CN106876971B - 小型化超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型化超宽带天线，包括介质基板，介质基板上下表面的金属贴片，上表面的金属贴片为天线贴片，下表面的金属贴片为微带馈线，天线贴片包括接地板、短枝节和长枝节，长、短枝节都包括内槽线和外槽线，接地板的中心设有一段竖直开槽的槽线，槽线的上方连接长枝节的内槽线，槽线的底部连接圆形槽，长、短枝节的外槽线和内槽线的边缘形状采用指数型过渡曲线，长枝节的外槽和短枝节的内槽之间形成一指数环形槽，本发明的整体空间结构紧凑，天线背板与馈线连接紧密，辐射单元依靠共面带线耦合供电的方式，满足相位要求的同时又节省尺寸，设计方便，天线增加指数环形槽来转移低频率点的辐射易于理解，小型化方案可复制性强。

Description

小型化超宽带天线
技术领域
本发明涉及平面印刷微带天线的小型化技术领域，特别是针对超宽带天线如何利用增加指数环形槽结构实现小型化，同时不影响原有主结构辐射性能的技术。
背景技术
随着无线通信技术的极大发展，人们对无线通信设备的便携性要求也越来越高，这就促使无线通信设备要朝着小型化方向发展。
目前为止，行业内主要有四种手段解决上述问题：其一是采用高介电常数的介质板。其二是加载短路探针，其三是有源结构，其四是开槽开缝技术。第一种方法思路简单明了，天线谐振频率固定时其波长与
Figure GDA0002299114710000011
成反比，故增大介质板的介电常数可以减小天线尺寸，但是电磁波在大介电常数的介质板上传输时能量衰减较大，从而使天线的增益和辐射效率降低，此外也会带来带宽出现变窄等其他不理想的结果。第二种方法是利用同轴馈电探针之间的耦合技术，增加的探针和微带天线一起可以构成并联谐振电路，从而可以使天线在原先阻抗不匹配的较低频率处实现阻抗匹配。由于阻抗匹配特性对短路探针的位置要求较高，从而给制造工艺增加很大的困难，且此技术使用场合较小。第三种方法不仅结构复杂而且有源结构的加入也会无形中增加设备的体积。第四种方法通过开槽开缝技术可以增大天线的有效谐振长度，从而天线可以辐射较低的谐振频率，此方法简单且效果较好，在工程中较为常见。于2011年发表的文章“A miniaturized antipodal Vivaldi antenna withimproved radiation characteristics”使用了锥形开槽技术，不过改进后的天线尺寸为0.4λ0×0.69λ0(λ0是最低谐振频率所对应的波长)仍然比较大，此后的2015发表的文章“ANovel Miniaturized Vivaldi Antenna Using Tapered Slot Edge with ResonantCavity Structure for Ultra-wide Band Applications”在之前文献的基础上进行了改进，增加了一对谐振腔体来使天线的谐振频率进一步降低，尺寸缩减到了0.25λ0×0.43λ0，不过该方法存在一些不足，阻抗匹配对谐振腔体的大小和位置要求比较高，并且原天线结构必须有足够的预留空间来实现此功能，从而使其长度不可能进一步的缩短。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单、馈电方便、容易加工的小型化超宽带天线，该天线不仅可以帮助实现天线小型化的目的，而且还可以增加带宽。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种小型化超宽带天线，包括介质基板，介质基板上下表面分别覆盖有金属贴片，上表面的金属贴片为天线贴片，下表面的金属贴片为微带馈线，天线贴片包括底部的接地板、接地板上方的短枝节和长枝节，所述短枝节和长枝节关于接地板的中心线左右对称，长枝节位于短枝节的上方，短枝节位于长枝节远离接地板中心线的外侧，所述长、短枝节都包括靠近接地板中心线的内槽线和远离接地板中心线的外槽线，接地板的中心设有一段竖直开槽的槽线，槽线的上方连接长枝节的内槽线，长枝节的外槽线、短枝节的外槽线和内槽线都连接于接地板的上方，槽线的底部连接圆形槽。所述微带馈线、接地板、槽线、圆形槽构成天线的馈电耦合单元；所述长枝节、短枝节构成天线的辐射单元；所述长、短枝节的外槽线和内槽线的边缘形状采用指数型过渡曲线，所述长枝节的外槽和短枝节的内槽之间形成一指数环形槽。
长、短枝节为两条对称的共面带线，共面带线将能量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。中高频段由长枝节内槽线辐射，低频段由长枝节外槽和短枝节的内槽之间形成的指数环形槽辐射。
作为优选方式，E1、E2、E3、E4分别为长枝节的内槽线、长枝节的外槽线、短枝节的内槽线、短枝节的外槽线的边沿修正曲线，曲线描述如下：
E1：x＝±0.14*exp(0.172*(y-6))±0.01，(6mm≤v≤30mm) (1)
E2：x＝±0.5*exp(0.22*(y-6))±2.3，(8.5mm≤y≤24mm) (2)
E3：x＝±1.2*exp(0.22*(y-6))±5.3，(8.5mm≤y≤19mm) (3)
E４：x＝±2.5*exp(0.24*(y-6))±8.5，(8.5mm≤y≤24mm) (4)
作为优选方式，短枝节的外槽线和接地板的上端之间作挖空处理。这样是为了优化天线各部分之间的阻抗匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
作为优选方式，长枝节内槽线的末端作圆角处理。
做圆角处理是为了优化天线各部分之间的阻抗匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数
作为优选方式，微带馈线采用侧向馈电。
本发明的超宽带天线的原理是这样：传统天线的地板从馈线耦合的电流在长枝节的指数渐变内槽线E1上反向流动从而辐射电磁波，近端辐射高频，远端辐射低频。如果需要获得较低的频率则需要延长槽线的长度和宽度。这就增加了天线的尺寸，本发明在天线地板两侧开一对由长枝节外槽和短枝节的内槽形成的指数环形，通过适当调整指数曲线E2、E3的大小和位置可以增加低频辐射点，使得低频辐射点从传统的槽线末端转移至新增加的指数环形槽处，从而无需延长天线的长度即可实现辐射更低频率的目的。
本发明的有益效果在于：本发明在不破坏原有天线结构的前提下利用新增加的指数环形槽来转移新增加的低频谐振点从而实现小型化，这不同于传统的开槽开缝技术来实现引流，是一种完全新颖的实现小型化的方法。本发明的整体空间结构紧凑，天线背板与馈线连接紧密，辐射单元依靠共面带线耦合供电的方式，满足相位要求的同时又节省尺寸，设计方便。天线增加指数环形槽来增加低频谐振点的原理易于理解，小型化方案可复制性强。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的仰视图；
图3是本发明的天线贴片的示意图；
图4是天线引入指数环形槽与原天线端口S参数曲线的对比；
图5是天线引入指数环形槽与原天线的增益曲线的对比；
图6是天线在不同频点的方向图；图6-A为2.45GHz，图6-B为4GHz，图6-C为7GHz，图6-D为10GHz，左为E面，右为H面。
1为介质基板，2为天线贴片，3为微带馈线，4为长枝节，5为短枝节，6为接地板，7为槽线，8是圆形槽，9为内槽线，10为外槽线，11为指数环形槽。
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。
一种小型化超宽带天线，本实施例采用平面印刷天线，包括介质基板1，介质基板1采用介电常数为4.4的FR4板材，介质基板上下表面分别覆盖有金属贴片，上表面的金属贴片为天线贴片2，下表面的金属贴片为微带馈线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。天线贴片2包括底部的接地板6、接地板6上方的短枝节5和长枝节4，所述短枝节和长枝节关于接地板的中心线左右对称，长枝节位于短枝节的上方，短枝节位于长枝节远离接地板中心线的外侧，所述长、短枝节都包括靠近接地板中心线的内槽线9和远离接地板中心线的外槽线10，接地板6的中心设有一段竖直开槽的槽线7，槽线7的上方连接长枝节的内槽线，长枝节的外槽线、短枝节的外槽线和内槽线都连接于接地板6的上方，槽线7的底部连接圆形槽8。所述微带馈线3、接地板6、槽线7、圆形槽8构成天线的馈电耦合单元；所述长枝节4、短枝节5构成天线的辐射单元；所述长、短枝节的外槽线和内槽线的边缘形状采用指数型过渡曲线，所述长枝节的外槽和短枝节的内槽之间形成一指数环形槽11。
长、短枝节为两条对称的共面带线，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。中高频段由长枝节内槽线辐射，低频段由长枝节外槽和短枝节的内槽之间形成的指数环形槽辐射。
E1、E2、E3、E4分别为长枝节的内槽线、长枝节的外槽线、短枝节的内槽线、短枝节的外槽线的边沿修正曲线，曲线描述如下：
E1：x＝±0.14*exp(0.172*(y-6))±0.01，(6mm≤y≤30mm) (1)
E2：x＝±0.5*exp(0.22*(y-6))±2.3，(8.5mm≤y≤24mm) (2)
E3：x＝±1.2*exp(0.22*(y-6))±5.3，(8.5mm≤y≤19mm) (3)
E4：x＝±2.5*exp(0.24*(y-6))±8.5，(8.5mm≤v≤24mm) (4)
图2为天线俯视图。天线基板长度为36mm，宽度为30mm。下层微带馈线3将能量由50欧姆端口经过阶梯结构匹配至渐变形共面带线下接的槽端，圆形槽段是一个典型的宽带结构。馈线的尺寸如下：W1＝0.8mm，W2＝1.3mm，W3＝2mm，L1＝3mm，L2＝6.2mm，L3＝11.3mm，R1＝2.9mm。
短枝节的外槽线和接地板6的上端之间作挖空处理。这样是为了优化天线各部分之间的阻抗匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数。
长枝节内槽线的末端作圆角处理。做圆角处理是为了优化天线各部分之间的阻抗匹配和能量传导，实现整体良好的端口特性和辐射参数
微带馈线3采用侧向馈电。
图3为天线仰视图。当能量从下层馈线3耦合到接地板6上以后便开始沿着槽线E1传导。由于长枝节4下端接闭合槽端，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类似偶极子天线的辐射要求。端接圆形闭合槽端的长枝节4结构可以有效地将能量传导出去，同时又制造了180度的相位差，节省天线纵向尺寸。此外，为了尽可能大的拓展天线带宽优化天线自身阻抗，短枝节的外槽线和接地板6的上端之间作挖空处理。同时长枝节内槽线的末端作圆角处理，接地板6也可以作为地板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：W4＝5.2mm,L4＝3.7mm,L5＝4.5mm,L6＝7mm,L7＝4.2mm,L8＝4mm。
本发明的小型化超宽带天线的原理是这样：传统天线的地板从馈线耦合的电流在长枝节的指数渐变内槽线E1上反向流动从而辐射电磁波，近端辐射高频，远端辐射低频。如果需要获得较低的频率则需要延长槽线的长度和宽度。这就增加了天线的尺寸，本发明在天线地板两侧开一对由长枝节外槽和短枝节的内槽形成的指数环形，通过适当调整指数曲线E2、E3的大小和位置可以增加低频辐射点，使得低频辐射点从传统的槽线末端转移至新增加的指数环形槽处，从而无需延长天线的长度即可实现辐射更低频率的目的。
图4描述天线采用指数环形槽结构与原天线的端口S参数曲线对比。使用指数环形槽结构后，其低频段带宽明显增大。其实现小型化的基本原来是这样的：微带天线的辐射机理决定了其表面电流聚集在金属贴片的内边沿即长枝节4上，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，在不改变其原有尺寸的情况下通过增加指数环形槽来延长天线表面电流路径使得天线有效谐振长度变长，这样便可辐射出较低的频率。
图5是天线采用指数环形槽结构与原天线的增益曲线对比，从图上可以看出在较低频率处其增益明显增强，说明此天线在低频段也可以很好的工作，可以实现小型化的目的。
图6是天线在不同频点的方向图。该天线在低频段的方向性明显增强，且高频点处的方向性与原天线保持有很好的一致性，说明增加指数环形槽后的天线的定向辐射性能良好并且稳定。因此该增加指数环形槽的技术来实现小型化是稳定且可靠的。
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 (5)

1.一种小型化超宽带天线，其特征在于：包括介质基板(1)，介质基板上下表面分别覆盖有金属贴片，上表面的金属贴片为天线贴片，下表面的金属贴片为微带馈线(3)，天线贴片(2)包括底部的接地板(6)、接地板(6)上方的短枝节和长枝节，所述短枝节和长枝节关于接地板的中心线左右对称，长枝节位于短枝节的上方，短枝节位于长枝节远离接地板中心线的外侧，所述长、短枝节都包括靠近接地板中心线的内槽线和远离接地板中心线的外槽线，接地板(6)的中心设有一段竖直开槽的槽线(7)，槽线(7)的上方连接长枝节的内槽线，长枝节的外槽线、短枝节的外槽线和内槽线都连接于接地板的上方，槽线(7)的底部连接圆形槽(8)；
所述微带馈线(3)、接地板(6)、槽线(7)、圆形槽(8)构成天线的馈电耦合单元；
所述长枝节(4)、短枝节(5)构成天线的辐射单元；
所述长、短枝节的外槽线和内槽线的边缘形状采用指数型过渡曲线，所述长枝节的外槽和短枝节的内槽之间形成一指数环形槽。
2.根据权利要求1所述的小型化超宽带天线，其特征在于：E1、E2、E3、E4分别为长枝节的内槽线、长枝节的外槽线、短枝节的内槽线、短枝节的外槽线的边沿修正曲线，曲线描述如下：
E1：x＝±0.14*exp(0.172*(y-6))±0.01，6mm≤y≤30mm， (1)
E2：x＝±0.5*exp(0.22*(y-6))±2.3，8.5mm≤y≤24mm， (2)
E3：x＝±1.2*exp(0.22*(y-6))±5.3，8.5mm≤y≤19mm， (3)
E4：x＝±2.5*exp(0.24*(y-6))±8.5，8.5mm≤y≤24mm， (4)。
3.根据权利要求1所述的小型化超宽带天线，其特征在于：短枝节的外槽线和接地板(6)的上端之间作挖空处理。
4.根据权利要求1所述的小型化超宽带天线，其特征在于：长枝节内槽线的末端作圆角处理。
5.根据权利要求1所述的小型化超宽带天线，其特征在于：微带馈线(3)采用侧向馈电。
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