CN112054298A - 一种超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带天线，包括顶层辐射贴片层和中间介质基板，所述顶层辐射贴片层和中间介质基板紧密相连为一个天线整体。所述顶层辐射贴片层为由两种缝隙和灯塔贴片组成的不规则形状，此形状沿中心线左右对称。其缝隙由圆环缝隙和菱形贴片挖去中间灯塔形贴片的缝隙组成。所述顶层辐射贴片层与微带传输线连接在一起，50Ω矩形微带线馈电。本发明能够在短距离通信系统中得到广泛的应用。

Description

一种超宽带天线
技术领域
本发明涉及一种超宽带天线，特别涉及一种可用于短距离通信系统的超宽带天线，属于超宽带技术领域。
背景技术
超宽带技术最早是由美国伊利诺伊大学的两位学者提出的，最初主要应用于雷达、定位等军工业。随着现代微电子技术和移动通信的迅猛发展，超宽带无线技术的应用也逐渐变得广泛，也逐渐趋于民用化。UWB是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽，解决了困扰传统无线技术的有关传播方面的难题，开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。与传统无线技术相比，超宽带技术还具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。超宽带技术具有小范围和超强无线设备连接的能力，在短距离通信系统中的得到了广泛的应用。2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准了超宽带无线通信系统的频段(3.1～10.6GHz)，从此超宽带天线成为超宽带技术的关键部件之一，受到了国内外研究学者越来越多的关注，成为超宽带技术中的研究热点之一。
上世纪50年代左右，可以说是天线的早期发展阶段。这个时期主要有两种天线：螺旋天线和对数周期天线。这一时期天线的特点是体积较大、不易于加工、而且是频变天线。虽然不能满足现代通信系统，但它们也满足了当时的通信需求。
上世纪50年代-90年代，人们提出了很多种超宽带和非频变天线的设计理论和思路，并且这一阶段的超宽带天线在当时的各类通信系统中都得到了广泛的应用。这一阶段的天线存在着天线接收或者发射信号比较容易失真的缺点。
自2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准了超宽带无线通信系统的频段以后，涌现出了很多种超宽带天线，它们的结构和性能各不相同，但是它们具有结构简单、能够方便的与其他通信设备集成、尺寸小型化、保密性好、抗干扰强、高性能的特点，极大的满足了在现代通信系统中的应用。这一阶段的超宽带天线可以分为超宽带平面单极子天线、超宽带印刷缝隙天线以及超宽带印刷单极子天线等多种设计结构和原理各不相同的天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种方形缝隙超宽带天线，能够更好的应用于短距离通信系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种超宽带天线，包括顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，其特征在于，所述顶层辐射贴片层包括两种缝隙和灯塔形贴片：所述顶层辐射贴片初始为一块方形贴片，所述方形贴片上设有一个圆环缝隙，所述圆环缝隙内部设有一个内部保留灯塔形贴片的菱形缝隙；所述辐射贴片结构关于中位线对称。
其中，所述圆环缝隙的外圆半径R2为18.9mm，内圆半径R1为18mm，缝隙宽度为0.9mm。
其中，所述灯塔形贴片包括塔尖和塔座，所述塔座包括上矩形和下矩形。
其中，所述塔尖形状为初始一个大三角形减去若干小三角形；所述大三角形边长为6mm。
其中，所述上矩形长和宽分别为4.5mm、4mm；所述下矩形的长和宽分别为4.8mm、2mm。
其中，所述顶层辐射贴片连接有微带传输线，所述微带传输线为50Ω矩形微带线，所述顶层辐射贴片通过所述50Ω矩形微带线馈电。
其中，所述中间介质基板材料为FR4。
本发明天线结构新颖。所述顶层辐射贴片是由多种结构组合而来的，是在一块方形贴片的基础上减去了一个外半径为(18.9mm)、内半径为(18mm)的圆环缝隙和一个菱形贴片挖去中间灯塔形贴片的缝隙。该辐射贴片结构关于中位线对称。该天线尺寸小，仿真陷波带宽略大于要求的带宽，因此允许存在一定的加工误差。
本发明优点在于，本发明天线带宽有效覆盖了超宽带所要求的3.1～6.1GHz；并且在天线工作频带内具有多个谐振频率点，从而达到了宽频带的目的。
附图说明
图1为本发明天线的结构示意图；其中，a表示圆环缝隙的范围，b表示灯塔形贴片的范围；
图2为本发明顶层辐射贴片层的灯塔形贴片的初始结构示意图；
图3为本发明顶层辐射贴片层的灯塔形贴片的塔尖部分形成示意图；
图4为本发明天线的仿真回拨损耗曲线图；
图5为本发明天线的史密斯圆图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
本实例下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明为一种超宽带天线，可用于短距离通信系统。自上而下依次包括顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体。其中，中间介质基板的厚度为1.5mm，长度为46mm，宽度为42mm，采用的材料为FR4。
如图1所示，顶层辐射贴片层由两种缝隙和灯塔贴片组成，初始为一块方形贴片，在方形贴片的基础上减去了一个外半径为18.9mm、内半径为18mm的圆环缝隙，圆环缝隙内部在一个菱形缝隙的中间保留灯塔形贴片。该辐射贴片结构关于中位线对称。该天线尺寸小，仿真陷波带宽略大于要求的带宽，因此允许存在一定的加工误差。其形状沿中心线左右对称；其缝隙由圆环缝隙和菱形但保留中间灯塔形贴片的缝隙组成。
如图2所示，所述菱形缝隙内部灯塔形贴片的初始形状由一个大三角形和塔座合并组成。大三角形的边长为6mm，塔座部分包括上矩形和下矩形；上矩形的长和宽分别为4.5mm、4mm，下矩形的长和宽分别为4.8mm、2mm。
如图3所示，所述菱形缝隙内部灯塔形贴片的灯塔的塔尖部分是由初始形状的大三角形共减去12个小三角形得来的。
如图4所示为本发明天线的仿真回拨损耗曲线图，其中，横坐标为频率，纵坐标为回波损耗值，从图4中可以看出，频率在3.1～6.1GHz的范围内S11小于-10db，因此本发明天线带宽有效覆盖了超宽带所要求的3.1～6.1GHz。
如图5所示，Smith圆图(史密斯圆图)显示了在天线工作频带内具有多个谐振频率点，从而达到了宽频带的目的。

Claims (7)

1.一种超宽带天线，包括顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板，所述顶层辐射贴片层、中间介质基板和底层接地板紧密相连为一个天线整体，其特征在于，所述顶层辐射贴片层包括两种缝隙和灯塔形贴片：所述顶层辐射贴片初始为一块方形贴片，所述方形贴片上设有一个圆环缝隙，所述圆环缝隙内设有一个内部保留灯塔形贴片的菱形缝隙；所述辐射贴片关于中位线对称。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述圆环缝隙的外圆半径R2为18.9mm，内圆半径R1为18mm，缝隙宽度为0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述灯塔形贴片包括塔尖和塔座，所述塔座包括上矩形和下矩形。
4.根据权利要求3所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述塔尖形状为初始一个大三角形减去若干小三角形；所述大三角形边长为6mm。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述上矩形长和宽分别为4.5mm、4mm；所述下矩形的长和宽分别为4.8mm、2mm。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述顶层辐射贴片连接有微带传输线，所述微带传输线为50Ω矩形微带线，所述顶层辐射贴片通过所述50Ω矩形微带线馈电。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带天线，其特征在于，所述中间介质基板材料为FR4。
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