一种小型化茶壶形超宽带天线
阅读说明：本技术 一种小型化茶壶形超宽带天线 (Miniaturized teapot-shaped ultra-wideband antenna ) 是由 南敬昌 赵久阳 高明明 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种频率范围为3.0～28.7GHz的小型化茶壶形超宽带天线,包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短形接地板。辐射贴片采用圆形结构加载矩形枝节和L形枝节结构；微带馈线采用阶梯型结构,接地板采用三角形切角结构,即分别在接地板的左上角和右上角进行三角形切角。本发明采用圆形结构加载矩形枝节和L形枝节的结构作为辐射贴片,圆形结构实现基本的宽带性能,矩形枝节扩展高频范围,L形枝节扩展低频范围,三种结构结合在一起,扩展了超宽带天线的带宽；微带馈线采用阶梯型结构,用于阻抗匹配；切角的接地板结构使得回波损耗曲线变得更平滑,辐射更稳定；本发明的天线具有频带范围宽、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强的优点。(The invention discloses a miniaturized teapot-shaped ultra-wideband antenna with a frequency range of 3.0-28.7 GHz, which comprises a dielectric substrate, a radiation patch, a microstrip feeder line and a truncated grounding plate. The radiation patch adopts a round structure to load a rectangular branch structure and an L-shaped branch structure; the microstrip feeder line adopts a step-type structure, and the ground plate adopts a triangular corner-cutting structure, namely, triangular corner cutting is respectively carried out on the upper left corner and the upper right corner of the ground plate. The invention adopts a structure that a round structure loads a rectangular branch and an L-shaped branch as a radiation patch, the round structure realizes basic broadband performance, the rectangular branch expands a high-frequency range, the L-shaped branch expands a low-frequency range, and the three structures are combined together, so that the bandwidth of the ultra-wideband antenna is expanded; the microstrip feeder line adopts a step-shaped structure and is used for impedance matching; the ground plate structure with the cut angle enables a return loss curve to be smoother and radiation to be more stable; the antenna has the advantages of wide frequency band range, simple structure, good radiation characteristic and strong anti-interference capability.)
技术领域
本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种小型化茶壶形超宽带天线。
背景技术
随着数据通信技术的迅速发展，低成本无线系统已成为人们的首选。自2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1～10.6GHz的超宽带频带划分到民用通信领域后，超宽带技术更是引起了学术界和商业界的重点关注，特别是在短距离通信中，超宽带(ultra-wideband,UWB)无线系统因具有功耗低、保密性好、天线结构简单、数据传输速率高、系统设计简单和成本低等优点，常被用于短距离通信、遥感等。平面天线，特别是单极子天线，由于其频带宽、体积小、数据传输率高、易与射频电路集成等优点而受到广泛的关注。通常，平面微带天线附着在薄介质基板上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法制成一定形状的金属贴片。尽管微带贴片天线具有许多特性，但也存在一些缺点，例如：窄带或有限带宽的微带贴片天线，不适合现代无线通信的要求。
目前，为了提高平面微带贴片天线的带宽，采用最多的是天线结构开槽方法，这种方法具有结构简单、对工作频段内阻抗匹配影响较小且不会增加天线尺寸等优点。然而，目前国内外大多数UWB天线设计的工作频段通常局限于3～10GHz，且体积较大，很少有兼具大带宽和小尺寸特点的天线。例如参考文献“HASAN M N,CHU S,BASHIR S.A DGS monopoleantenna loaded with U shape stub for UWB MIMO applications[J].Microwave andoptical technology letters,2019,61(9):2141-2149.”采用在辐射贴片开三角形槽和矩形槽，增加U形短接线和部分接地平面开矩形槽的方法，采用Taconic RF-30介质基板，尺寸为40mm×40mm×1.5mm，实现3.2～11.5GHz的UWB特性。文献“PERAMA,REDDY A S R,PRASADM N G.Miniaturized single layer ultra wide band(UWB)patch antenna using apartial ground plane[J].Wireless personal communications,2019,106(3):1275-1291.”采用叉子形辐射贴片，FR4介质基板，天线尺寸为30mm×30mm×1.6mm，实现了3.4～12GHz的UWB特性。上述两款天线只能部分满足美国联邦通信委员会(FCC)将3.1～10.6GHz定义为超宽带范围的标准，而且上述天线的尺寸相对较大。
申请号为201911380795.2的中国发明专利，提出了一种超宽带终端产品外置天线，其可拆卸顶盖方便调节机上辐射天线，通过调整螺纹杆的转动可使寄生辐射天线和主辐射天线暴露出来，达到智能开启的目的，但天线的工作频段为700MHz～6GHz，带宽相对较小；申请号为201810410717.1的中国发明专利，提出了一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，利用22个工作在不同频率的单极子来实现超宽带特性，辐射方向图指向为阵列的端射方向，部分单极子通过顶端加载平板电容的方式引入电容来降低整体单元的剖面，并采用高介电常数的介质基板实现馈线和整体结构的小型化，天线实现带宽为1～10.7GHz，完全覆盖FCC规定的超宽带天线定义的范围，但该天线尺寸为520mm×16mm×18.4mm，体积较大。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的小型化茶壶形超宽带天线，天线的工作频率范围为3.0～28.7GHz，应用非常广泛，从而满足多种通信系统的需求。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种小型化茶壶形超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述截短接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片采用圆形贴片结构，且圆形贴片结构的左上角添加第一矩形枝节、右上角添加由第二矩形枝节和第三矩形枝节构成的L形枝节结构；所述微带馈线为由第一矩形结构和第二矩形结构共同构成的阶梯型结构，且微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接；所述接地板的左上角和右上角分别切有三角形结构。
由上，本发明的小型化茶壶形超宽带天线采用圆形贴片，实现了超宽带天线的小型化；通过在圆形辐射贴片上加载矩形枝节的方式扩展高频范围，在圆形辐射贴片上加载L形枝节的方式扩展低频范围，综合两种结构，扩展天线覆盖的整体频段范围；经仿真分析，本发明所提出的天线具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强等优点。
另外，圆形贴片为辐射单元，且辐射贴片的左上角加载矩形枝节以扩展天线的高频段带宽，右上角加载L形枝节结构，增加天线表面电流路径，扩展天线的低频段带宽；馈线由阶梯型结构组成，用于阻抗匹配；截短形接地板切三角形结构，使得天线回波损耗特性变得平滑，天线辐射更稳定。
在本发明的具体实施例中，圆形贴片结构的半径为7.5mm。所述第一矩形枝节的水平长度为2.5mm，垂直长度为10mm。第二矩形枝节的水平长度为6mm，垂直长度为3mm。所述第三矩形枝节的水平长度为1mm，垂直长度为9.9mm。
在本发明的一个实施例中，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述第一矩形结构的水平长度为2mm，垂直长度为4mm，且水平方向关于介质基板的中轴线对称；第二矩形结构的水平长度为3.5mm，垂直长度为4.9mm，且水平方向关于介质基板的中轴线对称。
可选的，所述截短接地板的水平长度为27mm，其垂直长度为7.6mm，且所述三角形结构的水平边长度为6mm，其垂直边长度为5.2mm，且两个三角形结构关于介质基板的中轴线对称。
由上，采用截短接地板结构，可产生渐变谐振特性，使天线从一个谐振模式到另一谐振模式产生平稳过渡，从而进一步提高天线性能。
可选的，所述介质基板的厚度为1.6mm，介质基板的长度和宽度分别为27mm和27mm。
由上，采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。
本发明采用圆形结构加载矩形枝节和L形枝节的结构作为辐射贴片，圆形结构实现基本的宽带性能，矩形枝节扩展高频范围，L形枝节扩展低频范围，三种结构结合在一起，扩展了超宽带天线的带宽；微带馈线采用阶梯型结构，用于阻抗匹配；切角的接地板结构使得回波损耗曲线变得更平滑，辐射更稳定；本发明设计的天线具有频带范围宽、体积小、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强的优点，具有较高的实用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的整体结构图；
图2是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的正面结构图；
图3是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的背面结构图；
图4是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的回波损耗曲线图；
图5是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的电压驻波比曲线图；
图6是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的增益图；
图7是本发明的小型化茶壶形超宽带天线的群延时特性曲线；
图8是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在3GHz频点的辐射方向图；
图9是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在5GHz频点的辐射方向图；
图10是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在10GHz频点的辐射方向图。
图11是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在15GHz频点的辐射方向图；
图12是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在20GHz频点的辐射方向图；
图13是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在25GHz频点的辐射方向图；
图14是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在3GHz频点的电流分布图；
图15是本发明的小型化茶壶形超宽带天线在20GHz频点的电流分布图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-15所示，本发明的小型化茶壶形超宽带天线包括介质基板10、辐射贴片20、微带馈线30和截短接地板40，其中，辐射贴片20和微带馈线30印制在介质基板10的正面，截短接地板40印制在所述介质基板10的背面。如图1所示，辐射贴片20采用圆形贴片结构24，圆形贴片结构24的左上角添加第一矩形枝节21、右上角添加由第二矩形枝节22和第三矩形枝节23构成的L形枝节结构。在本发明的较佳实施例中，基本的辐射单元为圆形贴片，圆形贴片结构24的半径为7.5mm。第一矩形枝节21的水平长度为2.5mm，垂直长度为10mm。第二矩形枝节22的水平长度为6mm，垂直长度为3mm。第三矩形枝节23的水平长度为1mm，其垂直长度为9.9mm。
辐射贴片20的底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线30相连，微带馈线30的阶梯型结构由第一矩形结构31和第二矩形结构32共同构成，其中第一矩形结构31的水平长度为2mm，垂直长度为4mm，且水平方向关于介质基板10的中轴线对称；第二矩形结构32的水平长度为3.5mm，垂直长度为4.9mm，且水平方向关于介质基板10的中轴线对称。
截短接地板40的水平长度为27mm，垂直长度为7.6mm，且截短接地板40的左上角和右上角分别切有三角形结构41，三角形结构41的水平边长度为6mm，垂直边长度为5.2mm，且两个三角形结构41关于介质基板10的中轴线对称。
本实施例中的超宽带天线印制在长、宽、厚分别为27mm、27mm、1.6mm的F4B材料的介质基板10上，介质基板10采用F4B材料，其相对介电常数为2.2，介电损耗正切值为0.001。
为了进一步说明本发明的小型化茶壶形超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进行了射频特性的建模仿真。
参见图4，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽为3.0～28.7GHz,完全满足超宽带频带范围(3.1～10.6GHz)，能够实现手机运营商的部分4G和5G商用频段、WiMax频段、C波段、WLAN频段、X波段、Ku波段和K波段等频段的覆盖。
参见图5，本发明的超宽带天线在2.9～29GHz频带内的电压驻波比小于2，并且波形较为稳定，体现了本发明的超宽带天线具有带宽非常宽，且稳定性好的特点。
参见图6，本发明的超宽带天线在3～28.7GHz频带内的增益稳定在10dBi左右，说明在整个通带范围内，在减小天线尺寸的同时，能够保持良好的增益和超宽带特性。
参见图7，提供了本发明实施例中超宽带天线的群延时特性，由图可知本发明所设计的天线群延时曲线低频时在0～0.8ns范围波动，高频时稳定在0.2ns以内，表面该天线具有良好的时域特性，更适用于时域脉冲信号的超宽带系统中。
参见图8，提供了本发明实施例中超宽带天线在3GHz时的辐射方向图，由图8可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图9，提供了本发明实施例中超宽带天线在5GHz时的辐射方向图，由图9可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图10，提供了本发明实施例中超宽带天线在10GHz时的辐射方向图，由图10可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图11，提供了本发明实施例中超宽带天线在15GHz时的辐射方向图，由图11可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图12，提供了本发明实施例中超宽带天线在20GHz时的辐射方向图，由图12可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图13，提供了本发明实施例中超宽带天线在25GHz时的辐射方向图，由图13可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性。
参见图14，提供了本发明实施例种超宽带天线在3GHz时的电流分布图，由图14可知，天线在低频处的电流主要集中在L形枝节处，符合设计中提到的L形枝节扩展低频带宽。
参见图15，提供了本发明实施例种超宽带天线在20GHz时的电流分布图，由图15可知，天线在低频处的电流主要集中在矩形枝节处，符合设计中提到的矩形枝节扩展高频带宽。
以上仿真分析表明，本发明天线的工作带宽为3.0～28.7GHz，完全满足超宽带频带范围，且在通带频段内具有基本稳定的峰值增益和全向辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。
上述实施例揭示的小型化茶壶形超宽带天线具有小型化、结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定等优点，采用圆形贴片结构作为辐射贴片，实现了超宽带天线的小型化，通过加载矩形枝节和L形枝节的方式扩展频带宽度，能够实现手机运营商的部分4G和5G商用频段、WiMax频段(3.3～3.8GHz)、C波段(4～8GHz)、WLAN频段(2.4～2.4835GHz和5.1～5.8GHz)、X波段(8～12GHz)、Ku波段(12～18GHz)和K波段(18～27GHz)等频段的覆盖。另外，对截短形接地板切三角形结构使得回波损耗曲线变得平滑，使得天线辐射稳定性增加。本发明采用平面化结构，尺寸较小，结构紧凑，便于实现与射频前端电路的集成。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种超宽带高增益偶极子天线