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CN106684544B - 一种小型化单极子超宽带天线 - Google Patents

一种小型化单极子超宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化单极子超宽带(UWB)天线，设置有基板；圆形辐射贴片；接地板；接地板靠近圆形辐射贴片的一角采用三角形切角，在接地板右侧延伸两个非对称枝节，第一非对称枝节与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节与阻抗匹配输入传输线垂直，将第二非对称枝节朝底端方向弯折；阻抗匹配输入传输线；阻抗匹配输入传输线的一端与圆形辐射贴片的底端连接，另一端与基板的底端连接，阻抗匹配输入传输线两侧设有两块接地板；圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线与接地板分居在基板的两侧。本发明通过在接地板添加非对称辐射枝节，在保持优良的UWB特性的同时有效地减小了天线的尺寸，便于天线在移动手持终端的集成。

Description

一种小型化单极子超宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型化单极子超宽带天线。
背景技术
自美国通信联邦委员会(FCC)将3.1GHz-10.6GHz频段投入民用以来，无线通信系统对天线覆盖带宽的要求也随之提高，超宽带(UWB)天线以其高传输率、低发射功率、抗干扰能力强等优点得到了广泛的关注和研究。另一方面，随着移动手持终端和微波集成电路的快速发展，天线小型化的设计也逐渐成为一种趋势。单极子UWB天线的尺寸只有传统对偶振子结构天线的二分之一，大概为四分之一波长，能够实现UWB特性且随频率变化不明显，与射频PCB电路集成容易，鉴于诸多优点，单极子UWB天线被广泛应用于UWB天线设计中。近年来，国内外学者相继提出了各种各样的小型化单极子UWB天线，但是在延伸对称枝节方面，大都没有涉及枝节非对称、枝节弯曲以减小空间、加载多枝节实现多谐振等情况，并且多数天线没有考虑地板因素在UWB频段内的微调作用。
综上所述，现有的单极子UWB天线在小型化和宽带化存在尺寸较大，宽带化不足的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化单极子超宽带天线，旨在解决现有的单极子UWB天线在小型化和宽带化存在尺寸较大，宽带化不足的问题。
本发明是这样实现的，一种小型化单极子超宽带天线，所述小型化单极子超宽带天线设置有：
基板；
圆形辐射贴片；
接地板；接地板靠近圆形辐射贴片的一角采用三角形切角，在接地板右侧延伸两个非对称枝节，第一非对称枝节与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节与阻抗匹配输入传输线垂直，将第二非对称枝节朝底端方向弯折；
阻抗匹配输入传输线；阻抗匹配输入传输线的一端与圆形辐射贴片的底端连接，另一端与基板的底端连接，阻抗匹配输入传输线两侧设有两块接地板；
圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线与接地板分居在基板的两侧。
进一步，所述基板采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4_epoxy媒介板，其宽度为20mm，高度为21mm。
进一步，所述接地板靠近圆形辐射贴片的一角采用三角形切角技术。
进一步，所述圆形辐射贴片的半径为5mm。
进一步，所述阻抗匹配输入传输线与两侧接地板的距离为0.3mm。
进一步，所述阻抗匹配输入传输线选用50Ω微带共面波导CPW，宽度为2.6mm，高度为7.3mm。
进一步，所述接地板高度为7mm，左侧接地板宽度为4.4mm，右侧接地板宽度为8.4mm。
进一步，所述第一非对称枝节与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节与阻抗匹配输入传输线垂直，并将其朝底端方向弯折，弯折部分长度保持与阻抗匹配输入传输线长度相同。
进一步，所述第一非对称枝节与第二非对称枝节的宽度为1mm，第一非对称枝节的高度为12mm～16mm，第二非对称枝节弯折部分的高度为7mm，弯折部分与右侧接地板的距离为3mm。
本发明提供的小型化单极子超宽带天线，通过缩减接地板尺寸和辐射单元尺寸，并在接地板上延伸非对称枝节，使单极子UWB天线变得更加紧凑，整体尺寸20×21×1mm3。通过对辐射贴片和接地板进行参数优化，使得该天线满足小型化的同时具有优秀的UWB特性；通过添加第一非对称枝节，补偿了UWB 天线低频处的谐振，圆形辐射贴片与第一非对称枝节相结合，激发UWB频段内多个辐射模式，相互叠加，能使天线很好地覆盖3.1GHz-10.6GHz频段。天线工作带宽低频截止频率可以通过第一非对称枝节独立调节，实现天线的小型化；通过添加第二非对称枝节，在6.4GHz处提供了一个中频谐振。此外，将第二非对称枝节进行弯折，有效地减小了天线尺寸。
本发明考虑了接地板尺寸对天线整个UWB频段性能的影响，通过调整地板尺寸优化了中频段的性能；在阻抗匹配输入传输线附近采用了地板边缘三角形切角技术，减小了辐射贴片和地板间的电磁耦合，改善了高频附近的性能。通过在接地板添加非对称辐射枝节，加强了由于尺寸过小引起的中低频段性能的不足，在保持优良的UWB特性的同时有效地减小了天线的尺寸，便于天线在移动手持终端的集成。
附图说明
图1是本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线的结构图；
图中：(a)为俯视图，图(b)为侧视图。
图2是本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线第一非对称枝节长度对S11参数的影响示意图。
图3是本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线的仿真和实测S11与VSWR曲线示意图。
图4是本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线在3GHz与6GHz下的表面电流密度分布示意图。
图5是本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线的不同频率辐射方向示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的小型化单极子超宽带天线包括：基板、圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线和接地板，还包括两个非对称枝节，其中，本发明在传统单极子UWB天线的基础上，缩减了地板尺寸和辐射单元尺寸，基板(1)的表面设有圆形辐射贴片(2)、阻抗匹配输入传输线(4)和接地板(3)，圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线与接地板分居在基板的两侧，阻抗匹配输入传输线的一端与圆形辐射贴片的底端连接，另一端与基板的底端连接，阻抗匹配输入传输线两侧设有两块接地板，在接地板右侧延伸两个非对称枝节，将第二非对称枝节(6)进行弯折。
所述的基板(1)采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4_epoxy媒介板，其宽度为20mm，高度为21mm；接地板(3)靠近圆形辐射贴片(2)的一角采用了三角形切角技术；所述的圆形辐射贴片(2)的半径为5mm；阻抗匹配输入传输线(4)与两侧接地板(3)的距离为0.3mm；所述的阻抗匹配输入传输线(4)选用50Ω微带共面波导CPW，宽度为2.6mm，高度为7.3mm；所述的接地板(3)高度为7mm，左侧接地板宽度为4.4mm，右侧接地板宽度为8.4mm；第一非对称枝节(5)与阻抗匹配输入传输线(4)平行，第二非对称枝节(6)与阻抗匹配输入传输线垂直，并将其朝底端方向弯折，弯折部分长度保持与阻抗匹配输入传输线长度相同；所述第一非对称枝节(5)与第二非对称枝节(6)的宽度为1mm，第一非对称枝节的高度为12mm～16mm，第二非对称枝节弯折部分的高度为7mm，弯折部分与右侧接地板(3)的距离为3mm。
实施例1
本发明实施例提供的结构如图1所示，其中(a)为天线俯视图，图(b)为天线侧视图。包括：基板、圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线和接地板，还包括两个非对称枝节。本发明在传统单极子UWB天线的基础上，缩减了地板尺寸和辐射单元尺寸；基板1的表面设有圆形辐射贴片2、阻抗匹配输入传输线4和接地板3，圆形辐射贴片2、阻抗匹配输入传输线4与接地板3分居在基板1的两侧；阻抗匹配输入传输线4的一端与圆形辐射贴片2的底端连接，另一端与基板1的底端连接；阻抗匹配输入传输线4两侧设有两块接地板3；在接地板右侧延伸两个非对称枝节5和6，将第二非对称枝节6进行弯折。整个天线设计结构简单，尺寸紧凑，整体尺寸20×21×1mm3，与一元硬币大小相近似。
基板1采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4_epoxy媒介板，其宽度为20mm，高度为21mm；接地板3靠近圆形辐射贴片的一角采用了三角形切角技术；圆形辐射贴片2的半径为5mm；阻抗匹配输入传输线4与两侧接地板3的距离为0.3mm；阻抗匹配输入传输线4选用50Ω微带共面波导CPW，宽度为2.6mm，高度为7.3mm；接地板3高度为7mm，左侧接地板宽度为4.4mm，右侧接地板宽度为8.4mm；第一非对称枝节5与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节6与阻抗匹配输入传输线4垂直，将第二非对称枝节6朝底端方向弯折，弯折部分的长度保持与阻抗匹配输入传输线4长度相同；第一非对称枝节5与第二非对称枝节6的宽度为1mm，第二非对称枝节弯折部分的高度为7mm，弯折部分与右侧接地板3的距离为3mm。
图2给出第一非对称枝节5的长度对天线S11参数的影响。可以看出，第一非对称枝节长度的变化对低频谐振点有影响，而其他频率处的曲线基本保持不变。低频谐振点随着第一非对称枝节长度的增加向左移动，逐渐小于3GHz。因此，可以通过调节第一非对称枝节的长度调节UWB天线的低频截止频率。
实施例2
如图1所示，本实例的结构与实施例1相同，其不同参数在于：第一非对称枝节5的长度为14mm。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
图3给出了本发明仿真与实测S11参数和电压驻波比VSWR。可以看出，天线的-10dB带宽基本覆盖了3.1GHz-10.6GHz频段，且第一非对称枝节5的引入使得天线在3GHz处发生谐振。仿真和实测数据的微量差异是由于天线制作的精准性、天线焊接SAM头时的误差及测量时周围环境因素造成的。
图4给出了采用附图1所示的天线实现f＝3GHz、6GHz时表面电流密度分布测量结果。可以看出，天线的电流主要集中在地板两个非对称枝节上，从而验证了非对称枝节的添加对中低频段性能的改善。
图5给出了采用附图1所示的天线实现天线辐射方向测量结果，其中(a)(b)(c)分别表示频率为3GHz、6.2GHz和9GHz时天线的仿真辐射方向图。可以看出，天线辐射方向图随着频率的变化相对稳定。在xoy平面，天线有类似对偶极子“∞”的辐射特性，由于非对称结构的加载枝节，不可避免得引起了“∞”的非对称，如图4中内侧实线所示；在yoz平面，天线基本保持准全向性的辐射特性。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述小型化单极子超宽带天线设置有：
基板；
圆形辐射贴片；
接地板；阻抗匹配输入传输线两侧左右的接地板靠近圆形辐射贴片的一角采用三角形切角，在接地板右侧延伸两个非对称枝节，第一非对称枝节与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节与阻抗匹配输入传输线垂直，将第二非对称枝节朝底端方向弯折；
阻抗匹配输入传输线；阻抗匹配输入传输线的一端与圆形辐射贴片的底端连接，另一端与基板的底端连接，阻抗匹配输入传输线两侧分别设置一块接地板；
圆形辐射贴片、阻抗匹配输入传输线与接地板位于基板的上层；
所述基板采用介电常数为4.4、厚度为1mm的FR4_epoxy媒介板，其宽度为20mm，高度为21mm。
2.如权利要求1所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述圆形辐射贴片的半径为5mm。
3.如权利要求1所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述阻抗匹配输入传输线与两侧接地板的距离为0.3mm。
4.如权利要求1所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述阻抗匹配输入传输线选用50Ω微带共面波导CPW，宽度为2.6mm，高度为7.3mm。
5.如权利要求1所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述接地板高度为7mm，左侧接地板宽度为4.4mm，右侧接地板宽度为8.4mm。
6.如权利要求1所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述第一非对称枝节与阻抗匹配输入传输线平行，第二非对称枝节与阻抗匹配输入传输线垂直，并将其朝底端方向弯折，弯折部分长度保持与阻抗匹配输入传输线长度相同。
7.如权利要求6所述的小型化单极子超宽带天线，其特征在于，所述第一非对称枝节与第二非对称枝节的宽度为1mm，第一非对称枝节的高度为12mm～16mm，第二非对称枝节弯折部分的高度为7mm，弯折部分与右侧接地板的距离为3mm。
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