CN108429002A - 一种应用于高频段的小型超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，包含三个部分，分别为顶层辐射金属贴片层，中间介质基板，底层接地板金属贴片层，三部分紧密合并为一个整体。底层辐射金属贴片层引入了一个环形方槽，并在方槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形，并对矩形进行优化处理，电信号由顶层微带馈线馈入，从而使顶层贴片、底层接地板和介质基板共同形成一款新的超宽带天线，天线分析结果表明天线的回波损耗小于‑10dB的频段为5.35GHz‑13.45GHz，轴比小于3dB的频段为5.5GHz‑9GHz，在这个工作频段范围内，天线增益达到了3.6dB。发明的天线适合应用于工作在超宽带规定频段的无线通信设备中。

Description

一种应用于高频段的小型超宽带天线
技术领域
本发明涉及一种可以应用于高频段的小型超宽带天线，属于无线通信技术中的超宽带天线技术领域。
背景技术
超宽带无线电系统要求超宽带天线来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之间的转变工作。超宽带天线是在常规的窄带天线基础上发展起来的，与常规的窄带天线在辐射原理上并没有本质区别。超宽带天线具有相当广泛的应用范围，可用于GPRS全球定位、资源及环境的探测、卫星通信、雷达等。
超宽带以数据保密性好、传输速率高、抑制多径干扰能力强、发送功率非常小、带宽极宽等诸多优点，被用于诸多的无线设备中。自从2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz频段划归为超宽带(UWB)的民用频段，UWB无线通讯系统的设计和应用便成为科学界和工程界的热门研究课题。近年来，对于超宽带天线的研究很多，现在研究趋势是天线的小型化和平面化。因为小型化和平面化直接决定了天线加工的成本和难度，间接影响了天线的应用场合。因此在设计中，尽可能优化天线的尺寸及结构来拓宽天线的工作带宽是非常重要的。
发明内容
本发明的目的是：使得小型化超宽带天线可以工作在超宽带规定频段范围内的5.5GHz-10.6GHz。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，包括位于顶层的辐射金属贴片层、位于中间层的介质基板及位于底层的接地板金属贴片层，辐射金属贴片层、介质基板及接地板金属贴片层紧密合并为一个整体，其中：辐射金属贴片层整体呈现倒F状，且倒F状的辐射金属贴片层与一段微带馈线相连；辐射金属贴片层引入了一个环形方槽，并在环形方槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，电信号采用共面波导方式由顶层的微带馈线来馈电，从而使位于顶层的辐射金属贴片层、位于底层的接地板金属贴片层和介质基板共同达到天线的设计要求。
优选地，所述微带馈线呈细长矩形，尺寸为1mm×5.5mm。
优选地，对于所述环形方槽的对角处的两个矩形贴片而言，位于左上角的矩形贴片的尺寸为4mm×9mm，位于右下角的矩形贴片的尺寸为3mm×6mm。
优选地，在位于左上角的矩形贴片添加了一个矩形截线，矩形截线的尺寸为1mm×1.5mm。
优选地，在所述环形方槽的右上角添加了一个极小矩形贴片，极小矩形贴片的尺寸为2mm×1.5mm。
优选地，所述介质基板的材料为FR4环氧树脂，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在经典的环形方槽结构上引入合适尺寸的矩形并加以优化处理，并与倒F状的馈线进行恰当组合，使得天线的回波损耗参数和圆极化性能的轴比参数等符合实际工作要求，并且天线的工作带宽覆盖5.35GHz-10.6GHz的超宽带频段，同时天线具有小型化、平面化的特点。
附图说明
图1是本发明的详细结构示意图；
图2是天线的回波损耗性能仿真图；
图3是天线的圆极化性能仿真图；
图4是天线的增益性能仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种应用于高频段的小型化超宽带天线，如图1所示，此天线包含三个部分，分别为位于顶层的辐射金属贴片层，位于中间层的介质基板，位于底层的接地板金属贴片层，三部分紧密合并为一个天线整体。辐射金属贴片层整体呈现倒F状，与细条矩形状的微带馈线相连，共同作为超宽带天线的电信号馈入部分。微带馈线的尺寸为1mm×5.5mm。所用介质基板的材料为相对便宜的FR4环氧树脂，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。介质基板的长为L，宽为W，厚度H仅为0.8mm。辐射金属贴片层引入了一个环形方槽，并在环形方槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，位于左上角的矩形贴片的尺寸为4mm×9mm，位于右下角的矩形贴片的尺寸为3mm×6mm。在位于左上角的矩形贴片添加了一个矩形截线，矩形截线的尺寸为1mm×1.5mm。在环形方槽的右上角添加了一个极小矩形贴片，极小矩形贴片的尺寸为2mm×1.5mm。本发明在方槽的基础上作了添加矩形状截线的处理，优化其尺寸使天线在回波损耗S11的工作带宽内激励出了圆极化波，出现了较宽的圆极化带宽。
天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间，因此，天线要与馈线阻抗进行匹配，匹配的程度直接影响功率传输的效率。此天线的微带馈线位于整个顶层结构下方的中心，与顶层倒F状金属贴片紧密相连，形成了50Ω的标准阻抗，共同辐射天线得到的功率。天线工作时，电信号由顶层的微带馈线馈入，顶层和底层的金属辐射贴片与介质基板共同形成符合应用要求的超宽带天线。天线的具体尺寸参数如表1所示。
表1
天线尺寸参数 L W L1 W1 L2 W2 L3 W3 L4 W4
参数值(mm) 25 25 14 16 1 5.5 4 9 2 11
天线尺寸参数 L5 W5 a b C d e f g h
参数值(mm) 3 6 4.5 12 1.5 1 6 1.8 2 3
天线的优化设计和尺寸定量全部是采用公认的基于有限元算法的全波仿真软件HFSS 15.0版本完成的。设计天线结构时，首先利用软件画出天线的三维结构，然后将接地面设置为理想边界，求解模式设为Driven Modal，微带馈线位于激励端口的中心，激励模式设为共面波端口激励，扫频方式设置为快速扫频，扫频范围为2.5GHz-15GHz。由于天线是在自由空间中工作的，仿真结果应尽可能接近实际测量结果，因此对天线仿真时，要将天线结构置于空气腔体的正中央，腔体的辐射边界与辐射体的距离应该不小于λ/4，上述设置完成后，才可以对天线进行检查和仿真计算。
天线不同的结构对其性能参数影响是不一样的，基于天线的基础理论可知，
天线有三大重要参数，分别为回波损耗S11，轴比AR，和增益Gain，其中反应阻抗带宽的S11小于-10dB且反应圆极化带宽的AR小于3dB才能说明天线符合实际工作要求。
基于以上理论标准，对天线进行多次仿真计算，结果表明，天线的S11参数在5.35GHz-13.45GHz的频段内达到了-10dB以下，轴比AR在5.5GHz-9GHz的频段内达到了3dB以下，在这个工作频段内，天线增益达到了3.6dB，同时，回波损耗S11参数的频段完全包含轴比AR的频段，且符合超宽带天线的频段应用特点，从而保证了设计的天线结构可以应用于工作在超宽带规定频段的无线通信设备中。本发明充分发挥了超宽带天线的平面化和容易集成等优点，结合微带馈线的优势，尽可能的减小天线的体积及尺寸，突破了频段窄的障碍，拓宽了天线在超宽带规定频段内的应用范围。
不难发现，本发明通过在基础的环形方槽结构上引入合适尺寸的矩形并加以改良处理，使得天线符合实际工作要求的阻抗带宽达到了6.1GHz，圆极化带宽达到了3.5GHz，并且天线的工作带宽覆盖了超宽带天线规定的理论频段的5.35GHz-10.6GHz，同时天线具有小型化、易制造的优势。

Claims (6)

1.一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，包括位于顶层的辐射金属贴片层、位于中间层的介质基板及位于底层的接地板金属贴片层，辐射金属贴片层、介质基板及接地板金属贴片层紧密合并为一个整体，其中：辐射金属贴片层整体呈现倒F状，且倒F状的辐射金属贴片层与一段微带馈线相连；辐射金属贴片层引入了一个环形方槽，并在环形方槽的对角处各引入了一个尺寸不等的矩形贴片，电信号采用共面波导方式由顶层的微带馈线来馈电，从而使位于顶层的辐射金属贴片层、位于底层的接地板金属贴片层和介质基板共同达到天线的设计要求。
2.如权利要求1所述的一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，所述微带馈线呈细长矩形，尺寸为1mm×5.5mm。
3.如权利要求1所述一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，对于所述环形方槽的对角处的两个矩形贴片而言，位于左上角的矩形贴片的尺寸为4mm×9mm，位于右下角的矩形贴片的尺寸为3mm×6mm。
4.如权利要求3所述一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，在位于左上角的矩形贴片添加了一个矩形截线，矩形截线的尺寸为1mm×1.5mm。
5.如权利要求1所述一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，在所述环形方槽的右上角添加了一个极小矩形贴片，极小矩形贴片的尺寸为2mm×1.5mm。
6.如权利要求1所述一种应用于高频段的小型超宽带天线，其特征在于，所述介质基板的材料为FR4环氧树脂，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。
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