CN205944417U - 一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，由印制在介质基板上的伞形辐射单元、共面波导馈线、矩形地板和外接的同轴接头构成。辐射单元采用伞形结构，使天线具有良好的超宽带特性，在中高频具有良好的阻抗匹配特性。采用矩形组合结构的共面波导馈线能够耦合来自伞形辐射单元的能量，改善低频段的频率响应。在辐射单元在引入U形缝隙、F形组合缝隙，在馈线中引入S形折线槽，分别控制3.5GHz、5.5GHz和8.0GHz陷波频带的位置，使天线具有三陷波特性。该天线具有尺寸小巧、结构简单、易于共形等特点，工作频带覆盖3.0～12.9GHz，陷波频段为3.2～3.7GHz、5.1～5.9GHz、7.1～8.6GHz，能够有效抑制WiMAX、WLAN和X频段对超宽带天线的潜在干扰，适用于小型超宽带无线通信终端设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，适用于超宽带无线通信终端。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，急需解决系统兼容性问题，具有陷波特性的超宽带平面印刷天线就是在这个背景下出现的，这种天线能够使各个系统相互兼容，进而提高频谱资源的利用率。实践证明，采用圆形、梯形、方形、菱形或者其它几何形状的组合结构的单极子天线可以得到较宽的阻抗带宽和良好的辐射特性，且具有体积小、易于共形等优点，在超宽带系统中具有广泛的应用前景。陷波超宽带天线的设计方法通常有两种：一种方法是在天线与射频电路前端之间增加带阻滤波器，或者使用具有陷波特性的传输结构；另一种方法是在天线中增加谐振结构，将谐振结构刻蚀在辐射单元、馈线或地板上，使天线在某个频段上出现“短路”，调整谐振结构的尺寸和位置可以实现天线的多陷波特性，这种方法由于成本低而被广泛研究。在天线中增加谐振结构主要有四种方法：一是在辐射单元谐振频点较集中的地方加载各类缝隙形式的谐振结构，改变辐射单元表面电流的分布，使天线在该频点产生谐振，实现陷波特性；二是在辐射单元周围加载寄生的谐振金属条带产生陷波特性；三是在电流分布集中的地板边缘处增加谐振结构使天线具有陷波特性；四是在馈线中加载谐振结构，利用耦合谐振作用实现陷波特性，常用的谐振结构有弯折结构、阶梯结构等。一种印刷超宽带单极缝隙天线具有三陷波特性，将多种陷波形式集成在同一天线上，在缝隙中增加谐振枝节，在地板中增加弯折槽，在馈线中增加两个C形槽，通过各谐振结构之间的耦合叠加实现多陷波特性，陷波频段分别为3.3～4.0GHz、5.1～5.4GHz、5.8～6.1GHz，但该天线在高频段阻抗匹配不佳。一种三陷波印刷超宽带天线，在辐射单元中引入C形、U形谐振结构，在地板中引入两条I形缝隙，使天线具有三陷波特性，能够有效抑制WiMAX(3.5GHz)、WLAN(5.5GHz)以及C波段卫星通信系统(7.2GHz)存在的潜在干扰。一种U形具有三陷波特性的超宽带印刷天线，在U形辐射单元是加载三个U形缝隙和两个I形缝隙，阻抗带宽覆盖3.1～12GHz，陷波频段分别为3.3～3.9GHz、5.0～6.0GHz和7.25～8.6GHz，实现WiMAX、WLAN和X波段的三陷波特性，缺点是天线整体尺寸较大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，具有三陷波特性和良好的辐射特性，能够有效隔离WiMAX(3.5GHz)、WLAN(5.5GHz)和X(8.0GHz)频段的潜在干扰。
本实用新型的技术方案是：一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，由印制在介质基板上的伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，所述的伞形辐射单元(1)上半部分为半圆形，下半部分为阶梯渐变结构，组合后形成伞形结构，在伞形辐射单元(1)的上半部分引入一个U形缝隙和一个F形组合缝隙，F形组合缝隙由两个F形对称组合而成，所述的共面波导馈线(2)由两个不同长宽比的矩形组合而成，在共面波导馈线(2)的对称轴上引入S形折线槽，所述的矩形地板(3)在靠近共面波导馈线(2)上端的位置对称增加两个矩形突起，使矩形地板(3)与共面波导馈线(2)之间的缝隙宽度保持一致，其特征在于：天线整体结构左右对称，伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)印制在同一平面上，利用共面波导馈线(2)进行馈电，伞形辐射单元(1)底部与共面波导馈线(2)上端相连接，共面波导馈线(2)下端与介质基板下边缘齐平，矩形地板(3)对称于天线的左右两侧，与共面波导馈线(2)之间存在有效的间隔，同轴接头(4)与共面波导馈线(2)和矩形地板(3)的下边缘相连接。
本实用新型的效果在于：本天线辐射单元采用伞形结构，使天线具有良好的超宽带特性，在中高频具有良好的阻抗匹配特性。采用矩形组合结构的共面波导馈线能够耦合来自伞形辐射单元的能量，改善低频段的频率响应。在辐射单元在引入U形缝隙、F形组合缝隙，在馈线中引入S形折线槽，分别控制3.5GHz、5.5GHz和8.0GHz陷波频带的位置，使天线具有三陷波特性。在矩形地板上增加两个矩形突起，能够增加谐振频率点并使之相互叠加，进一步扩展天线的阻抗带宽。该天线具有尺寸小巧、结构简单、加工方便、易于共形等特点，工作频带覆盖3.0～12.9GHz，陷波频段为3.2～3.7GHz、5.1～5.9GHz、7.1～8.6GHz，能够有效抑制WiMAX、WLAN和X频段对超宽带天线的潜在干扰，适用于小型超宽带无线通信终端设备。
附图说明
图1是本实用新型实例的结构示意图。
图2本实用新型实例实测天线驻波比曲线与仿真结果比较。
图3是本实用新型实例在频率为3.1GHz时的xoz面辐射方向图。
图4是本实用新型实例在频率为3.1GHz时的xoy面辐射方向图。
图5是本实用新型实例在频率为4.5GHz时的xoz面辐射方向图。
图6是本实用新型实例在频率为4.5GHz时的xoy面辐射方向图。
图7是本实用新型实例在频率为6.5GHz时的xoz面辐射方向图。
图8是本实用新型实例在频率为6.5GHz时的xoy面辐射方向图。
图9是本实用新型实例在频率为11GHz时的xoz面辐射方向图。
图10是本实用新型实例在频率为11GHz时的xoy面辐射方向图。
图11是本实用新型实例的峰值增益曲线。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，由印制在介质基板上的伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成。所述的伞形辐射单元(1)上半部分为半圆形，下半部分为阶梯渐变结构，组合后形成伞形结构，在伞形辐射单元(1)的上半部分引入一个U形缝隙和一个F形组合缝隙，F形组合缝隙由两个F形对称组合而成，辐射单元采用伞形结构，使天线具有良好的超宽带特性，在中高频具有良好的阻抗匹配特性。所述的共面波导馈线(2)由两个不同长宽比的矩形组合而成，在共面波导馈线(2)的对称轴上引入S形折线槽，采用矩形组合结构的共面波导馈线能够耦合来自伞形辐射单元的能量，改善低频段的频率响应。所述的矩形地板(3)在靠近共面波导馈线(2)上端的位置对称增加两个矩形突起，使矩形地板(3)与共面波导馈线(2)之间的缝隙宽度保持一致，增加的两个矩形突起，能够增加谐振频率点并使之相互叠加，进一步扩展天线的阻抗带宽。其特征在于：天线整体结构左右对称，伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)印制在同一平面上，利用共面波导馈线(2)进行馈电，伞形辐射单元(1)底部与共面波导馈线(2)上端相连接，共面波导馈线(2)下端与介质基板下边缘齐平，矩形地板(3)对称于天线的左右两侧，与共面波导馈线(2)之间存在有效的间隔，同轴接头(4)与共面波导馈线(2)和矩形地板(3)的下边缘相连接。
选择FR4环氧树脂介质基板，尺寸为高l＝30mm、宽w＝30mm，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm。伞形辐射单元、共面波导馈线、矩形地板印制在同一平面上，左右对称的天线结构使辐射方向图具有对称性。辐射单元采用半圆形与阶梯形的组合结构，使天线具有良好的超宽带特性，在中高频具有良好的阻抗匹配特性，合理调整辐射单元和地板的尺寸比例能够得到良好的阻抗匹配。在伞形辐射单元引入U形缝隙和F形组合缝隙，调整缝隙的长度，分别控制天线在3.5GHz、5.5GHz处陷波频段的位置，U形缝隙的宽度为b，F形组合缝隙的宽度为a。在共面波导馈线中轴处引入S形折线槽，调整折线槽的长度，控制天线在8.0GHz处陷波频段的位置，S形折线槽的宽度为c。天线由矩形组合结构的共面波导馈线进行馈电，馈线宽度分别为w1、w3，与矩形地板之间的有效间隔为g，两块矩形地板的整体尺寸为l5×w12，对称于天线的左右两侧。使用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化分析，得出天线的结构尺寸：w1＝3.7mm，w2＝1.7mm，w3＝2.0mm，w4＝7.9mm，w5＝14.2mm，w6＝10.0mm，w7＝2.5mm，w8＝6.1mm，w9＝1.3mm，w10＝3.1mm，w11＝13.3mm，w12＝12.4mm，l1＝7.1mm，l2＝2.8mm，l3＝11.9mm，l4＝14.8mm，l5＝13.5mm，l6＝1.8mm，l7＝1.9mm，l8＝2.9mm，l9＝3.3mm，l10＝2.0mm，l11＝1.7mm，a＝0.4mm，b＝0.5mm，c＝0.4mm，g＝0.7mm，如图1所示。
使用Agilent矢量网络分析仪E8363B对天线模型进行测试，实测天线驻波比曲线与仿真结果对比如图2所示，从对比结果可以得出，实测结果与仿真结果在整体上吻合良好，在高频段略向右偏移，原因是手工焊接同轴接头增加了误差所致。从实测结果可以看出，天线在VSWR≤2的带宽覆盖3.0～12.9GHz，完全满足超宽带系统对频谱带宽的要求，陷波频段分别为3.2～3.7GHz、5.1～5.9GHz和7.1～8.6GHz，天线具有三陷波特性，能够有效隔离WiMAX(3.5GHz)、WLAN(5.5GHz)和X(8.0GHz)频段对超宽带通信系统的潜在干扰。
实际测量天线在3.1、4.5GHz、6.5GHz、11GHz四个频率点处的xoz面和xoy面辐射方向图，检验天线在各个频点处的辐射特性，仿真与实测结果对比如图3、4、5、6、7、8、9、10所示。从图中分析得出，实测结果与仿真结果基本保持一致，随着频率的升高，方向图出现轻微畸变，造成畸变的原因是介质基板损耗和手工焊接同轴接头造成的。在xoz面近似为“∞”，在xoy面近似圆形，辐射方向近似全向，满足超宽带系统对辐射特性的需求。
天线在工作频带内不同频率点的峰值增益曲线如图11所示，选取若干个采样点测量峰值增益，可以看出，随频率的升高，峰值增益曲线整体平稳上升，在3.2～3.7GHz的WiMAX频段、5.1～5.9GHz的WLAN频段和7.1～8.6GHz的X频段内峰值增益出现明显的下降，由于增益急剧下降，天线在这三个频段内无法正常工作，因此也不会产生干扰或被干扰，说明该天线陷波性能良好，能够有效隔离WiMAX、WLAN和X频段存在的潜在干扰，可以应用在小型超宽带无线通信终端设备上。
Claims (1)
1.一种伞形三陷波超宽带平面印刷单极天线，由印制在介质基板上的伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，所述的伞形辐射单元(1)上半部分为半圆形，下半部分为阶梯渐变结构，组合后形成伞形结构，在伞形辐射单元(1)的上半部分引入一个U形缝隙和一个F形组合缝隙，F形组合缝隙由两个F形对称组合而成，所述的共面波导馈线(2)由两个不同长宽比的矩形组合而成，在共面波导馈线(2)的对称轴上引入S形折线槽，所述的矩形地板(3)在靠近共面波导馈线(2)上端的位置对称增加两个矩形突起，使矩形地板(3)与共面波导馈线(2)之间的缝隙宽度保持一致，其特征在于：天线整体结构左右对称，伞形辐射单元(1)、共面波导馈线(2)、矩形地板(3)印制在同一平面上，利用共面波导馈线(2)进行馈电，伞形辐射单元(1)底部与共面波导馈线(2)上端相连接，共面波导馈线(2)下端与介质基板下边缘齐平，矩形地板(3)对称于天线的左右两侧，与共面波导馈线(2)之间存在有效的间隔，同轴接头(4)与共面波导馈线(2)和矩形地板(3)的下边缘相连接。
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