CN106025556A - 基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线 - Google Patents

基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线 Download PDF

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陈睿
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    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
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    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching

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Abstract

本发明提供一种基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，包括：介质基板、金属天线贴片，金属天线贴片包括：馈电耦合单元、能量传导单元、辐射单元和引向单元；馈电耦合单元包括：地板、微带馈线、槽线；辐射单元包括两对偶极子，上方为短偶极子，下方为长偶极子；能量传导单元包括两条对称的共面带线，引向单元包括位于偶极子上方中央的两个相互平行的寄生金属条带；本发明整体空间结构紧凑，天线背板与馈线连接紧密，辐射振子依靠共面带线供电的方式，满足相位要求的同时又节省尺寸设计方便；天线的宽带辐射原理易于理解，陷波生成方法可复制性强，该方法理论上可以实现任意频点的阻带。

Description

基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线
技术领域
本发明涉及平面微带天线的陷波技术领域，特别是一种基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线。
背景技术
随着无线通信设备的普及，越来越多的小型化电子设备开始走入民众生活，日常生活空间中的电磁辐射也越发复杂。这些新技术普及为人民生活水平的提高作出积极贡献，同时也不可避免使通信频谱愈发拥挤，甚至出现干扰的可能。因此在接收端滤除不必要干扰信号成为愈发紧迫的课题。
目前为止，行业内主要有两种手段解决上述问题：其一是在天线后端加载滤波单元，对接收到的信号做整体处理。其二则是直接在天线上加载谐振结构进行滤波，从接收端滤除干扰信号。第一种方法思路简单明了，便于工程设计，但不可避免增加电路尺寸，且必须考虑滤波器的插入损耗，这对小信号的接收不可忽略。同时在前后级联器件后必须重新考虑端口匹配，在实际设计中完成单个模块的仿真设计往往比较理想，实际级联之后端口特性会随之改变，这些都给实际设计带来不便，增加了工作量。第二种方法则从天线入手，在接收端直接滤除不需要的信号。常用的方案是在天线设计时加入谐振结构，一种是在馈线位置加入谐振单元，这种方式类似滤波器，等效于将滤波单元和天线馈电部分合并；另一种方案则是将谐振结构设置天线内部，常见的思路是设定一定尺寸的封闭槽线。这两种方案均有良好的滤波效果，在工程中亦较为常见。于2012年发表的文章“A Compact Disc UltrawideBand(UWB)Antenna With Quintuple Band Rejections”给出了应用的具体案例。但显而易见，该方法存在一个明显的不足，即须原天线结构有足够的预留空间，无论增加槽型结构或谐振单元均提升了天线设计的复杂度，这些给工程设计带来一定挑战。
发明内容
本发明旨在克服目前天线结构的不足，提供一种结构简单、馈电方便、容易加工的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，该天线不仅可以帮助实现较宽频带，而且理论上可以实现任意频点的陷波。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，包括：介质基板、金属天线贴片，所述金属天线贴片包括：馈电耦合单元、能量传导单元、辐射单元和引向单元；
馈电耦合单元包括：地板、介质基板下方的微带馈线，所述地板上开槽形成槽线，槽线下方连接槽端，槽线上方连接能量传导单元；
辐射单元：位于介质基板上方，包括相互平行的两对偶极子，上方为短偶极子，下方为长偶极子；
所述能量传导单元：包括两条对称的共面带线，共面带线位于两对偶极子的中心下方，共面带线上部垂直连接偶极子，共面带线底部连接槽线，偶极子通过共面带线与槽线连接在一起，共面带线内侧边沿E1的形状为指数型过渡曲线；
在地板上部接两条共面带线，能量以电磁耦合的方式从馈线进入地板槽线，由共面带线引导传输至辐射单元。长偶极子负担低频段辐射，短偶极子负担高频段辐射。在双偶极子的上方的两个寄生金属条带，起引向器的作用，并与地板配合一起使天线呈现定向辐射的方向图。共面带线将馈电耦合单元与辐射单元连接在一起，其边沿形状采用指数型过渡曲线，这主要是为了优化两者之间的阻抗匹配。
引向单元：包括位于偶极子上方中心的两个相互平行的寄生金属条带。
作为优选方式，所述微带馈线为侧面馈电。
作为优选方式，所述地板与金属天线贴片为一体结构。这样节省空间。
作为优选方式，所述槽线下方接圆形槽端。
作为优选方式，所述两个寄生金属条带包括上方的短金属条带和下方的长金属条带。一长一短的结构为优化的结果。金属条在高频段也承担一定的辐射作用，但由于其与天线部分不直接相连，所以能量无法直接流动到金属条上。在高频段能量以耦合的方式从短偶极子进入金属条，所以可以认为是一种寄生的关系。
作为优选方式，所述地板上边沿两端E2按照指数曲线上翘。这样能优化天线各部分之间的匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
作为优选方式，短偶极子下边沿末端为阶梯形。
作为优选方式，长偶极子的端部中心设有向偶极子中心延伸的矩形缺口。
对长偶极子和短偶极子端部的处理方式能优化天线各部分之间的匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
本发明的平面双偶极子结构的陷波原理是这样：在传统的天线设计中，双偶极子多见于大型天线，将两对相同长度偶极子天线靠近时，由于辐射近场区重叠，天线会极大的相互干扰。而应用于小尺寸的平面微带天线之后，由于辐射电流主要沿金属贴片边沿流动，所以该缺点可加以利用转化为优势。对于一般的微带偶极子天线，如“丫”字形，稳定的方向图由两侧振子上的电流共同辐射产生。本发明将单振子拓展成双偶极子，则“丫”形变为“干” 形，边沿电流在两对偶极子间的狭窄缝隙必然呈反向流动。此时我们调整双偶极子的尺寸，使四个振子贴片的反向表面电流呈稳定态，则可以产生特定频点的远场相位抵消，进而实现陷波。
本发明最突出的创新之处在于不破坏原有天线结构的前提下利用双偶极子技术制造陷波，这在国内外尚属首次，是一种完全新颖的陷波方法。双振子和多振子在传统的天线设计中已有使用，但多用于拓展带宽例如对数周期天线。目前的陷波技术都是遵循传统思路，在天线不同位置刻槽或加谐振单元，平面双偶极子结构是一种全新的设计理念。该结构基于双偶极子的近场相干原理，又与微带天线的实际相结合，充分利用微带天线电流分布原理，将原本两对偶极子之间的干扰变为可利用的技术资源。
本发明的有益效果是：整体空间结构紧凑，天线背板与馈线连接紧密，辐射振子依靠共面带线供电的方式，满足相位要求的同时又节省尺寸设计方便。天线的宽带辐射原理易于理解，陷波生成方法可复制性强，该方法理论上可以实现任意频点的阻带。
附图说明
图1是本发明的侧视图；
图2是本发明的仰视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明与单偶极子时的端口驻波曲线对比；
图5是本发明与单偶极子时的增益曲线对比；
图6是本发明天线在4个不同频点的方向图。
其中，1为介质基板，2为金属天线贴片，3为微带馈线，4为短偶极子，5为长偶极子，6为共面带线，7为寄生金属条带，71为短金属条带，72为长金属条带，8为地板，9为槽线，10为槽端。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，包括：介质基板1、金属天线贴片2，所述金属天线贴片包括：馈电耦合单元、能量传导单元、辐射单元和引向单元；
馈电耦合单元包括：地板8、介质基板下方的微带馈线3，所述地板上开槽形成槽线9，槽线下方连接槽端10，槽线上方连接能量传导单元；
辐射单元：位于介质基板上方，包括相互平行的两对偶极子，上方为短偶极子4，下方为长偶极子5；
所述能量传导单元：包括两条对称的共面带线6，共面带线位于两对偶极子的中心下方，共面带线上部垂直连接偶极子，共面带线底部连接槽线，偶极子通过共面带线与槽线连接在一起，共面带线内侧边沿E1的形状为指数型过渡曲线；
在地板上部接两条共面带线，能量以电磁耦合的方式从馈线进入地板槽线，由共面带线引导传输至辐射单元。长偶极子负担低频段辐射，短偶极子负担高频段辐射。在双偶极子的上方的两个寄生金属条带，起引向器的作用，并与地板配合一起使天线呈现定向辐射的方向图。共面带线将馈电耦合单元与辐射单元连接在一起，其边沿形状采用指数型过渡曲线，这主要是为了优化两者之间的阻抗匹配。
引向单元：包括位于偶极子上方中心的两个相互平行的寄生金属条带7。
所述微带馈线为侧面馈电。
所述地板与金属天线贴片为一体结构。这样节省空间。
所述槽线下方接圆形槽端。
所述两个寄生金属条带包括上方的短金属条带71和下方的长金属条带72。一长一短的结构为优化的结果。金属条在高频段也承担一定的辐射作用，但由于其与天线部分不直接相连，所以能量无法直接流动到金属条上。在高频段能量以耦合的方式从短偶极子进入金属条，所以可以认为是一种寄生的关系。
所述地板上边沿两端E2按照指数曲线上翘。这样能优化天线各部分之间的匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
短偶极子下边沿末端为阶梯形。
长偶极子的端部中心设有向偶极子中心延伸的矩形缺口。
对长偶极子和短偶极子端部的处理方式能优化天线各部分之间的匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
如图1所示，本发明采用平面印刷天线，介质基板1采用介电常数为4.4的FR4板材，两面分别覆盖不同结构的金属贴片以实现所需功能。介质板上层为金属天线贴片2，介质板下方为微带馈线3。能量从下层贴片流入，通过耦合传导至上层金属。为方便说明，图中附带三维直角坐标轴。可知，天线位于xoy平面。
图2为天线仰视图。天线基板长度为34mm,宽度为30mm。微带馈线3将能量由50Ohm端口经过阶梯结构匹配至渐变形共面带线6下接的槽端，圆形槽段是一个典型的宽带结构。 馈线的尺寸如下：k1l＝2.3mm,k2l＝3mm,k3l＝3mm,k4l＝4.55mm,k1w＝0.8mm,k2w＝1.1mm,k3w＝1.1mm,k4w＝1.45mm,r＝2mm，β＝120°。上层天线贴片包括长偶极子5、短偶极子4、共面带线6、寄生金属条带7、地板8等结构，为了优化各结构之间的阻抗匹配，提升天线的整体辐射效能，须对共面带线6和地板8进行修正和优化。E1、E2分别为以上两结构的边沿修正曲线。曲线描述如下：
E2:y＝0.1*exp(0.315*(|x|-2.3))-0.1,(2.3mm≤|x|≤15mm) (2)
图3为天线俯视图。当能量从下层微带馈线3耦合上来之后，开始沿共面带线6传导。由于共面带线6端接闭合槽端，这使得带线上的表面电流呈反向流动状态，该相位状态恰好满足偶极子天线的辐射要求。端接圆形闭合槽端的共面带线6结构有效地将能量传导，同时又制造了180度的相位差，节省天线纵向尺寸。天线的辐射功能主要由双偶极子承担，短偶极子4和长偶极子5分别担负不同频段的辐射功能。此外，为了尽可能大的拓展天线带宽优化偶极子自身阻抗，实例对短偶极子进行阶梯型改造，并在长偶极子上做切角处理。寄生金属条带7和地板8分别作为双偶极子的引向器和反射器，使天线呈定向辐射状态。上层天线贴片的详细值结构尺寸如下：Wv＝2.3mm,Ws＝0.6mm,y1＝0.8mm,y2＝0.5mm,y3＝0.8mm,x1＝1.5mm,x2＝1.5mm,x3＝5mm,Ld＝8mm,Wd＝2.4mm,L0＝2mm,L1＝12mm,L2＝6.8mm,L3＝5.4mm,W1＝2.5mm,W2＝1.5mm,W3＝1.2mm,G＝0.6mm,H＝15mm,r0＝2mm,d1＝2mm,d2＝2.7mm.
图4描述天线采用本发明的双偶极子技术与单偶极子时的端口驻波曲线对比。使用双偶极子技术后，从天线端口曲线的对比可知，带宽明显增大，在相应频段出现阻带。陷波的基本原来是这样的：微带天线的辐射机理决定，表面电流聚集在金属贴片边沿，天线在目标频点的稳定辐射须有对应尺寸的结构长度相支撑。依照此机理，调整双振子长度、间距和阵子形态，使其构成合适尺寸的单端闭合缝隙，此时缝边沿的反向电流便可以在远场相位相消产生对应频点的陷波。
图5是天线采用双偶极子技术与单偶极子时的增益曲线对比，该图进一步说明天线在远场的辐射增益，在5.12-6.05GHz，天线的增益明显下降，说明陷波效果良好。
图6是天线在不同频点的方向图。该天线在通带内没有发生方向图的畸变，定向辐射性能良好稳定。说明该平面双偶极子技术是稳定可靠的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于，包括：介质基板、金属天线贴片，所述金属天线贴片包括：馈电耦合单元、能量传导单元、辐射单元和引向单元；
馈电耦合单元包括：地板、介质基板下方的微带馈线，所述地板上开槽形成槽线，槽线下方连接槽端，槽线上方连接能量传导单元；
辐射单元：位于介质基板上方，包括相互平行的两对偶极子，上方为短偶极子，下方为长偶极子；
所述能量传导单元：包括两条对称的共面带线，共面带线位于两对偶极子的中心下方，共面带线上部垂直连接偶极子，共面带线底部连接槽线，偶极子通过共面带线与槽线连接在一起，共面带线内侧边沿E1的形状为指数型过渡曲线；
引向单元：包括位于偶极子上方中央的两个相互平行的寄生金属条带。
2.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线为侧面馈电。
3.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：所述地板与金属天线贴片为一体结构。
4.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：所述槽线下方接圆形槽端。
5.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：所述两个寄生金属条带包括上方的短金属条带和下方的长金属条带。
6.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：所述地板上边沿两端E2按照指数曲线上翘。
7.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：短偶极子下边沿末端为阶梯形。
8.根据权利要求1所述的基于平面双偶极子实现陷波功能的超宽带天线，其特征在于：长偶极子的端部中心设有向偶极子中心延伸的矩形缺口。
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