CN111430920A - 超宽带天线及超宽带通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带天线及超宽带通信装置。其中，超宽带天线包括：介质基板、同轴馈线、两个辐射贴片以及若干集总电阻；其中：所述介质基板的几何中心设有通孔；两个所述辐射贴片以所述通孔为对称中心成中心对称并且两个所述辐射贴片之间无电气连接，其中，所述辐射贴片从边缘向内设有槽口；所述集总电阻加载在所述辐射贴片的末端；所述同轴馈线经由所述通孔分别与所述两个辐射贴片电气连接。本发明提供的超宽带天线采用领结形的结构，具有稳定的相位中心，此外，设有槽口的辐射贴片的末端加载有集总电阻，能够有效抑制时域信号末尾的振铃现象，可以进一步改善天线的时域性能，并且，还符合结构紧凑小型化的天线设计趋势。

Description

超宽带天线及超宽带通信装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带天线及超宽带通信装置。
背景技术
天线是无线通信系统中的关键部件，辐射电磁波和接收电磁波是天线在无线通信系统中发挥的关键作用。近年来，随着无线通信需求的增加以及通信速率的不断提高，超宽带通信也逐渐体现出它的优点，这使得与之相对应的天线设计也必须达到其带宽要求，而超宽带通信技术中的关键部件之一就是超宽带天线，这使得天线的超宽带技术也随之得到关注和发展。
目前，超宽带天线被广泛地用于探地雷达、穿墙雷达、医学成像和精确定位等系统中。对于窄脉冲通信系统，也即，基于窄脉冲的超宽带通信系统，由于其直接使用脉冲进行通信而需占用极大的带宽，并且天线性能的好坏直接关系到脉冲信号的收发。
常见的超宽带天线有行波天线、对数周期天线、等螺旋天线等，这些天线能够实现很宽的带宽，但是由于这类天线的相位中心不稳定，如果应用于窄脉冲超宽带通信系统，窄脉冲信号通过这类天线辐射时信号会发生畸变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中超宽带天线的相位中心不稳定的缺陷，提供一种超宽带天线及超宽带通信装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种超宽带天线，包括介质基板、同轴馈线、两个辐射贴片以及若干集总电阻；其中：
所述介质基板的几何中心设有通孔；
两个所述辐射贴片以所述通孔为对称中心成中心对称并且两个所述辐射贴片之间无电气连接，其中，所述辐射贴片从边缘向内设有槽口；
所述集总电阻加载在所述辐射贴片的末端；
所述同轴馈线经由所述通孔分别与所述两个辐射贴片电气连接。
较佳地，两个所述辐射贴片分别设于所述介质基板的两侧。
较佳地，所述辐射贴片的形状为圆形；
和/或，
所述槽口的形状为梯形；
和/或，
所述介质基板的形状为矩形；
所述槽口的朝向与所述介质基板的长边平行。
较佳地，所述超宽带天线还包括若干对金属贴片，所述金属贴片与所述辐射贴片采用相同材质；
每对金属贴片以所述通孔为对称中心成中心对称并且每对金属贴片中的一个金属贴片与另一个金属贴片之间无电气连接；
其中，所述金属贴片与所述辐射贴片相对设置并且所述金属贴片与所述辐射贴片分别设于所述介质基板的两侧。
较佳地，所述金属贴片的形状为矩形。
较佳地，所述超宽带天线还包括金属反射板；
所述金属反射板与所述同轴馈线设于所述介质基板的同侧，并且所述金属反射板所在平面与所述介质基板所在平面平行。
较佳地，所述金属反射板与所述介质基板之间的距离d满足：λ/12<d<5λ/12；
其中，λ表示所述超宽带天线在最低工作频率时对应的波长。
较佳地，d＝λ/4。
较佳地，所述介质基板采用FR-4(耐燃材料等级的代号)材料；
和/或，
所述同轴馈线与所述介质基板垂直。
一种超宽带通信装置，包括上述任一种超宽带天线。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的超宽带天线采用领结形的结构，可以具有稳定的相位中心，此外，本发明提供的超宽带天线在设有槽口的辐射贴片的末端加载有集总电阻，能够有效抑制时域信号末尾的振铃现象，可以进一步改善天线的时域性能，并且，本发明提供的超宽带天线还符合结构紧凑小型化的天线设计趋势，可以广泛应用于超宽带通信系统中。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的超宽带天线的结构示意图。
图2为图1示出的超宽带天线的侧视图。
图3为图1示出的超宽带天线中介质基板上表面的示意图。
图4为图1示出的超宽带天线中介质基板下表面的示意图。
图5为图1示出的超宽带天线在有无加载情况下的S11曲线图。
图6为图1示出的超宽带天线在有无金属反射板情况下的增益曲线图。
图7为图1示出的超宽带天线在不同距离d情况下的S11曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种超宽带天线，参见图1-图4，本实施例提供的超宽带天线包括介质基板1、辐射贴片21-22、金属贴片31-32、集总电阻41-44、同轴馈线5以及金属反射板6。
具体地，在本实施例中，介质基板1的几何中心设有通孔并且其形状可以为矩形，在本实施例中，介质基板可以采用FR-4材料。
在本实施例中，辐射贴片21与辐射贴片22的形状大小完全相同并且均从边缘向内设有形状大小完全相同的槽口，例如，辐射贴片21与辐射贴片22的形状可以为从边缘向内设有梯形槽口的圆形。进一步地，梯形槽口的朝向可以与介质基板1的长边平行，以实现本实施例超宽带天线的紧凑设计。
在本实施例中，辐射贴片21与辐射贴片22采用对跖形式，具体地，对跖形式可以体现在，辐射贴片21与辐射贴片22以通孔为对称中心成中心对称。并且，辐射贴片21与辐射贴片22之间无电气连接，具体地，辐射贴片21与辐射贴片22投影到介质基板1的同一表面上时，辐射贴片21与辐射贴片22之间设有间隙，其中，间隙的大小可以根据实际应用自定义设置。
进一步地，在本实施例中，辐射贴片21与辐射贴片22可以分别设于介质基板1的两侧，例如，辐射贴片21可以设于介质基板1的上表面，辐射贴片22可以设于介质基板2的下表面，以增加功率容量，并提升带宽宽度。
在本实施例中，金属贴片(31-32)与辐射贴片(21-22)采用相同材质。进一步地，金属贴片31与金属贴片32以通孔为对称中心成中心对称，并且，金属贴片31与金属贴片32之间无电气连接。其中，金属贴片(31-32)与辐射贴片(21-22)相对设置并且金属贴片(31-32)与辐射贴片(21-22)分别设于介质基板1的两侧。
具体地，参见图3和图4，金属贴片31与辐射贴片21相对设置，并且金属贴片31设于介质基板1的下表面而辐射贴片21设于介质基板1的上表面，以构成分布电容，金属贴片32与辐射贴片22相对设置，并且金属贴片32设于介质基板1的上表面而辐射贴片22设于介质基板1的下表面，以构成分布电容。
在本实施例中，分布电容的加载形式，可以改善超宽带天线的阻抗进而可以有效拓展超宽带天线的带宽，并且最终可以实现更好的宽带阻抗匹配。
进一步地，在本实施例中，金属贴片31与金属贴片32的形状大小完全相同，例如，金属贴片31与金属贴片32的形状可以为矩形。此外，应当理解，构成分布电容的矩形金属贴片的形状与数量可以根据实际应用自定义设置，本实施例不对此加以限制。
在本实施例中，集总电阻(41-44)加载在辐射贴片(21-22)的末端，具体地，参见图3和图4，在辐射贴片21的末端开槽以加载集总电阻41与集总电阻42，在辐射贴片22的末端开槽以加载集总电阻43与集总电阻44。
在本实施例中，加载集总电阻可以用于吸收超宽带天线末端的电流，以避免电流来回反射所形成的振铃现象，也即，可以有效抑制时域信号末尾的振铃现象，从而能够有效改善超宽带天线的时域性能。此外，应当理解，集总电阻的数量可以根据实际应用自定义设置，本实施例不对此加以限制。
在本实施例中，同轴馈线5经由通孔分别与两个辐射贴片电气连接，具体地，同轴馈线5的内外导体分别与辐射贴片21以及辐射贴片22电气连接。其中，同轴馈线5的阻抗可以根据实际应用自定义设置，例如，同轴馈线5的阻抗可以设置为50欧姆。进一步地，在本实施例中，同轴馈线5可以与介质基板1垂直，以便于应用在探地雷达、穿墙雷达、医学成像和精确定位等系统中。
在本实施例中，金属反射板6与同轴馈线5设于介质基板1的同侧(在本实施例中，设于介质基板1的下表面)，并且金属反射板6所在平面与介质基板1所在平面平行，从而能够实现超宽带天线的定向辐射，并提高其提高增益。此外，在本实施例中，金属反射板6与介质基板1之间的分立组合关系可以根据实际应用自定义设置，例如，金属反射板6可以经由柱形结构实现与介质基板1之间的固定连接，以便于本实施例的超宽带天线应用在探地雷达、穿墙雷达、医学成像和精确定位等系统中。
进一步地，在本实施例中，可以根据电磁场镜像原理来计算金属反射板6与介质基板1之间的距离d，此计算方法考虑的是窄带情况下的某个频点，从而对于宽带天线而言应该在一定范围内取舍。具体地，在本实施例中，金属反射板6与介质基板1之间的距离d可以设计为满足：λ/12<d<5λ/12，其中，λ表示本实施例中超宽带天线在最低工作频率时对应的波长。较佳地，在本实施例中，金属反射板6与介质基板1之间的距离d可以设计为d＝λ/4。在这个范围内，根据天线需满足的特性要求选定合理的距离。目的是使天线实现定向辐射的同时提高增益。
在本实施例中，当超宽带天线的工作在1GHz-3GHz时，有最低工作频率为1GHz，在该情形下，介质基板1的尺寸可以设计为100mm*60mm*2.54mm，辐射贴片(21-22)的半径可以设计为25mm，金属贴片(31-32)的尺寸可以设计为50mm*10.5mm，金属反射板6的尺寸可以设计为160mm*160mm*1mm。进一步地，在本实施例中，辐射贴片(21-22)以及与其相对设置的金属贴片(31-32)的几何中心可以设计为相距18.89mm，具体地，参见图3和图4，辐射贴片21与金属贴片31的几何中心可以设计为相距18.89mm，辐射贴片22与金属贴片32的几何中心可以设计为相距18.89mm。
本实施例的天线形式为对跖的领结，其本质等同于偶极子，所以可以将辐射贴片等同于偶极子的辐射臂，按照偶极子辐射原理，天线的尺寸等于工作频率所对应波长的二分之一，例如，在最低工作频率为1GHz时，天线辐射臂的理论长度需达到150mm。但在本实施例中，由于超宽带天线特殊的圆形开槽结构以及特殊的加载，改变了天线的电流分布，加长了有效电流长度，使得天线尺寸可以小于理论计算值，例如，在最低工作频率为1GHz时，天线的实际长度可以设计为100mm，也即，本实施例在一定程度上实现了天线的小型化。
此外，应当理解，对于不同的工作频率可以参照偶极子辐射原理计算出理论初值，然后结合特殊的加载调节天线尺寸，该天线尺寸和工作频率满足如下关系：工作频率越高，天线的尺寸越小。其中，工作频率可以根据所用的时域激励信号通过傅里叶变换得到的相对应的频谱分布选取。
参照图5，超宽带天线在加载的情况下(包括仅RC加载的情况以及带有反射板的RC加载的情况)相较于无任何加载情况下，在低频部分的匹配得到了明显改善，例如，在1GHz附近S11(输入反射系数，可以用于表示输入回波损耗)至少改善了3dB。本实施例提供的超宽带天线在带有反射板的RC加载的情况下，在1GHz-3GHz工作频段中，实现了S11小于-10dB的效果。
参照图6，超宽带天线在加载金属反射板的情况下相较于不加载金属反射板的情况下，天线增益得到了提高，具体地，在1GHz-3GHz工作频段中，实现了增益大于6dB的效果。此外，依据电场叠加原理，超宽带天线在加载金属反射板的情况下较之不加载金属反射板的情况下，其天线增益在理论上会增加3dB，而参照图6，天线增益并不是完全按照这个规律变化的，这主要是由于，宽带天线在不同频率下，电磁波在天线主体和金属反射板之间来回反射最终叠加的效果所导致的。此外，相比窄带的情况，宽带各个频率对理论计算的规律遵循程度要弱。
参照图7，随着距离d的逐渐增大，S11在工作频段内逐渐优化，考虑到工程应用中对天线尺寸的限定以及低剖面的要求，本实施例折中选取距离d为50mm。
本实施例提供的超宽带天线是一种基于集总电阻及分布电容的加载形式的超宽带领结天线，其具有稳定的相位中心，色散小，是一种非色散天线，从而其时域特性良好，对辐射信号的保真度高。并且，本实施例的超宽带天线还达到了超宽带、高增益以及波束定向辐射的效果。此外，本实施例提供的超宽带天线还符合结构紧凑小型化的天线设计趋势，可以广泛应用于超宽带通信系统中，例如，可以广泛应用于穿墙、探地雷达时域系统中。
实施例2
本实施例提供一种超宽带通信装置，具体地，本实施例的超宽带通信装置可以包括实施例1提供的超宽带天线，从而，本实施例的超宽带通信装置，由于其中的超宽带天线具有稳定的相位中心与良好的时域特性，还达到了超宽带、高增益以及波束定向辐射的效果，而实现了性能的提升。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超宽带天线，其特征在于，包括介质基板、同轴馈线、两个辐射贴片以及若干集总电阻；其中：
所述介质基板的几何中心设有通孔；
两个所述辐射贴片以所述通孔为对称中心成中心对称并且两个所述辐射贴片之间无电气连接，其中，所述辐射贴片从边缘向内设有槽口；
所述集总电阻加载在所述辐射贴片的末端；
所述同轴馈线经由所述通孔分别与所述两个辐射贴片电气连接。
2.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，两个所述辐射贴片分别设于所述介质基板的两侧。
3.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述辐射贴片的形状为圆形；
和/或，
所述槽口的形状为梯形；
和/或，
所述介质基板的形状为矩形；
所述槽口的朝向与所述介质基板的长边平行。
4.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述超宽带天线还包括若干对金属贴片，所述金属贴片与所述辐射贴片采用相同材质；
每对金属贴片以所述通孔为对称中心成中心对称并且每对金属贴片中的一个金属贴片与另一个金属贴片之间无电气连接；
其中，所述金属贴片与所述辐射贴片相对设置并且所述金属贴片与所述辐射贴片分别设于所述介质基板的两侧。
5.如权利要求4所述的超宽带天线，其特征在于，所述金属贴片的形状为矩形。
6.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述超宽带天线还包括金属反射板；
所述金属反射板与所述同轴馈线设于所述介质基板的同侧，并且所述金属反射板所在平面与所述介质基板所在平面平行。
7.如权利要求6所述的超宽带天线，其特征在于，所述金属反射板与所述介质基板之间的距离d满足：λ/12<d<5λ/12；
其中，λ表示所述超宽带天线在最低工作频率时对应的波长。
8.如权利要求7所述的超宽带天线，其特征在于，所述距离d取值为λ/4。
9.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板采用FR-4材料；
和/或，
所述同轴馈线与所述介质基板垂直。
10.一种超宽带通信装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的超宽带天线。
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