CN113644424A - 一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,包括辐射贴片、介质基板和背面接地板,所述辐射贴片、介质基板和背面接地板紧密相连为一个天线整体,所述辐射贴片与微带传输线连接;所述辐射贴片上靠近微带传输线的一侧从上至下蚀刻有两段开口向上的弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性和WLAN频段陷波特性。
Description
技术领域
本发明属于天线设计技术领域,具体涉及一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
现代社会,科学技术的不断进步,人类社会的不断发展,定位技术应用越来越广泛,大到航空航天器,小到仓库内货物,无一不需要精确的位置信息。
面对不同的环境条件,人们提出了多种不同的定位技术和解决方案。在室外定位中,卫星定位技术的应用早已随处可见,无论是地图导航,还是各种定位,都离不开这项技术。而卫星定位系统的精度大多在几米左右,与其定位范围相比,这样的精度已经能够满足人们的需求了。随着近年来智能化越来越高,各种交互技术蓬勃发展,室内定位的需求越来越高。但是相较于室外定位而言,室内定位技术较为落后。狭小的室内空间不允许定位误差达到米量级,丰富的遮挡物使得卫星信号强度严重衰减,这些不足进一步催生了许多其他的解决方案。目前最为主流的有超声波定位、局域网定位、红外定位、超宽带定位(UWB)等等。在上述定位方案中,Wi-Fi定位由于手机等移动端的普及,较为常见,具有硬件成本低、基站部署方便的优势,但是Wi-Fi定位的硬件功耗高且定位精度较差;超声波和红外线定位的信号自身特性决定了其极易受到其他信号干扰,定位精度差,并且在非视距(NLOS)环境下存在反射折射等问题,使得对定位环境要求严格,定位范围也很小。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,该陷波天线的方向图近似为圆形,以保证天线在各个方向上能够均匀辐射,实现在各个方向上的定位要求。
根据一些实施例,本发明采用如下技术方案:
一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,包括辐射贴片、介质基板和背面接地板,所述辐射贴片、介质基板和背面接地板紧密相连为一个天线整体,所述辐射贴片与微带传输线连接;所述辐射贴片上靠近微带传输线的一侧从上至下蚀刻有两段开口向上的弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性和WLAN频段陷波特性。
进一步的,所述第一段弧形槽设置于第二段弧形槽的上方,第一段弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性,第二段弧形槽以实现WLAN频段陷波特性。
更进一步的,所述第一段弧形槽的槽线长大于第二段弧形槽的槽线长。
进一步的,所述背面接地板为矩形地板。
进一步的,所述辐射贴片为圆形。
更进一步的,在所述圆形中轴线上的下端设有与圆形辐射贴片相连接的馈线。
更进一步的,所述馈线延伸至介质基板的底边,得到上端连通辐射贴片的半矩形。
更进一步的,所述辐射贴片的下端设有与背面接地板相交的椭圆弧线。
更进一步的,在椭圆弧线与半矩形的上端设有矩形。
进一步的,所述介质基板材料为全玻纤FR-4板材。
本发明基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的指标如下:
1、工作带宽覆盖3GHz~12GHz以上;
2、在通带频段内S11<-10dB,VSWR<2;
3、方向图全向辐射且随频率变化稳定;
4、工作频段内增益也保持稳定;
5、天线具有陷波特性,阻带频段内S11>-10dB,VSWR>2;
6、小型化、低剖面、易集成。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明所述的天线尺寸较小,为35mm*28mm*1.6mm,完全实现了天线的小型化。
本发明所述的天线的介质材料为全玻纤(FR-4)板材,是常见的PCB制作材料,因此成本非常低。
本发明所述的天线采用简单的设计结构,实现了超宽带信号传输的功能,有利于降低超宽带定位系统的成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的主视图;
图2是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的侧视图;
图3是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的后视图;
图4是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的S11图;
图5是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的电压驻波比图;
图6是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的辐射方向图;
图7(a)是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的接收3.3GHz的场强图;
图7(b)是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的接收5.3GHz的场强图;
图8是本发明的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线的阻抗实部和虚部图;
附图中,图1-3为天线结构的尺寸参数,图5-8为天线仿真的结果图。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中,术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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,只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本发明中任一部件或元件,不能理解为对本发明的限制。
本发明中,术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
针对背景技术中现有定位方案的不足,基于超宽带的定位技术,凭借时钟分辨率高,信号发射功耗低,抗多径衰落能力强,传输速率高等优点,满足了日益增长的室内定位需求。因此,研究基于超宽带技术的定位技术,进一步提高定位精度,降低部署成本,充分发挥超宽带的优势具有十分重要的意义。超宽带天线作为UWB定位中信号进行内部和外部交互的桥梁,有着举重若轻的作用,因此天线的性能直接影响着整个系统的工作能力。面对带宽极宽的脉冲信号,天线的工作带宽也需要很宽,才能够将超宽带信号完整地传输。为此,本发明提供如下实施方式解决背景技术中存在的问题。
实施例一
本实施例提供了一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线。
一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,包括辐射贴片、介质基板和背面接地板,所述辐射贴片、介质基板和背面接地板紧密相连为一个天线整体,所述辐射贴片与微带传输线连接;所述辐射贴片上靠近微带传输线的一侧从上至下蚀刻有两段开口向上的弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性和WLAN频段陷波特性。
具体的技术方案如下,如图1-3所示:
将单极子天线等效成圆形辐射贴片。
由于辐射贴片的尺寸可以由圆柱天线进行面积等效得来,设fl=3GHz,带入公式
可以计算出辐射贴片半径为R=10.6mm。本天线计划采用SMA接头进行馈电,那么需要微带线特性阻抗为50Ω,通过微带线阻抗计算器得到,微带线宽度为2.96mm,便可绘制出天线的辐射贴片。
地板渐变与挖孔
首先绘制矩形地板,并对其宽度进行仿真,确定地板宽度为11mm,得到具有圆形辐射贴片的单极子天线。地板的直角存在不连续结构会造成信号的反射,因此采用将矩形地板的上边缘进行渐变化,用椭圆线来代替。具体操作方案为:在地面绘制一个椭圆,其短轴为9mm,长轴为18.9mm,然后和矩形地板进行取交集操作,得到渐变化地板。渐变化后地板,消除了直角的电流回流,并且增长了电流路径,优化了带宽内的阻抗特性,实现了拓展带宽的作用。观察天线S11图发现在频率点7GHz附近时,反射系数仍很高,在该频率点的电流分布发现,中轴处电流产生了较强的反射,导致反射系数增大,由此在地板中心位置挖掉一个矩形,以减小该位置的电流反射,从而实现了天线在2.64GHz~12GHz的工作频带。
弧形槽设计
本节采用在天线的辐射贴片上添加陷波槽实现来陷波,这种方法的本质是通过特定的陷波槽改变了天线原本在该频段中的电流路径,造成阻抗的变化,使得在该频点天线不工作。陷波槽长度和陷波频段中心频率的对应关系如下:
L为槽线的总长度,f为谐振频率。根据公式计算出WiMAX的中心频率点3.55GHz对应的槽线长度约为25.6mm,WLAN(5.15~5.35GHz)的中心频率为5.25GHz对应的槽线长度约为17.42mm。考虑到矩形槽存在不连续结构,有较强的反射回流,故设计上端开口的弧形结构,称之为弧形槽。
对弧形槽进行仿真,得到的陷波天线在5.28GHz时的驻波比为3.79,在3.7GHz时的驻波比为6.80,并通过观察电场强度分布图,发现在3.3GHz时能量被限制在上端弧形槽附近,5.3GHz时能量被限制在下端弧形槽附近,无法向外进行辐射。
本实施例使用Ansys HFSS对天线进行建模,得到了尺寸为35mm*28mm*1.6mm的超宽带陷波天线,并通过仿真得到其在工作频带2.64~12GHz上的S11始终小于-10dB,驻波比稳定且小于2,该天线E面的方向图在2.64~6GHz内非常接近圆,说明其辐射性能均匀。
实施例二
本实施提供了一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线。
一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,包括辐射贴片、介质基板和背面接地板,所述辐射贴片、介质基板和背面接地板紧密相连为一个天线整体,所述辐射贴片与微带传输线连接;所述辐射贴片上靠近微带传输线的一侧从上至下蚀刻有两段开口向上的弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性和WLAN频段陷波特性。
该天线建模的过程如下:
1、首先在xoy面上绘制一个以(-L/2,-W/2,0)为起点,长为L,宽为W,高位H的、材料为FR-4的长方体介质体,作为介质基板。其次,以(-4mm,0,0)为圆心,以R为半径绘制圆形辐射贴片,并在中轴线上,绘制宽度为W_Feed的馈线,与圆形贴片相连接。最后,以(L/2-L_G,-W/2,-H)为起点,以L_G为长,W_Rec为宽在介质基板背面绘制矩形地板,便得到了传统的单极子天线。
2、在传统单极子天线的基础上,以(17.5mm,0,-H)为椭圆中心,长轴为18.9mm,短轴为9mm,绘制椭圆后与矩形地板取交,得到上边缘渐变的地板,然后在地板上挖掉一个起点为(8mm,-W_Rec/2,-H)、长为L_Rec,宽为W_Rec的小矩形,便得到了超宽带微带天线。
3、在辐射贴片面上,以R_1、R_2为半径绘制同心圆,取两同心圆的补集得到上圆环,以R_3、R_4为半径绘制同心圆,取两同心圆的补集得到下圆环,对两圆环进行长度裁剪后,分别得到宽度为0.6mm和0.5mm的弧形,最后在圆形辐射贴片上挖掉两个弧形槽,便得到了具有陷波功能的超宽带微带天线。
下面对建模后的天线进行仿真,结果如下:
1、带宽结果图和电压驻波比
由图4、5可以得知,天线在2.64-3.40GHz、3.90-5.09GHz、5.53-12GHz三个频段内的S11均小于-10dB,VSWR<2,在3.40-3.90GHz和5.09-5.53GHz两个频段内S11大于-10dB,VSWR>2,符合设计目标。
2、辐射方向图
图6为天线在3GHz、3.7GHz、4GHz、5.3GHz、6GHz频点上E面的方向图。由图中可以看到,在E面中,天线在3-5GHz时有很好的全向性,5.3GHz时,天线方向图变得不圆,6.3GHz时增益又变大了,这说明天线能够只在陷波频段内的辐射特性差,虽然当频率为6.3GHz时,方向图变得不规则,但是在常用的超宽带系统中,高频分量较小,因此对天线的性能影响不大。总体来说,本天线能够在工作频率范围内表现出较为稳定的全向性,陷波频段内辐射特性变差。
3、陷波电流图
为充分表示弧形槽对陷波的作用,通过HFSS工具绘制辐射贴片在3.3GHz和5.3GHz工作时的电流分布,如图7(a)和7(b)所示,很明显可以看出3.3GHz和5.3GHz时,电流被限制在了弧形槽边缘,其他位置甚至电流为零,不能够进行辐射。
4、陷波天线的阻抗实部和虚部图
为方便理解,可以通过HFSS观察其阻抗的实部和虚部,分析其等效电路。根据图8,在3.3GHz和5.3GHz附近,阻抗虚部为0,实部很大,由电路基础理论可知LC并联谐振电路,谐振时回路阻抗最大且为纯电阻,因此陷波结构相当于在电路中引入了谐振电路,当天线工作在通带频段时,谐振电路不表现出谐振状态,天线可以等效为一个虚部为零的电阻,能够正常工作,可以把信号发射出去和接收回来。当天线工作在5.7GHz时,天线可以等效为串联了LC并联谐振电路。谐振电路仅在陷波频段产生谐振作用,回路两端对外表现出无电流,使得天线无法正常,从而能够减少天线受到外界窄带通信系统的干扰。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,包括辐射贴片、介质基板和背面接地板,所述辐射贴片、介质基板和背面接地板紧密相连为一个天线整体,所述辐射贴片与微带传输线连接;其特征在于,所述辐射贴片上靠近微带传输线的一侧从上至下蚀刻有两段开口向上的弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性和WLAN频段陷波特性。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述第一段弧形槽设置于第二段弧形槽的上方,第一段弧形槽以实现WiMAX频段陷波特性,第二段弧形槽以实现WLAN频段陷波特性。
3.根据权利要求2所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述第一段弧形槽的槽线长大于第二段弧形槽的槽线长。
4.根据权利要求1所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述背面接地板为矩形地板。
5.根据权利要求1所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述辐射贴片为圆形。
6.根据权利要求5所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,在所述圆形中轴线上的下端设有与圆形辐射贴片相连接的馈线。
7.根据权利要求6所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述馈线延伸至介质基板的底边,得到上端连通辐射贴片的半矩形。
8.根据权利要求7所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述辐射贴片的下端设有与背面接地板相交的椭圆弧线。
9.根据权利要求8所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,在椭圆弧线与半矩形的上端设有矩形。
10.根据权利要求1所述的基于超宽带信号的弧形槽陷波单极子微带天线,其特征在于,所述介质基板材料为全玻纤FR-4板材。
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