CN102544713B - 基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，属于超带宽天线领域。该天线包括金属板、扇形辐射板、导电过孔、同轴连接器、位于同一平面上且相连接的网状金属板和微带线，其中该扇形辐射板设置在该金属板上且通过导电过孔连接该网状金属板，同轴连接器的外芯连接金属板且内芯连接该微带线，扇形辐射板由多个位于同一平面的弧形辐射片组成，其中各弧形辐射片之间存在缝隙且在缝隙中设置有导电开关。本发明可以控制天线谐振频率和带宽范围，并且在宽带范围内辐射特性基本保持不变。

Description

基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种超宽带天线，尤其是一种基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线。

背景技术

超宽带（UWB）技术是一种新型的无线通信技术。它解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获能力低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。近年来， 随着通讯技术的迅猛发展， 天线被广泛应用于电子对抗系统、 超宽带雷达、 卫星通信等领域， 在高速无线LAN、 家庭网络及无线电话等方面也有广泛的需求。因此设计一种结构简单、性能良好的超宽带天线具有重大的现实意义。

特别是随着当今无线通信技术的迅速发展，推动了多模移动终端的发展，由于各种通信标准工作频段的不同，移动终端天线需要同时支持多个工作频段。随着新通信标准的应用，传统多频天线的覆盖频段数量不能满足要求，另外由于而受到移动终端体积的限制，在有限的空间内采用多天线将会产生很强的互耦合，而且多天线还将导致终端成本和能耗的提高，所以天线问题将成为今后多模技术发展的阻碍。作为超宽带技术的重要组成部分，超宽带天线，一方面具有优良的电磁兼容特性，安装方便解决了终端单频、多频天线间的电磁干扰问题，另一方面由于自身良好的宽频特性，很好的满足了当今不同通信模式下不同频率的使用要求。

目前，国外对此类天线研究较多,国内研究较少, 从实现方法上大体可以分为以下五类: 

1、缝隙加载天线

2、对数周期天线

3、分形结构天线

4、螺旋天线

5、渐变槽线天线。

方法1通过在天线辐射片上的不同位置加载不同宽度和长度的缝隙，控制天线的谐振频率，并控制不同的谐振频率的频率间距，从而实现宽频。方法2以控制周期性向外扩散（或向内收缩）的辐射元的长度的方式控制天线谐振频率，使天线在多频的基础上实现宽频。方法3通过设计分形辐射元的形式控制天线谐振点，进而实现天线宽频覆盖。方法4通过螺旋形式的导体控制天线的电流路径，运用曲流电流的方式实现对电流路径的控制，最终实现天线的超宽带。方法5通过使用改进的微带-槽线过渡结构控制天线阻抗匹配，达到宽频目的。

但是这些天线有的设计复杂，辐射特性不易控制（如方法1、2、3），有的尺寸较大，不能满足终端对于小尺寸的需求（如方法2、4、5），有的在天线不同谐振点的远场辐射特性差异较大（如方法1、3、5），这些都不能够很好的满足通信需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，采用网状金属板和扇形辐射板两层结构，实现天线的阻抗特征的调节，在实现超宽带的基础上，减小了天线的物理尺寸，并且扩大了天线的运用范围。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：包括金属板、扇形辐射板、导电过孔、同轴连接器、位于同一平面上且相连接的网状金属板和微带线，其中该扇形辐射板设置在该金属板上且通过导电过孔连接该网状金属板，同轴连接器的外芯连接金属板且内芯连接该微带线，通过改变导电过孔的直径、该扇形辐射板和网状金属板的尺寸以及两者之间的距离来调节天线的阻抗特性，从而实现阻抗匹配。

所述扇形辐射板由多个位于同一平面的弧形辐射片组成，其中各弧形辐射片的圆心相同，并且各弧形辐射片之间存在缝隙，在缝隙中设置有导电开关，通过控制导电开关的导通/断开状态，改变天线的电流路径，从而控制天线的工作频带，并且通过改变该扇形辐射板中弧形辐射片的弧度、宽度来改变该扇形辐射板的尺寸，从而调节天线的阻抗特性，实现阻抗匹配，并且还用于控制天线的工作频带。

所述网状金属板由交叉设置且数量相等的线形金属条和弧形金属条组成，其中各线性金属条的延长线相连接且各弧形金属条均以线性金属条延长线的连接点为圆心，通过改变该网状金属板中弧形金属条的弧度、宽度来改变该网状金属板的尺寸。

该弧形金属条的对称中心线上设置有相连接的一条中间线性金属条和微带线，且其他线性金属条对称设置在该中间线性金属条的两侧。

所述网状金属板上线性金属条与弧形金属条的交叉点均通过导电过孔连接至所述扇形辐射板上一个弧形辐射片的中心位置。

所述扇形辐射板中各弧形辐射片的尺寸相同且相互之间的缝隙距离相等。

所述网状金属板形成于介质板的上表面且该扇形辐射板形成于该介质板的下表面，且该导电过孔贯穿该介质板。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、传统的超宽带天线多采用一层辐射结构，本发明采用网状金属板和扇形辐射板两层结构，并且两者通过导电过孔相连接，通过改变导电过孔的直径、该扇形辐射板和网状金属板的尺寸以及两者之间的距离可以调节天线的阻抗特性，从而实现阻抗匹配，由此在实现超宽带的基础上，减小了天线的物理尺寸，并且扩大了天线的运用范围；

2、扇形辐射板由多个弧形辐射片组成，各弧形辐射片之间存在缝隙且在缝隙中设置有导电开关，通过控制导电开关的导通/断开状态，可以改变天线的电流路径，从而控制天线的工作频带，并且通过改变该扇形辐射板中弧形辐射片的弧度、宽度不仅可以改变该扇形辐射板的尺寸，从而调节天线的阻抗特性，还可以控制天线的工作频带；

3、网状金属板由交叉设置的线性金属条和弧形金属条组成，通过改变该网状金属板中弧形金属条的弧度、宽度可以改变该网状金属板的尺寸，从而调节天线的阻抗特性；

4、网状金属板中弧形金属条的对称中心线上设置有中间线性金属条和微带线，且该中间线性金属条连接该微带线，使得该天线具有对称的馈电作用，即使在不同的频率下均具有相似的辐射特性；

5、网状金属板上线性金属条与弧形金属条的交叉点均通过导电过孔连接至扇形辐射板上一个弧形辐射片的中心位置，保证了天线辐射方向头的对称性；

6、扇形辐射板中各弧形辐射片的尺寸相同，从而简化了制造流程；

7、将网状金属板、扇形辐射板形成在介质板上且导电过孔贯穿该介质板，提高了天线的牢固性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中第一实施例的立体图；

图2是本发明中第一实施例的主视图；

图3是本发明中第一实施例的侧视图；

图4是本发明中第一实施例的回波损耗图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明中该超宽带天线包括金属板、扇形辐射板、导电过孔、同轴连接器、位于同一平面上且相连接的网状金属板和微带线，其中扇形辐射板设置在该金属板上且通过导电过孔连接该网状金属板，同轴连接器的外芯连接金属板且内芯连接微带线，其中同轴连接器的内芯与微带线的连接点成为馈电点，并且同轴连接器对外电连接，最终将电信号传输给扇形辐射板，从而激励扇形辐射板辐射电磁波。传统的超宽带天线通常仅存在一层辐射结构，为了调节天线的阻抗特性，实现阻抗匹配，只能将该层辐射结构设计为较大尺寸，由此导致传统超宽带天线的整体尺寸较大；本发明采用两层结构：网状金属板和扇形辐射板，并且网状金属板和扇形辐射板之间通过导电过孔连接，通过改变导电过孔的直径、网状金属板和扇形辐射的尺寸以及两者之间的距离来调节天线的阻抗特征，实现阻抗匹配，从而减小了天线的物理尺寸，扩大了天线的运用范围。

在本发明中，该网状金属板由交叉设置且数量相等的多个线形金属条和弧形金属条组成，其中各线形金属条的延长线相连接且各弧形金属条均以线形金属条延长线的连接点为圆心；该扇形辐射板由多个位于同一平面的弧形辐射片组成，其中各弧形辐射片的圆心相同且以线形金属条延长线的连接点为圆心，并且各弧形辐射片之间存在缝隙，在缝隙中设置有导电开关。在本实施例中通过改变网状金属板上弧形金属条的弧度、宽度来改变网状金属板的尺寸，从而调节天线的阻抗特性，实现阻抗匹配；并且通过改变扇形辐射板上各弧形辐射片的弧度、宽度来改变扇形辐射板的尺寸，不仅可以调节天线的阻抗特性，实现阻抗匹配，而且可以控制天线的工作频带。此外，由于在各弧形辐射片之间存在缝隙且在缝隙中设置有导电开关，通过控制该导电开关的导通/断开状态，改变天线的电流路径，从而控制天线的工作频带，并且使得天线阻抗特性的调节更加容易。导电开关的控制可以采用开关器件手动控制，也可以采用移动终端软件控制。

该弧形金属条的对称中心线上设置有相连接的一条中间线性金属条和微带线，其他线性金属条对称设置在该中间线性金属条的两侧，由于馈电点在微带线上且微带线处于弧形金属条的对称中心线上，使得该天线具有对称的馈电作用，即使在不同的频率下也具有相似的辐射特性。网状金属板上线性金属条与弧形金属条的交叉点均通过导电过孔对应连接至所述扇形辐射板上一个弧形辐射片的中心位置，保证了天线辐射方向头的对称性。为了简化制造过程，扇形辐射板中各弧形辐射片的尺寸相等，即在各径向上的宽度分别相同，且在各切向上的弧度分别相等。为了提高天线的牢固性，采用介质板，网状金属板形成于介质板的上表面且该扇形辐射板形成于该介质板的下表面，且该导电过孔贯穿该介质板。

在本发明的第一实施例中，以该超宽带天线中网状金属板3由3个线性金属条3-1和3个弧形金属条3-2组成，且扇形辐射板1由6个弧形辐射片排列组成为例，如图1～2所示，该网状金属板3中线性金属条3-1与弧形金属条3-2相互交叉设置，并且线性金属条3-1的延长线相连接，弧形金属条3-2以该线性金属条3-1延长线的连接点为圆心；弧形金属条3-2的对称中心线设置有一条线性金属条3-1和微带线且该线性金属条连接微带线4，其他线性金属条3-1对称设置在该中间线性金属条的两侧。扇形辐射板1中各弧形辐射片以该线性金属条3-1延长线的连接点为圆心且各弧形辐射片的尺寸相等，即在径向上弧形辐射片的宽度相等且在切向上弧度相等；在各弧形辐射片之间存在等间距的缝隙且在缝隙中设置有导电开关8，通过控制缝隙中导电开关8的导通/断开状态，改变天线的电流路径，达到控制天线工作频带的目的。网状金属板3上线形金属条3-1与弧形金属条3-2的交叉点均通过导电过孔连接至扇形辐射板1上一个弧形辐射片的中心位置，保证了天线辐射方向头的对称性。此外，同轴连接器的外芯52连接金属板6且内芯51连接微带线4，最终电信号传输给扇形辐射板1，以激励扇形辐射板1辐射电磁波，由于微带线4位于网状金属板3上弧形金属条3-2的对称中心线上，使得天线具有对称的馈电作用，即使在不同频率下天线也具有相似的辐射特性。

此外，如图3所示，该网状金属板3、扇形辐射板1通过镀铜、蚀刻等方法分别形成于介质板7的上表面、下表面，导电过孔通过钻孔、镀铜等方法贯穿介质板7。通常，该介质板7选用介电常数等于PCB_FR4介质的材料，如果不相等则根据介电常数通过调整金属底板与介质板之间的距离来实现匹配。本发明中由于介质板7的制成使得天线更加牢固，不易损坏。当然，网状金属板3、扇形辐射板1和导电过孔也可以不依赖于介质板而单独形成。

如图4所示，图中曲线是本实施例天线的回波损耗曲线图，回波损耗小于-10dB的范围定义为天线的带宽，也就是天线的工作频段，从图中可以看出，该实施例天线带宽可以覆盖较宽工作频段。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：包括金属板（6）、扇形辐射板（1）、导电过孔（2）、同轴连接器（5）、位于同一平面上且相连接的网状金属板（3）和微带线（4），其中该扇形辐射板（1）设置在该金属板（6）上且通过导电过孔（2）连接该网状金属板（3），同轴连接器（5）的外芯（52）连接金属板（6）且内芯（51）连接该微带线（4），通过改变导电过孔的直径、该扇形辐射板（1）和网状金属板（3）的尺寸以及两者之间的距离来调节天线的阻抗特性，从而实现阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：所述扇形辐射板（1）由多个位于同一平面的弧形辐射片组成，其中各弧形辐射片的圆心相同，并且各弧形辐射片之间存在缝隙，在缝隙中设置有导电开关（8），通过控制导电开关（8）的导通/断开状态，改变天线的电流路径，从而控制天线的工作频带，并且通过改变该扇形辐射板（1）中弧形辐射片的弧度、宽度来改变该扇形辐射板（1）的尺寸，从而调节天线的阻抗特性，实现阻抗匹配，并且还用于控制天线的工作频带。

3.根据权利要求1所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：所述网状金属板（3）由交叉设置且数量相等的线形金属条（3-1）和弧形金属条（3-2）组成，其中各线形金属条（3-1）的延长线相连接且各弧形金属条（3-2）均以线形金属条（3-1）延长线的连接点为圆心，通过改变该网状金属板（3）中弧形金属条（3-2）的弧度、宽度来改变该网状金属板（3）的尺寸。

4.根据权利要求3所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：该弧形金属条的对称中心线上设置有相连接的一条中间线形金属条（3-1）和微带线（4），且其他线形金属条（3-1）对称设置在该中间线形金属条的两侧。

5.根据权利要求3或4所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：所述网状金属板（3）上线形金属条（3-1）与弧形金属条（3-2）的交叉点均通过导电过孔（2）连接至所述扇形辐射板（1）上一个弧形辐射片的中心位置。

6.根据权利要求2所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：所述扇形辐射板（1）中各弧形辐射片的尺寸相同且相互之间的缝隙距离相等。

7.根据权利要求1所述的基于平面双层扇形电磁缝隙结构的频率可重构超宽带天线，其特征在于：所述网状金属板（3）形成于介质板（7）的上表面且该扇形辐射板（1）形成于该介质板（7）的下表面，且该导电过孔（2）贯穿该介质板（7）。

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