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CN108172991A - 一种超宽带平面单极子天线 - Google Patents

一种超宽带平面单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带平面单极子天线，包括：介质基板、单极子辐射贴片、集总器件以及接地板。单极子辐射贴片由单极子天线主体和顶端加载构成。单极子辐射贴片靠近接地板部分采用三角形切角，主要用于高频部分的阻抗匹配。天线主体加载的集总元件主要用于降低天线的工作频段和平滑天线在整个频段的增益；单极子顶端加载多条矩形开路枝节，增加天线与地板之间的电容，进一步降低天线的工作频段。本发明通过加载集总元件和添加对地的开路枝节，在保持优良的超宽带特性的同时有效的减小了天线尺寸，便于天线在监测领域的应用。

Description

一种超宽带平面单极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种超宽带(UWB)天线。
背景技术
随着无线电技术的迅速发展，无线电频率资源需求日益增加，无线电监测与管理面临更多的挑战。作为无线电监测的重要组成部分，监测系统对前端监测天线的宽频带、高增益提出了越来越高的要求。同时，随着低空电子设备的不断发展，如低空飞行的无人机技术等，手持式监测设备面临更大的市场需求。传统的监测天线已不能满足应用的需求。因此，对更宽频带，更高增益，更小型化，更远监测距离的监测天线设计显得尤为迫切。目前，监测天线采用的天线形式主要有单极子天线等，国内外学者相继提出了各种小型化宽带单极子天线设计。在频率较低的情况下，天线的尺寸仍然较大，不适用于一些手持式监测设备的应用。
综上所述，现有的单极子监测天线在小型化，宽频带，高增益方面仍然有一定局限性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种超宽带平面单极子天线，解决现有监测天线在小型化、宽频带、高增益方面不足的问题。
技术方案：一种超宽带平面单极子天线，包括：
介质基板；接地板；所述介质基板与接地板固定连接；
单极子辐射贴片，包括单极子天线主体和天线顶端加载；所述单极子天线主体由三段三角形切角的覆铜贴片组成；所述单极子辐射贴片靠近所述接地板部分采用三角形切角；所述单极子辐射贴片与接地板之间设有馈电端口；
天线顶端加载，包括在所述单极子天线主体顶端两侧各延伸开路枝节，两侧的所述开路枝节相互对称，所述开路枝节与单极子天线主体平行；
集总器件，包括在所述单极子天线主体顶部与中部之间的覆铜贴片加载第一集总器件，中部与底部之间的覆铜贴片加载第二集总器件，所述馈电端口加载第三集总器件。
进一步的，所述介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880介质板，其宽度12cm,高度35cm。
进一步的，所述单极子辐射贴片为介质基板单面覆铜结构。
进一步的，所述单极子辐射贴片总体高34cm，宽12cm。
进一步的，每侧的开路枝节均包括2个独立矩形枝节，每个矩形枝节宽0.8cm，高6cm，相邻矩形开路枝节间隔0.9cm。
进一步的，所述单极子天线主体的覆铜贴片加载集总器件部分均采用三角形切角。
进一步的，所述馈电端口采用50ohm同轴馈电接口。
进一步的，所述第一集总器件包括一个电感值为2nH的串联电感，加载位置距接地板28.45cm；所述第二集总器件包括一个电感值为1uH的电感和一个阻值为750ohm的电阻并联，加载位置距接地板19.25cm；所述第三集总器件包括两组200ohm的电阻和4nH的电感串联后，再进行并联，加载位置为馈电端口。
进一步的，所述介质基板与接地板采用L型立片固定。
有益效果：本发明提供的超宽带平面单极子天线，通过加载集总元件，加载矩形开路枝节，使得该天线满足小型化的同时具有宽频带，高增益的特点，整体尺寸35×12cm2(约为0.023λ×0.008λ@200MHz)。天线顶端加载的矩形开路枝节，增加了天线与地板之间的电容，可以在不增加天线尺寸的前提下，降低天线的工作频率。天线主体加载的集总器件，也可在不增加天线尺寸的前提下，降低天线的工作频率，平滑天线在整个频段的增益，便于后级电路的集成。通过加载集总元件和矩形开路枝节，有效的减小了天线的尺寸。
本发明考虑了天线地板对天线工作性能的影响，单极子辐射贴片靠近接地板部分采用三角形切角，改善了贴片和接地板之间的阻抗匹配，优化了高频附近的性能。单极子天线主体的两个连接部分采用三角形切角技术，减小了集总器件加载连接部分的阻抗失配。
本发明提供的用于监测领域的超宽带平面单极子天线与现有监测天线相比，其显著优点为：(1)在经典平面单极子天线基础上，分段加载了集总器件，通过调整加载集总器件的数值，在不增加天线尺寸的前提下，延长了电流路径，降低了天线的最低工作频率。通过调整加载集总器件的位置，可以改善天线在整个频段的增益平坦度，使得该天线在整个频段内具有平滑的增益曲线，为后续监测系统提供了良好的性能。
(2)在天线顶端加载矩形开路枝节，在不增加天线纵向尺寸的前提下，增加了单极子天线与地板之间的电容，进一步降低了天线的最低工作频率，使天线的尺寸更小，整体尺寸35×12cm2。
(3)通过结合集总元件加载和顶端开路枝节加载技术，本发明与经典平面单极子相比，大大缩减了天线尺寸，天线结构简单，可靠性高，尺寸小，易于组阵。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超宽带平面单极子天线的结构图。
图2是集总器件结构示意图，其中(a)为第一集总器件的结构示意图，(b)为第二集总器件的结构示意图，图(c)为第三集总器件的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的超宽带平面单极子天线的电压驻波比仿真图。
图4是本发明实施例提供的超宽带平面单极子天线的最大增益曲线仿真图。
图5是本发明实施例提供的超宽带平面单极子天线在不同频率辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种超宽带平面单极子天线，包括：介质基板5，在介质基板5表面设置的单极子辐射贴片和集总器件，以及设置在介质基板5一端的接地板7。
介质基板5采用介电常数为2.2的Rogers RT5880介质板，其宽度12cm,高度35cm。介质基板5与接地板7采用L型立片8固定。单极子辐射贴片为介质基板单面覆铜结构，总体高34cm，宽12cm，包括单极子天线主体6和天线顶端加载。其中，单极子天线主体6由三段三角形切角的覆铜贴片组成。天线顶端加载包括在单极子天线主体6顶端两侧各延伸的开路枝节4，两侧的开路枝节相互对称，开路枝节与单极子天线主体6平行；每侧的开路枝节4均包括2个独立矩形枝节，每个矩形枝节宽0.8cm，高6cm，相邻矩形枝节间隔0.9cm。单极子辐射贴片与接地板之间设置馈电端口，馈电端口采用50ohm同轴馈电接口。
集总器件包括在单极子天线主体顶部与中部之间的覆铜贴片加载第一集总器件1，中部与底部之间的覆铜贴片加载第二集总器件2，以及在馈电端口加载第三集总器件3。其中，第一集总器件1包括一个电感值为2nH的串联电感，加载位置距接地板28.45cm；第二集总器件2包括一个电感值为1uH的电感和一个阻值为750ohm的电阻并联，加载位置距接地板19.25cm；第三集总器3件包括两组200ohm的电阻和4nH的电感串联后，再进行并联，加载在馈电端口。单极子天线主体6的覆铜贴片加载集总器件部分均采用三角形切角。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
图3给出了本发明仿真的VSWR。可以看出在20MHZ-6GHZ整个频段内，天线的电压驻波比典型值基本小于2，阻抗匹配较好。
图4给出了本发明仿真的最大增益。可以看出，随着天线工作频率的增加，天线增益由-41dB缓慢增加到7dB，而且整个频段内增益变化趋势平缓，有利于后级放大器的集成。该平缓变化的增益主要通过调整图1中1,2部分的集总元件的值和元件的位置实现。
图5给出了本发明的辐射方向示意图,其中图(a)为30MHz，xoy面的方向图，图(b)为30MHZ,yoz面的方向图，图(c)为500MHZ,xoy面的方向图，图(d)为500MHZ,yoz面的方向图。可以看出在yoz平面，天线基本保持了良好的全向辐射特性。
综上所述，本发明的超宽带平面单极子天线通过加载无源集总器件和天线顶端加载开路枝节，在不增加天线尺寸的前提下，大大降低了天线的最低工作频率，使天线的结构更加紧凑。此设计方案天线结构简单，易于加工，天线在宽频带内增益平坦，易于组阵，具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超宽带平面单极子天线，其特征在于，包括：
介质基板；接地板；所述介质基板与接地板固定连接；
单极子辐射贴片，包括单极子天线主体和天线顶端加载；所述单极子天线主体由三段三角形切角的覆铜贴片组成；所述单极子辐射贴片靠近所述接地板部分采用三角形切角；所述单极子辐射贴片与接地板之间设有馈电端口；
天线顶端加载，包括在所述单极子天线主体顶端两侧各延伸开路枝节，两侧的所述开路枝节相互对称，所述开路枝节与单极子天线主体平行；
集总器件，包括在所述单极子天线主体顶部与中部之间的覆铜贴片加载第一集总器件，中部与底部之间的覆铜贴片加载第二集总器件，所述馈电端口加载第三集总器件。
2.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述介质基板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880介质板，其宽度12cm,高度35cm。
3.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述单极子辐射贴片为介质基板单面覆铜结构。
4.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述单极子辐射贴片总体高34cm，宽12cm。
5.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，每侧的开路枝节均包括2个独立矩形枝节，每个矩形枝节宽0.8cm，高6cm，相邻矩形开路枝节间隔0.9cmm。
6.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述单极子天线主体的覆铜贴片加载集总器件部分均采用三角形切角技术。
7.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述馈电端口采用50ohm同轴馈电接口。
8.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述第一集总器件包括一个电感值为2nH的串联电感，加载位置距接地板28.45cm；所述第二集总器件包括一个电感值为1uH的电感和一个阻值为750ohm的电阻并联，加载位置距接地板19.25cm；所述第三集总器件包括两组200ohm的电阻和4nH的电感串联后，再进行并联，加载位置为馈电端口。
9.如权利要求1所述的超宽带平面单极子天线，其特征在于，所述介质基板与接地板采用L型立片固定。
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Application publication date: 20180615

Assignee: RUIFENG RF TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2021980000293

Denomination of invention: An ultra wideband planar monopole antenna

Granted publication date: 20181207

License type: Common License

Record date: 20210112

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