正视图。
图5为实施例1可滤波小型平面宽带天线与中国专利申请号200810123432. 6的小型 化平面超宽频带时域天线的回波损耗的测量结果比较。 图6为端口群时延的测量结果。 图7为频率为4GHz时H面内的辐射方向图； 图8为频率为4GHz时E面内的辐射方向图。
具体实施方式
-实施例1:本实施例可滤波小型平面宽带天线的形状构造和各零部件之间的配合联结关系，可 参见图1给出的结构示意图、图2给出的侧视图、图3给出的后视图和图4给出的正视 图。它由包括介质基板1和分别印刷在介质基板正、反两个平面上的辐射金属层3和接 地金属层2三部分构成。
介质基板1的宽度在20 40mm、长度在35誦 50mm，介电常数在2. 0 8. 0，厚度为 0.5 5.0mm，其作用一是在馈电传输线中传递能量，二是支撑辐射金属层以及馈电金属 层。为降低介质板对耦合结构处场分布的影响，通常采用较低介电常数(2.0 5.0)的 介质基板，并在保证硬度合适情况下选用较薄(0.5 2.0mm)的厚度。本实施实例中介 质基板采用长41咖、宽30咖、厚1.6咖的FR4介质基板，其介电常数为4.98。
印刷在介质基板1的正面的辐射金属层3包括圆环形辐射单元32、上段矩形传输条 带31、圆环形条带33和下段矩形传输条带34四个单元构成。圆环形辐射单元32和上段 矩形传输条带31为左右对称结构，并均位于介质基板左右方向的正中间处。
取圆环形条带33，其内环周长为1/2中心波长，宽为圆环形条带内环半径的1/4至 1/3，在其左右两端最远处裁去两个正对圆心的矩形开口将圆环形条带分割成上、下两部 分，左边的矩形开口宽为0.2mm至圆环形条带内环半径的1/5，右边的矩形开口宽为圆环 形条带内周长的1/10至1/5;该圆环形条带33由圆环状初始结构裁剪而成，裁剪后圆环 形条带33边沿由外圆环边沿331，内圆环边沿332以及位于其左右两端最远处的正对圆 心的矩形开口 333， 334构成；所述圆环形辐射单元32的外环半径为介质基板宽度的1/6 至1/3，内环半径为外环半径的1/4至1/2，在其外环边沿的左右两端最远处设置了两个 尺寸相同的正对圆心的矩形突起，长为外环半径的1/10至1/5，宽为0. 2mm至外环半径 的1/10，在其内环边沿的左、右、上、下四端最远处设置了四个正对圆心的矩形开槽， 开槽宽度为0.2mm至外环半径的1/10,左、右及上三个开槽的深度为外环半径的1/10 至1/5,下开槽的深度为内环半径的1/10至1/5;该圆环形辐射单元32由圆环状初始结 构裁剪而成，裁剪后圆环形辐射单元32边沿由外圆环边沿321，内圆环边沿322，垂直 于对称轴线的左突起323、右突起324和左开槽325、右开槽327，位于对称轴线的上开 槽326和下开槽328构成；将上段矩形传输条带作为圆环形辐射单元与圆环形条带的上 半部的连接线，长为圆环形条带外环半径的2倍至3倍，宽为50欧姆阻抗线宽至增减1/10 以内；上段矩形传输条带31的上端边沿312与圆环形辐射单元的外圆环边沿321的下端 相连接，上段矩形传输条带31的下端边沿311与圆环形条带上半部分的右端相连接，且 上段矩形传输条带31的下端边沿311的左端与圆环形条带右端矩形开口的切口上边沿的 左端重合或在此位置上再右移小于1/10矩形传输条带宽度；下段矩形传输条带34作为 可滤波小型平面宽带天线的微带馈电结构，长为圆环形条带外环半径的1至两倍，宽为 50欧姆阻抗线宽，下段矩形传输条带的上边沿342与圆环形条带下半部分的右端相连接， 下段矩形传输条带的下边沿341紧靠介质基板的下边沿处，上、下两段矩形传输条带的 左边沿在一条直线上；为使天线辐射单元工作在设计频段，要求将该圆环形辐射单元32 的外圆环边沿321的半径选取在7.0 8. 5mm之间，内圆环边沿322的半径选取在2. 2 3.0mm之间；为使天线辐射单元具有较好的增益和便于加工，左突起323、右突起324和 左开槽325、右开槽327及上开槽326的矩形长度选取在1.0 1.6mm之间，宽度应选取 在0.2 0.8mm之间；为使天线辐射单元有稳定的群时延，下开槽328的矩形长度应选取 在0.25 0.5mm之间，宽度应选取在0. 2 0. 8mm之间；圆环形辐射单元32和圆环形条 带33由上段矩形传输条带31相连接，为使天线辐射单元与滤波单元在带内匹配良好， 上段矩形传输线条带31的上端边沿312与下端边沿311之间的距离应在12醒 14腿之 间，左边沿313与右边沿314之间的距离应在2.6 3.2mm之间；为使滤波单元工作在 3. lGHz 5. 2GHz，圆环形条带33的内圆环边沿332的半径应选取在3. 5 4mm之间，外 圆环边沿331的半径和内圆环边沿332的半径之差应选取在0. 95 1. 2皿之间；为使滤 波单元和天线辐射单元良好匹配和便于加工，圆环形条带33左端的矩形开口 333的宽度 选取在0.2 0.75mm之间；为使滤波单元的高频抑制良好，圆环形条带33右端的矩形开 口 334的宽度选取在2. 7 5. 3画之间；可滤波小型平面宽带天线的能量由下段矩形传输 条带34馈入，为使天线与50欧姆微带线匹配，下段矩形传输条带34的左边沿343和右 344之间采用的距离应在2. 6 3mm之间；为使天线辐射单元与滤波单元匹配良好且系统 易于馈电，下段矩形传输条带34的右边沿344的长度应在5mm 7mm之间。综合以上考 虑，在本实施例中，选取圆环形辐射单元32的外圆环半径为8. 2mm，内圆环半径为2. 5國， 左突起323、右突起324和左开槽325、右开槽327及上开槽326均为长为1. 5mm，宽为 0.4mm的矩形，下开槽328为长0.3匪宽0.4國的矩形；上段矩形传输条带31的上端边 沿312与下端边沿311之间的距离为13. 3mm，下端边沿311则与圆环形条带33的右端矩 形开口 334的切口上边沿重合，左边沿313与右边沿314之间的距离选择为3mm;圆环形 条带33的外圆环半径为4.75腿，内圆环半径为3.75腿，左端开口 333的宽度为0. 2腿， 右端开口 334的宽度为5mm，且右端开口 334的切口上边沿的左端较上段矩形传输条带 31的下端边沿311的左端左移0. 3rnm;下段矩形传输条带34的上边沿342与矩形开口 334 的切口下边沿重合，下边沿341与介质基板的下端边沿重合，下段矩形传输条带34的左 边沿343与上段矩形传输条带34的左边沿313在一条直线上，下段矩形传输条带34的 右边沿344的长度为6mm，左边沿343与右边沿344的距离为2. 8mm。
介质基板1的另一面印刷有接地金属层2。所述接地金属层2由矩形金属层裁剪去圆 环形开槽而成，在该矩形金属层的上边沿正中间处裁去左右对称的矩形开槽，该开槽的 宽度为上段矩形传输条带宽度的1/2至1倍之间，开槽深度为上段矩形传输条带长度的 1/4至1/3;该矩形金属层的左边沿23、右边沿22及下边沿21分别与介质基板的左、右 及下边沿重合，上边沿的左侧边沿线25与右侧边沿线24在一条直线上、长度相等且与 介质基板下边沿平行；该上边沿线与圆环形辐射单元的外环下端分别处于介质基板上下 平面的相同位置；该左右对称的矩形开槽的左右边沿线27、 26与介质基板左右边沿平行， 该矩形开槽的下边沿线28与介质基板下边沿平行；在该矩形金属层上裁剪去的圆环形开 槽的位置与另一面辐射金属层上的圆环形条带处于介质基板上下平面的相同位置上，且 开槽与条带的内外环半径尺寸相互一致，在圆环形开槽对应于圆环形条带的正对圆心的左端开口处设有一个宽为0. 2mm至1/5的圆环形开槽外环半径的矩形断开使圆环形开槽 成为一个非闭合状开槽；圆环形开槽29由外圆环边沿291、内圆环边沿292和位于圆环 最右端正对圆心的矩形开口 293构成。为使天线辐射单元有较宽的阻抗带宽，矩形开槽 的下边沿线28的长度即开槽宽度应选取为1. 5 3. 0mm之间，矩形开槽的左右边沿线27、 26的长度即开槽深度应选取为3. 4 4. 3腿之间；为使介质基板正面的圆环形条带33与 背面的圆环形开槽29形成紧耦合以实现宽带滤波功能，圆环形开槽29的圆心与圆环形 条带33的圆心处于介质基板上下平面的相同位置，内外环半径尺寸与圆环形条带33 — 致；为使滤波单元与天线辐射单元在带内匹配良好，圆环形开槽29的矩形开口 293的宽 度应选取为0.2 0.95mra之间。综合以上考虑，在本实施例中，选取矩形金属层的左边 沿23、右边沿"长度为24咖；矩形开槽的深度与宽度分别选取为3.6mm与2.9隱以构 成合适的开槽来获得最佳阻抗带宽；圆环形开槽29的矩形开口 293的宽度选取为0. 9mm。 使用时，本发明可滤波小型平面宽带天线的能量在辐射金属层上的下段矩形传输条 带34的下边沿341和接地金属层的下边沿21之间馈入，可采用同轴馈电或连接微带传 输线进行馈电，该馈电结构不仅制作简单，且与其他形式的传输线连接方便。能量经由 50欧姆微带线送至圆环形条带33与接地金属层上的圆环形开槽29处完成滤波功能，再 经由上段矩形传输条带31传送至圆环形辐射单元32，由圆环形辐射单元的外环边沿321 向接地金属层上边沿的左侧边沿线25与右侧边沿线24进行能量耦合转换，最终向自由 空间辐射。
图5中的实线曲线A为本实施例可滤波小型平面宽带天线回波损耗的测量结果，虚 线曲线B为中国专利申请号200810123432. 6的小型化平面超宽频带时域天线的端口回波 损耗的测量结果。由此反映出本发明可滤波小型平面宽带天线不仅能将工作频带内的能 量高效辐射至空间中，且对带外信号具有良好的抑制功能。
图6中的曲线C为本实施例可滤波小型平面宽带天线的群时延特性的测量结果，由 于天线辐射单元后接滤波单元，故而对整个天线的群时延特性有一些负面影响，但在 3. lGHz 5. lGHz的工作频带内，整体群时延的数值均在3纳秒以下，从而也具有较好的 信号保真性。
图7中曲线X为频率为4GHz时H面内的辐射方向图；图8中曲线Y为频率为4GHz 时E面内的辐射方向图，O角度所示方向为与可滤波小型平面天线垂直的方向。与天线平 面垂直方向具有最大增益，在与天线平面平行的方向具有最小增益，表明本实施例可滤 波小型平面宽带天线具有指向性的辐射场型。
权利要求
1、一种可滤波小型平面宽带天线，包括分别敷设在宽度为20～40mm、长度为35mm～50mm、厚度为0.5～5.0mm，介电常数为2.0～8.0的介质基板正、反两个平面上的辐射金属层和接地金属层；所述辐射金属层包括对于介质基板中线呈左右对称的圆环形辐射单元和矩形传输条带；所述圆环形辐射单元的外环半径为介质基板宽度的1/6至1/3，内环半径为外环半径的1/4至1/2，在其外环边沿的左右两端最远处设置有正对圆心的、长为外环半径的1/10至1/5、宽为0.2mm至外环半径1/10的矩形突起，在内环边沿的左、右、上、下四端最远处设置有正对圆心的矩形开槽，开槽的宽度为0.2mm至外环半径的1/10，左、右及上端三个开槽的深度为外环半径的1/10至1/5，下端开槽的深度为内环半径的1/10至1/5；其特征在于取圆环形条带，其内环周长为1/2中心波长，宽为圆环形条带内环半径的1/4至1/3，在其左右两端最远处裁去正对圆心的矩形开口将圆环形条带分割成上、下两部分，左边的矩形开口宽为0.2mm至圆环形条带内环半径的1/5，右边的矩形开口宽为圆环形条带内周长的1/10至1/5；所述矩形传输条带分为上、下两段，将上段矩形传输条带作为圆环形辐射单元与圆环形条带的上半部的连接线，上段矩形传输条带长为圆环形条带外环半径的2至3倍，宽为50欧姆阻抗线宽至增减1/10以内，其上端边沿与圆环形辐射单元外环下端相连接，下端边沿与圆环形条带上半部分的右端相连接，且上段矩形传输条带的下端边沿的左端与圆环形条带右端矩形开口的切口上边沿左端重合或在此位置上再右移小于1/10矩形传输条带宽度；下段矩形传输条带作为可滤波小型平面宽带天线的微带馈电结构，长为圆环形条带外环半径的1至两倍，宽为50欧姆阻抗线宽，其上端边沿与圆环形条带下半部分的右端相连接，下段矩形传输条带的下端边沿在介质基板的下边沿处，上、下两段矩形传输条带的左边沿在一条直线上；所述接地金属层由矩形金属层裁剪去圆环形开槽和小矩形开槽而成，该矩形金属层的左、右及下边沿分别与介质基板的左、右及下边沿重合，上边沿与圆环形辐射单元的外环下端分别处于介质基板上下平面的相同位置；在该矩形金属层的上边沿正中间处裁去左右对称的小矩形开槽，该小矩形开槽的宽度为上段矩形传输条带的宽度至该宽度的1/2范围，开槽深度为上段矩形传输条带长度的1/4至1/3；所述圆环形开槽与介质基板另一面辐射金属层上的圆环形条带处于相同的位置且开槽与条带的内外环半径尺寸相互一致，在圆环形开槽对应于圆环形条带的正对圆心的左端开口处设有宽0.2mm至1/5圆环形开槽外环半径的矩形断开使圆环形开槽成为一个非闭合状开槽。
全文摘要
本发明公开了一种可滤波小型平面宽带天线，特征是在圆环形条带两端裁去正对圆心的矩形开口，上、下两段矩形传输条带分别作为圆环形辐射单元与条带的连接线和微带馈电结构分别与圆环形条带上、下部分的右端相连接，接地矩形金属层上边沿中间裁去左右对称的矩形开槽，圆环形开槽对应于圆环形条带的正对圆心的开口处断开成非闭合状；天线辐射单元后接小型化滤波单元，拓展了天线的接地面积，且为不平衡馈电结构，减小了整体尺寸；不仅能将工作频带内的能量高效辐射至空间中，且对带外信号具有良好的抑制功能，使整个系统对应用环境的敏感性降低；其工作带宽为3.1GHz～5.2GHz。本发明天线易于馈电和制作，可有效应用于宽带无线通信系统。
文档编号H01Q1/38GK101431183SQ20081024443
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者周杰美, 琼 张, 俊 王, 王卫东 申请人:中国科学技术大学