CN110474161A - 一种缝隙加载微带结构的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缝隙加载的微带结构超宽带天线，包括介质基板，介质基板的顶层安装有矩形微带辐射贴片、阶梯阻抗微带贴片和微带馈线，介质基板的底层对应位于微带馈线的位置安装有矩形微带接地板，阶梯阻抗微带贴片用于矩形微带辐射贴片和微带馈线的阻抗变化的过渡连接；阶梯阻抗微带贴片位于微带馈线一侧的边加载两条轴对称的I型缝隙结构；矩形微带辐射贴片位于阶梯阻抗微带贴片一侧的边加载有两条轴对称的L型缝隙结构。本发明的微带结构超宽带天线加载的L型缝隙结构和I型缝隙结构,可有效地提高微带天线的工作带宽、改善带内特性、提高天线方向图的稳定性，具有较高的天线增益，并易于集成和生产制造。

Description

一种缝隙加载微带结构的超宽带天线
技术领域
本发明涉及微带天线领域，尤其涉及一种缝隙加载微带结构的超宽带天线。
背景技术
自从美国联邦通信委员会(FCC,Federal Communications Commission)宣布商业通信应用超宽带系统的频带为3.1-10.6GHz,超宽带技术开始引起越来越多专家学者和工程技术人员的关注。
随着通信技术的发展，超宽带技术已经用于各种雷达和通信系统中。很多无线设备必须同时提供声音、图像和数据等服务，这种需求要求我们提供能够覆盖不同频带和通信系统的超宽带天线。对于超宽带系统，天线设计必须为宽频带，结构紧凑和全向辐射。
传统的对数周期结构和螺旋天线是一个立体结构，通过从天线不同部分辐射不同频率分量实现超宽带特性。像矩形单极结构和圆柱单极结构的超宽带天线不是平面结构，不能和电路板集成以及和设备共形。如文献1：M.J.Ammann and N.C.Zhi.Widebandmonopole antennas for multi-band wireless systems[J].IEEE Antennas PropagMag,2003,45(2):146-150；
文献2：Z.N.Chen,M.Y.W.Chia and M.J.Ammann.Optimization and comparisonof broadband monopoles[J].IEE Proceedings:Microwaves,Antennas andPropagation,2003,150(6):429-435。
目前，蓝牙，WLAN，可穿戴设备等通信系统都是共存的，无线设备必须同时提供声音、图像和数据等服务，每个通信系统使用单独的接收和发射天线会使电路复杂，体积增大。为了使设备结构紧凑，要求能够提供覆盖不同频带和通信系统的超宽带天线。
因此，超宽带天线的发展趋向于小型平面天线的开发，以便和设备共形或者集成到PCB板上，主要应用于可穿戴设备，低功耗设备当中。这方面已公开的如文献3：Q.Wu,R.Jin,J.Geng and M.Ding.Compact CPW-fed quasi-circular monopole with verywide bandwidth[J].Electronics Letters,2007,43(2):69-70；
文献4：R.B.V.B.Simorangkir,A.Kiourti and K.P.Esselle.UWB WearableAntenna With a Full Ground Plane Based on PDMS-Embedded Conductive Fabric[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2018,17(3):493-496。
专利200610053978.X公开了一种圆盘单极天线加人工电磁介质材料的超宽带天线，但是此种结构需要打过孔到接地板，工艺复杂。而且电压驻波比差，带内性能非常不好。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单、工作频率超宽、面积较小的辐射特性一致的微带结构的超宽带天线。
为实现上述目的，本发明提供了一下方案：
一种缝隙加载的微带结构超宽带天线，包括介质基板，所述介质基板包括顶层和底层，介质基板的顶层安装有微带辐射贴片和微带馈线，介质基板的底层对应微带馈线的位置安装有矩形微带接地板；所述微带辐射贴片包括矩形辐射贴片和阶梯阻抗微带贴片，所述阶梯阻抗微带贴片用于所述矩形辐射贴片和微带馈线的阻抗变化的过渡连接；所述阶梯阻抗微带贴片和所述矩形辐射贴片是以所述微带馈线的中心线为轴的轴对称结构；
所述阶梯阻抗微带贴片的较窄微带位于微带馈线一侧的边加载两条轴对称的I型缝隙结构；所述矩形微带辐射贴片位于阶梯阻抗微带一侧的边加载有两条轴对称的L型缝隙结构。
进一步的，所述阶梯阻抗微带贴片为一阶阶梯阻抗微带结构，包括一宽一窄两个微带段。
进一步的，所述阶梯阻抗微带贴片的较窄的一侧和微带馈线连接。
进一步的，所述L型缝隙结构包括L型缝隙深入矩形微带辐射贴片的第一纵向长度和L型缝隙在矩形微带辐射贴片内弯折的第一横向长度，其中第一横向长度小于等于第一纵向长度。
进一步的，所述I型缝隙结构包括I型缝隙深入阶梯阻抗微带结构的第二纵向长度，所述第二纵向长度小于等于所处的阶梯阻抗微带贴片的微带段的长度。
进一步的，矩形微带接地板其和阶梯阻抗微带贴片之间的所述缝隙结构的宽度与介质基板的厚度相当。
进一步的，所述介质基板的材质为氟系介质基板或陶瓷基板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的微带结构超宽带天线加载的L型缝隙结构和I型缝隙结构,可有效地提高微带天线的工作带宽、改善带内特性、提高天线方向图的稳定性，具有较高的天线增益。
同时，本发明的超宽带天线采用微带结构，易于集成，便于通信设备的小型化，满足通信、探测、测速、测距、成像等应用，同时实施简单，加工容易，工艺复杂度低，可有效降低生产成本。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的天线结构的后视图(a)、正视图(b)和侧视图(c)。
图2是本发明一种实施方式的天线实物照片。
图3是本发明一种实施方式的回波损耗仿真和测试数据图。
图4是本发明一种实施方式的驻波比仿真和测试数据图。
图5是本发明一种实施方式的天线E面方向图仿真和测试数据图(4GHz)。
图6是本发明一种实施方式的天线H面方向图仿真和测试数据图(4GHz)。
图7是本发明一种实施方式的天线E面方向图仿真和测试数据图(8GHz)。
图8是本发明一种实施方式的天线H面方向图仿真和测试数据图(8GHz)。
图9是本发明一种实施方式的天线E面方向图仿真和测试数据图(12GHz)。
图10是本发明一种实施方式的天线H面方向图仿真和测试数据图(12GHz)。
图11是本发明一种实施方式的天线增益测试数据图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1的(a)(b)(c)所示，本发明公开了一种平面微带超宽带天线的实施例。它包括介质基板1，介质基板1的顶层安装有微带辐射贴片和微带馈线4，位于微带馈线4下面的介质基板1的底层安装有矩形微带接地板3；微带辐射贴片包括矩形微带辐射贴片2和阶梯阻抗(SIR-Step impedance resonator)微带结构的阶梯阻抗微带贴片7，阶梯阻抗微带贴片7用于矩形微带辐射贴片2和微带馈线4的阻抗变化的过渡连接；阶梯阻抗微带贴片7和矩形微带辐射贴片2是以微带馈线4的中心线为轴的轴对称结构；阶梯阻抗微带贴片7位于微带馈线4一侧的边加载两条轴对称的I型缝隙结构6；矩形微带辐射贴片2位于微带馈线4一侧的边加载有两条轴对称的L型缝隙结构5。
在本实施例中，L型缝隙结构和I型缝隙结构的作用是拓展微带天线的工作带宽、改善带内特性、提高天线方向图的稳定性。
阶梯阻抗微带贴片7用于改善天线的阻抗特性。
优选的，阶梯阻抗微带贴片7是一个相对微带馈线的轴线对称的一阶阶梯阻抗微带结构，包括一宽一窄两段微带。
进一步的，阶梯阻抗微带贴片7的较窄的一侧和微带馈线连接。
在本实施例中，介质基板1的材质选用RO4350B基板，RO4350B基板为一种陶瓷基高频基板(简称陶瓷基板)，适用于超宽带的平面微带天线。其中，介质基板1厚度为h＝0.508mm，相对介电常数εr＝3.66，铜箔厚度(即微带的厚度)为0.035μm。
需要说明的是，介质基板1并不局限于实施例所采用的介质基板的材质、厚度和相对介电常数，还适用氟系介质基板或其它陶瓷基板等高频基板。
在本实施例中，L型缝隙结构5的缝隙宽度为Wslot1＝0.5mm，纵向长度Hslot1＝2mm，横向长度Lslot1＝1mm。其余结构参数H3＝2.5mm，L3＝1.465mm，H4＝2.5mm，L4＝4mm，Wslot2＝0.5mm，Hslot2＝2.4mm微带馈线的宽度w＝1.07mm。
优选的，L型缝隙结构5的横向长度Lslot1小于等于纵向长度Hslot1，否则将会使天线的带内特性恶化。
需要说明的是，L型缝隙结构5不局限于实施例所给出的尺寸，也可以选择不同的尺寸，以调节、优化天线的工作带宽、增益和方向图特性。
L型缝隙结构5和轴线的相对距离会改变带宽大小，影响带内特性的变化，也会改变增益的值，但不会改变天线的方向图形状。
优选的，I型缝隙结构6的I型缝隙的长度Hslot2不会超出其所在的阶梯阻抗微带贴片的微带段，即I型缝隙的长度Hslot2小于等于所在微带段的长度H4。该I型缝隙结构6进一步提升超宽带天线的高频带宽；同时I型缝隙小于等于所在微带的长度H4,可避免天线的输入阻抗在高频带宽中变差。
需要说明的是，I型缝隙结构6不局限于实施例所给出的尺寸，也可以选择不同的尺寸，以调节、优化天线的带宽、增益和方向图特性。
阶梯阻抗微带贴片7为二阶阶梯阻抗微带结构，其中H3、L3、H4、L4用于调节阶梯阻抗微带贴片7的阻抗带宽和带内反射特性。
在微带馈线4对应的介质基板1的底面的矩形微带接地板3，其宽度和介质基板1的宽度相同；矩形微带接地板3其和阶梯阻抗微带贴片7之间形成一缝隙结构，该缝隙结构的宽度S(即阶梯阻抗微带贴片7和微带馈线4的间距)为0.6mm。此间距是天线带宽，增益两参数最佳的状态，优选的，缝隙结构的宽度S和介质基板1的宽度相当。如果宽度S加宽，则改变低频端的截止频率将向高频端移动，带宽减小，同时增益也会减小；当介质板底面的矩形微带接地板3和介质板顶层的阶梯阻抗微带贴片7重叠的时候，天线宽带特性将减小或完全消失。
微带馈线4直接延伸到介质基板1的板边，直接通过微带导体连接上一级电路或射频连接器实现馈电。
图2是所述实施例的实物照片。图3是天线回波损耗的仿真和测试结果，回波损耗小于-10dB的带宽范围为2.82GHz到13.45GHz。实测结果2.39GHz到13.78GHz，工作带宽较宽。图4是天线电压驻波比VSWR的仿真测试结果，仿真的驻波比VSWR<2的频带从2.67GHz到13.52GHz，实测的频带从2.39GHz到13.57GHz，驻波比性能较好。
图5-10分别是本发明实施例在不同工作频率上的方向图。图5和图6分别是工作频率为4GHz时xoz平面和yoz平面的方向图；图7和图8分别是工作频率为8GHz时xoz平面和yoz平面的方向图；图9和图10分别是工作频率为12GHz时xoz平面和yoz平面的方向图；实施例中xoz平面近似为定向辐射，yoz平面近似为全向辐射，方向图特性一致性较好。
图11为本发明实施例的测试增益曲线，天线的峰值增益Gain在2.74-13.05GHz频带内在1.95-6.19dBi范围内波动，达到了较高的增益值。
本发明的微带结构超宽带天线加载的L型缝隙结构和I型缝隙结构,可有效地提高微带天线的工作带宽、改善带内特性、提高天线方向图的稳定性，具有较高的天线增益。
同时，本发明的超宽带天线采用微带结构，易于集成，便于通信设备的小型化，满足通信、探测、测速、测距、成像等应用，同时实施简单，加工容易，工艺复杂度低，可有效降低生产成本。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种缝隙加载的微带结构超宽带天线，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)包括顶层和底层，介质基板(1)的顶层安装有微带辐射贴片和微带馈线(4)，介质基板(1)的底层对应微带馈线(4)的位置安装有矩形微带接地板(3)；其特征在于：
所述微带辐射贴片包括矩形辐射贴片(2)和阶梯阻抗微带贴片(7)，所述阶梯阻抗微带贴片(7)用于所述矩形辐射贴片(2)和微带馈线(4)的阻抗变化的过渡连接；所述阶梯阻抗微带贴片(7)和所述矩形辐射贴片(2)是以所述微带馈线(4)的中心线为轴的轴对称结构；
所述阶梯阻抗微带贴片(7)位于微带馈线(4)一侧的边加载两条轴对称的I型缝隙结构(6)；
所述矩形微带辐射贴片(2)位于阶梯阻抗微带(7)一侧的边加载有两条轴对称的L型缝隙结构(5)。
2.如权利要求1所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述阶梯阻抗微带贴片(7)为一阶阶梯阻抗微带结构，包括一宽一窄两个微带段。
3.如权利要求2所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述阶梯阻抗微带贴片(7)的较窄的一侧和微带馈线(4)连接。
4.如权利要求1所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述L型缝隙结构(5)包括L型缝隙深入矩形微带辐射贴片(2)的第一纵向长度(Hslot1)和L型缝隙在矩形微带辐射贴片内弯折的第一横向长度(Lslot1)，其中第一横向长度(Lslot1)小于等于第一纵向长度(Hslot1)。
5.如权利要求1所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述I型缝隙结构(6)包括I型缝隙深入阶梯阻抗微带贴片(7)的第二纵向长度(Hslot2)，所述第二纵向长度(Hslot2)小于等于所处的阶梯阻抗微带贴片(7)的微带段的长度(H4)。
6.如权利要求1所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述矩形微带接地板和阶梯阻抗微带贴片之间的所述第三缝隙结构的宽度(S)和所述介质基板(1)的厚度相当。
7.如权利要求1所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(1)为氟系介质基板或陶瓷基板。
8.如权利要求7所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述介质基板为RO4350B基板，所述RO4350B基板为一种陶瓷基板。
9.如权利要求8所述的微带结构超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(1)的厚度(h)为0.508mm，相对介电常数(εr)为3.66；所述L型缝隙结构5的第一缝隙宽度(Wslot1)为0.5mm，第一纵向长度(Hslot1)为2mm，第一横向长度Lslot1为1mm；所述I型缝隙结构的第一缝隙宽度(Wslot2)为0.5mm，第二纵向长度(Hslot2)为2.4mm；所述微带馈线(4)的宽度(w)为1.07mm；所述第三缝隙结构的宽度(S)为0.6mm。
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