CN109935971A - 一种紧凑型超宽带缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型超宽带缝隙天线，包括介质板，介质板底面印制有下层金属层，该下层金属层上设置有传输缝隙和辐射缝隙；所述介质板顶面印制有馈电巴伦，馈电巴伦连接信号入射端口，所述介质板顶面还设置有接地贴片，所述接地贴片通过贯穿介质板的导电通道与下层金属层相连；在介质板所在平面上，所述接地贴片的投影位于馈电巴伦的投影与辐射缝隙的投影之间。本发明在介质板顶面加载寄生接地贴片，可以引入新的谐振频率，从而使得紧凑尺寸下天线的阻抗匹配特性得到有效改善。该方法不仅物理机理清晰，而且调谐简单，方便；缝隙天线相对带宽得到有效提高，辐射方向图稳定且具备定向特性。

Description

一种紧凑型超宽带缝隙天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种紧凑型超宽带缝隙天线。

背景技术

平面印制超宽带天线由于其能收发电磁波的频率范围较宽，现已被大量应用于室内精确定位、点对点数据传输、汽车自动驾驶、目标跟踪等无线通信系统中。另一方面，随着现代无线通信技术的快速更迭与现实社会的客观需要，要求硬件模块具备小体积、轻质量、高集成度等特点，这就往往需要在一个系统中同时植入多幅天线以满足信号传送的需要。然而，大量的天线势必将导致各个通信信道之间的串扰和干扰，导致误码率上升，影响通信质量，并且也不利于系统的小型化和低成本性。这就使得紧凑型的超宽带天线的优势更加明显，且越发受到青睐。此外，在军用领域，比如雷达、导航、电子干扰、电子对抗等应用场景，为了提高通信链路的保密性，通常希望系统的工作带宽足够宽，以使其可以在不同时间、不同地域任意切换工作频率，这也使得担任收发信号的天线具备超宽带工作的特性。

在近年可查的文献中，对于平面印制类型的超宽带天线小型化技术的研究，主要集中于更改馈电结构，增加寄生辐射枝节，缝隙加载，扩展低频电流路径等方法上。这些超宽带天线小型化技术各有特点，均能使天线在一个较小的尺寸下获得超宽带工作。然而，这些技术手段的也受限于物理机理不清晰，调节优化尺寸难度大等弱点。此外，实验发现，当辐射结构在一个紧凑的尺寸下时，其输入端口阻抗特性曲线振荡性加剧，尤其是在低频，很难与系统的特性阻抗匹配，导致其在这个工作频率范围内端口反射系数不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑型超宽带缝隙天线，引入接地贴片，在期望的工作频带内增加了一个新的谐振频率，来改善端口的匹配特性，使得整个天线获得了良好的超宽带工作。

本发明通过下述技术方案实现：

一种紧凑型超宽带缝隙天线，包括介质板，介质板底面印制有下层金属层，该下层金属层上设置有传输缝隙和辐射缝隙；所述介质板顶面印制有馈电巴伦，馈电巴伦连接信号入射端口，所述介质板顶面还设置有接地贴片，所述接地贴片通过贯穿介质板的导电通道与下层金属层相连；在介质板所在平面上，所述接地贴片的投影位于馈电巴伦的投影与辐射缝隙的投影之间。本技术方案中，发明人在现有的超宽带缝隙天线基础上，在天线的介质板的印制有馈电巴伦的顶面上设置接地贴片，接地贴片在期望的工作频带内增加了一个新的谐振频率，来改善端口的匹配特性，使得整个天线获得了良好的超宽带工作，实现了在不增大天线尺寸的情况下改善天线的端口匹配特性的目的。

优选的，所述接地贴片印制在介质板顶面上。

作为本发明的进一步改进，所述接地贴片的数量为2个，2个接地贴片关于传输缝隙对称设置。本方案中，采用具有对称分布特性的一对接地贴片，能够尽可能保持天线辐射方向图的对称性和稳定性。

优选的，所述接地贴片为矩形或椭圆形或三角形或多折线形。

优选的，所述导电通道为金属化过孔或金属柱。

优选的，所述接地贴片的长度为0.092λ，λ为电磁波在低频1.9GHz时的真空波长。

进一步，每个接地贴片通过2个导电通道与下层金属层相连。

进一步，所述传输缝隙包括一个条形缝隙和一个扇形缝隙，所述条形缝隙一端连接辐射缝隙，另一端连接扇形缝隙的小端；所述介质板位于条形缝隙侧面。

进一步，所述辐射缝隙为渐变辐射缝隙。

进一步，从靠近传输缝隙的一端到远离传输缝隙的一端，所述辐射缝隙的宽度逐渐增大。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种紧凑型超宽带缝隙天线，在天线的介质板的印制有馈电巴伦的顶面上设置接地贴片，接地贴片在期望的工作频带内增加了一个新的谐振频率，来改善端口的匹配特性，使得整个天线获得了良好的超宽带工作，实现了在不增大天线尺寸的情况下改善天线的端口匹配特性的目的；

2、本发明一种紧凑型超宽带缝隙天线采用具有对称分布特性的一对接地贴片时，能够天线辐射方向图的对称性和稳定性好；

3、本发明一种紧凑型超宽带缝隙天线，结构简单、体积小，便于应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1(a)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线的结构示意图；

图1(b)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线的侧视图；

图2为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线的天线等效电路；

图3为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线加载接地贴片和现有技术不加载接地贴片时仿真的天线端口反射系数示意图；

图4(a)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线的接地贴片尺寸对端口反射系数影响的仿真图；

图4(b)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线的接地孔数对端口反射系数影响仿真图；

图5(a)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线在2GHZ时的仿真辐射方向图；

图5(b)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线在4GHZ时的仿真辐射方向图；

图5(c)为本发明的紧凑型超宽带缝隙天线在6GHZ时的仿真辐射方向图。

附图标记及对应的零部件名称：

1-信号入射端口，2-馈电巴伦，3-传输缝隙，4-辐射缝隙，5-接地贴片，6-金属化过孔，7-下层金属层，8-介质板。

具体实施方式

现有超宽带缝隙天线技术中，当辐射结构在一个紧凑的尺寸下时，其输入端口阻抗特性曲线振荡性加剧，尤其是在低频，很难与系统的特性阻抗匹配，导致其在这个工作频率范围内端口反射系数不理想。本发明在印制缝隙天线的基础上，提出了一种基于寄生接地贴片加载的超宽带小型化技术。以下实施例中以一种紧凑型超宽带渐变缝隙天线为例对本发明的具体实施进行说明。需要说明的是，这种接地贴片加载方法不仅仅适用于以下实施例中的渐变缝隙辐射结构，对于其他类似的超宽带辐射结构仍然适用。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

【实施例1】

为了改善紧凑结构下印制渐变缝隙天线的端口匹配特性，本实施例中，引入了一对对称分布的接地贴片，这一对寄生的接地贴片(本实施例中，“寄生贴片”、“接地贴片”、“寄生接地贴片”均指代同一部件)可以等效为一个LC串联谐振电路加载，从而在期望的工作频带内增加了一个新的谐振频率，以此来改善端口的匹配特性，使得整个天线获得了良好的超宽带工作。

如图1-图2所示，本发明一种紧凑型超宽带缝隙天线，包括介质板8，介质板8底面印制有下层金属层，顶面印制有多节馈电巴伦2和2个矩形接地贴片5，2个矩形接地贴片5通过贯穿介质板8的顶面和底面的导电通道与下层金属层相连；馈电巴伦2连接信号入射端口1。

下层金属层7上设置有传输缝隙3和辐射缝隙4；2个接地贴片5关于传输缝隙3对称设置，这样在介质板8所在平面上，所述接地贴片5的投影位于馈电巴伦2的投影与辐射缝隙4的投影之间。

本实施例中的传输缝隙3包括一个条形缝隙和一个扇形缝隙，所述条形缝隙一端连接辐射缝隙4，另一端连接扇形缝隙的小端；所述介质板8位于条形缝隙侧面。所述辐射缝隙4为渐变辐射缝隙，从靠近传输缝隙3的一端到远离传输缝隙3的一端，所述辐射缝隙4的宽度逐渐增大。导电通道采用金属化过孔6，具体采用金属电镀通孔。

本实施例中，天线由一层介质板8和两层PCB金属敷铜层组成，辐射缝隙金属层印制于介质板8下层，多节馈电巴伦2和寄生的对称矩形贴片5印制于介质板8上层。对称的矩形接地贴片一端通过金属化过孔与下层金属层相连。2个矩形接地贴片5和多节馈电巴伦2构成介质板8的上层馈电结构；介质板8作为中间介质层；下层金属层作为底层金属结构。

现有技术中，由于天线被限制在一个紧凑的尺寸下，其低频部分输入阻抗振荡剧烈，导致低频阻抗匹配较差，能量转化效率不高。从图3中仿真得到的曲线可以看出，无寄生接地贴片加载时，天线在2.5GHz～4GHz频率范围内，端口反射系数不理想，匹配较差。并且，很难在不增大天线尺寸，通过优化当前的设计参数来改善匹配特性。

本实施例中，当在传输缝隙3处增加一对对称分布的矩形接地贴片5后，天线的端口反射系数得到明显改善，参见图3，其-10dB反射系数频带为1.9GHz～6.7GHz，相对带宽达到111.6％，实现了紧凑型超宽带工作，其电尺寸仅为0.3λ*0.26λ(λ为电磁波在低频1.9GHz时的真空波长)。

天线的等效电路模型如图2所示，对称分布的矩形接地贴片5可以被等效为一LC串联谐振电路，其中接地金属化过孔等效为集总电感L，矩形贴片被等效为集总电容C。该LC串联谐振回路将在关心的频带内引入一个新的谐振点，本实施例中位于2.37GHz处，如图3中仿真结果所示。图2中，Zs是传输缝隙3的特性阻抗，Za为辐射缝隙的辐射阻抗，ω₀为谐振频点；本实施例中的天线通过引入新的谐振频点来改善相应频带范围内的反射系数曲线，使得端口匹配得到改善。

本实施例中，所述接地贴片5的长度为0.092λ，λ为电磁波在低频1.9GHz时的真空波长，每个接地贴片5通过2个金属化过孔6与下层金属层相连。图4(a)和图4(b)给出了不同接地贴片尺寸和不同接地金属化过孔(也称接地孔)时天线反射系数的变化曲线。图4(a)展示了对称分布的矩形接地贴片5采用2对接地孔，但是接地贴片长度pl分别为13.5mm、14.5mm、15.5mm时的端口反射系数曲线，从图4(a)可以看出，当金属化过孔数量固定，即等效集总电感L不变，可通过改变贴片长度来调节谐振频点，以此来调谐整个频带内的反射特性曲线。结果表明贴片长度越长，意味着等效集总电容越大，导致谐振频率变小，频点往低频移动。与此对应的，图4(b)展示了对称分布的矩形接地贴片5采用相同的长度pl＝10.5mm，但是接地孔数量不同，分别为1对、2对、3对时的端口反射系数曲线，从图4(b)可以看出，当寄生贴片长度固定，即等效集总电感不变，接地金属化过孔越多等效的集总电感越小，导致谐振频率增大，频点往高频移动。这一过程物理机理清晰，参数调节方便。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别展示了本实施例中的紧凑型超宽带缝隙天线在2GHZ、4GHZ、6GHZ时的仿真辐射方向图，可以看出其辐射方向图稳定且具备定向特性。

本实施例实际上提供了一种新型的平面印制超宽带天线小型化技术，针对紧凑结构尺寸下，超宽带辐射体阻抗曲线振荡剧烈，端口阻抗匹配特性变差的弱点，提出了基于接地贴片对称加载的方法。该加载方式可以在期望的频带内引入新的谐振点，以此来改善整个频带范围内的阻抗匹配特性。与其他平面印制超宽带天线小型化技术相比，该方法具备物理机理清晰，调谐方式简单、方便等特点。本实施例中提出的紧凑尺寸下超宽带工作的平面印制渐变缝隙天线，相对带宽达到111.6％，辐射方向图稳定且具备定向特性。

实际上，本实施例中提出的接地金属贴片加载方法不仅仅适用于当前的缝隙辐射结构，对于其他类似的超宽带辐射结构仍然适用；也不仅仅只是适用于当前的超宽带天线设计，对于任何可以采用该方法提升阻抗匹配效果的天线、电路也都适用。

在其他实施方式中，接地贴片除了采用上述矩形结构外，还可以采用其他形状，包括但不限于椭圆形或三角形或多折线形。贯穿介质板8的导电通道也不一定限制于金属电镀通孔，也可以采用具备良好导电性能的金属柱。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型超宽带缝隙天线，包括介质板(8)，介质板(8)底面印制有下层金属层，该下层金属层(7)上设置有传输缝隙(3)和辐射缝隙(4)；所述介质板(8)顶面印制有馈电巴伦(2)，馈电巴伦(2)连接信号入射端口(1)，其特征在于，

所述介质板(8)顶面还设置有接地贴片(5)，所述接地贴片(5)通过贯穿介质板(8)的导电通道与下层金属层相连；

在介质板(8)所在平面上，所述接地贴片(5)的投影位于馈电巴伦(2)的投影与辐射缝隙(4)的投影之间。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述接地贴片(5)印制在介质板(8)顶面上。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述接地贴片(5)的数量为2个，2个接地贴片(5)关于传输缝隙(3)对称设置。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述接地贴片(5)为矩形或椭圆形或三角形或多折线形。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述导电通道为金属化过孔(6)或金属柱。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述接地贴片(5)的长度为0.092λ，λ为电磁波在低频1.9GHz时的真空波长。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，每个接地贴片(5)通过2个导电通道与下层金属层相连。

8.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述传输缝隙(3)包括一个条形缝隙和一个扇形缝隙，所述条形缝隙一端连接辐射缝隙(4)，另一端连接扇形缝隙的小端；所述介质板(8)位于条形缝隙侧面。

9.根据权利要求1-3任一所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，所述辐射缝隙(4)为渐变辐射缝隙。

10.根据权利要求9所述的一种紧凑型超宽带缝隙天线，其特征在于，从靠近传输缝隙(3)的一端到远离传输缝隙(3)的一端，所述辐射缝隙(4)的宽度逐渐增大。