CN111262033B - 一种超宽带微带天线及电路板组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种超宽带微带天线。包括基板，所述基板上设置有辐射贴片；所述辐射贴片包括辐射体；所述辐射体包括互相连接的第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为环状结构，且所述第一部分上设置有第一开口，第二部分上设置有第二开口。本发明通过采用了上述结构，具有超宽带、高增益、小型化和全向性好的优点。本发明有效工作频段为2.98‑22.26GHz，总带宽为19.28GHz，平均增益大于4dBi，尺寸为23mm x 34mm，在3.1GHz‑6GHz达到全向辐射特性。

Description

一种超宽带微带天线及电路板组件
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种超宽带微带天线。
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。
现有技术中实现超宽带天线常采用的结构有：渐变结构、分型结构、多谐振耦合结构方式等。但是现有的UWB技术实现的带宽通常为 3.1GHz-12GHz，UWB天线增益通常为2-4dBi。
公开号为CN109301471A，公开日为20190201的发明专利申请，公开了一种应用于铁路通信领域的小型化超宽带微带天线，包括基板、位于基板正面的辐射贴片以及位于基板背面的接地部，辐射贴片的中轴线与接地部的中轴线位于同一条直线上；辐射贴片包括依次连接的辐射体、渐变部以及馈电部；辐射体包括相互连接的第一部分和第二部分，第二部分为T型，渐变部为一体连接的矩形和倒置的等腰梯形，馈电部为细长矩形，接地部为凹型。该发明专利申请中公开的超宽带微带天线的平均增益也是2-4dBi左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带微带天线，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，本申请提供了一种超宽带微带天线，包括基板，所述基板上设置有辐射贴片；所述辐射贴片包括辐射体；所述辐射体包括互相连接的第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为环状结构，且所述第一部分上设置有第一开口，第二部分上设置有第二开口。
可选地，所述第一开口和第二开口分别设置于所述辐射贴片中轴线的两侧。
可选地，所述第一开口和第二开口均为扇形，且所述第一开口的张角为30度，所述第二开口的张角为35度。
可选地，所述第一部分和第二部分均为圆环状，且所述第一部分和第二部分的圆心重合。
可选地，所述第二部分设置在第一部分的内侧，且所述第一部分和第二部分通过连接节点相连。
可选地，所述连接节点包括第一连接节点和第二连接节点，所述第一连接节点和第二连接节点分别设置在所述第二部分的两端。
可选地，所述辐射贴片还包括馈电部，所述馈电部与第一部分相连，且馈电部的中轴线与基板的中轴线位于同一直线上。
可选地，所述基板上与辐射贴片相对的一侧设置有接地部，所述接地部的上方设置有凹槽，且所述凹槽的中轴线与基板的中轴线位于同一直线上。
可选地，所述馈电部的宽度与凹槽的宽度相同。
另一方面，本申请提供了一种电路板组件，其特征在于，所述电路板组件包括上述的超宽带微带天线。
本发明的有益效果为：
本发明通过采用了上述结构，具有超宽带、高增益、小型化和全向性好的优点。本发明有效工作频段为2.98-22.26GHz，总带宽为 19.28GHz，平均增益大于4dBi，尺寸为23mmx 34mm，在3.1GHz-6GHz 达到全向辐射特性。
本发明第一部分主要负责低频段天线谐振，第二部分负责高频段谐振；第一部分和第二部分距离很近，之间存在耦合，第一部分和第二部分之间还加入了两个连接节点，使得两部分之间可以互相调节。同时，由于耦合效应的出现，第一部分在低频谐振时，第二部分也会参与，起到阻抗调节作用。同理，在第二部分谐振时，第一部分也会起到调节作用，通过第一部分和第二部分相互组合的方式，最终实现带宽拓展。
本发明将天线谐振时所需的电长度用环形结构实现，这样相比于 T型、L型等方式，更加有利于小型化。同时在两个环形处设置开口部分，并加上部分连接，这样能够使得天线在同一环内实现多个谐振点的匹配。
本发明中的天线使用两个环形结构耦合，并在两个环形结构中有两处连接节点，使得天线在谐振时两个环结构可以起到相互调节作用，并能够扩展天线的表面电流经过天线贴片表面的长度，这样能够增大增益。
本发明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，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超宽带微带天线反面结构示意图；
图3为低频谐振时，本发明实施例中所述的超宽带微带天线能量分布图；
图4为高频谐振时，本发明实施例中所述的超宽带微带天线能量分布图；
图5为本发明实施例中所述的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3.1GHz频段的辐射方向图；
图8为4GHz频段的辐射方向图；
图9为5GHz频段的辐射方向图；
图10为6GHz频段的辐射方向图；
图11为7GHz频段的辐射方向图；
图12为8GHz频段的辐射方向图；
图13为9GHz频段的辐射方向图；
图14为10GHz频段的辐射方向图；
图15为10.6GHz频段的辐射方向图。
图中标记：1、基板；2、辐射贴片；21、辐射体；22、馈电部； 23、第一开口；24、第二开口；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；所述辐射贴片2包括辐射体21；所述辐射体21包括互相连接的第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为环状结构，且所述第一部分上设置有第一开口23，第二部分上设置有第二开口24。
所述基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为 1.524mm。
所述第一开口23和第二开口24分别设置于所述辐射贴片2中轴线的两侧。所述第一开口23和第二开口24均为扇形，且所述第一开口23的张角为30度，所述第二开口24的张角为35度。所述第一部分和第二部分均为圆环状，且所述第一部分和第二部分的圆心重合。
所述第二部分设置在第一部分的内侧，且所述第一部分和第二部分通过连接节点相连。所述连接节点包括第一连接节点和第二连接节点，所述第一连接节点和第二连接节点分别设置在所述第二部分的两端。
所述辐射贴片2还包括馈电部22，所述馈电部22与第一部分相连，且馈电部22的中轴线与基板1的中轴线位于同一直线上。所述基板1上与辐射贴片2相对的一侧设置有接地部3，所述接地部3的上方设置有凹槽，且所述凹槽的中轴线与基板1的中轴线位于同一直线上。所述馈电部22的宽度与凹槽的宽度相同。
本发明第一部分主要负责低频段天线谐振，第二部分负责高频段谐振；第一部分和第二部分距离很近，之间存在耦合，第一部分和第二部分之间还加入了两个连接节点，使得两部分之间可以互相调节。如图3所示，由于耦合效应的出现，第一部分在低频谐振时，第二部分也会参与，起到阻抗调节作用。同理，如图4所示，在第二部分谐振时，第一部分也会起到调节作用，通过第一部分和第二部分相互组合的方式，最终实现带宽拓展。从而使本发明有效工作频段为 2.98-22.26GHz，总带宽19.28GHz，远远高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。
本发明将天线谐振时所需的电长度用环形结构实现，这样相比于 T型、L型等方式，更加有利于小型化。同时在两个环形处设置开口部分，并加上部分连接，这样能够使得天线在同一环内实现多个谐振点的匹配。本实施例中提供的超宽带微带天线的尺寸为23mmx 34mm，而普通的超宽带微带天线的尺寸大都集中在25mm x 35mm。
本实施例中，所述第一部分的外径为10.14mm,内径为6.5mm，所述第二部分的外径为5.85mm，内径为3.25mm，所述馈电部22的长度为12.82mm，所述馈电部22和凹槽的宽度均为3.9mm，所述接地部3 的高度为11.7mm。
本发明中的天线使用两个环形结构耦合，并在两个环形结构中有两处连接节点，使得天线在谐振时两个环结构可以起到相互调节作用，并能够扩展天线的表面电流经过天线贴片表面的长度，这样能够增大增益，使本实施例中提供的超宽带微带天线的平均增益大于 4dB i，增益表如图6所示。
本发明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，全向性较好。如图7至图15所示，分别选取了3.1GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、10GHz和10.6GHz 的辐射方向图，从方向图中可见，本设计的方向图在3.1G-6G出达到全向辐射特性。在超宽带天线中，辐射方向图是根据实际应用的场景进行设计的，不同的场合需要不同的方向图。本设计的辐射方向图在全频段中基本能够实现全向辐射，满足要求。
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 (7)

1.一种超宽带微带天线，其特征在于，包括：
基板（1），所述基板（1）上设置有辐射贴片（2）；
所述辐射贴片（2）包括辐射体（21）；
所述辐射体（21）包括互相连接的第一部分和第二部分；
所述第一部分和第二部分均为环状结构，且所述第一部分上设置有第一开口（23），第二部分上设置有第二开口（24）；
所述第二部分设置在第一部分的内侧，且所述第一部分和第二部分通过连接节点相连；
所述连接节点包括第一连接节点和第二连接节点，所述第一连接节点和第二连接节点分别设置在所述第二部分的两端；
其中，所述超宽带微带天线的尺寸为23mm x 34mm；
所述基板（1）上与辐射贴片（2）相对的一侧设置有接地部（3），所述接地部（3）的上方设置有凹槽，且所述凹槽的中轴线与基板（1）的中轴线位于同一直线上；
穿过所述第一开口（23）与所述第一部分的圆心的直线，不穿过第二开口（24）。
2.根据权利要求1所述的超宽带微带天线，其特征在于：所述第一开口（23）和第二开口（24）分别设置于所述辐射贴片（2）中轴线的两侧。
3.根据权利要求1所述的超宽带微带天线，其特征在于：所述第一开口（23）和第二开口（24）均为扇形，且所述第一开口（23）的张角为30度，所述第二开口（24）的张角为35度。
4.根据权利要求1所述的超宽带微带天线，其特征在于：所述第一部分和第二部分均为圆环状，且所述第一部分和第二部分的圆心重合。
5.根据权利要求1所述的超宽带微带天线，其特征在于：所述辐射贴片（2）还包括馈电部（22），所述馈电部（22）与第一部分相连，且馈电部（22）的中轴线与基板（1）的中轴线位于同一直线上。
6.根据权利要求5所述的超宽带微带天线，其特征在于：所述馈电部（22）的宽度与凹槽的宽度相同。
7.一种电路板组件，其特征在于，所述电路板组件包括权利要求1-6中任意一项所述的超宽带微带天线。
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