CN111555022A - 一种单陷波的平面印刷超宽带天线 - Google Patents

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肖夏
佘东东
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Abstract

本发明涉及一种单陷波的平面印刷超宽带天线，为双面印刷平面结构，包括印刷你在介质基板上的天线正面和天线背面，天线背面为中空地板，所述的天线正面包括馈电微带和辐射区，馈电微带为长条形，是实现传输线和天线匹配的单元。其特征在于，所述的辐射区的分为四个部分，第一部分为与馈电微带相连并比其更窄的长条形；第二部分为形似喇叭的梯形，远离馈电微带的梯形底边大于靠近馈电微带的梯形底边；第三部分和第四部分中间开口的矩形，第四部分的中间开口大于第三部分的中间开口；在馈电微带的上部和辐射区的第一部分之间开设有U形陷波槽。

Description

一种单陷波的平面印刷超宽带天线
技术领域
本发明涉及一种天线。
背景技术
现代无线通讯技术发展迅速，设备基数庞大，可用信号频带资源趋于紧张，为了满足不断增长的无线电子设备需求，各类射频器件的工作频带逐渐向高频拓宽。适用于复杂高频环境的超宽带(UWB)技术，相对于窄带技术，具有能耗低，精度高，速率快，穿透性好等优势，而且超宽带的带宽大，信道容量远高于窄带信号通道，具备廉价高性能特点的超宽带(UWB)技术发展前途可观。
收发信号的天线质量优劣直接决定了无线通讯设备工作的效率高低。天线设计的灵活性，使得超宽带(UWB)技术广泛应用于在无线通讯、材料检测、微波感知成像等领域。现有的用于无线通讯的频带信号，比如5.725-5.850GHz范围的ISM频段信号，可能会对超宽带频段(3.1-10.6GHz)的信号造成干扰，为了滤除特定频带信号干扰，常规的宽带通讯系统都有滤波器的存在。
如果在天线上设计陷波效果，阻断了信号干扰存在的频带，在设备整体集成设计以及优化方向将带来极大的便利，节约相当大的滤波成本。所以，在超宽带天线上进行陷波处理，抑制干扰频段信号，实现无源滤波的天线集成，在超宽带天线的设计中成为一个重要的技术节点。
开槽陷波是通过在辐射贴片上设计各类形状的陷波槽，改变陷波槽线两端的电流分布，使得电流方向相反，抑制该频段的电磁辐射。开设陷波槽通常不会影响天线的工作频带内的整体性能，各种结构的不同的天线需要根据辐射面的不同，开设合适的陷波槽。
发明内容
本发明的目的是，提供一种单陷波的平面印刷超宽带天线，技术方案如下：
一种单陷波的平面印刷超宽带天线，为双面印刷平面结构，包括印刷你在介质基板上的天线正面和天线背面，天线背面为中空地板，所述的天线正面包括馈电微带和辐射区，馈电微带为长条形，是实现传输线和天线匹配的单元；其特征在于，所述的辐射区的分为四个部分，第一部分为与馈电微带相连并比其更窄的长条形；第二部分为形似喇叭的梯形，远离馈电微带的梯形底边大于靠近馈电微带的梯形底边；第三部分和第四部分中间开口的矩形，第四部分的中间开口大于第三部分的中间开口；在馈电微带的上部和辐射区的第一部分之间开设有U形陷波槽。
优选地:
所述U形陷波槽的槽宽为0.1mm。
所述天线的正面的印刷图形为图1所示的图形。
所述天线平面尺寸为25mm×25mm。
天线的几何尺寸参数为辐射区第四部分长度L1＝2mm,第四部分中间开口矩形的宽度W1＝8.3mm,辐射区第三部分和第四部分长度之和L2＝5mm,第三部分中间开口矩形宽度W2＝3mm,辐射区第二部分梯形高度L3＝3mm,辐射区第三部分和第四部分的宽度均为W3＝10.3mm,辐射区第一部分长度
L4＝2mm,辐射区第一部分宽度W4＝1mm,馈电微带长度L5＝5mm,馈电微带宽度W5＝2.1mm。
U形陷波槽长度L6＝6.85mm,U形陷波槽两个边之间的间距W6＝0.58mm。
本发明的有益效果如下：
(1)采用此种超宽带天线结构和陷波槽设计，天线的工作频带增益稳定，方向性也得到保证，可以顺利进行信号电磁波的发射与接收。
(2)天线在阻带范围工作时，设计的陷波槽在该频带使得天线阻抗失配，能有效地将信号反射回传输线，从而不影响工作频带信号在空中的传输。同样在接收信号时，不会受该频段外界信号的影响。
(3)天线整体增益较高，工作频带的增益都在3dBi以上，可以有效地用于无线通讯，工作频带的方向性良好，有利于信号的定向传输与能量辐射。
附图说明
图1该天线的正面结构示意图
图2该天线的反面结构示意图
图3该天线的S11特性曲线
图4该天线在2GHz时的方向图
图5该天线在5.8GHz时的方向图
图6该天线在8GHz时的方向图
图7该天线在10GHz时的方向图
具体实施方式
本专利提出一种单陷波的平面印刷超宽带天线，适用于3.1-10.6GHz频率范围，在5.2-6.2GHz的频带内具备陷波特性，在3.1-5.2以及6.2-10.6GHz的工作频带内具有稳定的天线增益，能有效发射和接收高频信号。该天线在工作频带内的方向性良好，发射的电磁波能量集中，能高效地发射和接收电磁波。具备覆盖5.725-5.850GHz的ISM频段的阻带特性，此天线可应用于处于该频段信号干扰环境的无线超宽带通信及微波无损检测。
此天线为双面印刷平面结构，印刷在介电常数为4.3的FR-4介质基板上，整体尺寸为25mm×25mm×1.6mm，图1是此款超宽带天线正面结构示意图，图2是天线的反面结构示意图。此天线为双面印刷的三层结构，介质基板的正面和背面分别为金属的辐射贴片和地板面，图1及图2的深色部分即为印刷的金属平面。天线的几何尺寸参数为L＝W＝25mm,L1＝2mm,W1＝8.3mm,L2＝5mm,W2＝3mm,L3＝3mm,W3＝10.3mm,L4＝2mm,W4＝1mm,L5＝5mm,W5＝2.1mm,L6＝6.85mm,W6＝0.58mm,L7＝2.65mm,W7＝0.5mm,L8＝5.3mm,W8＝4.2mm,L9＝6.1mm,W9＝1mm,L10＝7.1mm,L11＝5.6mm。
该天线正面由馈电微带1和辐射区2组成，馈电微带是实现传输线和天线匹配的单元，微带线传输的波形为准TEM波，信号失真较小，能将电磁波传递到辐射区2，使天线的辐射不受馈电部分连接器(比如同轴连接)的影响。从辐射区2的上部到馈电微带1的下部设置近似U形的陷波槽，陷波槽的宽度为0.1mm。背面为中空地板，中空结构有利于于天线的增益增强和维持良好的方向性。
图3给出了天线的S11参数图，在3.1-10.6GHz的超宽带频率范围里，除有陷波效果的5.8GHz处频带外，其余频率均在-10dB以下，具有良好的匹配效果，能量传输效率较高。陷波的频段为5.6-6.1GHz，覆盖了5.725-5.850GHz的ISM频段，符合工作要求。
图4、图5、图6、图7是天线分别在4GHz、5.8GHz、8GHz和10GHz的辐射方向图,。5.8GHz频点为陷波频率点，其余为工作频点。工作频点的方向图近似于偶极子天线的哑铃状形状，各工作频率点的方向性和增益均良好，天线在这些频率均有大于3dBi的稳定增益，并且天线的主瓣较宽，副瓣小，提高了信号传输的效率。
通过调节陷波槽的尺寸，来调节陷波深度和陷波带宽，可以保证天线在不同频率的陷波环境要求，此规格的单陷波超宽带天线在3.1-10.6GHz的整体工作频带内，在5.8GHz的ISM频段信号干扰环境下，可以有效发射和接收超宽带信号。最终天线在4GHz、8GHz和10GHz的主瓣方向上的增益分别达到了3.19dBi、3.82dBi、4.92dBi，而3dB增益角宽分别为82.4°、88.4°和51.1°，电磁波可以在辐射区域内有效覆盖，且在主瓣方向功率密度集中，便于电磁信号的定向发射与接收。

Claims (6)

1.一种单陷波的平面印刷超宽带天线，为双面印刷平面结构，包括印刷你在介质基板上的天线正面和天线背面，天线背面为中空地板，所述的天线正面包括馈电微带和辐射区，馈电微带为长条形，是实现传输线和天线匹配的单元。其特征在于，所述的辐射区的分为四个部分，第一部分为与馈电微带相连并比其更窄的长条形；第二部分为形似喇叭的梯形，远离馈电微带的梯形底边大于靠近馈电微带的梯形底边；第三部分和第四部分中间开口的矩形，第四部分的中间开口大于第三部分的中间开口；在馈电微带的上部和辐射区的第一部分之间开设有U形陷波槽。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述U形陷波槽的槽宽为0.1mm。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线的正面的印刷图形为图1所示的图形。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述天线平面尺寸为25mm×25mm。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，天线的几何尺寸参数为辐射区第四部分长度L1＝2mm,第四部分中间开口矩形的宽度W1＝8.3mm,辐射区第三部分和第四部分长度之和L2＝5mm,第三部分中间开口矩形宽度W2＝3mm,辐射区第二部分梯形高度L3＝3mm,辐射区第三部分和第四部分的宽度均为W3＝10.3mm,辐射区第一部分长度L4＝2mm,辐射区第一部分宽度W4＝1mm,馈电微带长度L5＝5mm,馈电微带宽度W5＝2.1mm。
6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，U形陷波槽长度L6＝6.85mm,U形陷波槽两个边之间的间距W6＝0.58mm。
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