CN107069204A - 一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线 - Google Patents

一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，由印制在介质基板上的拱形馈源终端、矩形共面波导馈线、地板和外接的同轴接头构成。具有阶梯结构的椭圆形缝隙地板和拱形馈源终端的组合，形成一个渐变结构缝隙。拱形馈源终端为半圆形与矩形组合而成的金属贴片，能够激励出多个谐振频率，扩展天线的工作带宽。地板上开有的具有阶梯结构的椭圆形缝隙，能够调整拱形馈源终端、矩形共面波导馈线和地板之间的耦合电容，使谐振频率相互重叠并产生谐振，进一步展宽天线的工作带宽。该天线具备结构新颖、加工方便、容易集成等特点，工作频带覆盖2.4～14GHz，相对带宽达到141％，在方向性和增益等方面满足超宽带系统的使用要求。

Description

一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，适用于超宽带无线通信系统。
背景技术
随着近年来无线通信技术的迅猛发展，对天线体积和性能的要求也不断提升，超宽带天线具有带宽高、功耗低、传输速率快、抗干扰能力强等特点而被大量应用于无线通信系统中。在超宽带平面天线的研究与设计中，缝隙天线具备体积小、成本低、结构简单、易集成等优点，与贴片天线相比，缝隙天线能够实现较大的带宽，并且对加工精度要求较低，因此，能够满足现代超宽带无线通信系统的发展需求。缝隙天线主要包括窄缝天线和宽缝天线两类，其馈电方式主要为微带馈电和共面波导馈电。窄缝天线的缝宽远小于缝长，一般通过调整馈电位置补偿缝隙电抗，使输入阻抗与特性阻抗相匹配，达到展宽频带的目的，但窄缝天线由于受到缝隙自身电抗的影响，阻抗带宽一般限制在32％左右。宽缝天线的设计一般在地板上开一个较宽的缝隙，缝隙结构一般采用近似矩形或近似椭圆形缝隙，辐射与馈电部分与超宽带单极子天线的设计相似，采用特殊的几何组合结构实现超宽带范围内的阻抗匹配。近年来，对于宽缝天线的研究主要通过采用不同的缝隙形状和调整天线馈源结构不断提高天线的阻抗带宽。缝隙形状的大小与天线的带宽有着密切的关系，例如，采用近似矩形缝隙时，缝隙的长宽比对天线的带宽影响较大，采用近似椭圆形缝隙时，椭圆形的轴比对天线带宽影响较大，同时，对馈电结构的改进同样能够获得很大的阻抗带宽。非专利文献1公开了矩形缝隙圆形馈电超宽带天线、矩形缝隙梯形馈电超宽带天线和多边形缝隙方形馈电超宽带天线，缝隙结构采用矩形或多边形缝隙结构，馈电单元采用圆形或梯形，通过共面波导馈电，三种天线都能够满足超宽带系统的需求，但三种天线的设计尺寸较大。非专利文献2公开了一种新颖的微带馈电椭圆缝隙超宽带天线，介质基板地面接地板上采用椭圆缝隙，介质基板的另一面采用渐变微带馈电，馈线末端有一个横向窄长贴片并接一个扇形终端，在椭圆缝隙正中加了一个垂直矩形贴片，增强天线的匹配特性，但该天线的设计尺寸较大，而且阻抗带宽相对较窄，仅达到3.8～9.2GHz。专利文献1公开了一种低驻波比超宽带平面缝隙天线，宽缝隙为多边形外加半椭圆形组合形状，微带馈线导带由渐变微带线和三叉微带线导带组成，采用椭圆环形馈源终端，驻波比不大于1.5的阻抗带宽覆盖0.8～3.0GHz，可见该天线可用带宽有限，而且采用微带馈电地板与馈源位于介质基板两侧，会导致天线剖面较大，不利于集成或共形，因此，辐射单元与地板共面的天线是目前研究的热点。
引用文献列表
非专利文献
非专利文献1：乐永波，印制缝隙天线的设计与研究，哈尔滨工程大学硕士学位论文，2012：21-33.
非专利文献2：兰敏等，一种新颖的微带馈电椭圆缝隙超宽带天线研究，电子元件与材料，2013，32(10)：49-51.
专利文献
专利文献1：中国专利授权公告号CN102110892B
发明内容
本发明的目的是提供一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，能够覆盖多个无线通信频段，尺寸小，结构简单，加工方便，成本低廉，便于集成在射频电路中满足超宽带通信系统需求。
本发明的技术方案是：一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，由印制在介质基板上的拱形馈源终端(1)、矩形共面波导馈线(2)、地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，其特征在于：所述的拱形馈源终端(1)为半圆形与矩形组合而成的金属贴片，上半部分为半圆形，下半部分为矩形，位于介质基板的中心，所述的矩形共面波导馈线(2)位于天线中轴上，上端与拱形馈源底部中心对接，下端与地板下边缘平齐，所述的地板(3)为具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)的金属贴片，具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)上半部分为半椭圆形，下半部分对下半椭圆对称进行切角处理形成阶梯结构，阶梯结构的下转折点位于椭圆圆周上，所述的同轴接头(4)位于介质基板下端中轴上，与矩形共面波导馈线(2)和地板(3)的下边缘相连接。
本发明的效果在于：本天线采用了具有阶梯结构的椭圆形缝隙地板和拱形馈源终端的组合，形成一个渐变结构缝隙，通过调整椭圆的轴比和馈源终端的大小实现天线的超宽带特性，馈源终端采用拱形结构位于介质基板的中心位置，能够激励出多个谐振频率，降低最低谐振频率并增加最高谐振频率，扩展天线的工作带宽，地板上开有的具有阶梯结构的椭圆形缝隙，能够调整拱形馈源终端、矩形共面波导馈线和地板之间的耦合电容，使谐振频率相互重叠并产生谐振，进一步展宽天线的工作带宽，拱形馈源终端与具有阶梯结构的椭圆形缝隙位于介质基板同侧，使天线整体结构更为紧凑，天线的整体尺寸为35×30mm，工作频带覆盖2.4～14GHz，相对带宽达到141％，具有尺寸小、低剖面、结构简单、加工方便的结构特点，在工作频段内辐射特性和增益特性良好，适用于超宽带无线通信系统。
附图说明
图1是本发明实例的结构示意图。
图2本发明实例实测回波损耗S11曲线与仿真结果比较。
图3是本发明实例在频率为3GHz时的xoz面辐射方向图。
图4是本发明实例在频率为3GHz时的xoy面辐射方向图。
图5是本发明实例在频率为5GHz时的xoz面辐射方向图。
图6是本发明实例在频率为5GHz时的xoy面辐射方向图。
图7是本发明实例在频率为9GHz时的xoz面辐射方向图。
图8是本发明实例在频率为9GHz时的xoy面辐射方向图。
图9是本发明实例在频率为13GHz时的xoz面辐射方向图。
图10是本发明实例在频率为13GHz时的xoy面辐射方向图。
图11是本发明实例在不同频率点的峰值增益图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：如图1所示，一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，由印制在介质基板上的拱形馈源终端(1)、矩形共面波导馈线(2)、地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，其特征在于：所述的拱形馈源终端(1)为半圆形与矩形组合而成的金属贴片，上半部分为半圆形，下半部分为矩形，位于介质基板的中心，馈源终端采用拱形结构能够激励出多个谐振频率，降低最低谐振频率并增加最高谐振频率，扩展天线的工作带宽，所述的矩形共面波导馈线(2)位于天线中轴上，上端与拱形馈源底部中心对接，下端与地板下边缘平齐，所述的地板(3)为具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)的金属贴片，具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)上半部分为半椭圆形，下半部分对下半椭圆对称进行切角处理形成阶梯结构，阶梯结构的下转折点位于椭圆圆周上，地板上开有的具有阶梯结构的椭圆形缝隙，能够调整拱形馈源终端、矩形共面波导馈线和地板之间的耦合电容，使谐振频率相互重叠并产生谐振，进一步展宽天线的工作带宽，具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)和拱形馈源终端(1)的组合，形成的缝隙为一个渐变结构，使多个频点产生谐振，通过调整椭圆的轴比和馈源终端的大小实现天线的超宽带特性，所述的同轴接头(4)位于介质基板下端中轴上，与矩形共面波导馈线(2)和地板(3)的下边缘相连接。
选择FR4环氧树脂介质基板，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.4mm。介质基板高l＝30mm、宽w＝35mm，拱形馈源终端为半圆形与矩形组合而成的金属贴片，半圆形的半径为r1，矩形的尺寸为2r1×l1，圆心位于介质基板的中心位置，采用共面波导方式进行馈电，使天线整体结构更为紧凑，共面波导宽度为w1，与地板之间的缝隙宽度为g，在地板上开有的具有阶梯结构的椭圆形缝隙，椭圆形的半径为r2和r3，椭圆的圆心位于拱形馈源终端半圆形圆心的上方，两个圆心的距离为l6-l1-l2，使用切割法对下半椭圆对称进行切角处理形成阶梯渐变结构。由于椭圆形缝隙和拱形馈源终端的尺寸对天线的阻抗带宽影响很大，拱形馈源终端的影响更为明显，在设计过程中首先把椭圆形缝隙的尺寸大致确定下来，然后再对拱形馈源终端的结构参数进行优化，最终得到最佳的阻抗匹配。使用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化分析，确定天线的整体结构如图1所示，天线的具体结构尺寸为：w1＝3.2mm，w2＝15.0mm，w3＝9.5mm，w4＝6.1mm，w5＝3.7mm，l1＝5.0mm，l2＝10.0mm，l3＝8.7mm，l4＝10.8mm，l5＝13.2mm，l6＝17.3mm，r1＝4.3mm，r2＝15.0mm，r3＝10.1mm，g＝0.9mm。
使用矢量网络分析仪进行测试，实测天线回波损耗S11曲线与Ansoft HFSS仿真结果对比如图2所示，从对比结果可以看出，回波损耗小于-10dB的工作频带为2.4GHZ～14GHz，相对带宽达到141％，实际测量的回波损耗曲线与仿真结果对比，实测曲线比仿真曲线深度略有加深，天线的谐振频率向高频出现一定的偏移，造成偏移的原因主要是制作与测量误差所导致，实测结果与仿真结果在整体趋势上吻合度较高，适用于超宽带无线通信系统。
对天线在3GHz、5GHz、9GHz、13GHz四个频率点处的xoz面和xoy面辐射方向图进行测试，检验天线的辐射特性，实测和仿真结果如图3、4、5、6、7、8、9、10所示。从图中可以看出，实测结果与仿真结果形状上基本保持一致，但数值上略有减小，主要原因是天线整体尺寸较小，相对的增益也较小，且受到测试环境的影响。天线在各频率点处具有较好的方向性，在xoz面近似偶极子天线，在xoy面辐射曲线近似全向，在3GHz时近似圆形，在5GHz时变成椭圆形，在13GHz时椭圆率变得更高。由此可知，在低频段，天线辐射方向图比较圆滑，随着频率的升高，辐射方向图发生了一定的形变，导致这种现象的原因是天线在高频段辐射波长较短，缝隙对应的电尺寸增加，使表面电流分布不均匀，出现较大的反向电流，在辐射表面出现了抵消的现象，从而影响了天线的辐射方向图。然而，这种形变对辐射方向的主体没有造成很大的影响，因此，不影响天线的辐射特性。
天线在频带内不同频率点的峰值增益曲线如图11所示，测试结果表明，天线在2.4GHz以上增益均大于0dB，峰值增益随频率的变化趋势较为平稳，整体呈上升趋势，峰值增益在10GHz达到最大值8.1dB，之后变化趋势有所下降，但在14GHz时的峰值增益仍保持在6dB以上。峰值增益下降的原因是由天线方向图在高频段出现形变现象所导致，峰值增益的变化范围为2.2dB～8.1dB，说明天线在工作频段内具有良好的增益性能，满足超宽带天线的设计要求。

Claims (1)

1.一种具有阶梯结构的椭圆形缝隙超宽带平面缝隙天线，由印制在介质基板上的拱形馈源终端(1)、矩形共面波导馈线(2)、地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，其特征在于：所述的拱形馈源终端(1)为半圆形与矩形组合而成的金属贴片，上半部分为半圆形，下半部分为矩形，位于介质基板的中心，所述的矩形共面波导馈线(2)位于天线中轴上，上端与拱形馈源底部中心对接，下端与地板下边缘平齐，所述的地板(3)为具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)的金属贴片，具有阶梯结构的椭圆形缝隙(5)上半部分为半椭圆形，下半部分对下半椭圆对称进行切角处理形成阶梯结构，阶梯结构的下转折点位于椭圆圆周上，所述的同轴接头(4)位于介质基板下端中轴上，与矩形共面波导馈线(2)和地板(3)的下边缘相连接。
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