CN111211415A - 一种小型化超宽带微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种小型化超宽带微带天线。包括基板，基板上设置有辐射贴片和接地部；所述辐射贴片包括单极子和耦合结构；所述耦合结构包括第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分分别设置在基板的两面；所述第一部分包括第二子贴片、两个互相平行的第一子贴片和两个互相平行的第三子贴片，所述两个第一子贴片和两个互相平行的第三子贴片分别设置于第二子贴片的两侧；所述第二部分为U型结构。本发明中的超宽带微带天线，尺寸仅为20mm x 34mm，具有较小的尺寸，且在减少尺寸的情况下，还具有超宽带、高增益和全向性好的优点。本发明有效工作频段为3.05‑11.08GHz，总带宽为8GHz，平均增益高于5dBi，峰值为8.2dBi，在3.1GHz‑6GHz达到全向辐射特性。

Description

一种小型化超宽带微带天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种小型化超宽带微带天线。
背景技术
微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线有细长带条形式的微带振子天线，也有面积单元形式的，其面积单元可以等效为一个谐振腔，在其谐振频率附近即工作频段内获得良好的辐射特性。虽然目前对于微带天线的研究和应用已经很成熟，然而对于微带天线电磁散射特性的分析研究还有许多值得研究的问题。
超宽带通讯技术起源于20世纪50年代末期，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着当代无线通信技术的飞速发展，人们对高速无线互连提出了更高的要求，超宽带技术的民用化又被重新提出，并受到人们的关注。超宽带通常是指信号绝对带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25％的脉冲信号。超宽带与常见的通信方式使用的连续载波不同，它采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽可高达几个GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps至Gbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，这对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽而不干扰现有的其它通讯系统。
超宽带天线工作带宽大，适用于宽带通信以及脉冲通信等场景。在超宽带天线中，重要的衡量指标有：带宽、增益以及方向图。根据不同的应用场合还需控制天线的尺寸，尺寸更小的天线占用的空间就小，更能够适应要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化超宽带微带天线，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面，本申请提供了一种小型化超宽带微带天线，包括基板，所述基板上设置有辐射贴片和接地部；所述辐射贴片包括单极子和耦合结构；所述耦合结构包括第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分分别设置在基板的两面；所述第一部分包括第二子贴片、两个互相平行的第一子贴片和两个互相平行的第三子贴片，所述两个第一子贴片和两个互相平行的第三子贴片分别设置于第二子贴片的两侧；所述第二部分为U型结构。
可选地，所述两个第一子贴片分别设置在第二子贴片的两端；且所述两个第一子贴片分别与第二子贴片垂直。
可选地，所述单极子和第一部分设置在基板的同一面上，且所述单极子设置在两个第三子贴片之间。
可选地，所述第一部分和第二部分均设置在基板的上部，所述单极子和接地部均设置在基板的下部。
可选地，所述第一部分、第二部分、单极子和接地部的中轴线均与基板的中轴线位于同一直线上。
可选地，所述第二部分包括第五子贴片和两个互相平行的第四子贴片，所述两个第四子贴片分别设置于第五子贴片的两端。
可选地，所述接地部与所述第二部分设置在基板的同一面上，所述接地部的上方设置有凹槽。所述凹槽的为矩形凹槽，其尺寸为6.6x3.2mm。
可选地，所述基板为矩形印刷电路板，且基板的尺寸为20mm x34mm；所述接地部的宽度为5.5mm，长度为20mm。
可选地，所述两个第一子贴片之间的间距是7.8mm，所述第一子贴片的宽度是5.5mm，长度是14mm；所述第三子贴片的长度是4.7mm；所述第四子贴片为17.35x2.4的矩形，所述两个第四子贴片之间的间距为1.9mm；所述单极子的长度为17.2mm。
另一方面，本发明提供了一种电路板组件，所述电路板组件包括上述的小型化超宽带微带天线。
本发明的有益效果为：
本发明中的超宽带微带天线，尺寸仅为20mm x 34mm，具有较小的尺寸，且在减少尺寸的情况下，还具有超宽带、高增益和全向性好的优点。本发明有效工作频段为3.05-11.08GHz，总带宽为8GHz，平均增益高于5dBi，峰值为8.2dB i，在3.1GHz-6GHz达到全向辐射特性。
本发明中的天线以单极子部分为基础，在其上方的天线耦合结构实现扩展带宽的目的，其中耦合结构包含两部分，其一是基板正面的第一部分；其二是背面的U型结构的第二部分。在3.1-6G频段，天线表面电流主要集中在单极子部分，耦合结构在起到阻抗体调节作用，上面有表面电流分布，但能量小于单极子。在6-10.6GHz频段处，天线表面电流分布逐渐上移至耦合结构部分，此时单极子部分同样也作为天线工作，同时也起到调节作用。采用此种结构，天线的低频段谐振点由单极子为主，耦合结构起调节作用进行实现；在高频阶段，天线的高频段谐振点由单极子和耦合结构共同实现。最终实现3.1G-10.6GHz匹配。
实现小型化是一个多方面综合的过程，包括对宽带阻抗匹配的设计，本申请中小型化是采用单极子组合耦合结构进行实现的，低频段由表面电流能够通过耦合在单极子和耦合结构中流动；高频部分，电流能够在单极子和耦合结构中都形成谐振路径。最终能够将天线的尺寸控制在1/4-1/2波长之间。
本申请中天线的增益高于普通微带超宽带天线的增益，属于高增益范畴。其增益的提升的实现方式为：在低频段而言，天线的表面电流分布以单极子部分为主，耦合结构起调节作用。耦合结构相当于是表面电流的延伸，增加了电流的有效电长度，进而实现高增益的效果。在高频段而言，此时天线的辐射由单极子和耦合结构共同实现，且能量分布相当。表面电流在单极子和耦合结构上都形成由谐振电流，天线的辐射相当于这两部分的组合，但其辐射场之间存在耦合，部分点增强，部分点削弱，该天线通过调节两结构的放置位置，最终实现增益增加。
本申请中的天线辐射的基本方式按照单极子天线设计，其辐射方向图与单极子天线类似，其3.1-6G处天线结构介于四分之一与二分之一波长之间，全向性较好。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中所述的小型化超宽带微带天线正面结构示意图；
图2为本发明实施例中所述的小型化超宽带微带天线反面结构示意图；
图3为在3.1-6G频段时，天线表面能量分布图；
图4为在6-10.6GHz频段时，天线表面能量分布图；
图5为本发明实施例中所述的小型化超宽带微带天线超宽带阻抗匹配曲线图；
图6为本发明实施例中所述的超宽带微带天线增益表；
图7为在低频段时，天线表面电流分布图；
图8为在高频段时，天线表面电流分布图；
图9为3.1GHz频段的辐射方向图；
图10为4GHz频段的辐射方向图；
图11为5GHz频段的辐射方向图；
图12为6GHz频段的辐射方向图；
图13为7GHz频段的辐射方向图；
图14为8GHz频段的辐射方向图；
图15为9GHz频段的辐射方向图；
图16为10GHz频段的辐射方向图；
图17为10.6GHz频段的辐射方向图。
图中标记：1、基板；2、辐射贴片；21、单极子；22、耦合结构；221、第一部分；2211、第一子贴片；2212、第二子贴片；2213、第三子贴片；222、第二部分；2221、第四子贴片；2222、第五子贴片；3、接地部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
一方面，如图1和图2所示，本实施例提供了一种小型化超宽带微带天线，所述天线包括基板1，所述基板1上设置有辐射贴片2和接地部3；所述辐射贴片2包括单极子21和耦合结构22；所述耦合结构22包括第一部分221和第二部分222；所述第一部分221和第二部分222分别设置在基板1的两面；所述第一部分221包括第二子贴片2212、两个互相平行的第一子贴片2211和两个互相平行的第三子贴片2213，所述两个第一子贴片2211和两个互相平行的第三子贴片2213分别设置于第二子贴片2212的两侧；所述第二部分222为U型。
所述基板1的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm。
所述两个第一子贴片2211分别设置在第二子贴片2212的两端；且所述两个第一子贴片2211分别与第二子贴片2212垂直。
所述单极子21和第一部分221设置在基板1的同一面上，且所述单极子21设置在两个第三子贴片2213之间。
所述第一部分221和第二部分222均设置在基板1的上部，所述单极子21和接地部3均设置在基板1的下部。
所述第一部分221、第二部分222、单极子21和接地部3的中轴线均与基板1的中轴线位于同一直线上。
所述第二部分(221)包括第五子贴片2222和两个互相平行的第四子贴片2221，所述两个第四子贴片2221分别设置于第五子贴片2222的两端。
所述接地部3与所述第二部分222设置在基板1的同一面上，所述接地部3的上方设置有凹槽。所述凹槽的为矩形凹槽，其尺寸为6.6x3.2mm。
所述基板1为矩形印刷电路板，且基板1的尺寸为20mm x 34mm；所述接地部3的宽度为5.5mm，长度为20mm。
所述两个第一子贴片2211之间的间距是7.8mm，所述第一子贴片2211的宽度是5.5mm，长度是14mm；所述第三子贴片2213的长度是4.7mm；所述第四子贴片2221为17.35x2.4的矩形，所述两个第四子贴片2221之间的间距为1.9mm；所述单极子21的长度为17.2mm。
本发明中的超宽带微带天线，尺寸仅为20mm x 34mm，具有较小的尺寸，且在减少尺寸的情况下，还具有超宽带、高增益和全向性好的优点。本发明有效工作频段为3.05-11.08GHz，总带宽为8GHz，平均增益高于5dBi，峰值为8.2dBi，在3.1GHz-6GHz达到全向辐射特性。
本实施例中的小型化超宽带微带天线的有效工作频段为3.05-11.08GHz，大于超宽带天线规定的工作带宽为3.1-10.6GHz频段，如图5所示，S11通常要求低于-10dB，即低于-10dB的部分能够算作有效带宽。本设计天线大部分工作频段部分能够低于-15dB，匹配良好，在微带超宽带天线匹配中达到中等水准。
本发明中的天线以单极子21部分为基础，在其上方的天线耦合结构22实现扩展带宽的目的，其中耦合结构22包含两部分，其一是基板1正面的第一部分221；其二是背面的U型结构的第二部分222。如图3所示，在3.1-6G频段，天线表面电流主要集中在单极子21部分，耦合结构22在起到阻抗体调节作用，上面有表面电流分布，但能量小于单极子21。如图4所示，在6-10.6GHz频段处，天线表面电流分布逐渐上移至耦合结构22部分，此时单极子21部分同样也作为天线工作，同时也起到调节作用。采用此种结构，天线的低频段谐振点由单极子21为主，耦合结构22起调节作用进行实现；在高频阶段，天线的高频段谐振点由单极子21和耦合结构22共同实现。最终实现3.1G-10.6GHz匹配。
实现小型化是一个多方面综合的过程，包括对宽带阻抗匹配的设计，本申请中小型化是采用单极子21组合耦合结构22进行实现的，低频段由表面电流能够通过耦合在单极子21和耦合结构22中流动；高频部分，电流能够在单极子21和耦合结构22中都形成谐振路径。最终能够将天线的尺寸控制在1/4-1/2波长之间。
如图6所示，本申请中天线的增益高于普通微带超宽带天线的增益，属于高增益范畴。其增益的提升的实现方式为：在低频段而言，天线的表面电流分布以单极子21部分为主，耦合结构22起调节作用。如图7所示，可以看出，耦合结构22相当于是表面电流的延伸，增加了电流的有效电长度，进而实现高增益的效果。在高频段而言，此时天线的辐射由单极子21和耦合结构22共同实现，且能量分布相当。如图8所示，可以看出，表面电流在单极子21和耦合结构22上都形成由谐振电流，天线的辐射相当于这两部分的组合，但其辐射场之间存在耦合，部分点增强，部分点削弱，该天线通过调节两结构的放置位置，最终实现增益增加。
如图9至图17所示，本申请中的天线辐射的基本方式按照单极子21天线设计，其辐射方向图与单极子21天线类似，其3.1-6G处天线结构介于四分之一与二分之一波长之间，全向性较好。
另一方面，本实施例提供了一种电路板组件，所述电路板组件包括上述的小型化超宽带微带天线。
本发明实施例提供的电路板组件，其实现原理及产生的技术效果和前述小型化超宽带微带天线实施例相同，为简要描述，电路板组件部分实施例部分未提及之处，可参考前述小型化超宽带微带天线实施例中相应内容。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种小型化超宽带微带天线，其特征在于，包括：
基板(1)，所述基板(1)上设置有辐射贴片(2)和接地部(3)；
所述辐射贴片(2)包括单极子(21)和耦合结构(22)；
所述耦合结构(22)包括第一部分(221)和第二部分(222)；
所述第一部分(221)和第二部分(222)分别设置在基板(1)的两面；
所述第一部分(221)包括第二子贴片(2212)、两个互相平行的第一子贴片(2211)和两个互相平行的第三子贴片(2213)，所述两个第一子贴片(2211)和两个互相平行的第三子贴片(2213)分别设置于第二子贴片(2212)的两侧；
所述第二部分(222)为U型结构。
2.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述两个第一子贴片(2211)分别设置在第二子贴片(2212)的两端；且所述两个第一子贴片(2211)分别与第二子贴片(2212)垂直。
3.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述单极子(21)和第一部分(221)设置在基板(1)的同一面上，且所述单极子(21)设置在两个第三子贴片(2213)之间。
4.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述第一部分(221)和第二部分(222)均设置在基板(1)的上部，所述单极子(21)和接地部(3)均设置在基板(1)的下部。
5.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于:所述第一部分(221)、第二部分(222)、单极子(21)和接地部(3)的中轴线均与基板(1)的中轴线位于同一直线上。
6.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述第二部分(222)包括第五子贴片(2222)和两个互相平行的第四子贴片(2221)，所述两个第四子贴片(2221)分别设置于第五子贴片(2222)的两端。
7.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述接地部(3)与所述第二部分(222)设置在基板(1)的同一面上，所述接地部(3)的上方设置有凹槽。
8.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述基板(1)为矩形印刷电路板，且基板(1)的尺寸为20mm x 34mm；所述接地部(3)的宽度为5.5mm，长度为20mm。
9.根据权利要求1所述的小型化超宽带微带天线，其特征在于：所述两个第一子贴片(2211)之间的间距是7.8mm，所述第一子贴片(2211)的宽度是5.5mm，长度是14mm；所述第三子贴片(2213)的长度是4.7mm；所述第四子贴片(2221)为17.35x2.4的矩形，所述两个第四子贴片(2221)之间的间距为1.9mm；所述单极子(21)的长度为17.2mm。
10.一种电路板组件，其特征在于，所述电路板组件包括权利要求1-9中任意一项所述的小型化超宽带微带天线。
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