CN112768924A - 渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线 - Google Patents

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Abstract

渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，涉及超宽带天线。设低耗高性能电介质双面覆铜基板，覆铜面上表面设两个互为准自补的辐射贴片、阻抗匹配输入微带馈线；覆铜面下表面为金属接地板；金属接地板上刻有凹槽；下方馈入的阻抗匹配微带馈线的另一端与左侧辐射贴片第一层基本单元相连；左侧辐射贴片右上角有一个矩形缺口；左侧辐射贴片由一系列密堆积带尺度控制比的矩形基本单元由下而上逐阶垒叠延伸形成；矩形密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组合而成；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧覆铜部分和左侧相反；左侧辐射贴片各层带尺度控制比的矩形基本单元边长按一定比率渐变。提高天线有效辐射面积。

Description

渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线
技术领域
本发明涉及超宽带天线，尤其是涉及可用于拓展天线带宽及多频段覆盖天线设计，包括UWB、5G、多应用兼容通信体系领域的一种渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线。
背景技术
自2002年美国联邦通信委员会对超宽带频段做出规定后，全球范围内的科学家一直在致力于研究超宽带技术。各种类型超宽带天线非常之多，绝大部分都是围绕单极子天线辐射贴面变形完成的；有采用分形递归、多谐振辐射片(辐射棒)等。在无线通信应用频段增加后，多种制式一体化多兼容设计也成为研发热点。
各类超宽带、多频段天线不断朝着小型化，低剖面方向发展。2010年，Sun等人(M.Sun,Y.P.Zhang,Y.L.Lu.Integration of planar monopole antenna for ultrawide-band radios[J].Antennas&Propagation Society International Symposium IEEE,2010,58(7):1-4)采用一种具有高介电常数的LTCC材料作为介质基板，使得天线工作带宽为2.85～11.1GHz，而天线尺寸仅为17mm*10mm，实现天线的小型化。但这种LTCC材料价格昂贵，且工作时会在基板表面产生表面波从而造成很大的损耗；2015年，Das等人(Das S,Chowdhury P,Biswas A,et al.Analysis of a Miniaturized Multiresonant WidebandSlotted Microstrip Antenna With Modified Ground Plane[J].IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2015,14(1):60-63)通过在一个三频微带天线的接地面上刻蚀多个不同尺寸的矩形槽，改变天线电流流径，从而拓展天线带宽，其最大带宽为3.67GHz～6.78GHz；2013年，Fallahi等人(FallahiH,Atlasbaf Z.Study of a Class ofUWB CPW-Fed Monopole Antenna With Fractal Elements[J].IEEE Antennas&WirelessPropagation Letters,2013,12:1484-1487)采用分形技术，通过在一个正六边形天线的六个角上延伸出分形单元，改善辐射贴片的电流流径，使得天线的频带范围从原来的3.0～8.8GHz拓展至3.0～10.9GHz；同年，Gao等人(Gao G P,Hu B,Zhang J S.Design of aMiniaturization Printed Circular-Slot UWB Antenna by the Half-Cutting Method[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2013,12(1):567-570)利用对称切割技术将天线进行切割，只取原天线的一半，使得天线的最低频点由2.34GHz降至1.66GHz实现天线的小型化。2018年，Umair等人(UmairRafique,Mansoor Khan,MuhammadMateenHassan,et al.A Modified Super-Wideband Planar Elliptical MonopoleAntenna,Conference:2018Progress in Electromagnetics Research Symposium(PIERS-Toyama),2018,pp.2344-2349)通过椭圆形辐射贴片的单极子天线结合渐变式馈线和背板地面控制成功实现0.9～25GHz的超宽带。
但以上设计大多基于原始贴片的变形，设计技术存在能量损耗大、带宽不够宽、调控不易等一系列缺陷。因此，需求一种新的方法实现超宽带天线的小型化，高增益，大带宽具有重要的科研价值和实践意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可使天线具有更宽可用频带及灵活控制手段的渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线。
本发明设有低耗高性能电介质双面覆铜的基板，所述基板的覆铜面上表面设有两个互为准自补的辐射贴片、阻抗匹配输入微带馈线；所述基板的覆铜面下表面为金属接地板；金属接地板上刻有凹槽；下方馈入的阻抗匹配微带馈线的另一端与左侧辐射贴片第一层基本单元相连；左侧辐射贴片右上角包含有一个矩形缺口；左侧辐射贴片结构由一系列密堆积带尺度控制比的矩形基本单元由下而上逐阶垒叠延伸形成；左侧辐射单元结构垒叠按n＝1、2、3…5阶逐阶延伸；矩形密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组合而成；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧的覆铜部分与左侧相反；左侧辐射贴片各层带尺度控制比的矩形基本单元边长按一定比率渐变。
所述垒叠的阶数可为1～5阶。
所述基板的相对介电常数可取2.0～8.0，所述基板的外轮廓形状可为长方形，长L＝12～16mm，宽W＝10～14mm，厚度为1.0～2.0mm。
所述阻抗匹配输入微带馈线长为L1＝5.3～7mm，宽为W1＝1.5～2.3mm。
所述金属接地板为矩形，金属接地板下端的高度为Lg＝6.2～8mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝10～14mm；在金属接地板顶部设有控制阻抗匹配的半圆形凹槽，其圆心距离低耗高性能电介质双面覆铜基板左侧边缘的水平距离为W4＝4～6mm，半圆形凹槽半径为R＝1.3～1.6mm。
所述左侧辐射贴片的密堆积带尺度控制比的矩形基本单元的第一层长为L20＝2.5～5.6mm，宽为W20＝1.85～3.8mm；左侧辐射贴片右上角矩形缺口长为L3＝0.8～1.1mm，宽为W3＝0.2～0.3mm。
所述不同垒叠阶数天线的左侧辐射贴片的各层带尺度控制比的基本单元边长之间满足渐变的比率，当天线的垒叠阶数为n时，天线第i层基本辐射单元长L2＝L20*Pi-1，宽W2＝W20*Pi-1，其中，渐变比率P＝0.9～1.2。调控渐变比率P和组合层数i可用于控制天线辐射方向、调整天线带宽、功率增益等。
与现有技术相比，本发明具有以下突出的技术效果：
本发明通过在低耗高性能电介质双面覆铜基板的覆铜面上表面引入另一辐射贴片，并在其上开一个与原有辐射贴片准自补的缝隙，通过缝隙辐射，拓展天线电流流径，改善宽频带的阻抗匹配特性。基本矩形辐射单元可向上垒叠递归生长，使得自补辐射缝隙增多，提高天线的有效辐射面积，保障较大的辐射增益。此外，基本矩形辐射单元尺寸可按一定比率渐变，通过控制渐变比率可以对天线带宽、功率增益及辐射方向特性进行调整，获得均衡平坦的宽频特性。
附图说明
图1为本发明一阶实施例的整体结构示意图。
图2为本发明一阶实施例的整体结构背面图。
图3为本发明二阶实施例的整体结构示意图。
图4为本发明三阶实施例的整体结构示意图。
图5为本发明三种实施例回波损耗示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为回波损耗的取值。
图6为本发明三阶实施例的E面增益方向图。在图6中，坐标为极坐标。
图7为本发明三阶实施例的H面增益方向图。在图7中，坐标为极坐标。
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，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，以下对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明实施例设有低耗高性能电介质双面覆铜基板，所述基板覆铜面上表面设有两个互为准自补的辐射贴片、阻抗匹配输入微带馈线；所述基板的覆铜面下表面为金属接地板；金属接地板上刻有凹槽；下方馈入的阻抗匹配微带馈线的另一端与左侧辐射贴片第一层基本单元相连；左侧辐射贴片右上角包含有一个矩形缺口；左侧辐射贴片结构由一系列密堆积带尺度控制比的矩形基本单元由下而上逐阶垒叠延伸形成；左侧辐射单元结构垒叠按n＝1、2、3…5阶逐阶延伸；矩形密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组合而成；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧的覆铜部分刚好和左侧相反；左侧辐射贴片各层带尺度控制比的矩形基本单元尺寸按一定比率渐变。
所述低耗高性能电介质双面覆铜基板的相对介电常数可取2.0～8.0，所述低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓形状为长方形，长L＝12～16mm，宽W＝10～14mm，厚度为1.0～2.0mm。所述阻抗匹配输入微带馈线长为L1＝5.3～7mm，宽为W1＝1.5～2.3mm。所述金属接地板为矩形，金属接地板下端的高度为Lg＝6.2～8mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝10～14mm；在金属接地板顶部设有控制阻抗匹配的半圆形凹槽，其圆心距离低耗高性能电介质双面覆铜基板左侧边缘的水平距离W4＝4～6mm，半圆形凹槽半径为R＝1.3～1.6mm。所述左侧辐射贴片的密堆积带尺度控制比的矩形基本单元的第一层长为L20＝2.5～5.6mm，宽为W20＝1.85～3.8mm；左侧辐射贴片右上角矩形缺口长为L3＝0.8～1.1mm，宽为W3＝0.2～0.3mm。所述不同垒叠阶数天线的左侧辐射贴片的各层带尺度控制比的基本单元边长之间满足渐变的比率，当天线的垒叠阶数为n时，天线第i层基本辐射单元长L2＝L20*Pi-1，宽W2＝W20*Pi-1。其中，渐变比率P＝0.9～1.2。调控渐变比率P和组合层数i可用于控制天线辐射方向特性、调整天线带宽、功率增益等。
本发明实施例中低耗高性能电介质双面覆铜基板的相对介电常数为4.4，基板的外轮廓形状为长方形，长L＝14mm，宽W＝12mm，厚度为1.2mm。
实施例1：
参见图1，本实施例取n＝1，即一阶渐变矩形密堆积拓频准自补天线，其左侧辐射贴片为一矩形，长为L2＝5.6mm，宽为W2＝3.8mm；矩形辐射贴片右上角有一矩形缺口，其长为L3＝1.1mm，宽为W3＝0.3mm；采用50欧姆阻抗匹配输入微带馈线，其长为L1＝7.5mm，宽为W1＝2.3mm；图2为一阶实施例背面图，金属接地板下端的高度为Lg＝8mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝12mm，在金属接地板顶部设有控制阻抗匹配的半圆形凹槽，其圆心距离低耗高性能电介质双面覆铜基板的左侧边缘的水平距离为W4＝4.85mm，半圆形凹槽半径R＝1.6mm；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧的覆铜部分刚好和左侧相反。
实施例2：
参见图3，本实施例取n＝2，即二阶渐变矩形密堆积拓频准自补天线，各层带尺度控制比的矩形基本单元取相同尺寸，其长为L2＝3.1mm，宽为W2＝2.75mm；左侧辐射贴片右上角缺口长为L3＝1mm，宽为W3＝0.3mm；采用50欧姆阻抗匹配输入微带馈线，其长为L1＝6.5mm，宽为W1＝2.3mm；金属接地板的形状与一阶实施例相同，金属接地板下端的高度为Lg＝7.8mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝12mm，在金属接地板顶部设有控制阻抗匹配的半圆形凹槽，其圆心距离低耗高性能电介质双面覆铜基板的左侧边缘的水平距离为W4＝4.85mm，半圆形凹槽半径R＝1.3mm；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧的覆铜部分刚好和左侧相反。
实施例3：
参见图4，本实施例取n＝3，即三阶渐变矩形密堆积拓频准自补天线，各层带尺度控制比的矩形基本单元取相同尺寸，其长为L2＝2.5mm，宽为W2＝1.85mm；左侧辐射贴片右上角缺口长为L3＝0.8mm，宽为0.2mm；采用50欧姆渐变式阻抗匹配输入微带馈线，其长为L1＝5.3mm，宽为W1＝2.3mm渐变至1.5mm；金属接地板的形状与一阶实施例相同，金属接地板下端高度为Lg＝6.2mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝12mm，在金属接地板顶部设有控制阻抗匹配的半圆形凹槽，其圆心距离低耗高性能电介质双面覆铜基板的左侧边缘的水平距离为W4＝4.85mm，其半圆形凹槽半径R＝1.4mm；右侧辐射贴片是左侧辐射贴片对偶的准自补结构；右侧的覆铜部分刚好和左侧相反。由图5可知，随着结构的拓展，电流流径和有效辐射面积得到延长和扩大，所以频带范围得以拓宽。一阶天线工作频段在9.2～15.1GHz，二阶天线工作频段在7.9～15.1GHz，三阶天线工作频段在6.4～16.5GHz。
参见图6～7，图6是三阶实施例在频点7GHz、9GHz、12GHz的E面增益方向图，图7是三阶实施例在频点7GHz、9GHz、12GHz的H面增益方向图。由图6～7可知天线具有全向辐射特性，且图形畸变较小，说明方向性比较稳定。
表1给出本发明三阶实施例的制造加工误差对天线的影响特性。
表1
Figure BDA0002879888260000061
注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联系，给出的是均衡特性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。

Claims (10)

1.渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于设有低耗高性能电介质双面覆铜的基板，基板的覆铜面上表面设有两个互为准自补的辐射贴片、阻抗匹配输入微带馈线；基板的覆铜面下表面为金属接地板；金属接地板上刻有凹槽；下方馈入的阻抗匹配微带馈线的另一端与左侧辐射贴片第一层基本单元相连；左侧辐射贴片右上角包含有一个矩形缺口；左侧辐射贴片结构由一系列密堆积带尺度控制比的矩形基本单元由下而上逐阶垒叠延伸形成；左侧辐射单元结构垒叠按n＝1、2、3…5阶逐阶延伸；矩形密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组合而成；右侧辐射贴片是与左侧辐射贴片对偶的准自补结构，右侧的覆铜部分刚好与左侧相反；左侧辐射贴片各层带尺度控制比的矩形基本单元边长按一定比率渐变。
2.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述垒叠的阶数为n＝1～5阶。
3.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述基板的相对介电常数为2.0～8.0。
4.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述基板的外轮廓形状为长方形，长L＝12～16mm，宽W＝10～14mm，厚度h＝1.0～2.0mm。
5.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述阻抗匹配输入微带馈线的长为L1＝5.3～7mm，宽为W1＝1.5～2.3mm。
6.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述金属接地板为矩形，金属接地板下端的高度为Lg＝6.2～8mm，宽度与低耗高性能电介质双面覆铜基板的外轮廓尺度宽度相当，为Wg＝W＝10～14mm。
7.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述凹槽采用半圆形凹槽，半圆形凹槽设在金属接地板顶部，用于控制阻抗匹配。
8.如权利要求7所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述半圆形凹槽的圆心距离基板左侧边缘的水平距离为W4＝4～6mm，半圆形凹槽的半径为R＝1.3～1.6mm。
9.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于所述左侧辐射贴片的密堆积带尺度控制比的矩形基本单元的第一层长为L20＝2.5～5.6mm，宽为W20＝1.75～3.8mm；左侧辐射贴片右上角矩形缺口长为L3＝0.8～1.1mm，宽为W3＝0.2～0.3mm。
10.如权利要求1所述渐变多阶矩形密堆积拓频准自补天线，其特征在于不同垒叠阶数天线的左侧辐射贴片的各层带尺度控制比的基本单元边长之间满足渐变的比率，当天线的垒叠阶数为n时，天线第i层基本辐射单元长L2＝L20*Pi-1，宽W2＝W20*Pi-1，其中，渐变比率P＝0.9～1.2；调控渐变比率P和组合层数i用于控制天线辐射方向特性、天线带宽、功率增益。
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