CN109904601B - 一种周期性类雪花结构超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微带天线技术领域，公开了一种周期性类雪花结构超宽带天线，设置有介质基板；介质基板表面刻设有网格状槽线，介质基板上侧中间贴敷有微带贴片，微带贴片表面刻设有多排类雪花形花纹，类雪花形花纹设置有三个长方形条纹。本发明对中心频率工作在2.45GHz的矩形微带贴片天线，通过刻蚀类雪花单元结构改变了矩形辐射贴片的电感和电容，同时在接地板上进行刻槽处理，形成与辐射贴片上的单元结构间的等效电容，通过刻蚀的单元结构改变了辐射贴片上的电流分布，进而改变辐射效应，在4.2GHz‑25GHz范围内，天线的回波损耗都在‑10dB以下，刻槽的周期性单元结构能够显著增加天线带宽。
Description
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，尤其涉及一种周期性类雪花结构超宽带天线。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
微带天线具有体积小、剖面低、制造工艺相对简单、便于共形等特点，在很多领域比如无线通信、雷达、卫星导航等方面得到了广泛的应用。然而，传统的微带天线频带较窄，并不能满足日益增长的应用需求，近来超材料和人工电磁结构的兴起，为天线设计提供了很多新途径。
目前实现微带天线宽带化的主要途径有：选用不同参数的介质基板(增加厚度，采用低介电常数)、分形技术、开槽技术(开U形槽和设计E型贴片)、阻抗匹配等方法展开带宽。基于开槽技术的超材料设计方法，具有操作简单、不改变天线整体尺寸、减轻天线重量等优点。但是对谐振频率为2.45GHz的微带天线，缺少一种能够增加带宽的超宽带天线。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)对谐振频率为2.45GHz的微带天线，缺少一种能够增加带宽的超宽带天线。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种周期性类雪花结构超宽带天线。
本发明是这样实现的，一种周期性类雪花结构超宽带天线设置有：
介质基板；
介质基板表面刻设有网格状槽线，介质基板上侧中间贴敷有微带贴片，微带贴片表面刻设有多排类雪花形花纹，类雪花形花纹设置有三个长方形条纹，三个长方形条纹在中心点相互交叉，每个条纹之间的夹角为60°。
本发明对中心频率工作在2.45GHz的矩形微带贴片天线，通过刻蚀类雪花单元结构改变了矩形辐射贴片的电感和电容，同时在接地板上进行刻槽处理，形成与辐射贴片上的单元结构间的等效电容，通过刻蚀的单元结构改变了辐射贴片上的电流分布，进而改变辐射效应，在4.2GHz-25GHz范围内，天线的回波损耗都在-10dB以下，刻槽的周期性单元结构能够显著增加天线带宽。
进一步，微带贴片通过四分之一阻抗转换器与50欧姆微带线相连。
本发明通过微带线能够对微带贴片进行侧馈。
进一步，微带贴片在横轴方向上刻蚀了7个类雪花形花纹，纵轴方向刻蚀了6个类雪花形花纹。
进一步，相邻类雪花形花纹的间距为5mm。
附图说明
图1是本发明实施例提供的周期性类雪花结构超宽带天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的微带贴片结构示意图；
图3是本发明实施例提供的类雪花形花纹结构示意图；
图4是本发明实施例提供的天线整体仿真示意图；
图5是本发明实施例提供的S11仿真曲线示意图；dB表示大小，sweep表示参数扫描，扫描范围0GHz-26.5GHz；
图6是本发明实施例提供的不同的单元结构宽度对应的S11仿真曲线示意图；w就是扫描的周期性单元结构的宽度分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm对应的扫描结果；
图7是本发明实施例提供的不同的单元结构长度对应的S11仿真曲线示意图；l为结构单元的长度，w为结构单元的宽度；
图8是本发明实施例提供的不同的缝隙宽度对应的S11仿真曲线示意图；
图9是本发明实施例提供的结构优化后的S11仿真曲线示意图；当g＝0.5mm，l＝4mm，w＝0.3mm可以得到良好的S11仿真结果；
图10是本发明实施例提供的优化后的极坐标方向示意图；
图中：1、介质基板；2、微带贴片；3、类雪花形花纹；4、槽线；5、阻抗转换器；6、微带线。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的周期性类雪花结构超宽带天线包括：介质基板1、微带贴片2、类雪花形花纹3、槽线4、阻抗转换器5、微带线6。
介质基板1表面刻设有网格状槽线4，介质基板1上侧中间贴敷有微带贴片2，微带贴片2表面刻设有多排类雪花形花纹3，类雪花形花纹3设置有三个长方形条纹，三个长方形条纹在中心点相互交叉，每个条纹之间的夹角为60°。
作为优选，微带贴片2通过四分之一阻抗转换器5与50欧姆微带线6相连。
作为优选，微带贴片2在横轴方向上刻蚀了7个类雪花形花纹3，纵轴方向刻蚀了6个类雪花形花纹3。
作为优选，相邻类雪花形花纹3的间距为5mm。
作为优选，介质基板1选择FR4环氧树脂板，厚度h＝1.6mm，介电常数εr＝4.4，微带贴片2宽度w＝37.26mm,长度L＝30.21mm，介电常数εe＝3.73，等效缝隙宽度ΔL＝0.75mm。四分之一阻抗转换器长16.45mm，宽1.16mm。
作为优选，类雪花形花纹3的三个长方形条纹为长4mm，宽0.3mm的长方形，槽线4宽度为0.2mm。
微带矩形贴片天线设计：矩形微带贴片天线所用的介质基板的相对有效介电常数
式中εr为介质基板的有效介电常数，h为介质基板的高度，W为矩形贴片的宽度。
矩形微带贴片天线的长度L：
C为真空中的光速；f0表示天线的工作频率，ΔL为等效辐射长度。
矩形贴片的宽度：
利用HFSS电磁仿真软件对天线整体进行仿真，辐射贴片以及接地板设置为理想导体边界条件，空气盒设置为辐射边界条件，激励端口设置为波端口激励，计算频率范围为1GHz-26.5GHz。S11仿真曲线结果如图5所示，从图中可见，刻有类雪花形图案的天线带宽显著拓宽。在4.10GHz-25.9GHz频段内，除了11.0GHz-11.9GHz以及15.3GHz-16.0GHz两个频段的S11大于-10dB外，其余频点均小于-10dB。
类雪花形辐射贴片单元宽度w对性能的影响：对w从0.2mm-0.4mm进行参数扫描，图6给出了不同单元宽度w对应的S11曲线。从图中可以看出，改变单元结构对天线谐振频率略有改变，而对S11大于-10dB的频段没有影响。
类雪花形辐射贴片单元长度l对性能的影响：对单元长度从3mm到5mm进行参数扫描，仿真结果如图7所示。从图中可以看出，辐射贴片单元长度对起始谐振频率、谐振深度以及天线的回波损耗数值都有影响。当l＝5mm时，天线的S11参数在多个频段内大于-10dB，性能较差。l＝3mm时，天线的谐振频率点增多，S11曲线图偏离了正常结果。只有当l＝4mm时天线在图中频段内具有较好的S11参数曲线，但在11.0GHz-11.9GHz和15.3GHz-16.0GHz两个频段内S11大于-10dB。
接地板刻槽缝隙宽度g对性能的影响：接地板刻槽线的缝隙宽度会改变接地板与辐射贴片单元结构中的耦合电容以及接地板开槽结构之间的并联电感，从而影响天线的谐振带宽，仿真结果如图8所示。当g＝0.3mm时，天线多出现了一个S11大于-10dB的频段谐振深度降低，性能反而变差。当g＝0.5mm时，天线S11在-10dB以下带宽显著拓宽，显现出了良好的超宽带。
图9中后处理仿真结果的S11在4.2GHz-24.9GHz都在-10dB以下。后处理仿真结果表明在辐射贴片上刻蚀类雪花形图案和在接地板上刻蚀槽线结构来达到增加带宽的目的，且天线辐射具有全向性，如图10所示。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种周期性类雪花结构超宽带天线，其特征在于，所述周期性类雪花结构超宽带天线设置有：
介质基板；
介质基板表面刻设有网格状槽线，介质基板上侧中间贴敷有微带贴片，微带贴片表面刻设有多排类雪花形花纹，类雪花形花纹设置有三个长方形条纹，三个长方形条纹在中心点相互交叉；
微带贴片通过四分之一阻抗转换器与50欧姆微带线相连；
微带贴片在横轴方向上刻蚀了7个类雪花形花纹，纵轴方向刻蚀了6个类雪花形花纹。
2.如权利要求1所述的周期性类雪花结构超宽带天线，其特征在于，相邻类雪花形花纹的间距为5mm。
3.如权利要求1所述的周期性类雪花结构超宽带天线，其特征在于，矩形微带贴片天线所用的介质基板的相对有效介电常数：
式中εr为介质基板的有效介电常数，h为介质基板的高度，W为矩形贴片的宽度；
矩形微带贴片天线的长度L：
C为真空中的光速；f0表示天线的工作频率，ΔL为等效辐射长度；
矩形贴片的宽度：
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