專利名稱：具有帶阻特性的超寬帶天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在5 6GHz頻段具有帶阻特性的超寬帶(UWB)天線，可應用于各種超寬頻帶無線電設備的終端，但同時又對附近的無線局域網等系統不產生干擾。
背景技術：
超寬帶天線在民用領域和軍用領域的應用越來越廣泛，尤其是在2002年2月美國聯邦通信委員會(FCC)批準將3. 1 10. 6GHz的頻段用于民用超寬帶通信系統后。
傳統應用于UWB系統的天線一般包括喇叭天線、雙錐天線等等。但這些天線由于尺寸龐大而不適用于當今需要小而輕的天線領域。G. Dubost和S. Zisler于1976年首先提出了平面單極天線，隨后國內外的科技工作者對超寬帶平面單極天線做了大量的研究。但由于此類天線需要一個與之相垂直的地板，增大了天線的結構，且不便于與有源電路集成。為此，近年來一種新穎結構的平面印刷單極天線被廣泛的研究，文獻有鐘順時，梁仙靈，延曉榮等人的《超寬帶平面天線技術》(電波科學學報，vol. 22， No. 2， 2007， pp. 308-315)。
UWB天線因其帶寬很寬，發射功率又相對較小，因而不可避免地會和鄰近的窄帶射頻系統互相干擾。如常用于無線局域網WLAN的IEEE802. lla頻段，其范圍為5. 15GHz 5.850GHz，易和FCC提出的3. 1GHz 10. 6GHz民用超寬帶產生干擾。為了避免干擾，又不額外增加濾波器，需要使超寬帶天線自身具有帶阻的功能。專利《具有帶阻特性的超寬帶天線》申請號200680013917. 9，公開號CN 101164199A，公開了一種通過在輻射貼片上開槽使天線具有帶阻的功能，文獻《Sanh-Ho Lee， Jung-Woo Baik， and Young-Sik Kima，coplanarwaveguide fed monopole ultra—wideband antenna having band—notchedfrequency function by twofolded-striplines》(Microwave Opt. Tech. Lett. ， vol. 49，no. 11,2007， pp. 2747-2750)公開一種通過在介質板背面寄生兩個L型的金屬貼片來實現超寬帶天線的帶阻功能。
發明內容
本發明的目的在于提出一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線，不但滿足了FCC提出的超寬帶要求，而且在5 6GHz實現了帶阻功能，避免了系統間的相互干擾。該天線結構簡單，易于加工，便于與有源電路集成。 本發明的構思如下本發明可以認為是將濾波器中的缺陷地(DGS)結構與超寬帶天線相結合，實現超寬帶天線的帶阻特性。由韓國學者J. I. Park等人提出的缺陷地結構(DGS defectedground structure)最早從光子帶隙結構發展而來，它是在接地平面人為的蝕刻出缺陷圖案，以改變電路襯底材料有效介電常數的分布，從而改變接地電流的分布，改變傳輸特性。在無源電路中，基于DGS的帶阻特性和慢波特性，可以用于構造濾波器和緊致的高阻抗微帶線。與傳統方法相比，DGS結構濾波器無需外加元件，即可實現帶阻。在本發明中將此結構與平面印刷單極天線相結合，通過在天線接地板上蝕刻缺陷圖案，實現超寬帶天線的帶阻功能，使天線具有小型化、結構簡單、便于與有源電路集成等優點。
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根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案 —種具有帶阻特性的超寬帶天線，包括扇形輻射貼片、共面金屬地板、內嵌式饋電線和FR4介質基板。其特征在于所述共面地板中有U形DGS結構；輻射貼片、金屬地板、饋電系統以及DGS結構均在介質基板的同一側，結構簡單緊湊，成本低而且便于與有源電路的集成。 所述的梯形金屬地板和內嵌式饋電線構成了共面波導的饋電方式，該饋電方式使天線的金屬地板剛好可以作為共面波導的地板，便于與有源電路集成；具有損耗小，有利于提高天線的效率；便于實現阻抗匹配等優點。 所述的U形DGS結構左右對稱分布在內嵌式饋電線的兩側，蝕刻在梯形接地金屬
板上，其u形槽長約為(人/^;)/2，其中、是介質基板的相對介電常數，而入。是阻帶的中
心頻率f。對應的波長。為在5 6GHz實現阻帶特性，槽長約在16mm 17mm。 所述的金屬地板采用上小下大的梯形金屬貼片，此金屬貼片分割為左右兩片，置
于內嵌式饋電線的兩旁。地板采用此漸變的梯形結構便于實現超寬帶的阻抗匹配，從而使
天線的駐波比帶寬有效展寬。 所述的輻射貼片為扇形貼片，也可為圓形貼片、橢圓形貼片或環形貼片。 本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發
明提供了一種小型化，能大量生產的且在WLAN頻段具有帶阻特性的超寬帶天線；本發明是
在單片介質基板同一面上印刷輻射貼片、梯形金屬地板、共面波導導帶和蝕刻DGS結構，具
有結構簡單緊湊，小型化，便于與有源電路集成；本發明采用DGS結構實現帶阻的方式，通
過槽長可方便的控制阻帶的中心頻率，具有設計方便，易于加工，成本低。 本發明利用DGS結構實現帶阻特性的超寬帶天線在5 6GHz的頻率范圍內駐波
比大于2，具有良好的頻率阻段特性，在其余的3 15GHz頻帶內，駐波比均小于2。天線在
整個頻段上都可獲得良好增益，并且增益在接近5GHz頻段時突然下降，導致帶阻特性。方
向圖在整個頻率范圍內具有近似全向的輻射特性。本天線重量輕，尺寸小，結構簡單、緊湊，
加工方便，成本低，可用于電子偵察和電子干擾等超寬頻帶無線電設備的終端天線，以及可
作為短程超寬帶通信天線等。
圖1是本發明一個實施例的正面結構示意圖。 圖2是本發明示例與不具有DGS結構時的駐波比曲線比較圖。 圖3是本發明示例在不同頻率點上，貼片電流分布的示意圖。 圖4是本發明示例在U形DGS結構槽的不同長度下，駐波比與頻率關系的仿真曲線圖。 圖5是本發明示例在不同頻率點的方向圖。 圖6是本發明示例的增益曲線圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下 實施例一 本發明具有帶阻特性的超寬帶天線的結構圖如圖1所示，本實施例包括印刷在介質基板2上的輻射貼片l和共面金屬地板5，輻射貼片1為扇形金屬貼片，共面金屬地板5為梯形金屬地板，共面金屬地板5和內嵌式饋電線3構成共面波導對輻射貼片l進行饋電。共面金屬地板5上蝕刻有左右對稱的U型DGS結構4。共面波導的下端接同軸接頭6，同軸接頭內導體與共面波導導帶相接，接頭外導體與共面金屬地板5相連接。扇形輻射貼片1也可以用圓形貼片，橢圓形貼片及圓環貼片來替代。單極天線板l，共面金屬板5，內饋電線3， U型DGS結構4均在介質基板2的同一側。
實施例二 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下 在本實施例的天線中，輻射貼片1是主要的輻射元件，用于獲得寬帶的特性，它可具有圓形、橢圓形等各種形狀。調整輻射貼片l和金屬地板5間的距離，可控制帶寬的程度。同時，金屬接地板5具有天線的阻抗匹配效應，將此變為漸變式的梯形結構可改變天線的阻抗匹配程度，從而展寬帶寬。 在本實施例的天線中，通過在梯形金屬地板5上蝕刻U形槽，形成缺陷地(DGS)結構4來獲得阻帶特性。 圖2是本發明實施例的駐波比曲線圖。圖中表明未有DGS結構時，天線在3 15GHz頻段內，駐波比均保持在2以下，所以在WLAN頻段上并沒有出現帶阻特性。反之，在附加DGS結構后，駐波比在5 6GHz頻段處大于2，形成了良好的阻帶特性。
圖3是以圖解的方式給出了本發明一個實施例在不同頻率點上天線的電流分布圖，說明了如何通過槽4獲得帶阻特性。如圖3(a)(c)(d)所示，在通帶(3.5GHz、7.5GHz、10GHz)處，強電流均勻地分布在貼片、金屬地板以及饋電導帶附近，在DGS形縫隙上部幾乎沒有電流分布；而當在阻帶處，例如當頻率為5. 5GHz時(如圖3(b)所示)，在U形DGS縫隙附近分布著相比其他頻率點更強的電流分布，而在貼片的其它邊緣部分，電流分布都很弱。所以，DGS結構的引入在阻帶頻段上很大程度上改變了輻射貼片上的電流分布，從而改變了傳輸特性，實現了帶阻。 DGS結構4構成半波諧振結構，在此情況下，通過控制DGS結構4的長度，即可決定
阻帶的中心頻率。通常，自由空間的電磁波長轉換為電介質中的波長為;io/^(其中、是
介質基板的相對介電常數，而A。是阻帶的中心頻率f。對應的波長)。可以得到在中心頻率f。處具有阻帶特性的槽的長度="/^)/2 。因此可通過適當確定槽的長度來控制阻帶的中心頻率，從而能產生在WLAN頻段的阻帶特性。 圖4是基于本發明實施例DGS槽長度的變化而獲得頻率與駐波比仿真值的曲線圖。由圖中可看出，隨著槽長度變短，阻帶的中心頻率提高；隨著槽長度變長時，阻帶的中心頻率降低。 圖5為本實施例在不同頻率點上的方向圖。如圖所示，當頻率較低時，天線的方
向圖呈現良好的單極天線特性。天線在H面具有近似全向輻射特性。E面方向圖可以獲得
接近8字形的方向性；而當頻率升高時，天線的方向圖產生一些變形，這是由于隨頻率的升
高，零點增多，出現更多的反向電流和橫向電流，從而導致方向圖變形。但總的來講，天線在
整個工作頻段內具有良好的近似全向輻射特性，整個頻段內方向圖變化不大。 圖6為本發明實施例頻率與增益關系的曲線圖。由圖6可看出，在3 15GHz的整
個頻段上都可獲得良好增益，并且增益在接近5GHz頻段時突然下降，從而導致帶阻特性。
因此，本實施例具有適用于在與WLAN頻段系統產生較少干擾的UWB天線的特性。
權利要求
一種具有帶阻特性的超寬帶天線，包括介質基板(2)，扇形輻射貼片(1)、共面金屬地板(5)和內嵌式饋電線(3)，其特征在于所述共面金屬地板(5)中有U形DGS結構(4)，天線的輻射體和金屬接地板在介質板的同一面，易于加工和集成。利用DGS結構(4)改變接地板上電流的分布，從而改變傳輸特性，使之具有帶隙特性和慢波特性以及尺寸小。
2. 根據權利1所述的具有帶阻特性的超寬帶天線，其特征在于所述U形DGS結構(4)左右對稱的蝕刻在金屬地板(5)上，且其各自的長度為(^/^)/2，其中、是介質基板(2)的相對介電常數，而A 。是阻帶的中心頻率f。對應的波長。
3. 根據權利2所述的具有帶阻特性的超寬帶天線，其特征在于所述阻帶的頻率范圍處于5 6GHz內，解決了 UWB系統對附近WLAN系統產生的干擾。
4. 根據權利l所述的具有帶阻特性的超寬帶天線，其特征在于所述輻射貼片(1)與共面金屬地板(5)之間的距離，影響天線的輸入阻抗，可控制天線的駐波比帶寬。
5. 根據權利l所述的具有帶阻特性的超寬帶天線，其特征在于所述輻射貼片(1)可為扇形貼片、或橢圓形貼片、或圓形貼片、或圓環形貼片。
6. 根據權利l所述的具有帶阻特性的超寬帶天線，其特征在于所述金屬接地板(5)為梯形地板便于實現超寬帶的阻抗匹配，使天線的阻抗帶寬得以有效的展寬。
全文摘要
本發明涉及一種具有帶阻特性的超寬帶(UWB)天線。它是由U形缺陷地結構，共面波導，扇形輻射貼片，FR4介質基板，同軸接頭，梯形金屬地板構成。其中U形DGS結構對稱地蝕刻在梯形金屬地板上，使天線產生帶阻特性；共面波導有效利用梯形地板，梯形地板既作為天線輻射的一個主要部分，又作為共面波導的地板。本發明能滿足UWB技術阻抗要求，且在5～6GHz之間實現了良好的帶阻特性。本發明天線采用缺陷地結構實現帶阻天線的新思路，具有小型化，結構簡單緊湊，加工方便，易于與有源電路集成，具有良好的應用前景。
文檔編號H01Q13/08GK101752665SQ201010023119
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者李麗嫻, 鐘順時, 陳敏華 申請人:上海大學