CN111276808A - 一种全向超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种全向超宽带天线，包括矩形介质基板(1)、天线贴片层(2)、金属接地层(3)和馈电端口(4)；所述天线贴片层(2)包括辐射贴片(21)和微带馈线(22)；所述微带馈线(22)的一端与辐射贴片(21)相连，其另一端与所述馈电端口(4)相连；所述金属接地层(3)包括接地板(31)和第一、第二开路枝节(32、33)；所述接地板(31)为矩形，其一个长边与所述介质基板(1)的一个短边平齐且其中点与所述馈电端口(4)相连，其另一个长边的两端分别与第一、第二开路枝节(32、33)相连。本发明的全向超宽带天线，高频处方向图恶化程度小、在整个工作频带内都保持良好的辐射特性、性能稳定。

Description

一种全向超宽带天线
技术领域
本发明属于超宽带天线技术领域，特别是一种全向辐射、高频处方向图恶化程度小、在整个工作频带内都保持良好的辐射特性、性能稳定的全向超宽带天线。
背景技术
超宽带天线是超宽带无线通信系统设备的关键部件。随着高速电子集成电路的快速发展，为适应小型集成化的需求，具有质量轻、体积小、剖面低、易于集成等优点的超宽带单极子天线成为了当前的研究重点，在无线通信系统中获得了广泛应用。
然而由于单极子天线结构的简化，天线在获得更宽、更精准的频带范围的同时，也带来了很多辐射性能方面的问题。例如中国发明专利说明书“一款分形超宽带天线”(申请号：201410586712.6，公开日：2017-03-01)所述，该天线辐射单元为分形迭代的金属贴片，由此产生超宽带特性，又采用了蚀刻长方形槽的梯形金属地板用以阻抗匹配。天线具有超宽带、多频工作、驻波比小等优点。但是其在2.5GHz、6.5GHz、9.75GHz的E、H面方向图显示，该天线在高频处(9.75GHz)的方向图形状产生畸变。又如中国发明专利说明书“一种具有低截止频率的紧凑型超宽带天线”(申请号：201410021845.9，公开日：2016-04-20)所述，该发明采用在接地板和圆形贴片上分别挖去缝隙的方式实现了超宽带、低截止频率以及体积紧凑的特性。但根据该发明天线仿真的E、H面方向图示意图显示，整个频带内天线方向图都有较为严重的裂瓣问题，辐射方向不完整。
总之，现有超宽带单极子天线由于金属地板与辐射贴片之间耦合作用对天线性能的影响，导致辐射方向图表现不佳，无法满足电磁信号的有效辐射，尤其在其主要辐射方向的高频端上会产生裂瓣或者出现凹陷，无法全向辐射。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术存在的不足，提供一种全向超宽带天线，该天线工作带宽覆盖3-12GHz，同时通过在接地板上加载开路枝节，改善金属地板与辐射贴片之间的耦合作用，降低高频处方向图的恶化，通频带内实现全向辐射。
实现本发明目的的技术方案为：
一种全向超宽带天线，包括矩形介质基板1、贴覆于所述介质基板1上表面的天线贴片层2、贴于所述介质基板1下表面的金属接地层3和置于所述介质基板1一短边侧面的馈电端口4；所述天线贴片层2包括辐射贴片21和微带馈线22；所述微带馈线22的一端与辐射贴片21相连，其另一端与所述馈电端口4相连；所述金属接地层3包括接地板31和第一、第二开路枝节32、33；所述接地板31为矩形，其一个长边与所述介质基板1的一个短边平齐且其中点与所述馈电端口4相连，其另一个长边的两端分别与第一、第二开路枝节32、33相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明采用特殊形状的五边形金属片作为辐射单元，整个工作频带范围内保持良好的阻抗匹配。
2、本发明通过在接地板上加载开路枝节，改变电流分布，有效改善金属地板与辐射贴片之间的耦合作用，从而调整天线方向图，在高频端主要辐射方向上方向图无裂瓣，通频带内实现全向辐射。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明全向超宽带天线的结构示意图。
图2为本发明实例的回波损耗仿真与实测结果。
图3为3GHz频率下，本发明实例的E、H面方向图仿真(图左)与实测(图右)结果对比图。
图4为6GHz频率下，本发明实例的E、H面方向图仿真(图左)与实测(图右)结果对比图。
图5为10GHz频率下，本发明实例的E、H面方向图仿真(图左)与实测(图右)结果对比图。
图中，矩形介质基板1、天线贴片层2、金属接地层3、馈电端口4；辐射贴片21、微带馈线22；接地板31、第一开路枝节32、第二开路枝节33；等腰三角形金属片211、等腰梯形金属片212；第一金属微带线321、直角三角形第一金属片322、第二金属微带线331、直角三角形第二金属片332。
具体实施方式
如图1所示，本发明全向超宽带天线，包括矩形介质基板1、贴覆于所述介质基板1上表面的天线贴片层2、贴于所述介质基板1下表面的金属接地层3和置于所述介质基板1一短边侧面的馈电端口4；
所述天线贴片层2包括辐射贴片21和微带馈线22；
所述微带馈线22的一端与辐射贴片21相连，其另一端与所述馈电端口4相连；
所述金属接地层3包括接地板31和第一、第二开路枝节32、33；
所述接地板31为矩形，其一个长边与所述介质基板1的一个短边平齐且其中点与所述馈电端口4相连，其另一个长边的两端分别与第一、第二开路枝节32、33相连。
本发明中，外接输入信号从所述馈电端口4进入，通过微带馈线22、辐射贴片21，再通过辐射贴片21与接地层3的耦合，实现对天线的馈电。本发明通过改变接地板结构，改变了金属地板与辐射贴片的耦合，从而改善天线高频端的方向图，实现全向辐射。
优选地，如图1所示，所述第一开路枝节32包括第一金属微带线321和直角三角形第一金属片322；
所述第一金属片322的直角顶点与所述介质基板1的直角顶点重合，其第一斜角顶点与所述第一金属微带线321的一端相连，所述第一金属微带线321的另一端与所述接地板31的一个长边的一端相连。
所述第二开路枝节33包括第二金属微带线331和直角三角形第二金属片332；
所述第二金属片332的直角顶点与所述介质基板1的直角顶点重合，其第一斜角顶点与所述第二金属微带线331的一端相连，所述第二金属微带线331的另一端与所述接地板31的一个长边的一端相连；
所述第二金属片332的第二斜角顶点与所述第一金属片322的第二斜角顶点之间设有间隙。
所述第二开路枝节33与第一开路枝节32关于所述矩形介质基板1两窄边中点的连线对称。
上述特殊形状的开路枝节，提供了更长的电流路径，改变接地层的电流分布，有效改善金属地板与辐射贴片之间的耦合作用，进而进一步调节天线方向图。
优选地，所述馈电端口4为50欧姆SMA转接头。优选地，所述辐射贴片21为五边形金属贴片，所述微带馈线22的一端与所述辐射贴片21的一边中点相连，另一端与所述馈电端口4相连。
所述辐射贴片21包括等腰三角形金属片211和等腰梯形金属片212；所述等腰三角形金属片211底边与所述等腰梯形金属片212下底边长度相等且重合；所述微带馈线22的一端与所述等腰梯形金属片212上顶边中点相连。
所述等腰三角形金属片211与所述等腰梯形金属片212的高度之和，为天线带宽的最低截止频率所对应有效波长的四分之一；
所述等腰梯形金属片212的高度为天线带宽的最高截止频率所对应有效波长的四分之一。
所述等腰三角形金属片211与所述等腰梯形金属片212的高度是与天线上下频率相关的关键指标，上述形状的辐射贴片负责提供整个频带的工作带宽，实现超宽带特性。
所述等腰梯形金属片212上、下底边长度之比为1:3，所述等腰梯形金属片212上底边长度等于所述等腰梯形金属片212的高度。等腰梯形金属片212上底边长是使天线在整个工作频带范围内保持良好输入阻抗的关键参数，通过优化该参量可以调节匹配阻抗。
优选地，所述介质基板1材料为FR4，厚度为1mm，介电常数为4.4。
这验证本发明的技术效果，下面以具体实施例加以说明。
实施例中各单元具体尺寸如下：
等腰三角形金属片211底边：21mm，高度：17.5mm；
等腰梯形金属片212上底边：9mm，下底边：21mm，高度：7mm；
微带馈线22长边：11mm，短边：1.5mm；
接地板31长边：41mm，短边：10mm；
第一、第二金属微带线321、331长度：35mm，宽度：0.5mm；
直角三角形第一、第二金属片322、332长直角边：20mm，短直角边：11.5mm；
仿真和实测结果分别如图2-图5所示。图2为回波损耗仿真和实测结果图，从图2可看出天线工作在3-12GHz，且阻抗匹配良好；图3-图5分别为3GHz、6GHz、10GHz频率时E、H面方向图的仿真(图左)与实测(图右)结果，可以看出，三个频率下，天线E面方向图均呈“8”字形，水平、竖直面方向图均全向，且主辐射方向不随频率变化而改变，高频处方向图恶化程度小。仿真结果与实际结果基本一致。
综上所述，本发明一种全向超宽带天线，通过在接地板上加载开路枝节，改变电流分布，有效改善金属地板与辐射贴片之间的耦合作用，从而调整天线方向图。最终设计出一个在高频端主要辐射方向上方向图无裂瓣，通频带都全向辐射的全向超宽带天线，对现代无线电超宽带通信系统有重要的实际应用意义。

Claims (9)

1.一种全向超宽带天线，其特征在于：
包括矩形介质基板(1)、贴覆于所述介质基板(1)上表面的天线贴片层(2)、贴于所述介质基板(1)下表面的金属接地层(3)和置于所述介质基板(1)一短边侧面的馈电端口(4)；
所述天线贴片层(2)包括辐射贴片(21)和微带馈线(22)；
所述微带馈线(22)的一端与辐射贴片(21)相连，其另一端与所述馈电端口(4)相连；
所述金属接地层(3)包括接地板(31)和第一、第二开路枝节(32、33)；
所述接地板(31)为矩形，其一个长边与所述介质基板(1)的一个短边平齐且其中点与所述馈电端口(4)相连，其另一个长边的两端分别与第一、第二开路枝节(32、33)相连。
2.根据权利要求1所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述第一开路枝节(32)包括第一金属微带线(321)和直角三角形第一金属片(322)；
所述第一金属片(322)的直角顶点与所述介质基板(1)的直角顶点重合，其第一斜角顶点与所述第一金属微带线(321)的一端相连，所述第一金属微带线(321)的另一端与所述接地板(31)的一个长边的一端相连。
3.根据权利要求2所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述第二开路枝节(33)包括第二金属微带线(331)和直角三角形第二金属片(332)；
所述第二金属片(332)的直角顶点与所述介质基板(1)的直角顶点重合，其第一斜角顶点与所述第二金属微带线(331)的一端相连，所述第二金属微带线(331)的另一端与所述接地板(31)的一个长边的一端相连；
所述第二金属片(332)的第二斜角顶点与所述第一金属片(322)的第二斜角顶点之间设有间隙。
4.根据权利要求3所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述第二开路枝节(33)与第一开路枝节(32)关于所述矩形介质基板(1)两窄边中点的连线对称。
5.根据权利要求1至4之一所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述馈电端口(4)为50欧姆SMA转接头。
6.根据权利要求1至4之一所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述辐射贴片(21)为五边形金属贴片，所述微带馈线(22)的一端与所述辐射贴片(21)的一边中点相连，另一端与所述馈电端口(4)相连。
7.根据权利要求6所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述辐射贴片(21)包括等腰三角形金属片(211)和等腰梯形金属片(212)；所述等腰三角形金属片(211)底边与所述等腰梯形金属片(212)下底边长度相等且重合；所述微带馈线(22)的一端与所述等腰梯形金属片(212)上顶边中点相连。
8.根据权利要求7所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述等腰三角形金属片(211)与所述等腰梯形金属片(212)的高度之和，为天线带宽的最低截止频率所对应有效波长的四分之一；
所述等腰梯形金属片(212)的高度为天线带宽的最高截止频率所对应有效波长的四分之一。
9.根据权利要求8所述的全向超宽带天线，其特征在于：
所述等腰梯形金属片(212)上、下底边长度之比为1:3，所述等腰梯形金属片(212)上底边长度等于于所述等腰梯形金属片(212)的高度。
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