CN114336058A - 一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，包括：介质基板、微带馈线和辐射贴片；微带馈线和辐射贴片均加载在介质基板的正面；辐射贴片具有弧形边，且辐射贴片上具有弧形边的一端与微带馈线相连；还包括：地板；地板呈矩形结构并加载在介质基板的反面靠下的位置，地板在水平方向上的长度与介质基板相等，地板在竖直方向上的高度与微带馈线的高度相等，使地板的三条边与介质基板的三条边重合；地板的顶边上设有刻槽，地板的顶边的两端设有对称的弧形切角。采用本申请能够降低天线尺寸和成本、结构简单、辐射性能稳定且易于集成。
Description
技术领域
本申请涉及超宽带微带天线技术领域，特别是涉及一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线。
背景技术
随着无线通信技术的日益发展，通信环境日益复杂，为了满足多方面的通信需求，通信系统朝着宽频带、大容量、多功能的方向发展。天线是无线通信系统的重要器件，所有发送和接收电磁波都要经过天线，可以说天线的质量直接影响无线通信系统性能整体的优劣。为了顺应现代无线通信技术的发展需求，超宽带(UWB)通信系统因其具有高传输速率、高容量、低检测和高分辨率等优点，恰好可以满足通信系统的大容量、多连接数、高速度的需求，广泛应用于汽车雷达、高分辨率成像、物联网等领域。
然而，目前在超宽带频率范围(3.1—10.1GHz)内，频带为5.15-5.825GHz的无线局域网(WLAN)以及3.3—3.7GHz的全球微波互联接入WiMAX频段也在超宽带的定义范围，这些窄带的干扰信号就不可避免的会造成对超宽带的整体工作性能造成很大的电磁干扰，所以设计超宽带系统就必须避免这些频段，那么就要求超宽带通信系统的天线具有这些频段的陷波特性，以抑制干扰频段对超宽带天线工作的干扰。
目前，超宽带类型的天线分为介质谐振器天线、印刷单极子天线、印刷缝隙天线以及平面单极天线。其中，微带贴片天线由于体积小、成本低、重量小、制造简单以及易于集成等优点，被认为是实现超宽带天线的最佳选择。而在超宽带微带天线上实现陷波是目前针对超宽带通信系统抑制WiMAX和WLAN等窄频带信号干扰的最佳手段。因此，近些年国内外涌现了不少关于超宽带陷波微带天线的成果。超宽带微带天线实现陷波的方法主要分为三类：在天线结构中刻蚀不同的缝隙和凹槽；采用分形结构；引入寄生谐振单元。
现有技术中，超宽带陷波微带天线主要面临2个方面的问题：
1、大多数超宽带陷波微带天线的尺寸较大，成本较高。
2、大部分超宽带陷波微带天线结构的几何形状较为复杂，并且在高频段出现不稳定的辐射方向图，进而可能会对天线的工作性能造成影响。
综上所述，现有具有陷波功能的超宽带微带天线在尺寸、结构性能灵活性、辐射特性等方面仍然存在一定的局限性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，能够降低天线尺寸和成本、结构简单、辐射性能稳定且易于集成。
一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，包括：介质基板、微带馈线和辐射贴片；所述微带馈线和所述辐射贴片均加载在所述介质基板的正面；
所述辐射贴片具有弧形边，且所述辐射贴片上具有弧形边的一端与所述微带馈线相连。
在其中一个实施例中，还包括：地板；
所述地板呈矩形结构并加载在所述介质基板的反面靠下的位置，所述地板在水平方向上的长度与所述介质基板相等，所述地板在竖直方向上的高度与所述微带馈线的高度相等，使所述地板的三条边与所述介质基板的三条边重合；
所述地板的顶边上设有刻槽，所述地板的顶边的两端设有对称的弧形切角。
在其中一个实施例中，所述刻槽固定设在所述地板顶边的中央位置。
在其中一个实施例中，还包括：闭合谐振环；
所述闭合谐振环加载在所述辐射贴片上，用于覆盖WiMAX频段的陷波。
在其中一个实施例中，还包括：开口谐振环；
所述开口谐振环的数量为两个以上，并分别加载在所述微带馈线的两侧，用于覆盖WLAN频段的陷波。
在其中一个实施例中，所述开口谐振环与所述微带馈线的距离范围是0.1mm至0.5mm。
在其中一个实施例中，还包括：开口谐振环；
所述开口谐振环的数量为一个以上，并沿所述微带馈线的竖直方向加载在所述微带馈线上，用于覆盖WLAN频段的陷波。
在其中一个实施例中，所述开口谐振环上设有定位槽，所述闭合谐振环和所述定位槽上均设有变容二极管；
所述变容二极管的一端与所述闭合谐振环或对应的定位槽的一侧相连，所述变容二极管的另一端与所述辐射贴片或所述定位槽的另一侧相连。
在其中一个实施例中，所述介质基板采用F4B材料，所述地板采用金属材料。
上述频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，针对目前具有陷波特性的超宽带微带天线尺寸较大、辐射特性不稳定等问题，通过设置具有弧形边的辐射贴片，显著减小了天线尺寸，降低了天线成本；通过在辐射贴片下底的渐变圆弧，可以有效的引导电磁波，使波沿半圆环的缝隙进行路径传播，从缝隙中渐进辐射到空间，实现了天线在1.32GHz—11GHz的超宽带范围的工作性能，工作频段已经超过美国联邦通信委员会批准的的UWB(Ultra Wide Band,3.1GHz—10.6GHz)规定的超宽带范围，实现更宽的超宽带，并表现出全向性；且结构简单，辐射性能稳定，易于集成，可以广泛应用于无线通信、物联网、雷达等多个应用领域，工程应用前景广阔。
附图说明
图1为一个实施例中频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线的正面示意图；
图2为一个实施例中频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线的反面示意图；
图3为一个实施例中随偏置电压变化的VSWR曲线示意图；
图4为一个实施例中3.75GHz的E面和H面的辐射方向图；
图5为一个实施例中5.48GHz的E面和H面的辐射方向图；
图6为一个实施例中2GHz的E面和H面的辐射方向图；
图7为一个实施例中3GHz的E面和H面的辐射方向图；
图8为一个实施例中4.5GHz的E面和H面的辐射方向图。
附图说明：
辐射贴片1，介质基板2，闭合谐振环3，开口谐振环4，微带馈线5，变容二极管6，地板7。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1至图2所示，本申请提供的一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，在一个实施例中，包括：介质基板2、微带馈线5和辐射贴片1；微带馈线5和所述辐射贴片1均加载在介质基板2的正面；辐射贴片1具有弧形边，且辐射贴片1上具有弧形边的一端与所述微带馈线5相连。
在本实施例中，介质基板2的厚度为3.048mm，采用F4B材料，介电常数为2.94，损耗角正切为0.001。
微带馈线5的长度为16.42mm，宽度为7.47mm，采用金属材质，以实现馈电。微带馈线5的长边可以竖直摆放，也可以水平摆放。
电磁波接头一端的内导体在微带馈线5上，沿竖直方向焊接，另一端的引脚焊在微带馈线5的反面(地板)。
辐射贴片1采用金属材质。
本申请不限制辐射贴片1的具体形状和尺寸，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：半圆形、半圆环形、半椭圆形、半椭圆环形、扇形；一边具有直线结构，一边具有弧形结构；两边均具有弧形结构；一边具有直线结构，一边具有波浪形结构等。
优选地，辐射贴片1呈半圆环形，由直径为53.29mm的半圆形金属贴片裁剪一个直径为20mm的半圆构成，厚度为0.018mm。
半圆环形的辐射贴片可减小整体尺寸并节省金属贴片的使用量，在保证天线整体性能不下降，保证工作频带和辐射性能不受影响的情况下，降低天线的整体尺寸到0.26λ*0.19λ(λ为工作频率最低点对应的波长)，实现了天线的小型化，并显著降低成本。
本实施例的工作过程是：电磁波从接头传入微带馈线，沿着微带馈线的两边传递到辐射贴片，并沿辐射贴片的弧形边传播到空气中，使波过渡转变为空间辐射波，并产生全向性和宽带的效果。
上述频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，针对目前具有陷波特性的超宽带微带天线尺寸较大、辐射特性不稳定等问题，通过设置具有弧形边的辐射贴片，显著减小了天线尺寸，降低了天线成本；通过在辐射贴片下底的渐变圆弧，可以有效的引导电磁波，使波沿半圆环的缝隙进行路径传播，从缝隙中渐进辐射到空间，实现了天线在1.32GHz—11GHz的超宽带范围的工作性能，工作频段已经超过美国联邦通信委员会批准的的UWB(Ultra Wide Band,3.1GHz—10.6GHz)规定的超宽带范围，实现更宽的超宽带，并表现出全向性；且结构简单，辐射性能稳定，易于集成，可以广泛应用于无线通信、物联网、雷达等多个应用领域，工程应用前景广阔。
在其中一个实施例中，还包括：地板7；地板7呈矩形结构并加载在介质基板2的反面靠下的位置，地板7在水平方向上的长度与介质基板2相等，地板7在竖直方向上的高度与微带馈线5的高度相等，使地板7的三条边与介质基板2的三条边重合；地板7的顶边上设有刻槽，地板7的顶边的两端设有对称的弧形切角。
地板7采用金属材质。
本申请不限制刻槽的具体形状、尺寸和位置，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：矩形槽、方形槽、弧形槽、异形槽等。又例如：刻槽设在顶边偏左，刻槽设在顶边中央等。
本申请不限制弧形切角的具体形状和尺寸，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：1/4圆弧形、一段椭圆弧形、抛物线弧形、普通弧形等。
优选地，金属地板是由长度为60mm，宽度为15.81mm的矩形贴片分别在两边裁剪半径为5mm的1/4圆弧切角以及在地板中央开有长为6mm，宽有5mm的刻槽形成的。
弧形切角是周期对称的，是一种人工对称超材料结构，可以更好的展开频带，改善阻抗匹配。
通过在地板中央开槽和双边切角的方法，可以引导表面电流走向，显著改善阻抗匹配，从而提高天线的阻抗带宽，实现工作频带在1.32GHz—11GHz范围的超带宽的工作性能。
在其中一个实施例中，还包括：闭合谐振环3；闭合谐振环3加载在辐射贴片1上，用于覆盖WiMAX频段的陷波。
闭合谐振环3是互补的金属谐振环。
本申请不限制闭合谐振环的具体形状、尺寸、位置和方向，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆形、椭圆形、波浪形等。又例如：闭合谐振环固定设在辐射贴片中央、闭合谐振环固定设在辐射贴片左侧等。又例如：闭合谐振环呈椭圆形，其长边与竖直方向平行等。
优选地，本实施例中的闭合谐振环是在辐射贴片上刻蚀椭圆环形槽形成的，外圆长直径为18mm，内圆长直径为16mm，外圆短直径为8mm，内圆短直径为6mm，固定设在辐射贴片的下部，其长边与水平方向平行。
椭圆环的谐振器可以使天线特定工作频带下的电流束缚在椭圆环谐振器的周围，不能被辐射出去，继而产生窄带陷波。闭合谐振环靠近贴片的下部，陷波的效果会更好，因为电磁波主要沿着弧形边分缝隙传播，闭合谐振环靠近两边弧形缝隙，耦合的电磁波会更多，效果更好。
在其中一个实施例中，还包括：开口谐振环4，用于覆盖WLAN频段的陷波。
开口谐振环4是非互补的非金属谐振环。通过合理地设置开口谐振环4的尺寸，可以使陷波频率落在WLAN频段内。
本申请不限制开口谐振环的具体形状、尺寸、位置、方向和数量，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：圆形、椭圆形、弧形、波浪形等。又例如：开口谐振环加载在微带馈线的两侧，开口谐振环沿竖直方向加载在微带馈线上。又例如：开口谐振环的开口朝向微带馈线、开口谐振环的开口朝向辐射贴片等。又例如：开口谐振环有两个、四个等。
优选地，两个以上开口谐振环沿所述微带馈线的竖直方向加载在所述微带馈线上，用于覆盖WLAN频段的陷波。
优选地，开口谐振环有两个，两个开口谐振环呈大小一样的圆形，且对称加载在微带馈线的两侧，开口均朝向微带馈线即面对面设置，内径为5mm，外径为7mm。
开口谐振环可以使天线的电流集中在开口谐振环周围，通过加载两个同样大小的开口谐振环可以增强谐振的强度，束缚表面电流的效果也会更加明显。
闭合谐振环与开口谐振环，在本质上都是利用引入谐振器单元产生陷波，或者改变天线上的辐射单元上的电流分布，来实现天线的陷波。闭合谐振环与开口谐振环的同时设置，可以克服陷波频段单一、只能产生单个陷波的问题，能够很好的抑制多方面窄带频谱信号的干扰，有效抑制WiMAX和WLAN窄带频谱信号对超宽带通信系统的信号干扰，实现天线在WiMAX和WLAN频段的双陷波。
在一个实施例中，开口谐振环4与微带馈线5的距离范围是0.1mm至0.5mm。
优选地，开口谐振环4与所述微带馈线5的距离是0.2mm。
当开口谐振环4的与微带馈线5的间距降低至0.2mm时，可以增强耦合效果，陷波也会更加明显，并利于整体天线的性能和加工。
在其中一个实施例中，开口谐振环4上设有定位槽，闭合谐振环3和定位槽上均设有变容二极管6；变容二极管6的一端与闭合谐振环3或对应的定位槽的一侧相连，变容二极管6的另一端与辐射贴片1或定位槽的另一侧相连。
变容二极管分别加载在闭合谐振环3的缝隙以及两个开口谐振环4的缝隙处。
目前国内外实现陷波的方法和手段都是通过改变固定的天线结构形状或者结构参数，来实现对WLAN频段和WiMAX窄带通信频段的抑制。然而这些天线的电磁特性都是由加载结构单元(凹槽，缝隙，寄生单元，缺陷地结构)的尺寸和形状来决定的，一旦结构固定，将无法动态调控超宽带陷波天线的电磁特性。但是在实际应用中，实际窄带频谱信号不一定与所设计的陷波频带对应，或者实际中根本就不存在这些窄带频谱信号的干扰。这些因素将会导致超宽带系统抑制实际中不存在干扰信号的频谱，致使频谱的利用率大大降低，进而影响超宽带通信系统的整体工作性能。
本实施例中，变容二极管采用的型号为Skyworks SMV1405-079LF，可以等效为RLC电路，该变容二极管的参数Rs和Ls的典型值分别为0.8Ω和0.7nH。通过在变容二极管的两端施加不同的偏置电压，可以改变其等效电容CT值，进而可以改变圆环形谐振器的电流路径长度。等效电容越大，其相对应电流路径越长，则对应圆环谐振器的谐振频率就会越低，通过合理设计圆环谐振器的尺寸，可以使陷波的频率较好地落在WiMAX频段和WLAN频段内。所以，通过改变调谐变容二极管两端的偏置电压，可以实现双陷波在较宽工作频率范围内的连续动态电可调，这样可以使设计的陷波频带和实际中干扰信号的频谱精准对应，可有效避免超宽带系统抑制实际中不存在干扰信号的频谱，提高超宽带天线和超宽带通信系统的频谱利用率，实现电磁性能可调。
具体的，变容二极管的反向偏置电压的范围是-30V～0V。
本申请不限制变容二极管的方向，具体可以根据实际情况灵活设置。例如：变容二极管的阴极与闭合谐振环相连、阳极与辐射贴片相连等。需要说明：在加载电压时要注意，电压加在使二极管截止的方向，即从负极往正极施加反向偏置电压。
在一个具体的实施例中，本发明使用电磁全波仿真软件CST对所述的双陷波频率电可调的小型化超宽带微带天线进行仿真分析和优化，对其结构参数，VSWR参数以及多个频点对应的E面和H面辐射方向图进行了研究。
如图3所示，VSWR参数(电压驻波比，衡量工作频带)值随频率以及反向偏置电压的变化曲线。从图3所知，天线的工作频带为1.32GHz—11GHz(<-10dB)，其相对带宽为157％；随着反向偏置电压的减小，其对应的陷波频率逐渐向低频移动。其中位于WIMAX频段的第一个陷波的频率由3.77GHz移动至2.84GHz(930MHz)，第二个位于WLAN频段的第二个陷波的频率由5.51GHz移动至4.97GHz(540MHz)。究其机理，通过查阅Skyworks SMV1405-079LF的Datasheet可知，变容二极管两端加反向偏置电压-30V，-5V，0V，其对应等效电容CT分别为0.63pF，1.17pF和2.67pF。随着两端加载反向偏置电压的不同，其等效电容CT会发生显著变化。随着反向偏置电压的减小，其等效电容CT会不断增大，CT增大等效于增加了束缚在谐振器周围的表面电流路径，从而降低谐振器的工作频率。
如图4至图8，给出了本发明在不同工作频点的E面和H面辐射方向图，从辐射方向图中可以看出在天线陷波频点上增益非常小(第一个陷波频点增益接近0，第二个陷波频点增益为负数)，辐射能力几乎完全被抑制。而在非陷波频带对应频点处，增益不受影响，具有稳定的辐射能力。具体的：
图4为3.75GHz(第一个陷波)的E面和H面辐射方向图，E面增益为0.69dBi；
图5为5.48GHz(第二个陷波)的E面和H面辐射方向图，E面增益为-2.85dBi；
图6为2GHz的E面和H面辐射方向图，E面增益为1.39dBi；
图7为3GHz的E面和H面辐射方向图，E面增益为1.61dBi；
图8为4.5GHz的E面和H面辐射方向图，E面增益为1.84dBi。
在本实施例中，本发明在传统圆形贴片微带天线上裁剪半圆和在地板上开槽的方式实现了天线的小型化(0.26λ*0.19λ)和超宽带(1.32GHz—11GHz)，同时，通过在辐射贴片上加载闭合谐振环以及在微带馈电线两侧加载大小相同的开口谐振环实现了位于WiMAX和WLAN频段内的双陷波，并进一步在闭合谐振环以及开口谐振环的缝隙上加载变容二极管，通过改变施加在变容二极管的偏置电压，实现了双陷波频带在较宽范围内的连续可调。天线在位于WiMAX和WLAN频段陷波频点处增益极低，辐射性能几乎完全被抑制，辐射方向图稳定；而且，该天线几何形状简单，陷波电磁性能可调，辐射性能稳定，成本低，易于集成，可广泛应用于超宽带无线通信领域、雷达成像以及物联网等领域。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种频率电可调的双陷波小型化超宽带微带天线，其特征在于，包括：介质基板、微带馈线和辐射贴片；所述微带馈线和所述辐射贴片均加载在所述介质基板的正面；
所述辐射贴片具有弧形边，且所述辐射贴片上具有弧形边的一端与所述微带馈线相连。
2.根据权利要求1所述的超宽带微带天线，其特征在于，还包括：地板；
所述地板呈矩形结构并加载在所述介质基板的反面靠下的位置，所述地板在水平方向上的长度与所述介质基板相等，所述地板在竖直方向上的高度与所述微带馈线的高度相等，使所述地板的三条边与所述介质基板的三条边重合；
所述地板的顶边上设有刻槽，所述地板的顶边的两端设有对称的弧形切角。
3.根据权利要求2所述的超宽带微带天线，其特征在于，所述刻槽固定设在所述地板顶边的中央位置。
4.根据权利要求3所述的超宽带微带天线，其特征在于，还包括：闭合谐振环；
所述闭合谐振环加载在所述辐射贴片上，用于覆盖WiMAX频段的陷波。
5.根据权利要求4所述的超宽带微带天线，其特征在于，还包括：开口谐振环；
所述开口谐振环的数量为两个以上，并分别加载在所述微带馈线的两侧，用于覆盖WLAN频段的陷波。
6.根据权利要求5所述的超宽带微带天线，其特征在于，所述开口谐振环与所述微带馈线的距离范围是0.1mm至0.5mm。
7.根据权利要求4所述的超宽带微带天线，其特征在于，还包括：开口谐振环；
所述开口谐振环的数量为一个以上，并沿所述微带馈线的竖直方向加载在所述微带馈线上，用于覆盖WLAN频段的陷波。
8.根据权利要求7所述的超宽带微带天线，其特征在于，所述开口谐振环上设有定位槽，所述闭合谐振环和所述定位槽上均设有变容二极管；
所述变容二极管的一端与所述闭合谐振环或对应的定位槽的一侧相连，所述变容二极管的另一端与所述辐射贴片或所述定位槽的另一侧相连。
9.根据权利要求8所述的超宽带微带天线，其特征在于，所述介质基板采用F4B材料，所述地板采用金属材料。
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