CN116365240B - 一种宽带宽槽天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带宽槽天线,所述天线包括:金属地板,所述金属地板设置在天线底层,且所述金属地板上蚀刻有开槽;介质基板,所述介质基板设置在天线中间层;金属短截线,所述金属短截线设置在天线顶层,所述金属短截线包括多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,多层所述U型天线臂顶部开口的两内壁上各设有矩形短截线,多层所述U型天线臂的底部通过馈电线连接有SMA接头。本发明所述的一种宽带宽槽天线具有更多的设计参数可供调节,参数的优化组合提供更高的设计自由度,能够实现较大的阻抗带宽,从而有效提高天线增益。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,尤其是涉及一种宽带宽槽天线。
背景技术
随着无线通信系统的发展,对全方位覆盖、结构简单、易于集成的宽带和多频段天线的需求不断增加。在平面宽带天线中,印刷缝隙天线具有宽带、低剖面、重量轻、易于制造以及与其他设备集成等优点,是宽带应用最有希望的候选天线之一。与传统窄缝天线相比,宽槽天线显示出更好的宽带特性。印刷宽槽天线通常由蚀刻在地平面上的宽槽辐射器、微带线或共面波导馈电结构和调谐短截线组成。
申请号:201410338698.8的“一种双模宽带圆极化宽槽天线”公开了一种双模宽带圆极化宽槽天线,包括有两个结构一样、相互对置的圆极化宽槽天线单元,及设在该两个圆极化宽槽天线单元之间的馈电网,该宽槽天线中的金属短截线采用矩形结构,参数较少,S11<-10dB的频段对应的相对带宽为42%,相对带宽较窄;文献“带有寄生中心贴片的微带线馈电印刷宽槽天线的带宽增强”(IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,Vol.60,No.4,2012,pp1712-1716),提出了一种用于带宽增强的带有寄生贴片的印刷宽槽天线,天线和槽都为矩形结构,参数较少,S11<-10dB的频段对应的相对带宽为80%。
综上,上述宽槽天线结构较为简单,可供调节优化的参数较少,阻抗带宽有限,难以实现较大的阻抗带宽。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种宽带宽槽天线,以解决宽槽天线阻抗带宽有限,难以实现较大带宽的问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
本发明提供了一种宽带宽槽天线,所述天线包括:
金属地板,所述金属地板设置在天线底层,且所述金属地板上蚀刻有开槽;
介质基板,所述介质基板设置在天线中间层;
金属短截线,所述金属短截线设置在天线顶层,所述金属短截线包括多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,多层所述U型天线臂顶部开口的两内壁上各设有矩形短截线,多层所述U型天线臂的底部通过馈电线连接有SMA接头。
进一步地,以所述金属地板的中心为坐标原点,建立直角坐标系xyz,所述金属短截线和所述金属地板关于y轴对称设置。
进一步地,所述开槽的顶部为半圆形结构设置,所述开槽的底部为矩形结构设置;
所述开槽的底部下边界中间位置设有一弧形凹陷部;
所述开槽的底部两侧边界为圆角设置。
进一步地,所述弧形凹陷部向远离所述开槽的顶部的一端凹陷。
进一步地,多层所述U型天线臂包括自上而下依序交叠的第一U型天线臂、第二U型天线臂和第三U型天线臂;
所述第一U型天线臂的两臂与所述第二U型天线臂、所述第三U型天线臂的两臂部分重合;
所述第一U型天线臂的底部与所述第二U型天线臂的底部重合;
所述第三U型天线臂的底部低于所述第一U型天线臂和所述第二U型天线臂的底部。
进一步地,所述第一U型天线臂沿x轴方向的开口宽度小于所述第二U型天线臂沿x轴方向的开口宽度,所述第三U型天线臂沿x轴方向的开口宽度小于所述第一U型天线臂沿x轴方向的开口宽度;
所述第一U型天线臂沿y轴方向的高度大于所述第二U型天线臂沿y轴方向的高度,所述第二U型天线臂沿y轴方向的高度大于所述第三U型天线臂沿y轴方向的高度。
进一步地,所述第一U型天线臂、所述第二U型天线臂和所述第三U型天线臂与所述馈电线的连接处均为圆角结构;
所述第一U型天线臂、所述第二U型天线臂与所述馈电线的连接处形成的圆心角角度相等,且小于所述第三U型天线臂与所述馈电线的连接处形成的圆心角角度。
进一步地,所述第一U型天线臂的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于所述第三U型天线臂的两臂与底部之间形成的连接部的弧度;
所述第三U型天线臂的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于所述第二U型天线臂的两臂与底部之间形成的连接部的弧度。
进一步地,所述第一U型天线臂、所述第二U型天线臂和所述第三U型天线臂的底部与所述馈电线连接,所述馈电线的另一端与所述SMA接头相连;
所述SMA接头还与所述金属地板相连。
进一步地,所述馈电线的上半部宽度小于其下半部宽度。
相对于现有技术,本发明所述的一种宽带宽槽天线具有以下有益效果:
本发明所述的一种宽带宽槽天线通过在金属地板上蚀刻开槽,在天线顶层设置多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,同时在各U型天线臂的顶部内壁上设置矩形短截线,可以和U型天线臂的垂直臂之间产生电磁作用,利用设置的矩形短截线,可对匹配特性进行小幅度调整,以提升天线的阻抗带宽,同时,所述宽带宽槽天线具有更多的设计参数可供调节,参数的优化组合提供更高的设计自由度,能够实现较大的阻抗带宽,从而有效提高天线增益。
附图说明
构成本发明的一部分的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。在附图中:
图1为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线平面示意图;
图2为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线侧视图;
图3为应用本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真得到的0-6GHz的S11曲线图;
图4为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为1GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图;
图5为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为2GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图;
图6为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为3GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图;
图7为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为4GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图;
图8为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为5GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图;
图9为本发明实施例所述的一种宽带宽槽天线仿真的工作频率为6GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图。
附图标记说明:
1、金属地板;11、开槽;12、弧形凹陷部;2、介质基板;3、金属短截线;31、第一U型天线臂;32、第二U型天线臂;33、第三U型天线臂;34、矩形短截线;35、馈电线;4、SMA接头。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参阅图1和图2所示,本发明实施例提供了一种宽带宽槽天线,所述天线包括:
金属地板1,金属地板1设置在天线底层,且金属地板1上蚀刻有开槽11;
介质基板2,介质基板2设置在天线中间层;
金属短截线3,金属短截线3设置在天线顶层,金属短截线3包括多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,多层U型天线臂顶部开口的两内壁上各设有矩形短截线34,多层U型天线臂的底部通过馈电线35连接有SMA接头4。
其中,本实施例在各U型天线臂的顶部内壁上设置矩形短截线34,可以和U型天线臂的垂直臂之间产生电磁作用,利用设置的矩形短截线34,可对匹配特性进行小幅度调整,以提升天线的阻抗带宽。
本实施例通过在金属地板1上蚀刻开槽11结构,在天线顶层设置多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,在各U型天线臂上设置矩形短截线34,U型天线臂的底部通过馈电线35与SMA接头4电性连接,利用SMA接头4与外部设备相连,通过交叠设置的U型天线臂设置不同的谐振频率分布,从而提升天线阻抗带宽,经仿真结果表明,所述宽带宽槽天线在0.82-5.28GHz的频段范围内S11<-10dB,相对带宽为146.2%,相较于现有的宽带宽槽天线,本实施例所述宽带宽槽天线具有更多的设计参数可供调节,参数的优化组合提供更高的设计自由度(参数的个数),能够实现较大的阻抗带宽,从而有效提高天线增益。
在一些实施方式中,以金属地板1的中心为坐标原点,建立直角坐标系xyz,金属短截线3和金属地板1关于y轴对称设置。
如图2所示,本实施例设计的天线尺寸为220mm(x轴方向)×224.5mm(y轴方向)×6.4mm(z轴方向),经软件仿真结果表明,如图3所示,所述宽带宽槽天线在0.82-5.28GHz的频段范围内S11<-10dB,相对带宽为146.2%,如图4至图9所示,本实施例所述宽带宽槽天线在1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、5GHz和6GHz下φ=0°和90°面二维辐射方向图,从各图中可以看出,所述宽带开槽11在不同频段范围内均具有较好的辐射特性。
在一些实施方式中,开槽11的顶部为半圆形结构设置,开槽11的底部为矩形结构设置,矩形的x方向的长度与半圆形的直径相等,开槽11的底部两侧边界为圆角设置。
具体地,开槽11底部两侧边界设置圆角由1/4圆形成,在金属地板1上设置开槽11结构,可形成电磁谐振,构成开槽11天线,通过开槽11形状的变化,调整和优化开槽11天线的阻抗带宽。
需要说明的是,本实施例中的开槽11结构,半圆的圆心位置可以沿着y轴上下平移,矩形的长度、宽度以及上下位置可以根据实际情况进行调整,以达到更优的阻抗带宽。
开槽11的底部下边界中间位置设有一弧形凹陷部12,通过弧形凹陷部12和馈电线35之间的电磁耦合作用,提升天线的阻抗带宽。
开槽11的底部下边界中间位置设有一弧形凹陷部12,弧形凹陷部12向远离开槽11的顶部的一端凹陷。
具体地,本实施例考虑到目前的开槽11天线边界均为直线,而下边界中间的底部为馈电线35,经实验验证,这部分结构和尺寸对天线的阻抗带宽影响很大,本实施例通过在开槽11的底部下边界中间位置设置弧形凹陷部12,增加了设计的参数和自由度,通过优化相应的参数,以提升天线阻抗带宽。
在一些实施方式中,多层U型天线臂包括自上而下依序交叠的第一U型天线臂31、第二U型天线臂32和第三U型天线臂33;
第一U型天线臂31的两臂与第二U型天线臂32、第三U型天线臂33的两臂部分重合;
第一U型天线臂31的底部与第二U型天线臂32的底部重合;
第三U型天线臂33的底部低于第一U型天线臂31和第二U型天线臂32的底部;
第一U型天线臂31沿x轴方向的开口宽度小于第二U型天线臂32沿x轴方向的开口宽度,第三U型天线臂33沿x轴方向的开口宽度小于第一U型天线臂31沿x轴方向的开口宽度;
第一U型天线臂31沿y轴方向的高度大于第二U型天线臂32沿y轴方向的高度,第二U型天线臂32沿y轴方向的高度大于第三U型天线臂33沿y轴方向的高度;
第一U型天线臂31、第二U型天线臂32和第三U型天线臂33与馈电线35的连接处均为圆角结构;
第一U型天线臂31、第二U型天线臂32与馈电线35的连接处形成的圆心角角度相等,且小于第三U型天线臂33与馈电线35的连接处形成的圆心角角度。
在一些实施方式中,第一U型天线臂31的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于第三U型天线臂33的两臂与底部之间形成的连接部的弧度;
第三U型天线臂33的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于第二U型天线臂32的两臂与底部之间形成的连接部的弧度。
具体地,本实施例设置的三个U型天线臂基本构造相同,尺寸和位置不同,三个U型天线臂各对应一个谐振频率,通过交叠包络可以设置三个谐振频率的分布,交叠的主要约束是保持三个U型天线臂设置在一起,不能各自孤立,本发明实施例通过设置依次堆叠的三个U型天线臂,从而达到提升天线阻抗带宽的目的。
本实施例中,U型天线臂的主要参数包含垂直部分高度H、水平宽度W和两臂之间的间距L,在此基础上,增加连接部分,通过连接部分的参数R和U型结构尺寸的进一步组合,增加了天线设计参数的数量和自由度,通过优化这些参数的组合关系,从而提升天线阻抗带宽。
在一些实施方式中,第一U型天线臂31、第二U型天线臂32和第三U型天线臂33的底部与馈电线35连接,馈电线35的另一端与SMA接头4相连;
SMA接头4还与金属地板1相连。
具体地,本实施例在天线的侧面设置SMA接头4,通过SMA接头4与外部设备相连,提供可传输射频电磁场信号,在连通通信系统的各子系统或各器件之间起到信号连接传导的作用。
在一些实施方式中,馈电线35的上半部宽度小于其下半部宽度。
具体地,本实施例中,将馈电线35设置为两段具有不同宽度的金属线连接构成,馈电线35的上半部分相较于下半部分较窄,通过馈电线35的宽度变化增加了调谐匹配的自由度,通过两个部分宽度的优化设计,提升了天线的阻抗带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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 (9)
1.一种宽带宽槽天线,其特征在于,所述天线包括:
金属地板(1),所述金属地板(1)设置在天线底层,且所述金属地板(1)上蚀刻有开槽(11);
介质基板(2),所述介质基板(2)设置在天线中间层;
金属短截线(3),所述金属短截线(3)设置在天线顶层,所述金属短截线(3)包括多层U型天线臂交叠包络形成的天线单元,所述多层U型天线臂顶部开口的两内壁上各设有矩形短截线(34),所述多层U型天线臂的底部通过馈电线(35)连接有SMA接头(4);
多层U型天线臂在所述金属地板(1)的投影位于所述开槽(11)内,多层U型天线臂包括自上而下依序交叠的第一U型天线臂(31)、第二U型天线臂(32)和第三U型天线臂(33);
所述第一U型天线臂(31)的两臂与所述第二U型天线臂(32)、所述第三U型天线臂(33)的两臂部分重合;
所述第一U型天线臂(31)的底部与所述第二U型天线臂(32)的底部重合;
所述第三U型天线臂(33)的底部低于所述第一U型天线臂(31)和所述第二U型天线臂(32)的底部。
2.根据权利要求1所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
以所述金属地板(1)的中心为坐标原点,建立直角坐标系xyz,所述金属短截线(3)和所述金属地板(1)关于y轴对称设置,其中,Z轴为介质基板(2)厚度方向,所述金属短截线(3)位于xoy平面。
3.根据权利要求1所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述开槽(11)的顶部为半圆形结构设置,所述开槽(11)的底部为矩形结构设置;
所述开槽(11)的底部下边界中间位置设有一弧形凹陷部(12);
所述开槽(11)的底部两侧边界为圆角设置。
4.根据权利要求3所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述弧形凹陷部(12)向远离所述开槽(11)的顶部的一端凹陷。
5.根据权利要求2所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述第一U型天线臂(31)沿x轴方向的开口宽度小于所述第二U型天线臂(32)沿x轴方向的开口宽度,所述第三U型天线臂(33)沿x轴方向的开口宽度小于所述第一U型天线臂(31)沿x轴方向的开口宽度;
所述第一U型天线臂(31)沿y轴方向的高度大于所述第二U型天线臂(32)沿y轴方向的高度,所述第二U型天线臂(32)沿y轴方向的高度大于所述第三U型天线臂(33)沿y轴方向的高度。
6.根据权利要求2所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述第一U型天线臂(31)、所述第二U型天线臂(32)和所述第三U型天线臂(33)与所述馈电线(35)的连接处均为圆角结构;
所述第一U型天线臂(31)、所述第二U型天线臂(32)与所述馈电线(35)的连接处形成的圆心角角度相等,且小于所述第三U型天线臂(33)与所述馈电线(35)的连接处形成的圆心角角度。
7.根据权利要求1所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述第一U型天线臂(31)的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于所述第三U型天线臂(33)的两臂与底部之间形成的连接部的弧度;
所述第三U型天线臂(33)的两臂与底部之间形成的连接部的弧度小于所述第二U型天线臂(32)的两臂与底部之间形成的连接部的弧度。
8.根据权利要求1所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述第一U型天线臂(31)、所述第二U型天线臂(32)和所述第三U型天线臂(33)的底部与所述馈电线(35)连接,所述馈电线(35)的另一端与所述SMA接头(4)相连;
所述SMA接头(4)还与所述金属地板(1)相连。
9.根据权利要求1所述的一种宽带宽槽天线,其特征在于:
所述馈电线(35)的上半部宽度小于其下半部宽度。
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