CN107681258A - 采用spp结构的小型化高效率uhf频段的低剖面宽带天线 - Google Patents

采用spp结构的小型化高效率uhf频段的低剖面宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，应用于通信技术领域，包括：共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构、SMA接头，天线形式为共面波导形式过渡到SPP模式；阻抗匹配结构置于末端以减小低频段的电抗；共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构设置在天线的介质板结构上；天线馈电采用SMA接头侧馈方式对天线进行射频激励。本发明解决了现有的U段天线应用中的低增益问题。

Description

采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种采用微波表面等离子体(简称SPP)结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线。
背景技术
随着现代通信技术的发展，人们对电子设备的要求越来越高，并且要求设备具有宽带化共用化的功能，天线作为无线电系统中的重要组成部分，其小型化和宽带化也越来越受到研究人员的重视。同时UHF频段的天线工作波长大，使用常规的天线工作模式，天线尺寸较大，在有限的空间内很难实现宽带等特性。另外由于微带天线本身结构简单，便于加工制作，使用方便等特点，越来越受到研究人员的重视，但是由于微带天线本身结构的限制，使得其具有带宽窄和增益低的特点，是研究人员需要解决的问题。
小型化宽带天线的实现方式有很多，按照实现原理大致可以分为两类：一是利用切角或刻缝隙槽来改变天线在该位置的阻抗或延长辐射天线的有效电流长度来达到小型化和宽带的目的，经过一系列文献的阅读，发现这样做只能在很有限的频带范围内改善天线的性能；另一种是使用超材料结构或者超表面结构来实现小型化宽带。经文献检索，Shiqiang Fu,Chanjuan Li等人2016年在IEEE Progress In Electromagnetic ResearchSymposium上发表的文章“Low-cost Single-fed Circularly Polarized Stacked PatchAntenna for UHF RFID Reader Applications”提出了一种U段宽带贴片天线，但是从他的仿真结果看到，该天线的-10dB带宽虽然10％左右，但是天线的工作尺寸相对波长较大。所以总体说来，到目前的研究为止，还没有能同时实现高带宽、高辐射效率和小尺寸的UHF段微带天线，仍然需要深入的研究探索。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，解决了现有的U段天线应用中的低增益问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，包括共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构、SMA接头；
天线形式为共面波导形式过渡到SPP模式；
阻抗匹配结构置于末端以减小低频段的电抗；
天线共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构设置在低剖面介质板结构上；
SMA接头通过侧馈方式对天线进行射频激励。
优选地，该天线应用SPP理论下的波长缩短效应，可以有效的减小天线的工作波长，达到小型化的目的。
优选地，天线辐射结构采用双侧梳齿状SPP结构，辐射结构包括一段梳齿状SPP传输线，以及一端开口的缺口圆形梳齿状SPP微带线，共同构成天线辐射结构。
优选地，天线馈电采用SMA接头侧馈的形式。SMA接头位于天线短边一侧。
优选地，天线馈电通过SMA接头接一段共面波导传输微带线的形式对天线进行馈电。
优选地，当电场通过共面波导微带线后会进入一段梳齿渐变的过渡微带线将波导传输模式变换为SPP模式下的电磁波。
优选地，末端阻抗匹配结构采用磁谐振结构的阻抗匹配形式。
优选地，介质板结构采用单层板结构。
天线辐射结构、阻抗匹配结构、馈电结构设置在介质板上层。
SMA接头在介质板短边一侧的中心。
本发明中的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线属于贴片天线，整个贴片天线采用SMA接头侧馈方式激励。SMA接头通过侧馈的形式通过一段共面波导传输线给天线的梳齿状SPP结构进行射频激励。天线采用一段共面波导传输线经过渐变的梳齿状微带线结构过渡到SPP模式下的微带线结构，通过电磁波工作在SPP模式下，可以有效的减小天线的工作频率。天线通过在末端引入有切口的梳齿状圆形辐射结构，第一，可以有效的增加SPP模式下的电流长度，起到减小天线工作频率的作用，第二，通过引入切口模式可以有效的将电磁波辐射出去。通过末端引入一个磁谐振模式结构，可以降低天线在低频段的电抗，达到低频段的阻抗匹配。天线采用侧馈的方式进行馈电，由于本身辐射结构的紧凑性，通过简单的优化可以很好的跟50Ω同轴馈电匹配，结构简单，易于加工。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过结合SPP理论的波长缩短效应，可以有效的降低天线的工作波长，从而实现小型化的目的。
2、本发明通过采用梳齿状SPP结构，有效的增加天线的电流长度达到小型化的目的。
3、本发明属于小型化天线范围，尺寸大小为工作波长的0.078*0.28倍。
4、本发明具有较宽的-10dB阻抗带宽，相对带宽10.4％。
5、本发明的主体为低剖面贴片天线，结构简单容易加工。
5、本发明的高效率的实现主要是采用SPP理论，将天线的辐射形式工作在SPP模式下，相同尺寸下的工作波长由于SPP波长较短，所以相同尺寸下的天线相同频率下，工作在SPP模式下的天线有较大的辐射空间达到高效率的特性。
6、本发明的天线形状规则对称，工作频率完全由天线尺寸决定，所以在加工工艺允许范围内，可以很容易的任意更改天线的工作频带。
7、本发明天线结构简单，阻抗带宽范围内的增益大于1.2dB,最大达到1.78dB。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为应用SPP理论的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线的俯视图；
图2为应用SPP理论的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线的背面结构图；
图3为工作在不同频段下该天线结构下SPP工作波长比自由空间波长；
图4为应用SPP理论的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线的回波损耗图；
图5为本发明实施例在340MHz-405MHz的辐射效率图；
图6中为本发明实施例分别在不同频率的辐射方向图，其中：
(a)为350MHz处phi＝90°辐射方向图；
(b)为350MHz处phi＝0°辐射方向图；
(c)为367MHz处phi＝90°辐射方向图；
(d)为367MHz处phi＝0°辐射方向图；
(e)为387MHz处phi＝90°辐射方向图；
(f)为387MHz处phi＝0°辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请同时参阅图1、图2，本发明所提供的一种小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，包括：共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、磁谐振结构的阻抗匹配结构、SMA接头。
天线辐射结构为图1中除共面波导微带线结构Ⅰ、渐变梳齿状过渡段微带线Ⅱ、磁谐振模式阻抗匹配结构部分Ⅲ外未标出的部分，具体包括一段梳齿状微带线结构，和一个梳齿状带缺口的圆形微带线结构。通过一段共面波导微带线和一段过渡段渐变梳齿状微带线馈电，在天线的介质板共面波导段短边中心一侧连接SMA接头进行射频激励。进一步地，天线辐射结构为梳齿状SPP结构微带线。微带线采用蚀刻法蚀刻在介电常数为4.3的FR4介质板，厚度为1.6mm，天线整体尺寸为240mm*65mm*1.6mm。
本发明宽带圆极化的工作原理如下：
图1和图2所示，其为本发明小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线的俯视图和背面结构。射频激励信号SMA接头从有共面波导的短边一侧对天线馈电，信号经过同轴线进入共面波导传输线，再经过图1中的渐变梳齿状过渡段微带线Ⅱ将电磁波逐渐从传统的传输模式过渡到SPP模式下，从而有效的减小天线的尺寸，提高天线的辐射效率。
图3为工作在不同频段下该天线结构下SPP工作波长比自由空间波长。
图4所示是本实施例的仿真得到的回波损耗图。从图中可以看出在347MHz-387MHz内回波损耗基本小于-10dB。
图5所示是本实例的仿真得到的在340MHz-405MHz的辐射效率图。从图中可以得到在-10dB阻抗带宽内最低辐射效率为82.3％，最高辐射效率达到93.5％；
图6所示是本实例的仿真得到的分别在频率为350MHz、367MHz、387MHz处phi＝0°、phi＝90°的辐射方向图。从图中可以看出，在整个阻抗带宽范围内基本实现全向辐射，且方向图不变。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，包括：共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构、SMA接头；
天线形式为共面波导形式过渡到SPP模式；
阻抗匹配结构置于末端以减小低频段的电抗；
共面波导结构、SPP传输线结构、天线辐射结构、阻抗匹配结构设置在天线的介质板结构上；
天线馈电采用SMA接头侧馈方式对天线进行射频激励。
2.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，所述天线应用SPP理论下的波长缩短效应，有效减小天线的工作波长，达到天线小型化。
3.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，天线辐射结构采用梳齿状SPP结构，包括一段梳齿状SPP微带线，以及一端开口的缺口圆形梳齿状SPP微带线，共同构成天线辐射结构，不仅增加SPP模式下的电流长度，起到减小天线工作频率的作用，同时通过引入切口模式将电磁波辐射出去。
4.根据权利要求3所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，微带线采用蚀刻法蚀刻在介质板上。
5.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，SMA接头位于天线介质板短边一侧的中心。
6.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，天线馈电通过SMA接头接一段共面波导传输微带线的形式对天线进行馈电。
7.根据权利要求3所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，当电场通过共面波导微带线后会进入一段梳齿渐变的过渡微带线将波导传输模式变换为SPP模式下的电磁波。
8.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，阻抗匹配结构采用磁谐振结构的阻抗匹配形式。
9.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，介质板结构采用单层板结构。
10.根据权利要求1所述的采用SPP结构的小型化高效率UHF频段的低剖面宽带天线，其特征在于，天线形状规则对称，工作频率由天线尺寸决定。
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