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：
本发明涉及一种在5 6GHz频段具有带阻特性的超宽带(UWB)天线，可应用于各种超宽频带无线电设备的终端，但同时又对附近的无线局域网等系统不产生干扰。
背景技术：
超宽带天线在民用领域和军用领域的应用越来越广泛，尤其是在2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)批准将3. 1 10. 6GHz的频段用于民用超宽带通信系统后。
传统应用于UWB系统的天线一般包括喇叭天线、双锥天线等等。但这些天线由于尺寸庞大而不适用于当今需要小而轻的天线领域。G. Dubost和S. Zisler于1976年首先提出了平面单极天线，随后国内外的科技工作者对超宽带平面单极天线做了大量的研究。但由于此类天线需要一个与之相垂直的地板，增大了天线的结构，且不便于与有源电路集成。为此，近年来一种新颖结构的平面印刷单极天线被广泛的研究，文献有钟顺时，梁仙灵，延晓荣等人的《超宽带平面天线技术》(电波科学学报，vol. 22， No. 2， 2007， pp. 308-315)。
UWB天线因其带宽很宽，发射功率又相对较小，因而不可避免地会和邻近的窄带射频系统互相干扰。如常用于无线局域网WLAN的IEEE802. lla频段，其范围为5. 15GHz 5.850GHz，易和FCC提出的3. 1GHz 10. 6GHz民用超宽带产生干扰。为了避免干扰，又不额外增加滤波器，需要使超宽带天线自身具有带阻的功能。专利《具有带阻特性的超宽带天线》申请号200680013917. 9，公开号CN 101164199A，公开了一种通过在辐射贴片上开槽使天线具有带阻的功能，文献《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)公开一种通过在介质板背面寄生两个L型的金属贴片来实现超宽带天线的带阻功能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的具有带阻特性的超宽带天线，不但满足了FCC提出的超宽带要求，而且在5 6GHz实现了带阻功能，避免了系统间的相互干扰。该天线结构简单，易于加工，便于与有源电路集成。 本发明的构思如下本发明可以认为是将滤波器中的缺陷地(DGS)结构与超宽带天线相结合，实现超宽带天线的带阻特性。由韩国学者J. I. Park等人提出的缺陷地结构(DGS defectedground structure)最早从光子带隙结构发展而来，它是在接地平面人为的蚀刻出缺陷图案，以改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变接地电流的分布，改变传输特性。在无源电路中，基于DGS的带阻特性和慢波特性，可以用于构造滤波器和紧致的高阻抗微带线。与传统方法相比，DGS结构滤波器无需外加元件，即可实现带阻。在本发明中将此结构与平面印刷单极天线相结合，通过在天线接地板上蚀刻缺陷图案，实现超宽带天线的带阻功能，使天线具有小型化、结构简单、便于与有源电路集成等优点。
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根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案 —种具有带阻特性的超宽带天线，包括扇形辐射贴片、共面金属地板、内嵌式馈电线和FR4介质基板。其特征在于所述共面地板中有U形DGS结构；辐射贴片、金属地板、馈电系统以及DGS结构均在介质基板的同一侧，结构简单紧凑，成本低而且便于与有源电路的集成。 所述的梯形金属地板和内嵌式馈电线构成了共面波导的馈电方式，该馈电方式使天线的金属地板刚好可以作为共面波导的地板，便于与有源电路集成；具有损耗小，有利于提高天线的效率；便于实现阻抗匹配等优点。 所述的U形DGS结构左右对称分布在内嵌式馈电线的两侧，蚀刻在梯形接地金属
板上，其u形槽长约为(人/^;)/2，其中、是介质基板的相对介电常数，而入。是阻带的中
心频率f。对应的波长。为在5 6GHz实现阻带特性，槽长约在16mm 17mm。 所述的金属地板采用上小下大的梯形金属贴片，此金属贴片分割为左右两片，置
于内嵌式馈电线的两旁。地板采用此渐变的梯形结构便于实现超宽带的阻抗匹配，从而使
天线的驻波比带宽有效展宽。 所述的辐射贴片为扇形贴片，也可为圆形贴片、椭圆形贴片或环形贴片。 本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本发
明提供了一种小型化，能大量生产的且在WLAN频段具有带阻特性的超宽带天线；本发明是
在单片介质基板同一面上印刷辐射贴片、梯形金属地板、共面波导导带和蚀刻DGS结构，具
有结构简单紧凑，小型化，便于与有源电路集成；本发明采用DGS结构实现带阻的方式，通
过槽长可方便的控制阻带的中心频率，具有设计方便，易于加工，成本低。 本发明利用DGS结构实现带阻特性的超宽带天线在5 6GHz的频率范围内驻波
比大于2，具有良好的频率阻段特性，在其余的3 15GHz频带内，驻波比均小于2。天线在
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，导致带阻特性。方
向图在整个频率范围内具有近似全向的辐射特性。本天线重量轻，尺寸小，结构简单、紧凑，
加工方便，成本低，可用于电子侦察和电子干扰等超宽频带无线电设备的终端天线，以及可
作为短程超宽带通信天线等。
图1是本发明一个实施例的正面结构示意图。 图2是本发明示例与不具有DGS结构时的驻波比曲线比较图。 图3是本发明示例在不同频率点上，贴片电流分布的示意图。 图4是本发明示例在U形DGS结构槽的不同长度下，驻波比与频率关系的仿真曲线图。 图5是本发明示例在不同频率点的方向图。 图6是本发明示例的增益曲线图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下 实施例一 本发明具有带阻特性的超宽带天线的结构图如图1所示，本实施例包括印刷在介质基板2上的辐射贴片l和共面金属地板5，辐射贴片1为扇形金属贴片，共面金属地板5为梯形金属地板，共面金属地板5和内嵌式馈电线3构成共面波导对辐射贴片l进行馈电。共面金属地板5上蚀刻有左右对称的U型DGS结构4。共面波导的下端接同轴接头6，同轴接头内导体与共面波导导带相接，接头外导体与共面金属地板5相连接。扇形辐射贴片1也可以用圆形贴片，椭圆形贴片及圆环贴片来替代。单极天线板l，共面金属板5，内馈电线3， U型DGS结构4均在介质基板2的同一侧。
实施例二 本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下 在本实施例的天线中，辐射贴片1是主要的辐射元件，用于获得宽带的特性，它可具有圆形、椭圆形等各种形状。调整辐射贴片l和金属地板5间的距离，可控制带宽的程度。同时，金属接地板5具有天线的阻抗匹配效应，将此变为渐变式的梯形结构可改变天线的阻抗匹配程度，从而展宽带宽。 在本实施例的天线中，通过在梯形金属地板5上蚀刻U形槽，形成缺陷地(DGS)结构4来获得阻带特性。 图2是本发明实施例的驻波比曲线图。图中表明未有DGS结构时，天线在3 15GHz频段内，驻波比均保持在2以下，所以在WLAN频段上并没有出现带阻特性。反之，在附加DGS结构后，驻波比在5 6GHz频段处大于2，形成了良好的阻带特性。
图3是以图解的方式给出了本发明一个实施例在不同频率点上天线的电流分布图，说明了如何通过槽4获得带阻特性。如图3(a)(c)(d)所示，在通带(3.5GHz、7.5GHz、10GHz)处，强电流均匀地分布在贴片、金属地板以及馈电导带附近，在DGS形缝隙上部几乎没有电流分布；而当在阻带处，例如当频率为5. 5GHz时(如图3(b)所示)，在U形DGS缝隙附近分布着相比其他频率点更强的电流分布，而在贴片的其它边缘部分，电流分布都很弱。所以，DGS结构的引入在阻带频段上很大程度上改变了辐射贴片上的电流分布，从而改变了传输特性，实现了带阻。 DGS结构4构成半波谐振结构，在此情况下，通过控制DGS结构4的长度，即可决定
阻带的中心频率。通常，自由空间的电磁波长转换为电介质中的波长为;io/^(其中、是
介质基板的相对介电常数，而A。是阻带的中心频率f。对应的波长)。可以得到在中心频率f。处具有阻带特性的槽的长度="/^)/2 。因此可通过适当确定槽的长度来控制阻带的中心频率，从而能产生在WLAN频段的阻带特性。 图4是基于本发明实施例DGS槽长度的变化而获得频率与驻波比仿真值的曲线图。由图中可看出，随着槽长度变短，阻带的中心频率提高；随着槽长度变长时，阻带的中心频率降低。 图5为本实施例在不同频率点上的方向图。如图所示，当频率较低时，天线的方
向图呈现良好的单极天线特性。天线在H面具有近似全向辐射特性。E面方向图可以获得
接近8字形的方向性；而当频率升高时，天线的方向图产生一些变形，这是由于随频率的升
高，零点增多，出现更多的反向电流和横向电流，从而导致方向图变形。但总的来讲，天线在
整个工作频段内具有良好的近似全向辐射特性，整个频段内方向图变化不大。 图6为本发明实施例频率与增益关系的曲线图。由图6可看出，在3 15GHz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，本实施例具有适用于在与WLAN频段系统产生较少干扰的UWB天线的特性。
权利要求
一种具有带阻特性的超宽带天线，包括介质基板(2)，扇形辐射贴片(1)、共面金属地板(5)和内嵌式馈电线(3)，其特征在于所述共面金属地板(5)中有U形DGS结构(4)，天线的辐射体和金属接地板在介质板的同一面，易于加工和集成。利用DGS结构(4)改变接地板上电流的分布，从而改变传输特性，使之具有带隙特性和慢波特性以及尺寸小。
2. 根据权利1所述的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于所述U形DGS结构(4)左右对称的蚀刻在金属地板(5)上，且其各自的长度为(^/^)/2，其中、是介质基板(2)的相对介电常数，而A 。是阻带的中心频率f。对应的波长。
3. 根据权利2所述的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于所述阻带的频率范围处于5 6GHz内，解决了 UWB系统对附近WLAN系统产生的干扰。
4. 根据权利l所述的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于所述辐射贴片(1)与共面金属地板(5)之间的距离，影响天线的输入阻抗，可控制天线的驻波比带宽。
5. 根据权利l所述的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于所述辐射贴片(1)可为扇形贴片、或椭圆形贴片、或圆形贴片、或圆环形贴片。
6. 根据权利l所述的具有带阻特性的超宽带天线，其特征在于所述金属接地板(5)为梯形地板便于实现超宽带的阻抗匹配，使天线的阻抗带宽得以有效的展宽。
全文摘要
本发明涉及一种具有带阻特性的超宽带(UWB)天线。它是由U形缺陷地结构，共面波导，扇形辐射贴片，FR4介质基板，同轴接头，梯形金属地板构成。其中U形DGS结构对称地蚀刻在梯形金属地板上，使天线产生带阻特性；共面波导有效利用梯形地板，梯形地板既作为天线辐射的一个主要部分，又作为共面波导的地板。本发明能满足UWB技术阻抗要求，且在5～6GHz之间实现了良好的带阻特性。本发明天线采用缺陷地结构实现带阻天线的新思路，具有小型化，结构简单紧凑，加工方便，易于与有源电路集成，具有良好的应用前景。
文档编号H01Q13/08GK101752665SQ201010023119
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者李丽娴, 钟顺时, 陈敏华 申请人:上海大学