CN112018510A - 一种超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种超宽带天线，包括：天线辐射体、介质基板和接地层；所述天线辐射体包括：高频段辐射枝节、U型中频段辐射枝节、U型低频段辐射枝节及馈电结构；由于中频段辐射枝节及低频段辐射枝节均采用U型结构，且高频段辐射枝节、中频段辐射枝节及低频段辐射枝节之间内嵌连接，因此，可以在保证天线辐射体中的电流路径长度满足工作频段要求的前提下，使天线辐射体的尺寸能够更小，进而使得接地层尺寸也能够更小。

Description

一种超宽带天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种超宽带天线。

背景技术

超宽带(Ultra Wideband，UWB)技术是一种无载通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传编数据。近年来，基于UWB技术的UWB天线由于具有功耗低、穿透性强及定位精度高等优点，逐渐成为天线研究的热点。

目前，相关的UWB天线，如图1所示，包括：介质基板11、位于介质基板11一面的天线辐射体及位于介质基板11另一面的接地层12，其中，天线辐射体中包括：圆单极子13和圆单极子微带线馈线14。

为满足工作频段要求，需要使得辐射体中的电流路径达到一定长度，如果采用图1所示的天线结构制作天线，那么辐射体的尺寸就需要做的比较大，相应的，天线总体结构及位于介质基板另一面的接地层尺寸也比较大，整个天线的尺寸也较大，如图1所示，该天线的长度为40mm，宽度为35mm，厚度为1.6mm。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种超宽带天线，以使辐射体的尺寸能够做的更小。具体技术方案如下：

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种超宽带天线，所述天线包括：

天线辐射体、介质基板和接地层；

所述天线辐射体固定连接于所述介质基板的一面上；

所述接地层固定连接于所述介质基板的另一面上；

所述天线辐射体包括：高频段辐射枝节、U型中频段辐射枝节、U型低频段辐射枝节及馈电结构；

所述高频段辐射枝节内嵌于所述U型中频段辐射枝节内部，且所述高频段辐射枝节的底端与所述U型中频段辐射枝节的U型内底端连接；

所述U型中频段辐射枝节内嵌于所述U型低频段辐射枝节内部，且所述U型中频段辐射枝节通过其外底端延伸出的连接部与所述U型低频段辐射枝节的U型内底端连接；

所述馈电结构与所述U型低频段辐射枝节的外底端连接，形成天线辐射体。

进一步的，所述高频段辐射枝节，包括：顶部的圆形部分和与所述顶部的圆形部分相连的矩形部分；

所述高频段辐射枝节的矩形部分的下端作为所述高频段辐射枝节的底部与所述U型中频段辐射枝节的U型内底部连接。

进一步的，所述U型低频段辐射枝节的两侧为锯齿形结构。

进一步的，所述馈电结构，包括：第一矩形馈电结构和第二矩形馈电结构，所述第一矩形馈电结构和第二矩形馈电结构上下相连，形成阶梯状结构；

所述第一矩形馈电结构的上端与所述U型低频段辐射枝节的外底端连接，第二馈电结构的底端延伸至所述介质基板的底端。

进一步的，所述高频段辐射枝节的对称轴、所述U型中频段辐射枝节的对称轴、所述馈电结构的对称轴和所述U型低频段辐射枝节的对称轴均重合。

进一步的，所述介质基板为矩形基板；

所述高频段辐射枝节的顶端、所述U型中频段辐射枝节的顶端以及所述U型低频段辐射枝节的顶端，均与所述介质基板的顶边相切；

所述U型低频段辐射枝节的两外侧分别与所述介质基板的两个侧边相切；

所述馈电结构的底端与所述介质基板的底边相切。

进一步的，所述接地层固定连接于所述介质基板的另一面上且位置与所述馈电结构相对应；

所述接地层为在固定连接于所述介质基板上的矩形接地结构中分别剪切掉上下排布且部分重合的第一半圆和第二半圆，形成的接地层；所述矩形接地结构是从所述介质基板的底边向上延伸预设高度形成的；

所述第一半圆的直径大于所述第二半圆的直径，所述第一半圆和第二半圆的对称轴与所述高频段辐射枝节的对称轴、所述U型中频段辐射枝节的对称轴均、所述馈电结构的对称轴及所述U型低频段辐射枝节的对称轴均重合；

所述第一半圆的直线边与所述矩形接地结构的上边缘重合。

本发明实施例提供的超宽带天线，包括：天线辐射体、介质基板和接地层；所述天线辐射体固定连接于所述介质基板的一面上；所述接地层固定连接于所述介质基板的另一面上；所述天线辐射体包括：高频段辐射枝节、U型中频段辐射枝节、U型低频段辐射枝节及馈电结构；所述高频段辐射枝节内嵌于所述U型中频段辐射枝节内部，且所述高频段辐射枝节的底端与所述U型中频段辐射枝节的U型内底端连接；所述U型中频段辐射枝节内嵌于所述U型低频段辐射枝节内部，且所述U型中频段辐射枝节通过其外底端延伸出的连接部与所述U型低频段辐射枝节的U型内底端连接；所述馈电结构与所述U型低频段辐射枝节的外底端连接，形成天线辐射体。由于中频段辐射枝节及低频段辐射枝节均采用U型结构，且高频段辐射枝节、中频段辐射枝节及低频段辐射枝节之间内嵌连接，因此，可以在保证天线辐射体中的电流路径长度满足工作频段要求的前提下，使天线辐射体的尺寸能够更小，进而使得接地层尺寸也能够更小，整个天线的尺寸也能够更小。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为相关技术的UWB天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的UWB天线的一种结构示意图；

图3a为图2所示UWB天线中天线辐射体的结构示意图；

图3b为图2所示UWB天线的侧视图；

图3c为图2所示UWB天线中接地层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的UWB天线的回波损耗曲线图；

图5为本发明实施例提供的UWB天线在3GHz频段时的辐射方向图；

图6为本发明实施例提供的UWB天线在4GHz频段时的辐射方向图；

图7为本发明实施例提供的UWB天线在5GHz频段时的辐射方向图；

图8为本发明实施例提供的UWB天线在6GHz频段时的辐射方向图；

图9为本发明实施例提供的UWB天线在7GHz频段时的辐射方向图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为了使辐射体的尺寸能够做的更小，本发明实施例提供了一种超宽带天线。

参见图2，该天线包括：

天线辐射体21、介质基板22和接地层23；

所述天线辐射体21固定连接于所述介质基板22的一面上；

所述接地层23固定连接于所述介质基板22的另一面上；

所述天线辐射体21包括：高频段辐射枝节211、U型中频段辐射枝节212、U型低频段辐射枝节213及馈电结构214；

所述高频段辐射枝节211内嵌于所述U型中频段辐射枝节212内部，且所述高频段辐射枝节211的底端与所述U型中频段辐射枝节212的U型内底端连接；

所述U型中频段辐射枝节212内嵌于所述U型低频段辐射枝节213内部，且所述U型中频段辐射枝节212通过其外底端延伸出的连接部与所述U型低频段辐射枝节213的U型内底端连接；

所述馈电结构214与所述U型低频段辐射枝节213的外底端连接，形成天线辐射体21。

具体的，本发明实施例中UWB天线的工作频段可以从3GHz覆盖至6.85GHz，其中，高频段辐射枝节211主要用于进行天线的高频段(6GHz-6.85GHz)阻抗匹配调节，U型中频段辐射枝节212主要用于进行天线的中频段(3.8GHz-6GHz)阻抗匹配的调节，U型低频段辐射枝节213主要用于进行天线的低频段(3GHz-3.8GHz)阻抗匹配的调节。

本发明实施例提供的UWB天线，由于中频段辐射枝节及低频段辐射枝节均采用U型结构，且高频段辐射枝节、中频段辐射枝节及低频段辐射枝节之间内嵌连接，因此，可以在保证天线辐射体中的电流路径长度满足工作频段要求的前提下，使天线辐射体的尺寸能够更小，进而使得接地层尺寸也能够更小，整个天线的尺寸也能够更小。

进一步的，由于接地层尺寸大小会对天线的全向性产生影响，具体的，接地层尺寸越大，天线的全向性越差，又由于本发明实施例可以使得接地层尺寸更小，因此，本发明实施例还可以提升天线的全向性。

进一步的，参见图3a，所述高频段辐射枝节211，包括：顶部的圆形部分2111和与所述顶部的圆形部分相连的矩形部分2112；

所述高频段辐射枝节211的矩形部分2112的下端作为所述高频段辐射枝节211的底部与所述U型中频段辐射枝节212的U型内底部连接。

本发明实施例中，高频段辐射枝节211顶部的圆形部分2111的直径可以为3～4mm，矩形部分2112的宽度可以为1～2mm，矩形部分2112的长度可以为7～9mm，矩形部分2112的长宽比约为8:1，高频段辐射枝节211顶部的圆形部分2111的直径与矩形部分2112的宽度的比值约为3:1。

进一步的，U型低频段辐射枝节213的两侧为锯齿形结构。

具体的，U型低频段辐射枝节213两侧的锯齿形结构的宽度可以为1～2mm，U型底部宽度可以为2～3mm，U型中频段辐射枝节212的宽度可以为2～3mm，U型低频段辐射枝节213两侧的锯齿形结构的宽度与U型底部宽度的比值约为1:2。U型中频段辐射枝节212的宽度可以与U型低频段辐射枝节213的U型底部宽度相同。

将U型低频段辐射枝节213的两侧设计为锯齿形结构，可以进一步的增加电流路径，进而可以在保证天线辐射体中的电流路径长度满足工作频段要求的前提下，进一步降低天线辐射体的尺寸。

进一步的，参见图2和图3a，所述馈电结构214，包括：第一矩形馈电结构2141和第二矩形馈电结构2142，所述第一矩形馈电结构2141和第二矩形馈电结构2142上下相连，形成阶梯状结构；

所述第一矩形馈电结构2141的上端与所述U型低频段辐射枝节213的外底端连接，第二馈电结构2142的底端延伸至所述介质基板22的底端。

本实施例中，将馈电结构214设计为由第一矩形馈电结构2141和第二矩形馈电结构2142上下相连而成的阶梯状结构，有助于实现天线在整个工作频段中的50Ω阻抗匹配，从而降低天线的回波损耗。

进一步的，如图2和图3a所示，本实施例中的天线辐射体21为对称结构，具体的，所述高频段辐射枝节211的对称轴、所述U型中频段辐射枝节212的对称轴、所述馈电结构214的对称轴和所述U型低频段辐射枝节213的对称轴均重合。

进一步的，如图2和图3a所示，所述介质基板22可以为矩形基板；

所述高频段辐射枝节211的顶端、所述U型中频段辐射枝节212的顶端以及所述U型低频段辐射枝节213的顶端，均与所述介质基板22的顶边相切；

所述U型低频段辐射枝节213的两外侧分别与所述介质基板22的两个侧边相切；

所述馈电结构214的底端与所述介质基板22的底边相切。

进一步的，如图2和图3b所示，所述接地层23固定连接于所述介质基板22的另一面上且位置与所述馈电结构214相对应；

如图2和图3c所示，所述接地层23为在固定连接于所述介质基板22上的矩形接地结构231中分别剪切掉上下排布且部分重合的第一半圆232和第二半圆233，形成的接地层；所述矩形接地结构231是从所述介质基板22的底边向上延伸预设高度形成的。

具体的，上述预设高度可以小于或者等于所述馈电结构中第二馈电结构2142的高度。

本实施例中，接地层23也可以为对称结构，具体的，所述第一半圆232的直径大于所述第二半圆233的直径，所述第一半圆232和第二半圆233的对称轴与所述高频段辐射枝节211的对称轴、所述U型中频段辐射枝节212的对称轴均、所述馈电结构214的对称轴及所述U型低频段辐射枝节213的对称轴均重合；

所述第一半圆232的直线边与所述矩形接地结构231的上边缘重合。

将接地层23设计为在固定连接于介质基板22上的矩形接地结构231中分别剪切掉相嵌的第一半圆232和第二半圆233的形状，有助于实现天线在整个工作频段中的50Ω阻抗匹配，从而降低天线的回波损耗。本实施例中第一半圆232和第二半圆233半径的比值约为1.5。

本发明实施例中的天线可以采用FR4刚性双面板结构，具有加工简单，使用方便的优点，本发明实施例中的天线总体尺寸可以为18mm*28mm*1.5mm。

参见图4，图4为本发明实施例提供的UWB天线的回波损耗曲线图，从该图中可以看出，回波损耗在-10dB以下时，覆盖的频段为3.3GHz-3.85GHz，即：天线的驻波带宽较宽，为3.55GHz，因此，表明：采用图3所示的辐射体结构，可以实现天线的宽频带特性。

参见图5-图9，图5-图9分别为本发明实施例的天线在3GHz、4GHz、5GHz、6GHz及7GHz频段的辐射方向图，图中，实线表示与电流方向平行的面(E面)，虚线表示与电流方向垂直的面(H面)。

其中，如图5所示，在3GHz频段时，天线的最大增益点m1点的增益为2.1081dBi，最小增益点m2点的增益为2.0051dBi，最大增益与最小增益的差值为0.103dBi；如图6所示，在4GHz频段时，天线的最大增益点m1点的增益为2.347dBi，最小增益点m2点的增益为1.5949dBi，最大增益与最小增益的差值为0.7521dBi；如图7所示，在5GHz频段时，天线的最大增益点m1点的增益为2.3542dBi，最小增益点m2点的增益为0.9332dBi，最大增益与最小增益的差值为1.421dBi；如图8所示，在6GHz频段时，天线的最大增益点m1点的增益为2.6965dBi，最小增益点m2点的增益为-0.7130dBi，最大增益与最小增益的差值为3.4095dBi；如图9所示，在7GHz频段时，天线的最大增益点m1点的增益为1.7868dBi，最小增益点m2点的增益为-2.8457dBi，最大增益与最小增益的差值为4.6325dBi。

根据图5-图9所示的方向图可知，本发明实施例的天线分别在3GHz、4GHz、5GHz、6GHz及7GHz频段下的最大增益与最小增益的差值均小于5dBi，因此表明：本发明实施例天线的全向性较好。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超宽带天线，其特征在于，包括：

天线辐射体、介质基板和接地层；

所述天线辐射体固定连接于所述介质基板的一面上；

所述接地层固定连接于所述介质基板的另一面上；

所述天线辐射体包括：高频段辐射枝节、U型中频段辐射枝节、U型低频段辐射枝节及馈电结构；

所述高频段辐射枝节内嵌于所述U型中频段辐射枝节内部，且所述高频段辐射枝节的底端与所述U型中频段辐射枝节的U型内底端连接；

所述U型中频段辐射枝节内嵌于所述U型低频段辐射枝节内部，且所述U型中频段辐射枝节通过其外底端延伸出的连接部与所述U型低频段辐射枝节的U型内底端连接；

所述馈电结构与所述U型低频段辐射枝节的外底端连接，形成天线辐射体。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，

所述高频段辐射枝节，包括：顶部的圆形部分和与所述顶部的圆形部分相连的矩形部分；

所述高频段辐射枝节的矩形部分的下端作为所述高频段辐射枝节的底部与所述U型中频段辐射枝节的U型内底部连接。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述U型低频段辐射枝节的两侧为锯齿形结构。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，

所述馈电结构，包括：第一矩形馈电结构和第二矩形馈电结构，所述第一矩形馈电结构和第二矩形馈电结构上下相连，形成阶梯状结构；

所述第一矩形馈电结构的上端与所述U型低频段辐射枝节的外底端连接，第二馈电结构的底端延伸至所述介质基板的底端。

5.根据权利要求1-4任一所述的天线，其特征在于，

所述高频段辐射枝节的对称轴、所述U型中频段辐射枝节的对称轴、所述馈电结构的对称轴和所述U型低频段辐射枝节的对称轴均重合。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，

所述介质基板为矩形基板；

所述高频段辐射枝节的顶端、所述U型中频段辐射枝节的顶端以及所述U型低频段辐射枝节的顶端，均与所述介质基板的顶边相切；

所述U型低频段辐射枝节的两外侧分别与所述介质基板的两个侧边相切；

所述馈电结构的底端与所述介质基板的底边相切。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，

所述接地层固定连接于所述介质基板的另一面上且位置与所述馈电结构相对应；

所述接地层为在固定连接于所述介质基板上的矩形接地结构中分别剪切掉上下排布且部分重合的第一半圆和第二半圆，形成的接地层；所述矩形接地结构是从所述介质基板的底边向上延伸预设高度形成的；

所述第一半圆的直径大于所述第二半圆的直径，所述第一半圆和第二半圆的对称轴与所述高频段辐射枝节的对称轴、所述U型中频段辐射枝节的对称轴均、所述馈电结构的对称轴及所述U型低频段辐射枝节的对称轴均重合；

所述第一半圆的直线边与所述矩形接地结构的上边缘重合。

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