CN104681972B - 同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，包括介质基板、辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线、接地板和同轴电缆；介质基板上表面紧贴设置有辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线，辐射贴片与多模谐振器通过交指形耦合线连接，多模谐振器的另一端通过同样的交指结构与微带馈线连接；介质基板下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板；所述同轴电缆的内导体和介质基板上表面的微带馈线相连接，同轴电缆的外导体和介质基板的下表面的接地板连接。本发明有效的实现了具有稳定方向图和良好带外抑制功能的超宽带单极子天线设计，同时，该天线具有小型化，结构紧凑、易于制造调试等优点。

Description

同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单 极子天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线。

背景技术

随着现代通信技术的发展，为了满足现代通信终端的小型化趋势，减小通信设备的尺寸，将射频前端进行集成设计已经成为一个相当热门的课题。将多种设备集成设计在一起，在保证甚至改善其原有性能的前提下，可以十分有效地减小通信设备的尺寸，同时减少后期的调试难度，能更好的实现器件之间的良好匹配。天线与滤波器的集成设计就是基于诸等优势而提出的，使天线在满足其辐射方向图和增益的情况下，还具良好的频率选择性。具有滤波特性的天线，在运用于发射端时，可以只在规定的频带内辐射；运用于接收端时，又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。

另一方面，自2002年联邦通信委员会提出UWB超宽带的频段范围3.1GHz～10.8GHz，UWB技术及其系统结构就以不易产生干扰、数据传输速率高等特点成为目前无线领域的一个研究热点。应用于UWB频段的天线和滤波器设计均得到了广泛的研究。

基于以上技术背景，一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的超宽带天线设计具有十分优异的理论研究价值与工业运用前景。本设计提出了一种具有简单结构的小型化超宽带天线设计，作为天线，一方面，其具有稳定方向图和边射增益，很好的解决了现在UWB天线设计在方向图稳定设计方面的设计难点；另一方面，该天线的设计过程中加入了UWB滤波器进行集成设计，使天线还同时具有了良好的阻带抑制能力，可以很有效的减小射频前端的尺寸，更好的满足电路设计中对小型化的需求。该设计机构简单紧凑，增益稳定，方向图稳定，阻带抑制能力强，具有广阔的市场应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，该天线的辐射贴片采用槽线结构，在已有的类椭圆形贴片内部嵌入另一个类椭圆结构，用较小类椭圆贴片的奇模抑制较大类椭圆结构的偶模，实现天线的方向图稳定的设计；天线的多模谐振器部分通过交指结构耦合到辐射贴片后端，交指耦合线和多模谐振器为天线提供良好的阻带抑制能力。多模谐振器和双边的交指结构可视为超宽带滤波器；将多模谐振器和交指耦合线用微带馈线全部代替后，即：介质基板上只有辐射贴片和微带馈线时，可视为一个具有稳定增益和方向图的，但是不具有阻带抑制能力的天线。在不改变该天线的尺寸的前提下，在微带馈线上加入交指结构和多模谐振器，实现滤波器和天线的集成设计，设计出具有滤波特性的超宽带天线，其具有稳定的方向图和阻带抑制能力，同时，还具有结构紧凑、简单，易于制造等优势。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，包括介质基板、辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线、接地板和同轴电缆；介质基板上表面紧贴设置有辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线。辐射贴片与多模谐振器通过交指形耦合线连接，多模谐振器的另一端通过同样的交指结构与微带馈线连接；介质基板下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板；所述同轴电缆的内导体和介质基板上表面的微带馈线相连接，同轴电缆的外导体和介质基板的下表面的接地板连接。

微带馈线位于介质基板上表面，一端接交指耦合线，另一端接50Ω同轴电缆内导体，是天线的馈电部分，其宽度为AW1＝3mm～4mm；交指耦合线结构包括两个相同部分，一个用于连接辐射贴片和多模谐振器，另一个用于连接微带馈线和多模谐振器。与多模谐振器相连的微带线的长度2*FL3＝13mm～14mm，宽度FW3＝0.4mm～0.6mm；与辐射贴片和微带馈线相连的部分，每根小的矩形微带线的长度均为FL2＝6mm～7mm，宽度为FW2＝0.3mm～0.5mm。

进一步，所述辐射贴片由两个类椭圆形贴片组成，每个类椭圆形贴片是由两个半椭圆形拼接而成，这两个半椭圆形具有相同的长轴，但离心率各不相同；在较大的类椭圆形内部做环状槽线，得到包含于较大类椭圆性贴片的较小的类椭圆形贴片，所做的槽也是类椭圆环形槽。较大的类椭圆贴片的半长轴AR1＝8mm～9mm，其组成的两个半椭圆的半短轴长分别为7mm～8mm和8mm～9mm。较小的类椭圆贴片嵌在较大类椭圆贴片的内部，两者不接触。类椭圆槽的半长轴AR2＝3mm～4mm，半短轴分别为3.3mm～4.5mm和2.5mm～3.5mm。较小类椭圆贴片的半长轴AR3＝2mm～3mm，半短轴分别为3.5mm～4.5mm和2mm～3mm。类椭圆槽和较小椭圆贴片的圆心间距Ad1＝0.1mm～0.2mm。

进一步，所述多模谐振器部分由扇形圆环形贴片和垂直于交指线的矩形微带线组成，该矩形微带线的一端和环形贴片相连，另一端和交指结构中的长的微带线相连。扇形圆环形贴片的外环半径FR1＝5mm～6mm，内环半径FR2＝1mm～2mm，两个扇形圆环的圆心间距Fd1＝1mm～2mm。

进一步，所述介质基板为Rogers4350B，其相对介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，基板厚度H＝1.524mm。

进一步，所述接地板位于介质基板的下表面，接地板的上端为凸形圆弧，圆弧的半长轴为0.5*W，半短轴为GL1+GL2-GL3，为了更好的匹配，圆弧的顶端开有矩形槽，槽的长度GL1＝3.5mm～4.5mm，宽度GW1＝5mm～6mm。

进一步，所述50Ω同轴电缆内导体的内导体接介质基板上表面的微带馈线，同轴电缆的外导体接位于介质基板下表面的接地板。

本发明的有益效果在于：1)通过天线结构和滤波器结构的集成设计，使器件同时具有天线的辐射特性和滤波器的频率选择特性。该天线的辐射贴片部分通过大小两个类椭圆贴片之间的相互耦合作用，使天线具有稳定的增益和方向图，多模谐振器部分为天线提供了良好的阻带抑制作用。2)该天线可以工作在UWB 3.1GHz～10.6GHz频段，在这个超宽带范围内，均具有稳定的方向图和可实现增益，可作为发射天线和接收天线；3)由于是集成设计，因此具有小型化，结构紧凑、易于制造调试等优势，同时，外形简单美观。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的整体结构三维视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的后视图和侧视图；

图4为本发明的S11参数随频率变化的曲线图

图5为本发明的边射可实现增益随频率变化的曲线图；

图中：1-介质基板，2-辐射贴片中的较大的类椭圆贴片，3-辐射贴片中的较小的类椭圆贴片，4-交指耦合线结构，5-多模谐振器的环形贴片，6-多模谐振器的矩形贴片，7-微带馈线，8接地板，9-接地板上的矩形凹槽。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的整体结构三维视图，如图所示，本发明提供一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，包括介质基板1，辐射贴片中的较大的类椭圆贴片2，辐射贴片中的镶嵌在较大的类椭圆2内部的较小的类椭圆贴片3，交指耦合线结构4，多模谐振器的环形贴片5，多模谐振器的矩形贴片6，微带馈线7，接地板8，接地板上的矩形凹槽9。在本实施例中，介质基板1为Rogers4350B，其相对介电常数为3.48，损耗正切角0.0037，基板厚度H＝1.524mm；辐射贴片2、3，交指结构4，微带耦合线5均为铜，厚度h＝0.017mm，紧贴介质基板1的上表面。接地板8为铜，厚度h＝0.017mm，紧贴介质基板下表面。接地板的整体形状如图2所示，接地板的上端为凸状圆弧，圆弧的顶端有矩形槽9。介质基板上表面、介质基板、介质基板下表面的关系如图3所示。

辐射贴片由两个类椭圆形贴片组成，每个类椭圆形贴片又有两个长轴相同，短轴不同的半椭圆拼接而成，较大的类椭圆贴片2的半长轴AR1＝8.6mm，其组成的两个半椭圆的半短轴长分别为7.3mm和8.6mm。在较大的类椭圆贴片上开一个类椭圆形的槽，较小的类椭圆贴片3嵌在较大类椭圆贴片的内部，两者不接触。类椭圆槽的半长轴AR2＝3.5mm，半短轴分别为3.85mm和3mm。较小类椭圆贴片的半长轴AR3＝2.4mm，半短轴分别为3.55mm和2.5mm。类椭圆槽和较小椭圆贴片的圆心间距Ad1＝0.1mm。较小类椭圆贴片的奇模工作在较大类椭圆贴片的偶模上，并通过抑制较大椭圆贴片的偶模来提高天线的增益，更重要的是使天线在整个UEB超宽带频段内均具有稳定的方向图。

交指耦合线4，包括两个相同的部分，一个用于连接辐射贴片和多模谐振器，另一个用于连接微带馈线和多模谐振器。交指耦合结构中与多模谐振器相连的微带线的长度2*FL3＝13.6mm，宽度FW3＝0.5mm；交指结构中与辐射贴片和微带馈线相连的部分，每根小的矩形微带线的长度均为FL2＝6.5mm，宽度FW2＝0.4mm。

多模谐振器由扇形环状贴片5和垂直于交指结构并与环状贴片相连的矩形微带线6组成。

接地板8位于介质基板下表面，接地板的上段为凸形圆弧，圆弧的半长轴为0.5*W，半短轴为GL1+GL2-GL3＝2.8mm，为了更好的匹配，圆弧的顶端开有矩形槽9，槽的长度GL1＝3.8mm，宽度GW1＝5.5mm。

介质基板为Rogers4350B，其相对介电常数为损耗正切角tanθ＝0.0037，基板厚度H＝1.524mm。

同轴电缆的内导体接微带馈线7，外导体连接地板8。

在本实施例中，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到该天线部分参数尺寸如下表所示：

表1 各参数最佳尺寸表

参数	尺寸(mm)
		L	25
W	37
		AR1	8.6
AR2	3.5
		AR3	2.1
AL1	28.31
		AW1	3.6
Ad1	0.1
		Ad2	4.2
FR1	5.1
		FR2	1.4
FL1	0.9
		FW1	7.1
FL2	6.5
		FW2	0.4
FL3	6.8
		FW3	0.5
Fd1	1.2
		H	1.524
h	0.017

参照表1,L代表介质基板的长度；W代表介质基板的宽度,AR1、AR2、AR3分别代表各个类椭圆结构的半长轴长度，Ad1表示类椭圆槽和较小类椭圆贴片的圆心间距；AL1表示较大类椭圆贴片1的圆心到基板下边缘的距离；AW1表示与辐射贴片相连的微带线的宽度以及微带馈线的宽度；Ad2表示辐射贴片与交指结构之间的距离；FR1，FR2分别代表多模谐振器中扇形环状贴片的内外半径，FW1表示大扇形圆环的圆心到介质基板长中线的距离，Fd1则表示大小扇形圆环的圆心间距，FL1表示连接扇形圆环和交指结构的矩形微带线的宽度；FL2，FW2分别表示交指结构中四根较短矩形微带线的长度和宽度，FL3，FW3分别表示交指结构中与多模谐振器相连的较长微带线的半长度和宽度；H代表介质基板厚度；h代表覆铜的厚度，即各种微带线、微带贴片的厚度。

依照上述参数，使用HFSS对所设计的一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线的S11参数，其分析结果如下：

图4为发明的S11参数随频率变化的曲线图，如图所示，10dB带宽为2.99GHz～11.04GHz，完全涵盖了UWB的3.1GHz到10.6GHz,即整个UWB工作频带内匹配良好，且11.4GHz-14GHz频段内，S11小于-3dB，具有良好的阻带抑制。

图5为本发明的边射可实现增益图,图中阴影部分代表UWB频段，可以看出，在可以看出，在3.1GHz-10.6GHz频段内，天线的边射可实现增益均大于零，即该天线具有良好的辐射方向图和稳定的增益。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，其特征在于：包括介质基板、辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线、接地板和同轴电缆；介质基板上表面紧贴设置有辐射贴片、交指形耦合线、多模谐振器、微带馈线，辐射贴片与多模谐振器通过交指形耦合线连接，多模谐振器的另一端通过同样的交指结构与微带馈线连接；介质基板下表面的靠下端部分紧贴设置有接地板；所述同轴电缆的内导体和介质基板上表面的微带馈线相连接，同轴电缆的外导体和介质基板的下表面的接地板连接；所述辐射贴片由两个类椭圆形贴片组成，每个类椭圆形贴片是由两个半椭圆形拼接而成，这两个半椭圆形具有相同的长轴，但离心率各不相同；在较大的类椭圆形内部做环状槽线，得到包含于较大类椭圆形贴片的较小的类椭圆形贴片，所做的槽也是类椭圆环形槽；较小的类椭圆形贴片的奇模工作在较大的类椭圆形贴片的偶模上。

2.根据权利要求1 所述的一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，其特征在于：所述多模谐振器部分由扇形圆环形贴片与矩形微带线组成，该矩形微带线的一端与环形贴片相连，另一端与交指结构中的长的微带线垂直相连。

3.根据权利要求1 所述的一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，其特征在于：所述介质基板为Rogers4350B，其相对介电常数为3.48，损耗正切角为0.0037，基板厚度H ＝ 1.524mm。

4.根据权利要求1 所述的一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，其特征在于：所述接地板位于介质基板的下表面，接地板的上端为凸形圆弧，为了更好的匹配，圆弧的顶端开有矩形槽。

5.根据权利要求1 所述的一种同时具有稳定方向图和良好带外抑制能力的槽加载超宽带单极子天线，其特征在于：50Ω 同轴电缆的内导体接介质基板上表面的微带馈线，同轴电缆的外导体接位于介质基板下表面的接地板。