CN112216989B - 超宽带wifi微带天线、扩增方法及小型wifi设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线设备技术领域，公开了一种超宽带WIFI微带天线、扩增方法及小型WIFI设备，净空区域上表面覆盖有介质层；谐振接地段穿过介质层，将第一谐振回路段与接地平面连接；第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段，第四谐振回路段为电流回流路径，共同围成不封闭的谐振耦合腔；信号馈入段将电流信号的导入信号传输段和自耦合谐振段；第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段及信号传输段均设置有倒角。本发明在所有电流转角处设置45°倒角，有效降低回波损耗。本发明所提供的天线，能显著增大带宽，同时具有尺寸较小、回波损耗较低以及增益较高的优点，方向性较好，从整体上提高了天线装置的能效。

Description

超宽带WIFI微带天线、扩增方法及小型WIFI设备
技术领域
本发明属于天线设备技术领域，尤其涉及一种超宽带WIFI微带天线、扩增方法及小型WIFI设备。
背景技术
目前，超宽带技术是一种新型的无线通信技术。它解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获能力低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。
近年来，随着通讯技术的迅猛发展，天线被广泛应用于电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信等领域，在高速无线LAN、家庭网络及无线电话等方面也有广泛的需求。因此设计一种结构简单、性能良好的超宽带天线具有重大的现实意义。
超宽带信号通信与通常的载波通信或扩频通信相比，超宽带无线通信系统除了具有高通信速率和超宽通信带宽外，还具有高保密性，耗电量低，抗多径衰落能力强，多址和穿透能力强等特点。因此，超宽带技术在雷达跟踪、无线通信、穿透障碍物成像、武器控制系统、测距、精确定位等领域具有广阔的应用前景。微带天线具有质量轻、体积小、易于制作等优点。
现有技术中，公开：
CN110943291A：但该天线的结构复杂，且带宽很低。
CN108847523A：但该天线为多层结构，占用空间大，无法运用到小型设备上。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的宽频带微带天线一般尺寸较大，频带较窄、损耗较高。实用性差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带WIFI微带天线、扩增方法及小型WIFI设备。
本发明是这样实现的，一种超宽带WIFI微带天线，设置有接地平面，所述接地平面上表面覆盖有净空区域；所述净空区域上表面覆盖有介质层；
谐振接地段穿过介质层，将第一谐振回路段与接地平面连接；
第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段，第四谐振回路段为电流回流路径，共同围成不封闭的谐振耦合腔；
耦合谐振段位于谐振耦合腔内；
信号馈入段将电流信号导入信号传输段和自耦合谐振段；
信号传输段为电流信号传输路径，右侧为自耦合谐振段，用于调整天线的谐振频率；
连接段分别连接耦合谐振段和信号传输段；
天线辐射段左侧连接到第四谐振回路段；
天线辐射段位于第三谐振回路段的右侧；
第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段及信号传输段均设置有倒角。
进一步，所述介质层为FR4环氧树脂材料；所述净空区域面积为30mm*7.52mm。
进一步，所述谐振接地段为两段，用于减小天线的容性，保持天线的谐振特性；
所述耦合谐振段用于减小天线的感性，保持天线的谐振特性；
所述连接段为等腰梯形结构。
进一步，所述天线辐射段为折叠型结构或直线型；折叠型结构的折叠次数根据实际调整。
进一步，所述谐振接地段的调整数量、倒角的调整数量，根据实际应用环境进行调整。
进一步，第一谐振回路段的长度为8±10%mm，宽度为1.29±10%mm，右侧有一45°倒角；
第二谐振回路段的长度为3.96±10%mm，宽度为2.18±10%mm，下侧有一45°倒角；
第三谐振回路段的长度为9.19±10%mm，宽度为2.21±10%mm，左侧有一45°倒角；
第四谐振回路段的长度为0.8±10%mm，宽度为1.21±10%mm。
进一步，耦合谐振段的长度为7.01±10%mm，宽度为1.21±10%mm；
信号馈入段的高度为1±10%mm，宽度为0.46±10%mm。
信号传输段的长度为3.53±10%mm，宽度为0.46±10%mm，上侧有一45°倒角；
自耦合谐振段位于信号传输段下侧0.83mm处，长度为3.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm；
连接段为两部分，矩形部分的长度为0.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm，等腰梯形部分的高为0.79±10%mm，上底为0.46±10%mm，下底为1.21±10%mm。
本发明另一目的在于提供一种所述超宽带WIFI微带天线的带宽扩增方法，所述超宽带WIFI微带天线的带宽扩增方法包括：
通过增加谐振耦合腔和自耦合的方式增大天线的带宽。
本发明另一目的在于提供一种搭载所述超宽带WIFI微带天线的小型WIFI设备。
本发明另一目的在于提供一种所述超宽带WIFI微带天线天线在被电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信、高速无线LAN、家庭网络及无线电话领域上的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明通过增加谐振耦合腔和自耦合的方式增大天线的带宽。
本发明天线所在的净空区域大小仅为30mm*7.52mm，所需尺寸较小，适用于各种小型WIFI设备。
本发明在所有电流转角处设置45°倒角，有效降低回波损耗。
本发明天线的辐射金属段为折叠型，可有效优化天线的方向性。
本发明所提供的天线，能显著增大带宽，同时具有尺寸较小、回波损耗较低以及增益较高的优点，方向性较好，从整体上提高了天线装置的能效。
与现有的技术相比，本发明的天线装置在尺寸较小的情况下，仍可以有较大的带宽和辐射增益，以及良好的谐振特性；若倒角为直角，则电流在倒角处过大，产生额外的寄生电容和寄生电感，不必要的电磁信号，同时会造成电流损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的超宽带WIFI微带天线装置示意图。
图1中：1、接地平面；2、介质层；3、第一谐振回路段；4、谐振接地段；5、第二谐振回路段；6、第三谐振回路段；7，第四谐振回路段；8、耦合谐振段；9、连接段；10、信号传输段；11、信号馈入段；12、自耦合谐振段；13、天线辐射段。
图2是本发明实施例提供的超宽带WIFI微带天线装置俯视图。
图3是本发明实施例提供的该天线的S11参数仿真结果图，点m1为天线回波损耗最低点，数值为-38.4026dB；该天线装置的-10dB的带宽为370MHz，远大于目前贴片WIFI天线的100MHZ的带宽。
图4是本发明实施例提供的为该天线在频率为2.45GHz时的E面（YZ平面）二维增益图。
图5是本发明实施例提供的该天线在频率为2.45GHz时的H面（XY平面）二维增益图，结合附图4和附图5可以看出天线的最大增益接近2.3095dB。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带WIFI微带天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
在本发明中，参照附图1，提供的超宽带WIFI微带天线，包括：接地平面1、介质层2、第一谐振回路段3、谐振接地段4、第二谐振回路段5、第三谐振回路段6，第四谐振回路段7、耦合谐振段8、连接段9、信号传输段10、信号馈入段11、自耦合谐振段12、天线辐射段13。
介质层2为厚度1mm的FR4环氧树脂材料，天线所在介质层2的下表面为净空区域，其面积为30mm*7.52mm，优化了天线的方向性，下表面其余区域为覆铜接地平面1，其面积可根据实际应用情况改变。
谐振接地段4为两段，可减小天线的容性，保持天线的谐振特性，其穿过介质层2，将谐振回路段3与接地平面1连接起来。
第一谐振回路段3、第二谐振回路段5、第三谐振回路段6，第四谐振回路段7为电流回流路径，其围成一个不封闭的谐振耦合腔。
耦合谐振段8位于谐振耦合腔内，可减小天线的感性，保持天线的谐振特性。
信号馈入段11将电流信号导入信号传输段10和自耦合谐振段12。信号传输段10为电流信号传输路径，其右侧为自耦合谐振段12，用于调整天线的谐振频率。
连接段9为等腰梯形结构，分别连接耦合谐振段8和信号传输段10，减小回拨损耗。
天线辐射段13为折叠型结构，其左侧连接到谐振回路段7，天线辐射段13 作用为辐射信号，折叠型结构可增大天线的方向性。该天线的电流信号转角处均设置有45°倒角，可减小回波损耗。
参照附图1，在本发明中，两段谐振接地段4垂直部分的宽度均为1.21±10%mm，高度为1±10%mm，两者间距0.78±10%mm，水平部分的长度为0.74±10%mm，宽度相同。
第一谐振回路段的长度为8±10%mm，宽度为1.29±10%mm，右侧有一45°倒角；
第二谐振回路段的长度为3.96±10%mm，宽度为2.18±10%mm，下侧有一45°倒角；
第三谐振回路段的长度为9.19±10%mm，宽度为2.21±10%mm，左侧有一45°倒角；
第四谐振回路段的长度为0.8±10%mm，宽度为1.21±10%mm。
进一步，耦合谐振段的长度为7.01±10%mm，宽度为1.21±10%mm；
信号馈入段的高度为1±10%mm，宽度为0.46±10%mm。
信号传输段的长度为3.53±10%mm，宽度为0.46±10%mm，上侧有一45°倒角；
自耦合谐振段位于信号传输段下侧0.83mm处，长度为3.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm；
连接段为两部分，矩形部分的长度为0.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm，等腰梯形部分的高为0.79±10%mm，上底为0.46±10%mm，下底为1.21±10%mm。
优选地，在本发明中，两段谐振接地段4垂直部分的宽度均为1.21mm，高度为1mm，两者间距0.78mm，水平部分的长度为0.74mm，宽度相同。
第一谐振回路段3的长度为8mm，宽度为1.29mm，其右侧有一倒角。
第二谐振回路段5的长度为3.96mm，宽度为2.18mm，其下侧有一倒角。
第三谐振回路段6的长度为9.19mm，宽度为2.21mm，其左侧有一倒角。
第四谐振回路段7的长度为0.8mm，宽度为1.21mm。
耦合谐振段8的长度为7.01mm，宽度为1.21mm。
信号馈入段11的高度为1mm，宽度为0.46mm。
信号传输段10的长度为3.53mm，宽度为0.46mm，其上侧有一倒角。
自耦合谐振段12位于信号传输段10下侧0.83mm处，其长度为3.65mm，宽度为0.46mm。
连接段9为两部分，矩形部分的长度为0.65mm，宽度为0.46mm，等腰梯形部分的高为0.79mm，上底为0.46mm，下底为1.21mm。
天线辐射段13位于谐振回路段6的右侧，其从左往右第一段长度为4.1mm，第二段长度为4.89mm，第三段长度为2.89mm，第四段长度为4.89mm，第五段长度为2.89mm，第六段长度为3.13mm，该辐射段13的所有宽度均为1.21mm。该天线中的所有倒角均为直角边为0.6mm的45°倒角。
在本发明中，优选地，该天线装置可以通过改变相关参数从而达到不同的效果。例如：调整谐振接地段4的数量；调整天线各个部分的尺寸；调整倒角的数量；调整天线辐射段13的折叠次数。
谐振接地段4的作用为增大电流的回流路径宽度，从而减小天线的容性，该接地段越多，容性越小，但过多会导致天线呈感性，本发明的数量是多次仿真后的结果。天线各部分的尺寸为多次仿真后的结果，在调整某个参数的情况下，天线性能可能有差别，但总体形状不变，例如将天线辐射段折叠型改为直线型或调整折叠次数。各个部分的长度和宽度偏差在±10%的范围内。
本发明还提供一种超宽带WIFI微带天线的带宽扩增方法，包括：
通过增加谐振耦合腔和自耦合的方式增大天线的带宽。
下面结合仿真实验对本发明作进一步描述。
如图3-图5，在本发明中，天线的频率、回波损耗、带宽、增益等性能参数与导体上的电流分布有关，通过改变天线结构与尺寸可以影响电流分布，电流在导体中流动，会产生电磁波，电流越大的部分，信号辐射性能越强，本发明目的就是为了改变电流分布达到辐射性能最优的效果。至于参数确定的原理，由于这些参数对于天线的影响比较复杂，难以通过理论分析，都是通过多次仿真优化后的结果。使用控制变量法，在其他参数不变的情况下，多次改变某一参数，得到最优结果，以此类推。每一段的作用与优点已经说明，其中，谐振回路段为电流回流路径，主要用于调整天线的容性和感性，保持天线的谐振特性，辐射段用于辐射电磁波信号。
与现有的技术相比，本发明的天线装置在尺寸较小的情况下，仍可以有较大的带宽和辐射增益，以及良好的谐振特性；若倒角为直角，则电流在倒角处过大，产生额外的寄生电容和寄生电感，不必要的电磁信号，同时会造成电流损耗。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超宽带WIFI微带天线，设置有接地平面，其特征在于，所述接地平面上表面覆盖有净空区域；所述净空区域上表面覆盖有介质层；
谐振接地段穿过介质层，将第一谐振回路段与接地平面连接；
所述谐振接地段为两段，用于减小天线的容性，保持天线的谐振特性；
第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段，第四谐振回路段为电流回流路径，共同围成不封闭的谐振耦合腔；
耦合谐振段位于谐振耦合腔内；
所述耦合谐振段用于减小天线的感性，保持天线的谐振特性；
信号馈入段将电流信号导入信号传输段和自耦合谐振段；
信号传输段为电流信号传输路径，右侧为自耦合谐振段，用于调整天线的谐振频率；
连接段分别连接耦合谐振段和信号传输段；所述连接段为等腰梯形结构；
天线辐射段左侧连接到第四谐振回路段；所述天线辐射段为折叠型结构；
天线辐射段位于第三谐振回路段的右侧；
第一谐振回路段、第二谐振回路段、第三谐振回路段及信号传输段均设置有倒角。
2.如权利要求1所述的超宽带WIFI微带天线，其特征在于，所述介质层为FR4环氧树脂材料；所述净空区域面积为30mm*7.52mm。
3.如权利要求1所述的超宽带WIFI微带天线，其特征在于，所述谐振接地段的调整数量、倒角的调整数量，根据实际应用环境进行调整。
4.如权利要求1所述的超宽带WIFI微带天线，其特征在于，第一谐振回路段的长度为8±10%mm，宽度为1.29±10%mm，右侧有一45°倒角；
第二谐振回路段的长度为3.96±10%mm，宽度为2.18±10%mm，下侧有一45°倒角；
第三谐振回路段的长度为9.19±10%mm，宽度为2.21±10%mm，左侧有一45°倒角；
第四谐振回路段的长度为0.8±10%mm，宽度为1.21±10%mm。
5.如权利要求1所述的超宽带WIFI微带天线，其特征在于，耦合谐振段的长度为7.01±10%mm，宽度为1.21±10%mm；
信号馈入段的高度为1±10%mm，宽度为0.46±10%mm。
信号传输段的长度为3.53±10%mm，宽度为0.46±10%mm，上侧有一45°倒角；
自耦合谐振段位于信号传输段下侧0.83mm处，长度为3.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm；
连接段为两部分，矩形部分的长度为0.65±10%mm，宽度为0.46±10%mm，等腰梯形部分的高为0.79±10%mm，上底为0.46±10%mm，下底为1.21±10%mm。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述超宽带WIFI微带天线的带宽扩增方法，其特征在于，所述超宽带WIFI微带天线的带宽扩增方法包括：
通过增加谐振耦合腔和自耦合的方式增大天线的带宽。
7.一种搭载权利要求1-5任意一项所述超宽带WIFI微带天线的小型WIFI设备。
8.一种如权利要求1-5任意一项所述超宽带WIFI微带天线天线在被电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信、高速无线LAN、家庭网络及无线电话领域上的应用。
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