CN109149087B - 一种低剖面高增益超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种低剖面高增益超宽带天线，所述天线包括椭圆槽、椭圆贴片、馈电偶极子、地板、第一基板、第二基板，椭圆槽、椭圆贴片设于第一基板的上表面，馈电偶极子设于第一基板的下表面，地板设于第二基板的下表面；所述天线设有由椭圆槽和椭圆贴片被馈电偶极子同时激励起的三种工作模式。本发明提供一种低剖面高增益超宽带天线，通过椭圆槽和椭圆贴片被馈电偶极子同时激励起三种模式的设置，使得天线带宽拓展的同时增益得到增强。

Description

一种低剖面高增益超宽带天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种低剖面高增益超宽带天线。
背景技术
随着集成电路及通信技术的不断进步，传输速率不断提高。香农定理要求天线具有较高的增益和带宽以提高信噪比。同时，硬件及系统的小型化及不同系统的集成化需求使得便携式设备天线朝着低剖面、高增益、大带宽的方向发展。
在现有技术中，比较常用的频带展宽的措施有：选择合适的基板、改变贴片形状、在贴片或接地板开槽和附加阻抗匹配网络等。这些天线频带展宽方法以降低增益或提高复杂性为代价，甚至辐射方向图随着频率的升高而出现畸变等问题。
因此，在天线频带展宽的同时如何保证低剖面高增益性能是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种低剖面高增益超宽带天线，通过椭圆槽和椭圆贴片被馈电偶极子同时激励起三种模式的设置，使得天线带宽拓展的同时增益得到增强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种低剖面高增益超宽带天线，所述天线包括椭圆槽、椭圆贴片、馈电偶极子、地板、第一基板、第二基板，椭圆槽、椭圆贴片设于第一基板的上表面，馈电偶极子设于第一基板的下表面，地板设于第二基板的下表面；所述天线设有由椭圆槽和椭圆贴片被馈电偶极子同时激励起的三种工作模式。
优选地，天线中心频率在自由空间中对应的波长为λc，所述第一基板设于第二基板的上表面，所述第一基板与第二基板放置的间距为0.11λc~0.16λc，其中λc为中心频点在自由空间中的波长。优选地，所述第一基板与第二基板放置的间距为0.14λc。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述天线的工作频带内的增益范围为9.29dBi~10.70dBi。优选地，所述天线在仿真软件中得到在工作频带内最低增益为9.29dBi，最高增益可达10.70dBi。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述椭圆槽的长半轴Ls的长度值为0.36λc~0.38λc，短半轴Ws的长度值为0.09λc~0.11λc。优选地，所述椭圆槽的长半轴Ls=0.37λc，短半轴Ws=0.10λc。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述椭圆贴片的长半轴Lp的长度值为0.39λc~0.41λc，短半轴Wp的长度值为0.33λc~0.35λc。优选地，椭圆贴片的长半轴Lp=0.40λc，短半轴Wp=0.34λc。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述馈电偶极子的半臂长L3的长度值为0.12λc~0.15λc，宽度W3的宽度值为0.007λc~0.010λc。优选地，馈电偶极子的半臂长L3=0.14λc，宽W3=0.008λc。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述第一基板的长度L2的长度值为1.00λc~1.20λc，宽度W2的宽度值为1.00λc~1.20λc；第二基板的长度L1长度值为1.20λc~1.50λc，宽度W1宽度值为1.20λc~1.50λc。优选地，第一基板、第二基板的材料为相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，厚度为1.2mm~2mm。优选地，两块基板均采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，厚度h1= h2=1.6mm。第一基板的长度L2=1.10λc，宽度W2=1.10λc；第二基板的长度L1=1.40λc，宽W1=1.40λc；第一第二基板的间距为0.14λc。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。
优选地，所述三种工作模式包括贴片模式或槽模式或混合模式。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种低剖面高增益超宽带天线，它包括椭圆槽、椭圆贴片、馈电偶极子、地板和两块基板。椭圆槽和椭圆贴片设于第一基板的上表面，馈电偶极子设于第一基板的下表面，地板设于第二基板的下表面，两块基板的间距为0.14λc。椭圆槽和椭圆贴片被馈电偶极子同时激励起三种模式，使得天线带宽拓展的同时增益得到增强。所述天线在仿真软件中得到在工作频带内最低增益为9.29dBi，最高增益可达10.70dBi。
附图说明
图1为本发明实施例提供的低剖面高增益超宽带天线结构示意图；
图2为图1所述天线的俯视图；
图3为图1所述天线的侧视图；
图4为图1所述天线的表面电流分布图；
图5为图1所述天线的回波损耗和增益图；
图6为图1所述天线的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至6为一种低剖面高增益超宽带天线的实施例，其中图1至3表示所述天线的结构示意图，所述天线包括椭圆槽1、椭圆贴片2、馈电偶极子3、地板4、第一基板5、第二基板6，椭圆槽1、椭圆贴片2设于第一基板5的上表面，馈电偶极子设于第一基板5的下表面，地板4设于第二基板6的下表面；天线设有由椭圆槽1和椭圆贴片2被馈电偶极子3同时激励起的三种工作模式。
其中，天线中心频率在自由空间中对应的波长为λc；所述第一基板5设于第二基板6的上表面，所述第一基板5与第二基板6放置的间距为0.11λc~0.16λc。本实施例中天线中心频率为4.085GHz。
另外，天线的工作频带内的增益范围为9.29dBi~10.70dBi。
其中，椭圆槽1的长半轴Ls的长度值为0.36λc~0.38λc，短半轴Ws的长度值为0.09λc~0.11λc。
另外，椭圆贴片2的长半轴Lp的长度值为0.39λc~0.41λc，短半轴Wp的长度值为0.33λc~0.35λc。
其中，馈电偶极子3的半臂长L3的长度值为0.12λc~0.15λc，宽度W3的宽度值为0.007λc~0.010λc。
另外，第一基板5的长度L2的长度值为1.00λc~1.20λc，宽度W2的宽度值为1.00λc~1.20λc；第二基板6的长度L1长度值为1.20λc~1.50λc，宽度W1宽度值为1.20λc~1.50λc。
其中，第一基板5、第二基板6的材料为相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，厚度为1.2mm~2mm。
另外，三种工作模式包括贴片模式或槽模式或混合模式。
具体如下：
在本实施中，椭圆槽1的长半轴Ls=27.5mm，短半轴Ws=7.5mm。椭圆贴片2的长半轴Lp=30mm，短半轴Wp=25mm。馈电偶极子3的半臂长L3=10mm，宽W3=0.6mm。两块基板都采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，厚度h1=h2=1.6mm。第一基板5的长度L2=80mm，宽度W2=80mm。第二基板6的长度L1=100mm，宽度W1=100mm。
图4为本发明所述天线实施例典型频率的表面电流分布图。以360°为一个周期T。在3GHz（a）时，当时间t=0T和t=0.25T时，贴片和槽附近电流幅度分别最大，但贴片模式有更大的幅度，因此贴片模式为主模；在4GHz（b）时，当时间t=0.19T和t=0.44T时，贴片和槽附近电流幅度分别最大，但槽模式有更大的幅度，因此槽模式为主模；在5GHz（c）时，当时间t=0.14T和t=0.39T时，贴片和槽附近电流幅度分别最大且具有接近一致的幅度，贴片模式和槽模式同时被激励。因此，本发明天线工作在混合模式下。
图5为本发明所述天线实施例的反射系数和增益图。在2.98GHz-5.19GHz频段内反射系数均小于-10dB，中心频率为4.085GHz，相对带宽为54.10%。在工作频段内，最低增益为9.29dBi，最高增益可达10.70dBi。
图6为本发明所述天线实施例的辐射方向图。实线为xoz面的方向图，虚线为yoz面的方向图。结果显示，无论天线工作在贴片模式、槽模式还是混合模式，一直都保持稳定的方向图和较宽的3dB波束宽度，因此本发明天线有良好的辐射特性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述天线包括椭圆槽(1)、椭圆贴片(2)、馈电偶极子(3)、地板(4)、第一基板(5)、第二基板(6)，椭圆槽(1)、椭圆贴片(2)设于第一基板(5)的上表面，馈电偶极子(3)设于第一基板(5)的下表面，地板(4)设于第二基板(6)的下表面；所述天线设有由椭圆槽(1)和椭圆贴片(2)被馈电偶极子(3)同时激励起的三种工作模式，所述三种工作模式包括贴片模式、槽模式、混合模式。
2.根据权利要求1所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，天线中心频率在自由空间中对应的波长为λc；所述第一基板(5)设于第二基板(6)的上表面，所述第一基板(5)与第二基板(6)放置的间距为0.11λc～0.16λc。
3.根据权利要求1或2所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述天线的工作频带内的增益范围为9.29dBi～10.70dBi。
4.根据权利要求1所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述椭圆槽(1)的长半轴Ls的长度值为0.36λc～0.38λc，短半轴Ws的长度值为0.09λc～0.11λc。
5.根据权利要求1所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述椭圆贴片(2)的长半轴Lp的长度值为0.39λc～0.41λc，短半轴Wp的长度值为0.33λc～0.35λc。
6.根据权利要求1所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述馈电偶极子(3)的半臂长L3的长度值为0.12λc～0.15λc，宽度W3的宽度值为0.007λc～0.010λc。
7.根据权利要求1所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，所述第一基板(5)的长度L2的长度值为1.00λc～1.20λc，宽度W2的宽度值为1.00λc～1.20λc；第二基板(6)的长度L1长度值为1.20λc～1.50λc，宽度W1宽度值为1.20λc～1.50λc。
8.根据权利要求1或7所述的低剖面高增益超宽带天线，其特征在于，第一基板(5)、第二基板(6)的材料为相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，厚度为1.2mm～2mm。
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