CN110416722B - 一种等边三角环结构缝隙宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等边三角环结构缝隙宽带天线，包括介质基板，以及覆于该介质基板上的铜片，所述铜片上开设等边三角环缝隙，同时在等边三角环缝隙的两侧边分别向外对称开设矩形枝节槽，在底边上的馈电点处通过非对称电流源馈电，正负极分别接等边三角环缝隙的内边和外边。本天线的优点为：首先，阻抗带宽得到明显提高，其次在保持窄缝特性的同时，结构新颖，性能良好，易于制作，具有广阔的实际场景应用意义，再而，本天线结构简单，易于共形，能够给窄缝宽频缝隙天线的研究提供一定的参考。

Description

一种等边三角环结构缝隙宽带天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种等边三角环结构缝隙宽带天线。
背景技术
近些年来，随着无线通信技术的不断成熟，通信设备朝着小型集成化、宽带化和智能化的方向不断发展。天线作为无线通信系统中接收信号的关键部分，也必然需要与之相适应的小型化、宽频化。微带天线具有轮廓低、质量轻、成本低和易于微波电路集成等优点受到越来越多的研究，被广泛的应用在雷达、卫星等无线通信领域。然而微带天线的窄带特性严重限制了日益增长的宽频带需求下的应用。
微带缝隙天线作为微带天线的一种，不仅拥有传统微带天线的优点，也易于与其他物体共形。自二十世纪四十年代被提出以来，被深入研究。所谓的微带缝隙天线是指缝隙的宽度相对于其缝隙长度和工作波长而言窄的多，并且只有一个模式被激发和使用。因此微带缝隙天线也深受窄工作带宽影响，限制了它被广泛应用在无线通信领域。为了满足现代无线通信宽频带需求，在过往提出了很多类型的微带缝隙天线，这些天线大多数是不易共形的，并且缝隙的宽度和其长度大致相当，并由宽缝隙区域的较宽的微带线馈电时，两个正交模式将同时在缝隙内激发。随着周围地平面面积的减小，调谐枝节上的电流将主要影响实际辐射。严格意义来说，这类天线不是我们所认为的缝隙微带天线。为了显著增强微带缝隙天线的带宽，同时保持缝隙天线窄缝的特性结构，可以通过寄生谐振器或沿馈线部分引入额外的非辐射谐振。通过使用虚拟短路概念，采用多极槽组合，引入寄生通孔，并利用多模共振(谐振)概念，提出了多种宽带缝隙(槽)天线研究。吕文俊等人近些年来对微带缝隙宽带天线做了大量研究。利用“多模谐振”思想，在缝隙槽中激励出奇模，而抑制偶模，通过在电场零点周围引入一对槽根进行扰动，实现缝隙天线的宽带特性，满足实际无线通信系统宽频需求。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种等边三角环结构缝隙宽带天线。
技术方案：本发明的等边三角环结构缝隙宽带天线，包括介质基板，以及覆于该介质基板上的铜片，所述铜片上开设等边三角环缝隙，同时在等边三角环缝隙的两侧边分别向外对称开设矩形枝节槽，在底边上的馈电点处通过非对称电流源馈电，正负极分别接等边三角环缝隙的内边和外边。
本天线利用多模谐振思想在三角环缝隙环中非对称位置激励出多个模式，通过在缝隙环中添加枝节槽，以使得谐振点偏移和谐振回路增加，从而提高缝隙天线带宽。具有良好的天线性能，设计的天线可用于LTE 40和41频段无线通信系统中，并且三角环结构缝隙可以给宽频缝隙微带天线的研究提供一定参考。
进一步的，所述介质基板采用介电常数为4.4，损耗角为0.027的FR4材质。具体尺寸采用长为65mm，宽为65mm，高为0.8mm。
进一步的，所述矩形枝节槽与等边三角环缝隙的侧边垂直。
同时，所述矩形枝节槽的槽宽与等边三角环缝隙的缝隙宽相等。
进一步的，所述馈电点位于所在底边距离中点6mm处，所述矩形枝节槽的槽宽与等边三角环缝隙的缝隙宽均为2mm，所述矩形枝节槽的槽长为17mm，距离等边三角环缝隙的外三角顶角的距离为24.5mm，所述等边三角环缝隙的内三角边长为30mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：首先，窄缝缝隙天线的阻抗带宽得到明显提高，达到了48.3％。其次在保持窄缝特性的同时，结构新颖，性能良好，易于制作，具有广阔的实际场景应用意义，再而，本天线结构简单，易于共形，能够给窄缝宽频缝隙天线的研究提供一定的参考。
附图说明
图1是本发明结构平面示意图；
图2是缝隙天线的基础原型天线；
图3是基础原型天线的回波损耗图；
图4是本发明天线的回波损耗图；
图5是本发明天线的回波损耗图随着缝隙宽度变化的特性图；
图6是本发明天线的回波损耗随着枝节长度变化的特性图；
图7是本发明天线的回波损耗随着枝节位置变化的特性图；
图8是本发明天线分别在2.4GHz、2.8GHz、3.1GHz电流分布图(a)、(b)、(c)；
图9是本发明天线分别在2.4GHz、2.8GHz、3.1GHz的E、H面方向图(a)、(b)、(c)；
图10是本发明天线的增益与效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示的等边三角环结构缝隙宽带天线，包括介质基板，以及覆于该介质基板上的铜片1，所述介质基板的长为65mm，宽为65mm，高为0.8mm，采用介电常数为4.4，损耗角为0.027的FR4材质。
所述铜片1上开设等边三角环缝隙2，该等边三角环缝隙2位于所述铜片1上的中心位置，等边三角环缝隙2由内正三角形与外三角形形成，之间间距为缝隙宽度w，其中，内正三角形的边长为S，同时在等边三角环缝隙2的两侧边分别向外对称开设矩形枝节槽3，矩形枝节槽3的长度为d，距离等边三角环缝隙2的外三角顶角的距离为L，所述矩形枝节槽3与等边三角环缝隙2的侧边垂直，矩形枝节槽3的槽宽与等边三角环缝隙2的缝隙宽相等，为w，在底边上距离中点L1长度的距离选择馈电点4，采用50欧电流源馈电，正负极分别接等边三角环缝隙2的内三角形和外三角形，通过在非对称处进行馈电，不仅仅激励出奇偶而抑制偶模，能够在窄缝中激励出多种辐射模式，改变矩形枝节槽的位置和长度能够增加电流回路，扰动谐振点，从而实现缝隙天线的带宽。
本专利天线选择d＝17mm，L＝24.5mm，S＝30mm，w＝2mm，L1＝6mm。
本专利利用多模谐振思想，设计了一种等边三角环结构缝隙宽带天线，利用多模谐振概念在三角环缝隙环中非对称位置激励出多个模式，通过在缝隙环中添加枝节槽，以使得谐振点偏移和谐振回路增加，从而提高缝隙天线带宽。该天线具有良好的天线性能，设计的天线可用于LTE 40和41频段无线通信系统中，与现有技术相比具有的优势明显。首先，与文献1、2、3、4对比，窄缝天线的阻抗带宽得到明显提高，达到了48.3％。文献1的带宽为32.7％，文献1：W.Lu and L.Zhu，″A Novel Wideband Slotline Antenna with DualResonances:Principle and Design Approach,″in IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters，vol.14,pp.795-798,2015。文献2的带宽为32.5％，文献2：W.Lu andL.Zhu,″Wideband Stub-Loaded Slotline Antennas Under Multi-Mode ResonanceOperation,″in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.63,no.2,pp.818-823,Feb.2015。文献3的带宽为33.2％，文献3：C.Guo，W.Lu,Z.Zhang and L.Zhu,″Wideband non-traveling-wave triple-mode slotline antenna,″in IET Microwaves,Antennas&Propagation，vol.11,no.6,pp.886-891,12 5 2017。文献4的带宽为18.3％，4文献4：J.Lin and Q.Chu,″Increasing Bandwidth of Slot Antennas With CombinedCharacteristic Modes,″in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.66,no.6,pp.3148-3153,June 2018。
其次在保持窄缝特性的同时，与文献1、2、3、4对比，结构新颖，性能良好，易于制作，具有广阔的实际场景应用意义，再而，本天线结构简单，易于共形，能够给窄缝宽频缝隙天线的研究提供一定的参考。
如图2所示为缝隙天线的基础原型天线，图3所示该基础原型窄缝天线的回波损耗图。由图3可以看出该天线的带宽为2.31-2.74GHz(S11<10dB)，带宽仅为17％，带宽较窄。
本文设计的天线模型通过电磁仿真软件Ansoft HFss 13.0进行仿真优化。本发明设计的天线的回波损耗图如图4所示，回波损耗图随着缝隙宽度变化的特性如图5所示，在其余参数d＝17mm，L＝24.5mm，s＝30mm固定的情况下，由仿真结果可以发现，当w＝2mm时，在既保证窄缝特性的同时，也能够相对理想的回波损耗参数。
图6所示的是天线的回波损耗随着枝节(矩形枝节槽)的长度d的变化特性，如图7所示为天线的回波损耗随着枝节的位置变化的特性。根据多模谐振思想设计的天线在保持窄缝2mm的情况下，通过增加缝隙枝节的长度或者改变枝节的位置，能够有效的增加谐振回路，使得缝隙天线的带宽得到拓宽。由图6表明，当枝节长度为d＝10mm时，天线的回波损耗仅有3.02-3.17GHz小于-10dB，且效果不好，不能够满足通信要求。随着枝节长度的增加，不仅天线的带宽得到进一步提高，而且回波损耗整体上非常理想，天线性能得到明显改善。根据我们仿真的结果，选择d＝17mm作为设计的正三角环缝隙天线的枝节最佳尺寸。
从图7中，我们可以发现，天线枝节位置的不同，对于天线的回波损耗参数影响也比较大。缝隙枝节距离底边较远时(L＝15mm)，该天线成窄带特性，带宽范围为2.25-2.63GHz。距离靠近时，带宽有了明显的提高，当枝节位置距离底边L＝26.5mm时，天线的带宽范围为1.95-2.96GHz和3.11-3.40GHz。根据HFss仿真结果，最终我们确定的理想长度为L＝24.5mm。其他参数优化后，当L＝24.5mm时，天线的宽带范围为2.01-3.29GHz，相对带宽达到了48.3％，回波损耗S11最低能达到35dB以上。
为了进一步说明天线的整体性能，分别给出了2.4GHz、2.8GHz、3.1GHz电流分布图，如图8所示。从图8中，我们可以看出。在2.4GHz时候，电流主要分布在底边和两侧枝节上，2.4GHz的谐振模式主要由这两部分的电流产生。当随着频率提高到2.8GHz时，电流主要集中在等边三角环的顶角处和左侧枝节处。当谐振模式为3.2GHz时，此时谐振主要是底边右下角和右侧枝节辐射单元产生。
如图9所示，是本发明天线的(a)2.4GHz(b)2.8GHz(c)3.1GHz的E、H面方向图，从图中可以看出，本发明设计的天线辐射性能良好，辐射稳定。
如图10所示为本发明天线经过仿真的增益和效率图。可以看出，本发明设计的天线增益在贷款范围内均大于3.5db，整体的效率在95％以上。设计的天线能够满足实际场景的需求，能够应用到广泛的无线通信系统中。

Claims (1)

1.一种等边三角环结构缝隙宽带天线，其特征在于：包括介质基板，以及覆于该介质基板上的铜片（1），所述铜片（1）上开设等边三角环缝隙（2），同时在等边三角环缝隙（2）的两侧边分别向外对称开设矩形枝节槽（3），在底边上的馈电点（4）处通过非对称电流源馈电，正负极分别接等边三角环缝隙（2）的内边和外边；
所述介质基板采用介电常数为4.4，损耗角为0.027的FR4材质；
所述介质基板的长为65mm，宽为65mm，高为0.8mm；
所述矩形枝节槽（3）与等边三角环缝隙（2）的侧边垂直；
所述矩形枝节槽（3）的槽宽与等边三角环缝隙（2）的缝隙宽相等；
所述馈电点（4）位于所在底边距离中点6mm处，所述矩形枝节槽（3）的槽宽与等边三角环缝隙（2）的缝隙宽均为2mm，所述矩形枝节槽（3）的槽长为17mm，距离等边三角环缝隙（2）的外三角顶角的距离为24.5mm，所述等边三角环缝隙（2）的内三角边长为30mm。
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