CN113922062A - 一种重凹波超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重凹波超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和改进型接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述改进型接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片采用八边形结构，并在辐射贴片中引入U形枝节；所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，在所述微带馈线上引入改进型U形枝节；所述改进型接地板为矩形单元且中部挖去矩形凹槽，所述接地板的上部左右开设有三角形凹槽，并且在矩形单元上部设置对称的矩形贴片。本发明采用八边形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过在辐射贴片上引入U形枝节，微带线上引入改进型U形窄缝隙的方式产生阻带，能滤除不同窄带信号的干扰。

Description

一种重凹波超宽带天线
技术领域
本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种重凹波超宽带天线。
背景技术
超宽带技术因具有传输速率高、功耗低、分辨率高等优点，广泛应用于雷达遥感和军事通信领域。自2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1～10.6GUz的超宽带频带划分到民用通信领域后，超宽带技术更是引起了学术界和商业界的重点关注。超宽带天线作为系统的核心部件，其性能的好坏直接影响着整个系统的传输质量。
由于超宽带系统占用的频段极宽，其中包含着很多窄带通信系统，比如7.25-7.75GUz的X波段卫星通信系统，8.01-8.5GUz的国际电信联盟ITU波段。这些窄带系统不可避免地会与超宽带系统之间产生电磁干扰。为了避免这些窄带信号的干扰，需要设计具有陷波特性的超宽带天线，同时，为了满足当今电子产品日益小型化和便携化的要求，实现超宽带天线的小型化设计是目前国内外的研究热点，不同的通信系统需求也为可重构技术的进步增添了必要性。
为了避免超宽带系统与窄带系统之间存在的电磁干扰，传统的方法是在超宽带系统中引入带阻滤波器，但这无疑加大了系统的体积、设计复杂度和成本。另一种简单的方法是在超宽带天线结构中引入陷波结构，例如在天线的辐射单元、馈线或者接地板上刻蚀不同形状的槽或者引入寄生单元等。例如参考文献“潘勇,侯梓叶,赵二刚,马永涛,熊江,曾悦.一种矩形环状频率可重构天线设计[J].南开大学学报(自然科学版),2019,52(06):7-11.”中提出的一种具有双陷波特性的超宽带天线，天线采用两个圆的矩形环、一条横矩形带及两个椭圆环结构作为作为辐射单元，天线的整体尺寸为36*24*0.8mm3，但该天线工作状态下的相对带宽较小且物理尺寸较大。
再如专利名称为具有陷波特性的可重构超宽带单极天线、申请号201710048815.0的中国专利，提出了一种具有陷波特性的可重构超宽带天线，该天线由梯形辐射单元和矩形接地板组成，通过在梯形辐射单元上开半圆环形槽，产生陷波特性，天线的物理尺寸为25*20*1.6mm3，同样物理尺寸较大，不易于集成且不同工作状态下的相对带宽较小。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的重凹波超宽带天线，能滤除不同窄带信号的干扰，从而满足多种通信系统的需求。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种重凹波超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和改进型接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述改进型接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片采用八边形结构，并在辐射贴片中引入U形枝节；所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接，在所述微带馈线上引入改进型U形枝节；所述改进型接地板为矩形单元且中部挖去矩形凹槽，所述接地板的上部左右开设有三角形凹槽，并且在矩形单元上部设置对称的矩形贴片。
由上，本发明采用八边形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过在辐射贴片上引入U形枝节，微带线上引入改进型U形窄缝隙的方式产生阻带，能滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信；具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强等优点。
另外，所述辐射贴片的四角开设有两对边长不等的第一直角三角形凹槽和第一直角三角形凹槽。
由上，采用八边形结构作为辐射贴片，利用单极子天线的简易特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸；引入U形枝节和改进型U形窄缝隙可产生阻带特性。
可选的，所述U形枝节位于所述介质基板的中轴线上。
可选的，所述辐射贴片的边长为13.75mm、宽为12mm。
进一步的，所述第一直角三角形凹槽的直角边长分别为3mm和2mm，第二三角形凹槽的直角边长分别为3.75mm和4.5mm。
进一步的，所述U形枝节的竖直长度为8.4mm，其水平长度为7mm。
进一步的，所述改进型U形枝节的竖直长度为5mm，其水平长度为2.1mm。
可选的，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线的长度为5.25mm，其宽度为3mm。
由上，采用引入U形枝节和改进型U形窄缝隙的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产。
可选的，所述改进型接地板的长度为16mm、宽为4.6mm，所述矩形凹槽的长为3mm、宽为2mm；所述三角形凹槽的直角边长分别为2.5mm和2mm；所述矩形贴片长为1.875mm、宽为0.5mm。
可选的，所述介质基板的厚度为1.6mm，介质基板的长度和宽度分别为20mm和16mm。
由上，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。
本发明采用采用不规则八边形结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过引入U形枝节和改进型U形窄缝隙方式产生阻带，有效滤除不同窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信；具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强的优点，具有较高的实用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明的重凹波超宽带天线的结构图；
图2是本发明的重凹波超宽带天线的正面结构图；
图3是本发明的重凹波超宽带天线的背面结构图；
图4是本发明的重凹波超宽带天线的回波损耗曲线图；
图5是本发明的重凹波超宽带天线的不同工作状态对应回波损耗曲线图；
图6是本发明的重凹波超宽带天线在不同频点的辐射方向图，其中(a)为4.7GUz时的辐射方向图；(b)为7.75GUz时的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-6所示，本发明的重凹波超宽带天线的包括介质基板10、辐射贴片20、微带馈线30和改进型接地板40，该辐射贴片20和微带馈线30印制在介质基板10的正面，改进型接地板40印制在所述介质基板10的背面。
如图2所示，辐射贴片20采用八边形结构，且呈八边形单元的辐射贴片20的边长为13.75mm、宽为12mm。在辐射贴片20的四角位置挖去对称的第一直角三角形凹槽22和对称的第二直角三角形凹槽23，八边形和直角三角形凹槽的位置如图1、2所示，第一直角三角形凹槽22的直角边长分别为3mm和2mm，第二直角三角形凹槽23的直角边长分别为3.75mm和4.5mm。在辐射贴片20上引入U形枝节21。改进型U形枝节24的位置如图2所示，位于所述微带馈线30上。其中，U形枝节21位于介质基板10的中轴线上，U形枝节21的竖直长度为8.4mm，水平长度为7mm，改进型U形枝节24的竖直长度为5mm，水平长度为2.1mm。
辐射贴片20的底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线30相连，微带馈线30的长度为5.25mm，其宽度为3mm。
改进型接地板40印制在介质基板10背面的下侧，微带馈线30位于介质基板10的正面，其位置与介质基板10背面上改进型接地板40的开槽的位置相对应，采用改进型接地板40可产生渐变谐振特性，能够进一步提高天线的性能。
改进型接地板40为矩形单元且中部挖去矩形凹槽43，接地板40的上部左右开设有三角形凹槽42，并且在矩形单元上部设置对称的矩形贴片41。改进型接地板40的长度为16mm、宽为4.6mm，矩形凹槽43的长为3mm、宽为2mm；三角形凹槽42的直角边长分别为2.5mm和2mm；矩形贴片41长为1.875mm、宽为0.5mm。
本实施例中的超宽带天线印制在长、宽、厚分别为20mm、16mm、1.6mm的FR4环氧树脂材料的介质基板10上，介质基板10的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.024。
为了进一步说明本发明的重凹波超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进行了射频特性的建模仿真。
参见图4，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽完全满足超宽带频带范围，并且在4.0-5.4GHz和7.1-8.4GHz频段产生较好的陷波特性，可有效滤除国际卫星波段，WLAN上行波段和X波段窄带信号带来的电磁干扰。
参见图5，本发明的超宽带天线用以满足陷波超宽带天线应用于多种通信系统当中，满足实际需求，实现陷波特性。
参见图6(a)(b)，提供了本发明实施例中超宽带天线在4.7GUz、7.75GUz时的辐射方向图。由图6(a)(b)可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射呈现全向辐射特性，该天线在整个通带频段内均具有较好的全向辐射特性。
以上仿真分析表明，本发明的天线的工作带宽完全满足超宽带频段范围，在4.0-5.4GHz和7.1-8.4GHz频段具有较好的阻带特性，可同时滤除X波段(7.25-7.75GHz)、WLAN上行波段(5.15-5.35GHz)和国际电信联盟ITU波段(8.01-8.5GHz)窄带通信系统产生的电磁干扰，且在通带频段内具有基本稳定的峰值增益和全向辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。
上述实施例揭示的重凹波超宽带天线具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定等优点，采用八边形单极子结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化，通过引入寄生枝节(U形枝节和改进型U形枝节)的方式产生阻带，滤除了国际卫星波段，WLAN上行波段和X波段窄带信号的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信，另外，本发明采用引入U形枝节和改进型U形枝节的方法产生陷波特性，结构简单，代替了滤波器设计，降低设计成本和复杂度，加工方便，便于生产，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种重凹波超宽带天线，包括介质基板(10)、辐射贴片(20)、微带馈线(30)和改进型接地板(40)，其特征在于：
所述辐射贴片(20)和微带馈线(30)均印制在所述介质基板(10)的正面，所述改进型接地板(40)印制在所述介质基板(10)的背面；
所述辐射贴片(20)采用八边形结构，并在辐射贴片(20)中引入U形枝节(21)；
所述微带馈线(30)与所述辐射贴片(20)的底部相连接，在所述微带馈线(30)上引入改进型U形枝节(24)；
所述改进型接地板(40)为矩形单元且中部挖去矩形凹槽(43)，所述接地板(40)的上部左右开设有三角形凹槽(42)，并且在矩形单元上部设置对称的矩形贴片(41)。
2.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(20)的四角开设有两对边长不等的第一直角三角形凹槽(22)和第一直角三角形凹槽(23)。
3.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述U形枝节(21)位于所述介质基板(10)的中轴线上。
4.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片(20)的边长为13.75mm、宽为12mm。
5.如权利要求2所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述第一直角三角形凹槽(22)的直角边长分别为3mm和2mm，第二三角形凹槽(23)的直角边长分别为3.75mm和4.5mm。
6.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述U形枝节(21)的竖直长度为8.4mm，其水平长度为7mm。
7.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述改进型U形枝节(24)的竖直长度为5mm，其水平长度为2.1mm。
8.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(30)为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线(30)的长度为5.25mm，其宽度为3mm。
9.如权利要求1所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述改进型接地板(40)的长度为16mm、宽为4.6mm，所述矩形凹槽(43)的长为3mm、宽为2mm；所述三角形凹槽(42)的直角边长分别为2.5mm和2mm；所述矩形贴片(41)长为1.875mm、宽为0.5mm。
10.如权利要求1至9中任一项所述的重凹波超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(10)的厚度为1.6mm，介质基板(10)的长度和宽度分别为20mm和16mm。
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