一种集成缺陷微带线带阻滤波器的超宽带认知无线电天线

摘要

本发明的目的在于提供一种集成缺陷微带线带阻滤波器的超宽带认知无线电天线，包括介质基板、切角矩形辐射单元、一个倒π型槽、一个M型缺陷微带线带阻滤波器、馈电微带线、开关Ⅰ、开关Ⅱ、开关Ⅲ、开关Ⅳ；倒π型槽刻蚀在切角矩形辐射单元上，π形槽的两个垂直边对称分布在垂直线的两边，M型缺陷微带线带阻滤波器刻蚀在馈电微带线，M型缺陷微带线带阻滤波器的长槽边与水平方向垂直；开关Ⅰ位于倒π型槽的水平槽的正中间，开关Ⅱ、开关Ⅲ、开关Ⅳ分别位于M型槽的弯折处；部分接地面印刷在介质基板的下半部分，下端和馈电端介质基板平齐。本发明提供一种带宽宽，辐射效率高，可以实现多模工作的一种集成缺陷微带线带阻滤波器的超宽带天线。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微波天线，特别是涉及一种集成缺陷微带线带阻滤波器的超宽带认 知无线电天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，各种各样的设备和协议占去居了大量的频谱资源，特别 是在10GHz一下，频谱资源相当紧张，如超宽带通信系统与无线局域网，C波段和X-波段等 通信协议重合，因此频谱的利用和管理成为目前研究的热点和难点为题之一。认知无线电作 为新兴技术，不但可以实现频谱重构而且可以实现信道感知。因此，研究认知无线电天线成 为热点研究问题之一。同时，目前的超宽带系统也是基于多带正交频分服用技术和脉冲超宽 带。脉冲超宽带系统，采用时间间隔极短的脉冲进行通讯的方式，也称作脉冲无线电或者无 载波通讯。2001年4月我国发布了“十五”863计划，其中把UWB无线通讯关键技术以及共 存与兼容技术列为有关通讯技术主体研究项目，很多高校也将对UWB的研究作为重点科研项 目，取得了很多进展。多带正交频分复用超宽带技术是集成正交频分复用技术和超宽带技术， 通过对各个子载波连续编码，且结合正交频分复用技术抗干扰能力强的特点，产生的一种告 诉数据传输技术。近年来，各种各样的超宽带天线相继问世，特别是采用微带技术的超宽带 天线，该结构可以通过照相或者光刻技术制作，并且有很好的全向辐射特性，因此该技术已 经应用在超宽带天线的设计和相关的微波电路元器件的设计中。超宽带系统的超宽带，低功 率辐射，急死与噪声的信号特征，并且可以通过控制干扰噪声的电平，且取得了 3.1GHz-10.6GHz的使用权，因此超宽带技术有很好的应用前景。作为频谱利用技术的认知无 线电技术和超宽带技术结合可以解决超宽带技术和目前已经授权使用的窄带技术的之间的相 互干扰，是超宽带能很好的避免窄带系统的干扰。同时，超宽带技术作为一种超低功率发射 技术，可以使超宽带技术和窄带技术共存，且超宽带可以实现频谱检测。因此，超宽带认知 无线电系统的设计有着广阔的应用前景。认知无线电天线作为无线通信的主要组成部分可以 采用印刷版天线设计双端口和单端口技术设计。

近年来，认知无线电天线的设计越来越多，文献“A new reconfigurable antenna design  for cognitive radio，Tawk,Y.,and C.G.Christodoulou，IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.,8:1378-1381，2009”，提出一种双端口认知无线电天线，通过旋转技术实现窄带天 线的重构，该天线的结构比较复杂，且体积比较大，不利于系统的小型化设计和集成设计。 为了降低天线的尺寸，文献“A cognitive radio antenna integrated with narrow/ ultra-wideband antenna and switches，Y.Li,W.Li and R.Mittra,IEICE Electron. Express.,vol.9,no.15,pp.1273-1283，2012”，提出一种超宽带天线和窄带天线结合的 认知无线电天线，该天线采用单独设计超宽带天线和重构超宽带天线的技术，在窄带天线上 集成开关，从而控制窄带天线的工作频率，实现超宽带和窄带系统的协同工作。但是该天线 采用双端口馈电的方式，结构仍然比较复杂，且在实际的设计时候，其两个端口之间的隔离 度比较低，因此单端口的认知无线电天线成为目前研究的热点。文献”Design based on  complementary split-ring resonators of an antenna with controllable band notches for  UWB cognitive radio applications，Al-Husseini,M.,A.Ramadan,A.El-Hajj,K.Y. Kabalan,Y.Tawk,and C.G.Christodoulou，IEEE Antennas Propag.Soc.AP-S Int.Symp.， pp.1120-1122.”提出一种单端口认知无线电天线，该天线通过在天线的辐射单元上可是分裂 环谐振腔，从而实现陷波特性，抑制不需要的信号，同时在分裂环上集成理想的开关，通过 控制开关的通断，控制谐波抑制的频率范围。该天线在天线的辐射单元上刻蚀分裂环，结构 仍然比较复杂，且谐波特性与分裂环的个数有关，因此限制了其应用。

此外，缺陷地技术，电磁带隙技术和光子带隙技术已经用于滤波器设计，天线的小型化 设计，功分器的设计。而作为新兴的技术缺陷微带线技术自从提出以来，就广泛的应用在滤 波器设计，天线的小型化，互耦降低等方面，由于缺陷微带线结构刻蚀在微带线上，不会泄 露电磁波，因此具有更好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带宽宽，辐射效率高，可以实现多模工作的一种集成缺陷微 带线带阻滤波器的超宽带天线。

本发明的目的是这样实现的：

包括介质基板、切角矩形辐射单元、一个倒π形槽、一个M形缺陷微带线带阻滤波器、 馈电微带线、开关Ⅰ、开关Ⅱ、开关Ⅲ、开关Ⅳ；切角矩形辐射单元、一个倒π形槽、一个 M形缺陷微带线带阻滤波器、馈电微带线、开关Ⅰ、开关Ⅱ、开关Ⅲ、开关Ⅳ印刷在介质基 板上；一个倒π形槽刻蚀在切角矩形辐射单元上，且倒π形槽的水平边和介质基板平行，倒 π形槽的两个垂直边对称分布在垂直线的两边，从而在切角矩形辐射单元形成一个π形槽结 构；一个M形缺陷微带线带阻滤波器刻蚀在馈电微带线，从而形成M形槽结构，M形缺陷 微带线带阻滤波器的长槽边与水平方向垂直；开关Ⅰ位于倒π形槽的水平槽的正中间，开关 Ⅱ、开关Ⅲ、开关Ⅳ分别位于M形槽的弯折处；切角矩形辐射单元和天线的馈电微带线与部 分接地面分别印刷在介质基板的两面，部分接地面印刷在介质基板的下半部分，下端和馈电 端介质基板平齐。

本发明还可以包括：

1、所述的M形缺陷微带线带阻滤波器距离馈电端为4.7mm。

2、所述的部分接地面的垂直尺寸比馈电微带线短0.8mm。

3、所述的天线采用介电常数为2.65的介质基板，且介电损耗正切角小于10^-2。

根据超宽带通信的和认知无线电技术优势，本发明采用的技术方案为：

1、辐射单元采用简单的切角矩形贴片，类似于传统的印刷单极子天线，便于设计和制作， 且能保证较好的阻抗匹配，实现宽频带阻抗匹配，同时有较好的全向辐射特性。

2、本发明采用微带馈电结构，实现微带馈电和缺陷微带线带阻滤波器集成设计，不仅减 小了天线的尺寸，同时又能提供很好的陷波和重构特性。同时集成电子开关，通过控制馈电 微带线上的开关状态，可以实现天线的重构和工作模式的切换。

3、本发明采用在切角矩形辐射单元上刻蚀一个倒π形槽方法，产生一个陷波特性，从而 可以实现超宽带和窄带系统之间的共存。通过改变倒π形槽尺寸，改变倒π形槽的分布电容 和分布电感，从而改变陷波特性的中心频率和陷波带宽，设计出性能良好的陷波超宽带天线。 在倒π形槽上集成一个电子开关，通过控制电子开关的通断，可以控制倒π形槽的谐振状态， 是设计的超宽带认知无线电天线工作在叠加工作模式和延伸工作模式。

本发明与现有技术相比，具有显著的优点为：

1、本发明通过超宽带天线与认知无线电的结合，设计出具有频谱重构的认知无线电天线， 不仅能满足超宽带通信的需求，同时能够通过控制开关的工作状态，控制超宽带天线的工作 模式。通过超宽带天线与认知无线电的结合还可以节省频谱资源，提高频谱利用率。

2、本发明所设计的超宽带认知无线电天线采用π形槽技术，并集成缺陷微带线带阻滤波 器和电子开关，通过调节π形槽技术和缺陷微带线带阻滤波器的尺寸，可以调节其谐振频率， 避免不需要的信号干扰，同时π形槽技术和缺陷微带线带阻滤波器能够通过半波长谐振理论 设计所需要的谐振频率，便于设计和生产调试。本发明的电子开关可以控制所设计的超宽带 认知无线电天线工作模式，通过控制电子开关的通断，超宽带认知无线电天线可以工作在叠 加工作模式和延伸工作模式。

3、本发明采用π形槽技术，缺陷微带线带阻滤波器和电子开关设计超宽带认知无线电天 线，避免了双端口天线的设计，降低天线的尺寸，同时可以通过参数设计和控制开关的状态， 使宽带认知无线电天线满足实际的生产要求。该天线结构简单，便于实际设计和加工。

附图说明

图1为本发明实施实例1的基本结构俯视图；

图2为本发明实施实例1的基本结构侧视图；

图3为本发明实施实例1的缺陷微带线带阻滤波器结构图；

图4为本发明实施实例2的基本结构俯视图；

图5为本发明实施实例3的基本结构俯视图；

图6为本发明实施实例4的基本结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例本对发明做更详细地描述：

实施实例1：

本发明的一个实例如图1、图2和图3所示。所设计的超宽带认知无线电天线由介质基 板109、切角矩形辐射单元101、一个倒π形槽102、一个M形缺陷微带线带阻滤波器105、 馈电微带线106、部分接地面110、开关Ⅰ103、开关Ⅱ104、开关Ⅲ107、开关Ⅳ108组成。 该天线的馈电微带线106和切角矩形辐射单元101的侧视图为111，印刷在介质基板109的 上面，部分接地面110印刷在介质极板109的下面。馈电微带线106直接和SMA内导体连 接，SMA的外导体与部分接地面110连接。根据图1、图2和图3所示的结构，只要选择合 适的尺寸，就能设计出满足实际应用的超宽带认知无线电天线。

图3所示为M形缺陷微带线带阻滤波器105及馈电微带线106的结构，M形缺陷微带 线带阻滤波器105刻蚀在馈电微带线106上，可以通过调整M形缺陷微带线带阻滤波器105 的尺寸和间距，就可以设计满足实际需求的带阻滤波器。

开关Ⅰ103、开关Ⅱ104、开关Ⅲ107、开关Ⅳ108分别集成在倒π形槽102和M形缺陷 微带线带阻滤波器105上，可以通过控制这些电子开关的工作状态，从而控制超宽带认知无 线电天线的工作模式。当所有的开关都处于连通状态时，改天天线为超宽带天线，这时候该 天线可以工作在延伸工作模式。这时候低功率的超宽带天线作为衬底出现在其它通信系统的 低层，避免系统之间的干扰。当所有的开关都处于断开状态时，所设计的超宽带认知天线工 作在叠加工作模式，此时超宽带天线作为感知天线，同时通过产生的陷波抑制不需要的信号。 当开关处于其它组合时，该天线工作在叠加工作模式，此时超宽带天线仍作为传感天线，同 时通过产生的陷波抑制不需要的信号。

实施实例2：

如图4所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1的基础上，所设计的超宽带认知 无线电天线仅仅采用倒π形槽设计开关单陷波超宽带天线。由介质基板、切角矩形辐射单元 201、一个倒π形槽202、馈电微带线206、部分接地面、开关Ⅰ203组成。切角矩形辐射单 元201和馈电微带线206印刷在介质基板的上面，部分接地面印刷在介质极板的下面。馈电 微带线206直接和SMA内导体连接，SMA的外导体与部分接地面连接。根据图4所示的结 构，只要选择合适的尺寸，就能设计出满足实际应用的超宽带认知无线电天线。

实施实例2可以作为超宽带认知无线电天线使用，当开关Ⅰ203断开时，该天线是一个 陷波超宽带天线，可以工作在叠加工作模式，此时超宽带天线仍作为传感天线，同时通过产 生的陷波抑制不需要的信号。同时，该天线也可以作为一个双频段天线使用。当开关203连 通时，该天线为超宽带天线，此时该天线工作在延伸工作模式。

实施实例3：

如图5所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1的基础上，所设计的超宽带认知 无线电天线仅仅采用M形缺陷微带线带阻滤波器305超宽带天线。由介质基板、切角矩形辐 射单元301、馈电微带线306、部分接地面、开关Ⅱ304、开关Ⅲ307、开关Ⅳ308组成。切角 矩形辐射单元301和馈电微带线306印刷在介质基板的上面，部分接地面印刷在介质极板的 下面。馈电微带线306直接和SMA内导体连接，SMA的外导体与部分接地面连接。根据图 4所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能设计出满足实际应用的超宽带认知无线电天线。

实施实例3所采用的M形缺陷微带线带阻滤波器305可以根据缺陷微带线带阻滤波器 的写真理论进行设计，从而增加了滤波器设计的灵活性，从而也能更好的设计可调重构天线， 该天线能很好的作为超宽带认知无线电天线使用。

实施实例4：

如图6所示，本发明的另一种实施实例是在实施实例1的基础上，不使用M形缺陷微 带线带阻滤波器和倒π形槽。该天线仅由由介质基板、切角矩形辐射单元401、馈电微带线 406、部分接地面组成。切角矩形辐射单元401和馈电微带线406印刷在介质基板的上面，部 分接地面印刷在介质极板的w下面。馈电微带线406直接和SMA内导体连接，SMA的外 导体与部分接地面连接。根据图6所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能设计的天线满足 超宽带通信的需求，同时该天线可以工作在超宽带认知无线电系统的延伸工作模式。