CN108987919A - 一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，用于提高超宽带天线的隔离度、扩展天线的频段范围。该天线包括：介质基板1、辐射贴片2、共面接地波导3及馈电线4，所述辐射贴片2、共面接地波导3和馈电线4均印制在介质板1的上表面，且辐射贴片2与馈电线4拼接；其中辐射贴片为非对称结构的六边形，其最短边与馈电线连接；共面接地波导为U型接地平面和倒L型接地平面组成的非对称结构接地板。本发明结构简单、尺寸较小且易于集成，可扩展天线的频段范围，使得频率在0.5GHz‑7.1GHz和7.8GHz‑10GHz范围内的S11均达到‑10dB以下，适用于无线通信系统。

Description

一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，可用于无线通信。
背景技术
超宽带UWB技术是近年发展很快的一种无线通信新技术，根据美国联邦通信委员会的定义，若一个信号在20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或分数带宽大于25％，则这个信号就是超宽带信号，利用超宽带信号进行无线通信被称为超宽带无线通信。随着超宽带无线通信技术的发展，越来越多的学者们致力于超宽带天线的研究，目前已有的超宽带天线虽能够满足目标，但仍存在很多不足，如传输不稳定、易失真等，随着新技术和新材料的出现，超宽带天线的性能得到改善，这些高性能超宽带天线进一步加速了UWB的迅速发展。关于超宽带天线，近年来研究的方向有非变频天线、反射器天线、共面波导天线以及其他带天线，我国在这方面的研究起步较晚，相关发明创造比较少，但发展速度非常快，有着较好的研究前景。
在超宽带系统的便携式应用中，天线应该具备较小的尺寸、紧凑的结构、较高的成本效益、良好的脉冲，并保持稳定信道传输响应以及广泛的阻抗带宽性能。超宽带天线可以分为：平面锥形天线、平面圆形单极子天线、三角形超宽带单极子天线和椭圆形超宽带单极子天线等。因为单极子天线的剖面低、成本低，且电路易于协同设计，在当代的通讯系统中有着很长远的应用前景，而且由于单极子天线的超宽带特性，使得它在很多场合比普通的微带天线具有更多优势。超宽带单极子天线的结构可分为介质板、贴片、和接地平面。介质板的损耗和厚度都比较小，厚度一般为几毫米，介质层的下表面是单极子天线的金属接地板，介质层的上表面是微带馈线和金属辐射贴片。
超宽带平板单极子天线是具有宽频特性的结构简单的立体结构天线，采用同轴馈电的方式把接地板与金属辐射板连接起来实现馈电，不需要添加额外的馈电网络。虽然传统的平板单极子天线能够满足超宽带的阻抗要求，但其在超宽带通信系统中难于集成。
超宽带印刷天线由于其接地板和辐射贴片都在介质基板上，所以称其为平面天线。平面天线体积小，方便在无线通信系统中集成，能够弥补超宽带平板单极子天线不易集成的不足。超宽带印刷天线有多种馈电方式，例如微带线馈电、同轴线馈电和共面波导馈电等。在申请公布号为CN106876954A，名称为“一种新型的单极子超宽带天线”的专利申请中，公开了一种新型的单极子超宽带天线，该天线由贴片天线、介质板和接地板构成，利用在辐射单元上加两个矩形去掉两个三角形的刻槽的方法增加了天线的带宽，在1.56GHz-18GHz范围内具有较好的工作特性，S11可到达-10dB以下；然而频率在0.5-1.5GHz范围的回波损耗依然较大，S11无法达到-10dB下。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有技术的不足，提出一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，以解决频率在0.5-1.5GHz范围回波损耗较大的技术问题。本发明通过设置非对称结构的共面接地波导和多边形辐射贴片，使频率在0.5GHz-7.1GHz和7.8GHz-10GHz的范围内，其S11均达到-10dB以下，实现对频段范围的扩展。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，包括介质基板1、辐射贴片2、共面接地波导3及馈电线4，所述辐射贴片2、共面接地波导3和馈电线4均印制在介质板1的上表面，且辐射贴片2与馈电线4连接；其特征在于：
所述辐射贴片2为非对称结构的六边形，位于共面接地波导3包围的区域之中，且辐射贴片2通过其六边形的最短边L1与馈电线4相接；
所述共面接地波导3由U型接地平面31和倒L型接地平面32两部分构成，且两部分相对放置、互不接触，其中U型接地平面31包括第一垂直臂311、第二垂直臂312、第一水平臂313和第二水平臂314，第一垂直臂311的下端连接第一水平臂313的左端、上端连接第二水平臂314的左端，第二垂直臂312的上端与第二水平臂314的右端相连；倒L型接地平面32包括垂直臂321和水平臂322，垂直臂321的下端与水平臂322的右端相连；第一水平臂313的右端与水平臂322左端相对平齐放置，并间隔宽度W为4.5-5mm的缝隙F；第二水平臂314与垂直臂321的上边缘平齐放置。
上述天线，其中所述六边形的最短边L1与馈电线4的上端通过拼接相连，且两者宽度相同，均为Wf1；
上述天线，其中所述辐射贴片2中与最短边L1相对的边为水平边L3，其宽度Wf3为24-25mm；辐射贴片2的最短边L1在水平边L3上的投影位置为水平边L3中心点偏右0.5-1mm处；水平边L3的左邻边L2与右邻边L4到L3的垂直高度分别为Hf2、Hf4，且Hf2>Hf4。
上述天线，其中所述馈电线4位于缝隙F处，其宽度Wf1小于缝隙宽度W、长度Lf1与第一水平臂313或水平臂322的宽度相同，且该馈电线4与水平臂322上下边缘平齐放置；
上述天线，其中所述第一水平臂313长度Ll1是水平臂322长度Lr1的五分之三；
上述天线，其中所述第二水平臂314的长度Ll4是第一水平臂313长度Ll1的两倍，且为Ll4取值为58-60mm；第二水平臂314的宽度Wl4是第一水平臂313宽度Wl1的四分之一；
上述天线，其中所述第二垂直臂312的长度Ll3是垂直臂321长度Lr1的二分之一。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一、由于本发明采用非对称结构的六边形单极子贴片天线组成辐射贴片天线，该六边形辐射贴片每条边的长度均不相等，采用这种结构扩展了天线在较高频带的频段范围，优化了高谐振频率，使得频率在7.8GHz-10GHz的范围内，其S11达到-10dB以下。
第二、本发明的共面接地波导，由两个不对称的共面接地波导组成，分别为U型接地平面和倒L型接地平面，采用这种非对称结构的共面接地波导，优化了低谐振频率，扩展了较低频带的频段范围，使得频率在0.5GHz-7.1GHz的范围内，其S11达到-10dB以下；同时共面接地波导和贴片馈电在一个平面，其结构简单、易于集成。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的多边形辐射贴片结构示意图；
图3是本发明非对称结构的共面接地波导结构示意图；
图4是本发明多边形超宽带天线的S11仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步描述。
参照图1，本发明的具体结构如下：
一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，包括介质基板1、辐射贴片2、共面接地波导3及馈电线4，所述辐射贴片2、共面接地波导3和馈电线4均印制在介质板1的上表面，且辐射贴片2与馈电线4拼接，其中：
所述介质基板采用厚度为1.6mm的FR4基板材料，天线尺寸设置为80mm×83mm×1.6mm；
所述辐射贴片2为非对称结构的小六边形，位于共面接地波导3包围之下，且辐射贴片2通过其六边形的最短边与馈电线4拼接相连；
所述共面接地波导3由U型接地平面31和倒L型接地平面32两部分构成，且两部分相对放置、互不接触，其中U型接地平面31包括第一垂直臂311、第二垂直臂312、第一水平臂313和第二水平臂314，第一垂直臂311的下端连接第一水平臂313的左端、上端连接第二水平臂314的左端，第二垂直臂312的上端与第二水平臂314的右端相连；倒L型接地平面32包括垂直臂321和水平臂322，垂直臂321的下端与水平臂322的右端相连；第一水平臂313的右端与水平臂322左端相对平齐放置，并间一定宽度的缝隙；第二水平臂314与垂直臂321的上边缘平齐放置；
所述馈电线4位于缝隙F处，其宽度Wf1小于缝隙宽度W、长度Lf1与第一水平臂313或水平臂322的宽度相同，且该馈电线4与水平臂322上下边缘平齐放置；调整馈电线的馈入间隙，可以改变天线的阻抗匹配。
参照图2，所述辐射贴片2具体为一个非对称结构的小六边形，其最短边L1宽度与馈电线4宽度相同，均为Wf1，拼接后无缝隙；辐射贴片2中与最短边L1相对的边为水平边L3，其宽度Wf3的取值范围为24-25mm；辐射贴片2的最短边L1在水平边L3上的投影位置为水平边L3中心点偏右0.5-1mm处；水平边L3的左邻边L2与右邻边L4到L3的垂直高度分别为Hf2、Hf4，且Hf2>Hf4。辐射贴片采用非对称六边形结构，可以优化高谐振频率，扩展天线在较高频带的频段范围。
对辐射贴片2的尺寸参数扫描分析：设置水平边L3的宽度Wf3的范围为24-25mm，步进为0.2mm，设置水平边L3的右邻边L4到L3的垂直高度Hf4的范围为30-34mm，步进为0.5mm，设置最短边L1的位置范围为水平边L3中心点偏右0.5-1mm，步进为0.1mm。经扫描分析，得到上述尺寸参数的优选值分别为：水平边L3的宽度Wf3＝25mm，水平边L3的右邻边L4到L3的垂直高度Hf4＝32.5mm，最短边L1的位置为水平边L3中心偏右0.7mm。
参照图3，所述共面接地波导3具体为U型接地平面和倒L型接地平面组成的非对称结构。其第一水平臂长度Ll1是水平臂长度Lr1的五分之三；第二水平臂长度Ll4是第一水平臂长度Ll1的两倍，且为Ll4取值为58-60mm；第二水平臂宽度Wl4是第一水平臂宽度Wl1的四分之一；第二垂直臂长度Ll3是垂直臂长度Lr1的二分之一。第一水平臂宽度Wl1与水平臂宽度Wr1相等，第一垂直臂宽度Wl2和第二水平臂宽度Wl4、第二垂直臂宽度Wl3、垂直臂宽度Wr2相等。采用非对称结构的共面接地波导，可以拓展带宽，同时，天线的接地板和辐射贴片设置在同一个平面上，可简化天线的制作过程、降低了天线的传输损耗。
对共面接地波导3的尺寸参数扫描分析：设置U型接地平面的第二水平臂长度Ll4范围为50-60mm，步进为2mm，设置倒L型接地平面的垂直臂长度Lr2范围为79-80mm，步进为0.1mm，设置U型接地平面的第二垂直臂长度Ll3范围为36-44mm，步进为2mm。经过扫描分析，得到上述尺寸参数的优选值分别为：第二水平臂长度Ll4＝60mm、宽度为5mm，垂直臂长度Lr2＝80mm，第二垂直臂长度Ll3＝40mm，第一水平臂长度Ll1＝30mm、宽度Wl1＝20mm，水平臂长度为Lr1＝50mm。
结合以下的仿真与实测对本发明的应用效果作进一步的说明：
1.仿真内容
利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述紧凑型非对称结构的多边形天线的S11参数进行仿真计算，结果如图4所示。
2.仿真结果分析
参考图4，以S11<-10dB为标准，超宽带单极子天线采用紧凑型非对称的六边形结构，其阻抗带宽为0.5GHz-7.1GHz和7.8GHz-10GHz，在频率0.7GHz、5.4GHz和8.7GHz处，其阻抗匹配达到了最佳。
以上仿真结果表明，本天线具有理想的阻抗带宽，并且实物测试结果与仿真结果吻合。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑型非对称结构的多边形超宽带天线，包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、共面接地波导(3)及馈电线(4)，所述辐射贴片(2)、共面接地波导(3)和馈电线(4)均印制在介质板(1)的上表面，且辐射贴片(2)与馈电线(4)连接；其特征在于：
所述辐射贴片(2)为非对称结构的六边形，位于共面接地波导(3)包围的区域之中，且辐射贴片(2)通过其六边形的最短边L1与馈电线(4)相接；
所述共面接地波导(3)由U型接地平面(31)和倒L型接地平面(32)两部分构成，且两部分相对放置、互不接触，其中U型接地平面(31)包括第一垂直臂(311)、第二垂直臂(312)、第一水平臂(313)和第二水平臂(314)，第一垂直臂(311)的下端连接第一水平臂(313)的左端、上端连接第二水平臂(314)的左端，第二垂直臂(312)的上端与第二水平臂(314)的右端相连；倒L型接地平面(32)包括垂直臂(321)和水平臂(322)，垂直臂(321)的下端与水平臂(322)的右端相连；第一水平臂(313)的右端与水平臂(322)左端相对平齐放置，并间隔宽度W为4.5-5mm的缝隙F；第二水平臂(314)与垂直臂(321)的上边缘平齐放置。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：六边形的最短边L1与馈电线(4)的上端通过拼接相连，且两者宽度相同，均为Wf1。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：辐射贴片(2)中与最短边L1相对的边为水平边L3，其宽度Wf3为24-25mm。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于：所述最短边L1在水平边L3上的投影位置为水平边L3中心点偏右0.5-1mm处。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：水平边L3的左邻边L2与右邻边L4到L3的垂直高度分别为Hf2、Hf4，且Hf2>Hf4。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈电线(4)位于缝隙F处，其宽度Wf1小于缝隙宽度W、长度Lf1与第一水平臂(313)或水平臂(322)的宽度相同，且该馈电线(4)与水平臂(322)上下边缘平齐放置。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：第一水平臂(313)长度Ll1是水平臂(322)长度Lr1的五分之三。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：第二水平臂(314)的长度Ll4是第一水平臂(313)长度Ll1的两倍，且Ll4为58-60mm；第二水平臂(314)的宽度Wl4是第一水平臂(313)宽度Wl1的四分之一。
9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第二垂直臂(312)的长度Ll3是垂直臂(321)长度Lr1的二分之一。
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