柔性紧凑型三陷波超宽带天线的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线。


背景技术：

2.随着无线通信的迅速发展，人们对于6ghz以下的频段资源的研究使用变得越来越频繁，但是众所周知，频谱资源是一种不可再生资源，在这个数据量需求也在不断攀升的环境中，人们对于高速率，高容量等需求也在不断地提升。作为契合这一需求的超宽带uwb天线，凭借其抗干扰性能好、传输速率高、传输带宽宽等优点，成为无线通信天线的一个热门研究方向。但是因为超宽带频带范围与现有的一些窄带通信频段有着重叠部分，为了减少来自这部分的同频干扰，陷波天线应运而生，它不需要额外的滤波器部分来实现对相应窄带通信频段的信号进行滤除，对于最终组成系统而言，显然它更具有集成性，因此研究天线自身的结构实现陷波是重要的环节。微带天线由于其剖面薄、重量轻和容易集成等特性，并且它还能较方便与一些特定形状的物质共形，如圆柱体、圆锥体等，于是微带天线在这些领域内一直都是受到大量关注的天线形式。
3.现有的关于陷波天线的研究大部分基于不可共形的非柔性天线，且主要是单陷波，双陷波为主，人们对于柔性的多陷波天线研究较少。在文献调研中，主要的技术路线是需要先实现超宽带天线的设计，为了实现同频的信号滤除，则需要通过在辐射贴片、接地板上进行适当的开槽，或者是在馈线附近进行人工电磁结构的加载等方法来实现陷波功能。例如传统技术中提到的电磁带隙(ebg)结构，其在天线馈线的左右各自加载了两个尺寸不同的两个电磁带隙结构实现了(5.15～5.825ghz)和(7.9～8.4ghz)两处的陷波特性，虽然最终实现了需求频段的陷波，但是由于电磁带隙结构需要额外的金属过孔，额外增加了生产上的复杂性。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线。
5.一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线，包括：
6.馈线、接地板、l型谐振枝节、辐射贴片和谐振环结构；所述馈线、接地板、l型谐振枝节、辐射贴片和谐振环结构共面，且均设置在柔性介质基板上；
7.所述馈线与所述辐射贴片连接，所述接地板包括两个直角梯形接地板；位于所述馈线左侧的直角梯形接地板的左上角为钝角，位于所述馈线右侧的直角梯形接地板的右上角为钝角，两个直角梯形接地板上分别设置所述l型谐振枝节，所述馈线右侧的直角梯形接地板的所述l型谐振枝节的枝节向右延伸，所述馈线左侧的直角梯形接地板的所述l型谐振枝节的枝节向左延伸；
8.所述辐射贴片为圆形金属板加工而成，所述圆形金属板上半部分被裁剪，并且裁剪处与圆形金属板最高点距离小于半径，所述谐振环结构为互补开口谐振环结构，所述互补开口谐振环结构加工在所述圆形金属板的下半部分，并且裁剪处与圆形金属板最高点距
离加上互补开口谐振环结构的直径小于圆形金属板的直径；所述圆形金属板的左右两侧还分别设置有尖劈形分支；
9.所述辐射贴片、所述谐振环结构以及所述l型谐振枝节用于形成三陷波特性。
10.在其中一个实施例中，还包括：所述辐射贴片、所述谐振环结构以及所述l型谐振枝节用于对wimax、wlan和x波段高频的信号抑制。
11.在其中一个实施例中，还包括：所述wimax、wlan和x波段高频分别对应3.30～3.70ghz、5.14～6.05ghz和9.73～11.38ghz三处形成的陷波特性。
12.在其中一个实施例中，还包括：所述l型谐振枝节用于消除x波段高频段处的信号干扰。
13.在其中一个实施例中，还包括：所述互补开口谐振环结构包括内环和外环；通过调节所述内环的半径，调节wlan频段的陷波特性。
14.在其中一个实施例中，还包括：所述柔性紧凑型三陷波超宽带天线的尺寸为25mm*20mm*0.3mm。
15.在其中一个实施例中，还包括：所述柔性介质基板的介电常数为3.5。
16.上述柔性紧凑型三陷波超宽带天线，在没有增加初始尺寸，甚至减小了初始尺寸的情况下，通过缝隙和枝节的加载实现了wimax和wlan系统的频带范围处以及x波段高频处的三陷波特性。通过柔性材料的使用，使得天线不仅适用于普通的超宽带通信系统之中，亦能胜任需要共形性能的复杂结构和可穿戴领域的人体穿戴设备的和谐。
附图说明
17.图1为一个实施例中柔性紧凑型三陷波超宽带天线的俯视结构图；
18.图2为一个实施例中柔性紧凑型三陷波超宽带天线的三维结构图；
19.图3为一个实施例中柔性紧凑型三陷波超宽带天线共形处理示意图；
20.图4为另一个实施例中线电压驻波比随共形圆柱的底面半径变化特性示意图；
21.图5为一个实施例中天线陷波特性随互补开口谐振环半径变化示意图；
22.图6为一个实施例中三个陷波频率中心3.5ghz处的表面电流示意图；
23.图7为一个实施例中三个陷波频率中心5.7ghz处的表面电流示意图；
24.图8为一个实施例中三个陷波频率中心10.5ghz处的表面电流示意图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线，包括以下步骤：
27.馈线、接地板、l型谐振枝节、辐射贴片和谐振环结构；馈线、接地板、l型谐振枝节、辐射贴片和谐振环结构共面，且均设置在柔性介质基板上；馈线与辐射贴片连接，接地板包括两个直角梯形接地板；位于馈线左侧的直角梯形接地板的左上角为钝角，位于馈线右侧的直角梯形接地板的右上角为钝角，两个直角梯形接地板上分别设置l型谐振枝节，馈线右
侧的直角梯形接地板的l型谐振枝节的枝节向右延伸，馈线左侧的直角梯形接地板的l型谐振枝节的枝节向左延伸；辐射贴片为圆形金属板加工而成，圆形金属板上半部分被裁剪，并且裁剪处与圆形金属板最高点距离小于半径，谐振环结构为互补开口谐振环结构，互补开口谐振环结构加工在圆形金属板的下半部分，并且裁剪处与圆形金属板最高点距离加上互补开口谐振环结构的直径小于圆形金属板的直径；圆形金属板的左右两侧还分别设置有尖劈形分支；辐射贴片、谐振环结构以及l型谐振枝节用于形成三陷波特性。
28.上述柔性紧凑型三陷波超宽带天线中，在没有增加初始尺寸，甚至减小了初始尺寸的情况下，通过缝隙和枝节的加载实现了wimax和wlan系统的频带范围处以及x波段高频处的三陷波特性。通过柔性材料的使用，使得天线不仅适用于普通的超宽带通信系统之中，亦能胜任需要共形性能的复杂结构和可穿戴领域的人体穿戴设备的和谐。
29.在其中一个实施例中，本实用新型的天线馈电采用的是共面波导馈电，在介质基板的一个表面上制作出微带馈线，并在紧邻馈电线的两侧制作梯形接地板。天线结构如图1所示，上表面金属部分由合适的红酒杯形辐射贴片、蚀刻于辐射贴片上的互补开口谐振环(cssr)结构、馈线左右两个带有三角形切角的矩形接地板和两块接地板上加载的l型谐振枝节所组成。介质基板使用的是聚酰亚胺柔性材料，介电常数为3.5。
30.在其中一个实施例中，天线平面放置时的俯视图结构如图1所示，金属部分整体呈对称结构。初始辐射贴片是正方形，地板也是未切角的矩形，可见设计的辐射贴片上部已经进行平行切除，同时对下部也进行了相应削减，使下部呈现出半圆形状，同时将地板部分进行适当切角。以上步骤在改善了天线表面的电流路径和贴片与地板之间的耦合后，使得天线的阻抗带宽完全覆盖uwb标准。
31.如图2所示，提供一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线的三维结构图，图2中，介质基板均采用聚酰亚胺柔性材料，介电常数为3.5。两个带有谐振枝节的矩形部分作为共面波导馈电的地板。辐射贴片下部为圆弧形结构，地板上部为三角形切角，能改善表面电流路径，以达到拓宽阻抗带宽的目的。通过辐射贴片上的互补开口谐振环结构以及地板上部加载的l型枝节实现三部分的陷波特性。
32.在其中一个实施例中，通过在辐射贴片上进行开槽，槽的形状类似两个互补的环形结构，即互补开口谐振环(cssr)，这两个环形结构实现了两个通信窄带范围的信号消除。通过在地板上端加载两个l形谐振枝节消除了来自x波段高频段处的信号干扰。通过这部分的方法最终在三个频段实现良好的滤波特性。
33.在其中一个实施例中，天线整体尺寸仅为25mm*20mm*0.3mm，这不仅得益于共面波导馈电的引入，还受到了通过观察整体表面电流很低的部分区域，对辐射影响很小的该部分区域进行切除等方法的影响，后者更是做出了主要贡献。通过在聚酰亚胺柔性材料上进行覆铜，在仿真中将设计的天线与不同曲率的圆柱体进行共形操作，结果表明天线性能依旧良好。
34.如图3所示，提供一种柔性紧凑型三陷波超宽带天线共形处理示意图，通过仿真软件hfss将柔性天线共形至不同曲率的圆柱体上，以关注弯曲对天线性能的影响。
35.图4为天线电压驻波比随共形圆柱的底面半径变化特性示意图，在图4中，通过不同的圆柱体底面半径选择，对天线进行参数扫描，得到了四条不同圆柱体底面圆形半径下天线的电压驻波比随频率的变化示意图。虽然陷波点5.7ghz处的vswr值随着曲率的变大呈
略微下降的趋势，但是四条曲线在三个频段内均实现了陷波特性(vswr≥2)。
36.同时，本实用新型的设计方法如下：
37.初始超宽带天线的设计达到小型化关键在于在设计辐射贴片的过程中，密切地注意它在辐射过程中的表面电流密度，在该值很低的部分结构中可以将其适当地切掉一部分，因为它对辐射的贡献值几乎可以忽略，在不改变基本性能的情形下，有效减小尺寸。利用圆柱体振子近似法可以确定初始的辐射贴片尺寸与设计需求的最低频率之间存在着对应关系，如公式(1)所示：
[0038][0039]
其中，c是光速(3
×
108m/s),f
l
为天线的谐振频率(单位ghz)，λ
l
是波长，l为等效圆柱体的高，r为等效圆柱体的底面半径，l和r的取值单位均为mm。
[0040]
为了实现三陷波特性，需要在前一部分设计的超宽带天线的辐射贴片部分加载互补开口谐振环(cssr)结构实现前两个陷波的产生，第三陷波则是在地板的合适位置进行谐振枝节的加载完成的，无论是设计中采用的辐射贴片加载开口结构还是地板加载枝节，对于天线本身的尺寸没有增大，所以保证了小型化需求。csrr尺寸与陷波中心频率之间的关系，可由公式(2)所表现。
[0041][0042]
其中，公式中的l
r
、f
csrr
分别为cssr的长度和陷波中心频率，c、ε
r
分别为光速和有效介电常数。
[0043]
共面波导馈电结构主要是指馈线和地板在介质基板同一侧的馈电方式。为了获得需要的特性阻抗，可以调节馈线宽度和馈线与地面之间缝隙的宽度。同时为了改善天线的阻抗带宽特性，可以对地板的结构引入适当切角。
[0044]
图5为天线陷波特性随互补开口谐振环半径变化示意图。在图5中，显示了5.7ghz处陷波特性随互补开口谐振环内环半径的变化而变化。可见内环半径影响了三陷波里的wlan特性，在内环半径缩小的情况下，间接使得该环的周长减小，根据公式(2)可知，其中心频率也会随之增高，图5正是显示了这种特性。
[0045]
综上，本实用新型从一个初始的平面超宽带单极子天线出发，最终设计一款紧凑的柔性三陷波超宽带天线。天线在没有增加初始尺寸，甚至减小了初始尺寸的情况下，通过缝隙和枝节的加载实现了wimax和wlan系统的频带范围处以及x波段高频处的三陷波特性。通过柔性材料的使用，使得天线不仅适用于普通的超宽带通信系统之中，亦能升任需要共形性能的复杂结构和可穿戴领域的人体穿戴设备的和谐。
[0046]
该设计有以下优点：
[0047]
(1)通过使用共面波导馈电方式进行馈电，其所有的导电结构都在基板的一侧，无论是对于生产制作还是与其他部件的集成都很方便，同时它还有着低的阻抗和色散性能优等特性，配合上介质基板采用柔性材料聚酰亚胺，能够实现一种共形后受到该步骤影响十分微弱的柔性多陷波天线。
[0048]
(2)天线的基本结构为一个红酒杯辐射贴片、馈电线以及两对称的切角矩形地板组成。通过蚀刻在红酒杯底附近的互补开口谐振环和地板上端加载的l型枝节实现了对
wimax、wlan和x波段高频的信号抑制，在3.30～3.70ghz、5.14～6.05ghz和9.73～11.38ghz三处形成陷波特性。图6、7、8分别为三个陷波频率中心3.5ghz、5.7ghz和10.5ghz处的表面电流示意图。在图6、7、8中天线在三个频率处的表面电流分别聚集在三个不同的加载结构当中，正好对应于陷波特性的三个频率中心，因为这三个频率附近的表面电流被束缚在三个结构中，使得天线在此时向外辐射的部分很少，3.5ghz、5.7ghz和10.5ghz三处的vswr值分别为6.5、15和6，呈现出不错的陷波特性。
[0049]
(3)通过将初始的正方形辐射贴片上部进行切除，进一步缩小了天线的整体尺寸，使得其在小型化方面更具有优势。同时对天线的地板左右上角进行三角形切角，以及辐射贴片部分左右下角进行弧形切角，改善了地板与辐射贴片的耦合，实现了天线阻抗带宽(s11≤
‑
10db)2.69～12ghz，完全覆盖了uwb标准(3.1ghz～10.6ghz)的范围。
[0050]
(4)天线使用了聚酰亚胺作为介质基板，其作为一种特种工程材料，被广泛应用于各种领域。因其性能和合成方面的突出特点，应用前景十分良好。使用该材料制成的天线有着良好的柔性，并且在改变天线的形状进行相应的共形处理时，对天线的性能影响十分微弱。在使用该材料对天线进行设计时，天线的超宽带特性以及陷波特性都稳定，能够满足共形需求以及可穿戴应用部分要求。
[0051]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0052]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。