CN211017416U - 一种加载u形环超宽带陷波阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，该天线包括一个四单元天线阵列和一个一分四功分器；四单元天线阵列由四个从左到右依次间隔排开的加载U形环天线单元构成；一分四功分器的四个输出端口分别通过微带馈线连接四单元天线阵列的四个输入端口。本实用新型通过将一分四功分器与四单元天线阵列结合，并采用微带线馈电的方法，有效的降低了损耗，增大的天线的带宽，滤除了无线局域网(5.15GHz～5.85GHz)的信号，减少了其他信号的干扰同，使天线能够稳定地工作在3.6GHz～5.2GHz和6.0GHz～10.5GHz频段，实用性较强。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，涉及天线阵列技术，尤其涉及一种加载U形环超宽带陷波阵列天线。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，人们对通信系统性能的要求越来越高，而天线处于无线通信系统架构的最前端，在无线通信中起着至关重要的作用。自从联邦通信委员会将3.1GHz～10.6GHz命名为超宽带频带并发放许可证书以来，超宽带天线引起了广泛关注。微带天线体积小，剖面低，宽频带，高效率，能够应用在大部分通信系统中，近年来在国内发展较为迅速。
然而在超宽带频谱范围内还存在其他通信系统的工作频段，比如无线局域网(5.15GHz～5.85GHz)。当前，为了降低系统的内部损耗和复杂程度，并且能够满足所需频段，减少其他频段的干扰，超宽带陷波系统成了当前研究的热点。例如Saswati Ghosh等人发表的文献《Design of Microstrip Crossed Monopole Antenna for Ultra WidebandCommunication》，文章中利用两个交叉的单极子并适当调整单极子的大小从而实现天线阻抗带宽从3.1GHz到10.6GHz，但是其增益较低，尺寸较大，易受到其他频段信号的干扰；黄斌等人在发表的《新型超宽带微带阵列天线分析设计》中设计了一款超宽带微带天线阵列，利用四单元天线阵列与一分四功分器相结合，天线单元是加载矩形贴片的平面印制圆形缝隙微带天线，实现了天线的阻抗带宽从3.1GHz到12.4GHz，达到了4倍频程，覆盖了整个超宽带频带，但是易受到其他信号的干扰，从而影响天线的性能；申请号为201710729684.2的中国专利公开了一种在斧头形缝隙中加载直接谐振器的新方式，在一定程度上减少WLAN和WiMAX两个频段的干扰，但其依旧存在增益较低、尺寸较大等问题。
实用新型内容
针对上述存在的不足，本实用新型提供一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，该天线增益高、损耗小，覆盖大部分超宽带频带并且能够降低无线局域网信号的干扰，具有更广泛的实用性。
为实现上述实用新型的目的，本实用新型采用如下方案：设计一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，该天线包括一个四单元天线阵列和一个一分四功分器；四单元天线阵列由四个从左到右依次间隔排开的加载U形环天线单元构成；一分四功分器的四个输出端口分别通过微带馈线连接四单元天线阵列的四个输入端口；
所述加载U形环天线单元与一分四功分器均位于天线介质基板上，四个加载U形环天线单元均匀间隔的排布在天线介质基板的上部，一分四功分器位于天线介质基板上的下部；加载U形环天线单元上的辐射贴片的下部边界的中部向后通过第一微带馈线与一分四功分器的前端相连，一分四功分器所在的天线介质基板的背面设置有接地面；接地面的前端的边界位于天线辐射贴片下部边界的下方，其左侧、右侧及下侧的边界与天线介质基板对应位置的边缘重合；
所述辐射贴片整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形下部边缘的中部衔接有一个小方形结构，小方形结构两侧上方的大方形结构部分的长度相等；大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环通过腐蚀辐射贴片而露出对应位置的天线介质基板而得；U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，左竖槽、右竖槽的顶部分别对称的垂直衔接在顶横槽下部的两侧，左内槽和右内槽分别垂直衔接在左竖槽、右竖槽下部末端的内侧；左竖槽、右竖槽尺寸相等，左内槽和右内槽尺寸相等；
所述一分四功分器由三个一分二功分器构成，三个一分二功分器结构与尺寸相同且均为一分二威尔金森功分器，其中一个一分二功分器位于天线介质基板下部且其输入端口位于天线介质基板下部的边缘处，其输入端口连接有第四微带馈线延伸到天线介质基板下部的边缘处；其余两个一分二功分器结构横向并排的设置在四单元天线阵列与第一级一分二功分器之间，第一级一分二功分器的两个输出端口通过两段第三微带馈线分别与两个横向并排的一分二功分器结构的输入端口连接；两个横向并排的一分二功分器结构的四个输出端口通过第二微带馈线与第一微带馈线的下端衔接，第二微带馈线的上部末端尺寸与第一微带馈线的下端尺寸相同，使得四个输出端口中的两个相邻输出端口的第二微带馈线末端的中心线的距离与两个相邻加载U形环天线单元的中心线的距离相等；
所述一分二功分器的两臂采用多节阻抗变换器相极连的形式，阻抗变换器为三节，各节的长度和宽度有所不同，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，最后两臂的输出端口通过两段微带馈线分别向左右两侧延伸。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型通过将一分四功分器与四单元天线阵列结合，并采用微带线馈电的方法，有效的降低了损耗，增大的天线的带宽，滤除了无线局域网(5.15GHz～5.85GHz)的信号，减少了其他信号的干扰同，使天线能够稳定地工作在3.6GHz～5.2GHz和6.0GHz～10.5GHz频段，实用性较强。
附图说明
图1为本实用新型天线一种实施例的正面结构示意图；
图2为本实用新型天线一种实施例的背面结构示意图；
图3为本实用新型天线一种实施例的加载U形环天线单元结构示意图；
图4为本实用新型天线一种实施例的四单元天线阵列结构示意图；
图5为本实用新型天线一种实施例的一分四功分器结构示意图；
图6为实施例1中的天线的回波损耗曲线仿真结果图；
图7为实施例1中的天线的E面和H面的方向图。
具体实施方式
为详细说明实用新型的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
本实用新型提供一种加载U形环超宽带陷波阵列天线(简称天线，参见图1-5)，该天线包括一个四单元天线阵列10和一个一分四功分器20；四单元天线阵列10由四个从左到右依次间隔排开的加载U形环天线单元构成；一分四功分器20的四个输出端口分别通过微带馈线连接四单元天线阵列10的四个输入端口，进行微带线馈电。
所述加载U形环天线单元与一分四功分器20均位于天线介质基板2上，四个加载U形环天线单元均匀间隔的排布在天线介质基板2的上部，一分四功分器20位于天线介质基板上的下部；加载U形环天线单元上的辐射贴片1的下部边界的中部向后通过第一微带馈线3与一分四功分器20的前端相连，一分四功分器20所在的天线介质基板2的背面设置有接地面4；接地面4的前端的边界位于天线辐射贴片1下部边界的下方，其左侧、右侧及下侧的边界与天线介质基板2对应位置的边缘重合。
所述辐射贴片1整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形下部边缘的中部衔接有一个小方形结构，小方形结构两侧上方的大方形结构部分的长度相等。大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环通过腐蚀辐射贴片1而露出对应位置的天线介质基板而得。U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，左竖槽、右竖槽的顶部分别对称的垂直衔接在顶横槽下部的两侧，左内槽和右内槽分别垂直衔接在左竖槽、右竖槽下部末端的内侧(以朝向对称中心线的方向为内)。左竖槽、右竖槽尺寸相等，左内槽和右内槽尺寸相等。
所述一分四功分器20由三个一分二功分器202构成，三个一分二功分器结构与尺寸相同且均为一分二威尔金森功分器，其中一个一分二功分器位于天线介质基板下部且其输入端口位于天线介质基板下部的边缘处，其输入端口连接有第四微带馈线204延伸到天线介质基板2下部的边缘处。其余两个一分二功分器结构横向并排的设置在四单元天线阵列10与第一级一分二功分器之间，第一级一分二功分器的两个输出端口通过两段第三微带馈线203分别与两个横向并排的一分二功分器结构的输入端口连接；两个横向并排的一分二功分器结构的四个输出端口通过第二微带馈线201与第一微带馈线3的下端衔接，第二微带馈线201的上部末端尺寸与第一微带馈线3的下端尺寸相同，使得四个输出端口中的两个相邻输出端口的第二微带馈线201末端的中心线的距离与两个相邻加载U形环天线单元的中心线的距离相等。
所述一分二功分器202的两臂采用三节阻抗变换器相极连的形式，各节的长度和宽度有所不同，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，最后两臂的输出端口通过两段微带馈线分别向左右两侧延伸。
实施例1
本实施例提供一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，该天线包括一个四单元天线阵列10和一个一分四功分器20；四单元天线阵列10由四个从左到右依次间隔排开的加载U形环天线单元构成；一分四功分器20的四个输出端口分别通过微带馈线连接四单元天线阵列10的四个输入端口，进行微带线馈电。
所述加载U形环天线单元与一分四功分器20均位于天线介质基板2上，四个加载U形环天线单元均匀间隔的排布在天线介质基板2的上部，一分四功分器20位于天线介质基板上的下部；加载U形环天线单元上的辐射贴片1的下部边界的中部向后通过第一微带馈线3与一分四功分器20的前端相连，一分四功分器20所在的天线介质基板2的背面设置有接地面4；接地面4的前端的边界位于天线辐射贴片1下部边界的下方，其左侧、右侧及下侧的边界与天线介质基板2对应位置的边缘重合。
所述辐射贴片1整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形下部边缘的衔接有一个小方形结构，小方形结构两侧上方的大方形结构部分的长度相等。大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环通过腐蚀辐射贴片1而露出对应位置的天线介质基板而得。U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，左竖槽、右竖槽的顶部分别对称的垂直衔接在顶横槽下部的两侧，左内槽和右内槽分别垂直衔接在左竖槽、右竖槽下部末端的内侧(以朝向对称中心线的方向为内)。左竖槽、右竖槽尺寸相等，左内槽和右内槽尺寸相等。
所述一分四功分器20由三个一分二功分器202构成，三个一分二功分器结构与尺寸相同且均为一分二威尔金森功分器，其中一个一分二功分器位于天线介质基板下部且其输入端口位于天线介质基板下部的边缘处，其输入端口连接有第四微带馈线204延伸到天线介质基板2下部的边缘处。其余两个一分二功分器结构横向并排的设置在四单元天线阵列10与第一级一分二功分器之间，第一级一分二功分器的两个输出端口通过两段第三微带馈线203分别与两个横向并排的一分二功分器结构的输入端口连接；两个横向并排的一分二功分器结构的四个输出端口通过第二微带馈线201与第一微带馈线3的下端衔接，第二微带馈线201的上部末端尺寸与第一微带馈线3的下端尺寸相同，使得四个输出端口中的两个相邻输出端口的第二微带馈线201末端的中心线的距离与两个相邻加载U形环天线单元的中心线的距离相等。
所述一分二功分器202的两臂采用三节阻抗变换器相极连的形式，各节的长度和宽度有所不同，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，最后两臂的输出端口通过两段微带馈线分别向左右两侧延伸。
所述天线介质基板2选用厚度为0.8mm的FR-4基板，相对介电常数εr＝4.4，中心频率fr＝6GHz。
所述加载U形环天线单元的长L1为30mm，宽W1为23mm，两个相邻加载U形环天线单元的中心线之间的距离为33.8mm。
所述辐射贴片1整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形结构的长L7为9mm，宽W4为13mm；大方形下部边缘的衔接有一个小方形结构，小方形结构的长L6为4mm，宽W3为11mm；大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，五部分的宽度相同，均为W2，其值为1.6mm，顶横槽的长L5为9.9mm，左竖槽与右竖槽尺寸相等且长度L3为4.4mm，左内槽和右内槽尺寸相等且长度L4为0.2mm；顶横槽的上边缘距离大方形结构的上边缘为2mm。
第一微带馈线3的长L8为16mm，宽W5为1.5mm；
接地面4的面积为一分四功分器20所在天线介质基板2的背面的全部，外加四个加载U形环天线单元背面的下部，其位于加载U形环天线单元背面的下部的长L2为15mm，宽度为加载U形环天线单元的宽。
所述一分二功分器202的两臂均采用三节阻抗变换器相极连的形式，三节阻抗变换器从上到下的长度依次为5.9mm、6mm、6.8mm，从上到下对应的宽度依次为1.1mm、0.8mm、0.5mm，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，通过微带馈线将两臂的下端连接，构成输入端口；两臂的上端为输出端口。
第一微带馈线3、第二微带馈线201、第三微带馈线203、第四微带馈线204的宽度均为1.5mm，且均为50欧姆。
将本实施例所得的天线的一分四功分器20的输入端口设置激励，对整体结构进行仿真，所得天线的回波损耗曲线仿真结果如图6所示。由仿真结果可见天线的中心频率为6GHz，天线的工作频段为3.6GHz～5.2GHz和6.0GHz～10.5GHz，在此工作频段内天线的回波损耗在10dB以上。天线的带宽大于6GHz。仿真得到的天线最大增益为9.7dB，其E面和H面的方向图如图7所示。
上述实例只说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
Claims (8)
1.一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，该天线包括一个四单元天线阵列和一个一分四功分器；四单元天线阵列由四个从左到右依次间隔排开的加载U形环天线单元构成；一分四功分器的四个输出端口分别通过微带馈线连接四单元天线阵列的四个输入端口；
所述加载U形环天线单元与一分四功分器均位于天线介质基板上，四个加载U形环天线单元均匀间隔的排布在天线介质基板的上部，一分四功分器位于天线介质基板上的下部；加载U形环天线单元上的辐射贴片的下部边界的中部向后通过第一微带馈线与一分四功分器的前端相连，一分四功分器所在的天线介质基板的背面设置有接地面；接地面的前端的边界位于天线辐射贴片下部边界的下方，其左侧、右侧及下侧的边界与天线介质基板对应位置的边缘重合；
所述辐射贴片整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形下部边缘的中部衔接有一个小方形结构，小方形结构两侧上方的大方形结构部分的长度相等；大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环通过腐蚀辐射贴片而露出对应位置的天线介质基板而得；U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，左竖槽、右竖槽的顶部分别对称的垂直衔接在顶横槽下部的两侧，左内槽和右内槽分别垂直衔接在左竖槽、右竖槽下部末端的内侧；左竖槽、右竖槽尺寸相等，左内槽和右内槽尺寸相等；
所述一分四功分器由三个一分二功分器构成，三个一分二功分器结构与尺寸相同且均为一分二威尔金森功分器，其中一个一分二功分器位于天线介质基板下部且其输入端口位于天线介质基板下部的边缘处，其输入端口连接有第四微带馈线延伸到天线介质基板下部的边缘处；其余两个一分二功分器结构横向并排的设置在四单元天线阵列与第一级一分二功分器之间，第一级一分二功分器的两个输出端口通过两段第三微带馈线分别与两个横向并排的一分二功分器结构的输入端口连接；两个横向并排的一分二功分器结构的四个输出端口通过第二微带馈线与第一微带馈线的下端衔接，第二微带馈线的上部末端尺寸与第一微带馈线的下端尺寸相同，使得四个输出端口中的两个相邻输出端口的第二微带馈线末端的中心线的距离与两个相邻加载U形环天线单元的中心线的距离相等；
所述一分二功分器的两臂采用多节阻抗变换器相极连的形式，阻抗变换器为三节，各节的长度和宽度有所不同，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，最后两臂的输出端口通过两段微带馈线分别向左右两侧延伸。
2.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，所述天线介质基板选用厚度为0.8mm的FR-4基板，相对介电常数εr＝4.4，中心频率fr＝6GHz。
3.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，所述加载U形环天线单元的长为30mm，宽为23mm，两个相邻加载U形环天线单元的中心线之间的距离为33.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片1整体近似“T”型结构，上部为一个大方形结构，大方形结构的长为9mm，宽为13mm；大方形下部边缘的衔接有一个小方形结构，小方形结构的长为4mm，宽为11mm；大方形结构的中部靠下、左右居中的设置有一个U形环，U形环包括五部分，包括顶横槽、左竖槽、右竖槽、左内槽和右内槽，五部分的宽度相同，均为1.6mm，顶横槽的长为9.9mm，左竖槽与右竖槽尺寸相等且长度为4.4mm，左内槽和右内槽尺寸相等且长度为0.2mm；顶横槽的上边缘距离大方形结构的上边缘为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，第一微带馈线的长为16mm，宽为1.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，接地面的面积为一分四功分器所在天线介质基板的背面的全部，外加四个加载U形环天线单元背面的下部，其位于加载U形环天线单元背面的下部的长为15mm，宽度为加载U形环天线单元的宽。
7.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，所述一分二功分器的两臂均采用三节阻抗变换器相极连的形式，三节阻抗变换器从上到下的长度依次为5.9mm、6mm、6.8mm，从上到下对应的宽度依次为1.1mm、0.8mm、0.5mm，通过将各节阻抗变换器弯曲折叠来节省空间，通过微带馈线将两臂的下端连接，构成输入端口；两臂的上端为输出端口。
8.根据权利要求1所述的一种加载U形环超宽带陷波阵列天线，其特征在于，第一微带馈线、第二微带馈线、第三微带馈线、第四微带馈线的宽度均为1.5mm，且均为50欧姆。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020125630.2U CN211017416U (zh) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 一种加载u形环超宽带陷波阵列天线 |
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| CN202020125630.2U Active CN211017416U (zh) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | 一种加载u形环超宽带陷波阵列天线 |
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