CN103794854B - 一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线。该天线包括一个起支撑作用的介质板，一个输入端口；介质板正面有：渐变传输线单元、圆形贴片单元、直径连通的圆形缝隙单元和四个由直角与弧线构成的缝隙单元，渐变传输线单元连接输入端口和圆形贴片单元，圆形缝隙单元位于圆形贴片单元中部，四个直角与弧线构成的缝隙单元分布在圆形贴片单元上；介质板反面有：接地单元一、椭圆缝隙单元和两圆形缝隙单元；两个圆形缝隙单元，与椭圆缝隙单元处于同一平面并位于椭圆缝隙单元下方，成“品”字型排列。本发明采用在接地面和圆形贴片上分别挖去缝隙的方式实现超宽带、低截止频率以及体积紧凑的特性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线。
背景技术
现代通信技术的飞速发展对数据传输速度提出了越来越高的要求，作为无线通信系统重要组成部分的天线必然要响应该要求，特别是IEEE802.15.3a标准分配3.1～10.6GHz频段给超宽带通信使用后，超宽带天线成了研究热点。不仅如此，超宽带技术在军事领域也得到了普遍应用，比如超宽带雷达因其具有抗干扰能力强、分辨率高、具有反隐身能力等优点而得到了重视。
超宽带天线目前的研究热点主要是两个：（a）实现超宽带的同时保持紧凑的体积，特别是具有低截止频率时。（b）具有“多带”特性，即具有多个分开的大的通带，或者在通带内实现某一特定频率范围内的阻带。因为超宽带通信的频段3.1～10.6GHz涵盖了其它通信标准的频段，比如无限局域网通信（WLAN）的标准IEEE802.11a所使用的5.15-5.35GHz频段，两者之间会造成干扰，因此在有些情况下，应将该频段在超宽带天线的通带频段去掉。
本发明属于上述第一个内容。
微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、容易制造等优点，是一种广泛使用的天线。微带天线的基本原型带宽很小，因此发展了多种技术使其成为超宽带天线。对于本发明所使用的天线，主要有以下两种方法来提高带宽：（a）调整作为辐射面的缝隙的形状和尺寸，比如矩形、椭圆、三角形、六边形，分型结构等等。（b）调整馈电结构。微带线和共面波导都可以作为微带缝隙天线的馈电方式，改进的方法主要是在微带线和共面波导的末端增加短截线结构，可以是矩形、三角形、圆形、椭圆等形状。
经对现有技术的文献检索发现，JiaLao等人在2012年4月的MICROWAVEANDOPTICALTECHNOLOGYLETTERS（微波和光技术快报）第50卷第四期上发表了“ANULTRA-WIDEBANDMICROSTRIPELLIPTICALSLOTANTENNAEXCITEDBYACIRCULARPATCH”（由圆形贴片激励的超宽带微带椭圆缝隙天线）”，该天线的阻抗带宽覆盖1.90-27.7GHz，即14.6个倍频程，天线尺寸为100mm×80mm。经研究，发现该天线结构在截止频率较低时尺寸较大。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，使其在截止频率较低时具有紧凑的体积以及比原型天线更大的带宽。
本发明提供的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，覆盖0.34-9.8GHz频段，同时拥有较小的尺寸为300mm×300mm。本发明结构基于由带渐变传输线的圆形贴片激励的微带缝隙天线，通过在接地面和作为激励源的圆形贴面上增加缝隙来同时达到增加带宽和实现紧凑体积的目的。具体来说，本发明提供的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其结构如图1、图2和图3所示。包括一个起支撑作用的介质板6，输入端口12；所述介质板6的正面有：渐变传输线1、圆形贴片单元4、直径连通的圆形缝隙单元（记为第一缝隙单元）9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10，其中：
输入端口12和渐变传输线1相接，渐变传输线1和圆形贴片单元4相接；第一缝隙单元9位于圆形贴片单元4中部，第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10分布在圆形贴片单元4上，并围绕圆形贴片单元4中心；
介质板6的反面有：接地单元13，椭圆缝隙单元7、第一圆形缝隙单元2、第二圆形缝隙单元11；椭圆缝隙单元7位于正面的圆形贴片单元4对应位置上方，第一圆形缝隙单元2和第二圆形缝隙单元11与椭圆缝隙单元7同一平面，三者成品字形分布；
输入端口12分别和介质板6的正面和反面相连接，其中输入端口12的信号和介质板6正面的渐变传输线1连接，输入端口12的地和介质板6的反面连接。
本发明中，所述的第一圆形缝隙单元2和第二圆形缝隙单元11的尺寸和相对椭圆缝隙单元7的位置均可调；所述的第一缝隙单元9是由一圆形缝隙被一条过其圆心的宽度可调的直线导体连接两端而形成，第一缝隙单元9分布于圆形贴片单元4中部，其尺寸和相对圆形贴片单元4的位置均可调；所述的第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10，是由直角与弧线构成的缝隙单元，由一矩形缝隙减去一直径大于该矩形长和宽而小于对角线的圆形导体而形成，第二缝隙单元3、第三缝隙单元5第四、缝隙单元8和第五缝隙单元10围绕圆形贴片中心排列，其尺寸和相对圆形贴片单元4的位置均可调。
本发明中，接地单元13、渐变传输线单元1和圆形贴片单元4均为导体。
本发明中，所述的椭圆缝隙单元7、第一圆形缝隙单元2、第二圆形缝隙单元11都是在接地单元13上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述的第一缝隙单元9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10都是在圆形贴片单元4上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
本发明中，所述的输入端口单元12外接信号源，外加的激励信号通过渐变传输线单元1、圆形贴片单元4，再通过圆形贴片单元4与椭圆缝隙单元7的耦合，实现对天线的馈电，产生全向方向图；通过调整第一缝隙单元9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10的尺寸和位置、第一圆形缝隙单元2的尺寸和位置、第二圆形缝隙单元11的尺寸和位置、椭圆缝隙单元7的尺寸、圆形贴片单元4尺寸以及两者的相对位置，实现超宽带、低截止频率以及体积紧凑的特性。
本发明中，所述的渐变传输线单元1的起始端（接信号源）宽度2.8mm，结束端（接圆形贴片单元4）宽度1.2mm,实现50到80的阻抗变换。
本发明中，所述的介质板6，其介电常数为2.65，厚度为1mm。
本发明在接地面和作为激励源的圆形贴片上增加缝隙，与基本型采用圆形贴片馈电的微带缝隙天线相比，通过添加额外的缝隙，改善了椭圆缝隙和圆形贴片之间的耦合，从而增加了带宽；这些增加的缝隙也提供了更长程的电流路径，与原型相比，在相同尺寸下拥有更低的截止频率，即相同截止频率时拥有更小的尺寸。原型天线通过细致调整椭圆缝隙和圆形贴片的相对位置来实现超宽带，在此基础上，通过仔细调整接地面上两个圆形缝隙的尺寸和位置以及圆形贴片上的增加的缝隙的尺寸和位置，可实现更高的带宽（0.34-9.8GHz，即29个倍频程）和更低的截止频率，或者在相同带宽时拥有更小的尺寸，作为对比，原型天线在低截止频率为0.35GHz时，尺寸为400mm×400mm。
附图说明
图1为本发明超宽天线总体的结构示意图。
图2为本发明超宽带天线的反面结构示意图。
图3为本发明超宽带天线的正面结构示意图。
图4为本发明超宽带天线仿真的频率特性示意图。
图5为本发明超宽带天线仿真的H面方向图示意图。
图6为本发明超宽带天线仿真的E面方向图示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：一个起支撑作用的介质板6，一个输入端口12，输入端口分别和介质板的正面和反面相连接，其中输入端口的信号和介质板正面的渐变传输线连接，输入端口的地和介质板的反面连接。
如图2所示，本实施例所述的介质板6的反面有：接地单元13、椭圆缝隙单元7、第一圆形缝隙单元2和第二圆形缝隙单元11。接地单元13和输入端口的地相接。椭圆缝隙单元7位于介质板6反面的中部，两个圆形缝隙单元（2和11）位于输入端口12和椭圆缝隙单元7之间，对介质板6反面过输入端口12的中垂线对称分布。椭圆缝隙单元7、第一圆形缝隙单元2和第二圆形缝隙单元11三者成“品”字形排列。
如图3所示，本实施例所述的介质板6的正面有：渐变传输线单元1、圆形贴片单元4、直径连通的圆形缝隙单元（记为第一缝隙单元）9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10。
渐变传输线单元1与输入单口12的信号相连，渐变传输线单元1连接输入端口12和圆形贴片单元4。圆形贴片单元4位于介质板6正面中部，椭圆缝隙单元的垂直下方。第一缝隙单元9是由一圆形缝隙被一条过其圆心的宽度可调的直线导体连接两端而形成，位于圆形贴片单元4中部。第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10，是由一矩形缝隙减去一直径大于该矩形长和宽而小于对角线的圆形导体而形成，四者围绕圆形贴片中心排列。
第一圆形缝隙单元2、第二圆形缝隙单元11、第一缝隙单元9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10的尺寸及位置都可调，是本发明的创新点。
所述的接地单元13、渐变传输线单元1和圆形贴片单元4均为导体。
所述的椭圆缝隙单元7、第一圆形缝隙单元2、第二圆形缝隙单元11都是在接地单元13上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述的第一缝隙单元9、第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10都是在圆形贴片单元4上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
所述的渐变传输线单元1的起始端（接信号源）宽度2.8mm，结束端（接圆形贴片单元4）宽度1.2mm,实现50到80的阻抗变换。
所述的介质板6，其介电常数为2.65，厚度为1mm。
本实施例所述的输入端口单元12外接信号源，外加的激励信号通过渐变传输线单元1、圆形贴片单元4，再通过圆形贴片单元4与椭圆缝隙单元7的耦合，实现对天线的馈电；通过第二缝隙单元3、第三缝隙单元5、第四缝隙单元8和第五缝隙单元10的尺寸和位置、第一缝隙单元9的尺寸和位置、第一圆形缝隙单元2的尺寸和位置、第二圆形缝隙单元11的尺寸和位置、椭圆缝隙单元7的尺寸、圆形贴片单元4尺寸以及两者的相对位置，实现超宽带、低截止频率以及体积紧凑的特性。
如图4所示,本实施例的频率特性包括驻波比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表驻波比变量。本发明的超宽带天线的通带是0.34-9.8GHz，天线尺寸为300mm×300mm，具有全向方向图特性。
Claims (7)
1.一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，包括一个起支撑作用的介质板（6），输入端口（12）；所述介质板（6）的正面有：渐变传输线（1）、圆形贴片单元（4）、直径连通的圆形缝隙单元即第一缝隙单元（9）、第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）、第四缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10），其中：
输入端口（12）和渐变传输线（1）相接，渐变传输线（1）和圆形贴片单元（4）相接；第一缝隙单元（9）位于圆形贴片单元（4）中部，第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）、第四缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10）分布在圆形贴片单元（4）上，并围绕圆形贴片单元（4）中心；
介质板（6）的反面有：接地单元（13），椭圆缝隙单元（7）、第一圆形缝隙单元（2）、第二圆形缝隙单元（11）；椭圆缝隙单元（7）位于正面的圆形贴片单元（4）对应位置上方，第一圆形缝隙单元（2）和第二圆形缝隙单元（11）与椭圆缝隙单元（7）同一平面，三者成品字形分布；
输入端口(12)分别和介质板(6)的正面和反面相连接，其中输入端口(12)的信号和介质板(6)正面的渐变传输线(1)连接，输入端口(12)的地和介质板(6)的反面连接；
所述的第一缝隙单元（9）是由一圆形缝隙被一条过其圆心的宽度可调的直线导体连接两端而形成，第一缝隙单元（9）分布于圆形贴片单元（4）中部，其尺寸和相对圆形贴片单元（4）的位置均可调；所述的第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）、第四缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10），是由直角与弧线构成的缝隙单元，由一矩形缝隙填充一直径大于该矩形长和宽而小于对角线的圆形导体而形成，第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）第四、缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10）围绕圆形贴片中心排列，其尺寸和相对圆形贴片单元（4）的位置均可调。
2.如权利要求1所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，所述的第一圆形缝隙单元（2）和第二圆形缝隙单元（11）的尺寸和相对椭圆缝隙单元（7）的位置均可调。
3.如权利要求1所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，接地单元（13）、渐变传输线单元（1）和圆形贴片单元（4）均为导体。
4.如权利要求1所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，所述的椭圆缝隙单元（7）、第一圆形缝隙单元（2）、第二圆形缝隙单元（11）都是在接地单元（13）上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述的第一缝隙（9）、第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）、第四缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10）都是在圆形贴片单元（4）上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构。
5.如权利要求1所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，所述的输入端口单元(12)外接信号源，外加的激励信号通过渐变传输线单元(1)、圆形贴片单元（4），再通过圆形贴片单元（4）与椭圆缝隙单元（7）的耦合，实现对天线的馈电；通过调整第一缝隙（9）、第二缝隙单元（3）、第三缝隙单元（5）、第四缝隙单元（8）和第五缝隙单元（10）的尺寸和位置、第一圆形缝隙单元（2）的尺寸和位置、第二圆形缝隙单元（11）的尺寸和位置、椭圆缝隙单元（7）的尺寸、圆形贴片单元（4）尺寸以及两者的相对位置，实现超宽带、低截止频率以及体积紧凑的特性。
6.如权利要求1或3或5所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，所述的渐变传输线单元(1)的起始端即接信号源的端的宽度2.8mm，结束端即接圆形贴片单元（4）的端的宽度1.2mm,实现50到80的阻抗变换。
7.如权利要求1所述的具有低截止频率的紧凑型超宽带天线，其特征在于，所述的介质板（6），其介电常数为2.65，厚度为1mm。
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