CN104103897A - 一种基于l型寄生条带的紧凑型超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，属于超宽带天线技术领域。该超宽带天线包括辐射贴片，介质基板，接地板，寄生条带部分，微带馈线和同轴电缆；所述介质基板上表面紧贴正六边形金属辐射贴片；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，一端与辐射贴片连接，另一端与同轴线缆内导体连接；所述同轴线缆还包括介质层与外导体，该外导体与接地板接触；所述寄生条带位于微带馈线两侧，为两条尺寸不同的L型条带；所述接地板顶部开有一矩形槽。该基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线结构简单、尺寸较小、具有良好且稳定的超宽带辐射特性。

Description

一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线
技术领域
本发明属于超宽带天线技术领域，涉及一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线。
背景技术
超宽带(UWB)技术具有高传输速率、合理的图像解析和高安全性等优点，在无线通信、微波成像和电子对抗等诸多领域具有广阔的应用前景。超宽带天线是超宽带通信***的关键部件之一，其特性直接影响着整个***的性能。随着美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1—10.6GHz作为短距离无线通信频段，超宽带天线技术越发受到了人们的关注，人们对超宽带天线的设计，也并不拘泥于UWB频段，而是对于超宽带天线提出了越来越高的要求，尤其是在超宽带天线的宽带化、小型化、平面化以及结构简单性等方面。
目前，扩展紧凑型平面超宽带天线带宽主要方法有以下几种：第一，改变接地板的大小以及形态，如将接地板尺寸减小，接地板边沿采用阶梯型，弧形等等；第二，在接地板上开单个或者多个槽；第三，改变辐射贴片的形态，如采用圆形，椭圆型，不规则多边形等；第四，在辐射贴片上开复杂槽结构；第五，采用多节渐变的馈线等等。纵观这些方法，若想要获得足够大的带宽，则其槽结构或是辐射贴片结构会比较复杂，并且难以满足在小型化的基础上实现带宽的明显增加。因此，寻求新颖的设计理念，开发设计结构紧凑、设计简单、易于加工且频带较宽的超宽带天线为目前广大天线工作者不断努力的方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，该天线结构简单、尺寸小、具有良好超宽带辐射特性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，包括辐射贴片，介质基板，接地板，寄生条带部分，微带馈线和同轴电缆；所述介质基板上表面紧贴正六边形金属辐射贴片；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，一端与辐射贴片连接，另一端与同轴线缆内导体连接；所述同轴线缆还包括介质层与外导体，该外导体与接地板接触；所述寄生条带位于微带馈线两侧，为两条尺寸不同的L型条带；所述接地板顶部开有一矩形槽。
进一步，所述正六边形金属辐射贴片位于介质基板上表面顶部，其边长L为8.6—8.7mm，厚度为0.016—0.018mm。
进一步，所述微带馈线长度L2为17.7—17.9mm，宽度W2为3.4—3.6mm。
进一步，同轴线缆内导体半径R3为0.55—0.65mm，线缆长度L3为4.8—5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9—2.1mm，半径为0.55—0.65mm；外导体内径R2为2.0—2.1mm，外导体外径3.0—3.1mm。
进一步，一侧L型寄生条带长L4+L5为24.8—26.8mm，宽度W为0.9—1.1mm；另一侧L型寄生条带长L6+L7为19.1—21.1mm，宽度W为0.9—1.1mm。
进一步，接地板位于介质基板地面下方，其长度L8为11.5mm，宽度与介质基板相同，均为W1，其大小为25mm。
进一步，接地板上所开槽位于接地板顶部中心，其深度H为3.4—3.6mm，宽度W3为5.1—5.3mm。
进一步，介质基板材料为FR4，其介电常数约4.4，损耗角正切约0.016，基板长度L1为33mm，宽度W1为25mm。
本发明的有益效果在于：1)通过减小接地板的尺寸以及扩大辐射贴片的尺寸，使得其工作的最低频段达到了2.4GHz以下；2)对于随之产生天线性能在3—4.5GHz的恶化，进一步的通过设计L型寄生条带，使得本天线在3.6GHz与4.4GHz处产生两个谐振点，从而解决了该频段的阻抗失配问题；3)除了有效的拓展了天线的带宽，还具有结构紧凑、简单，易于制造等优势，可用于WLAN，WiMAX频段的通信***中。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的整体结构三维视图；
图2为本发明的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的俯视图；
图3为本发明的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的正视图；
图4为本发明的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的侧视图；
图5为本发明的S参数随频率变化的曲线图；
图6为本发明在2.65GHz频点的辐射方向图；
图7为本发明在3.61GHz频点的辐射方向图；
图8为本发明在4.4GHz频点的辐射方向图；
图9为本发明在6.1GHz频点的辐射方向图；
图10为本发明在7.41GHz频点的辐射方向图；
图11为本发明在10.06GHz频点的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的整体结构三维视图，如图所示：
本发明所述的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线包括介质基板，接地板，金属辐射贴片，微带馈线，同轴电缆，L型金属寄生结构。
其中，介质基板的底部紧贴金属接地板，接地板的宽度同介质基板，其长度小于介质基板的一半，在介质基板上边缘中心部位，挖有一矩形槽，该矩形槽与馈线具有良好的耦合作用，在使得天线在8.5—10.7GHz频段具有良好的驻波特性。
介质基板的上表面紧贴正六边形辐射贴片，该辐射贴片顶部接近介质基板的上边缘，在实验仿真的过程中，我们发现，正六边形面积越大，整个天线在低频段越能表现出良好的驻波特性，因此我们在不扩大天线面积的条件下，通过让辐射贴片接近介质基板上边缘的方式来扩大其有效面积。
介质基板上表面紧贴微带馈线，微带馈线为条形，其长度L2为17.7—17.9mm，宽度W2为3.4—3.6mm。微带将辐射贴片底部与同轴电缆内芯相连接，微带线与同轴线缆内芯的连接处为线缆内芯上半圆柱的延长部分。
微带线两侧是L型寄生结构，两侧的L型寄生结构大小不同，分别对应了本天线在两个不同频点的谐振工作模式，其谐振来源于寄生条带与微带馈线的耦合作用。
介质基板为薄长方体型基板，其长度L1为33mm，宽度W1为25mm，厚度H1为1.6mm，材料选用了FR4环氧树脂板，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.02，介质基板上下表面的接地板，微带馈线，辐射贴片，寄生结构均为厚度相同的覆铜薄膜。
下面通过具体实施例来对本发明的具体方案进行说明。
参见图1，图2，图3，图4。其中，1-介质基板，2-辐射贴片，3-微带线，4-左侧寄生条带，5-右侧寄生条带，6-接地板，7-同轴线缆内导体，8-同轴线缆介质层，9-同轴线缆外导体。所述介质基板1下表面紧贴开有矩形槽的接地板6，上表面紧贴辐射贴片2，微带线3将辐射贴片2与同轴线缆内导体7连接起来，微带线3左侧为L型寄生结构4，其尺寸较大，微带线3右侧围L型寄生结构5，其尺寸较小，同轴线缆外导体8与接地板6相连接。介质基板1为薄长方体，其长为L1，宽为W1，厚度为H1，采用FR4环氧树脂板作为制作材料，其相对介电常数为4.4，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.02。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示
表1 本发明各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS对所设计的基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线的S参数，电压驻波比VSWR，方向辐射增益等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图5为本发明的S参数仿真曲线图，如图所示，在|S11|<-10dB条件下，本天线的阻抗带宽范围为2.39—11.95GHz，共有六个谐振频率中心，其谐振频率值分别为2.65GHz、3.61GHz、4.4GHz、6.1GHz、7.41GHz和10.06GHz。其中，值得注意的是3.61GHz与4.4GHz的谐振分别由左右两个L型寄生条带所决定，10.06GHz的谐振则受到了接地板上所开矩形槽的影响。
图6-图11为本发明在2.65GHz、3.61GHz、4.4GHz、6.1GHz、7.41GHz、10.06GHz六个频率点的辐射方向图，从图中可以看出，在低频处，天线方向图分布对称，在H面上具有良好的全向性。随频率的增加，天线的全向辐射性以及对称性出现一定程度的恶化现象，其原因在于频率的改变使得辐射贴片，接地板矩形槽以及馈线两侧的电流发生了一定的改变。
综上所述，该天线结构紧凑，频率覆盖范围由2.39GHz到11.95GHz，在覆盖超宽带频段(3.1—10.6GHz)的同时，有效覆盖了WLAN的低频段(2.4/5.2/5.8GHz)和WiMAX频段(2.5/3.5/5.5GHz)，具有良好的电压驻波特性与较好且稳定的辐射方向图。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：包括辐射贴片，介质基板，接地板，寄生条带部分，微带馈线和同轴电缆；所述介质基板上表面紧贴正六边形金属辐射贴片；所述微带馈线紧贴于介质基板上表面，一端与辐射贴片连接，另一端与同轴线缆内导体连接；所述同轴线缆还包括介质层与外导体，该外导体与接地板接触；所述寄生条带位于微带馈线两侧，为两条尺寸不同的L型条带；所述接地板顶部开有一矩形槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：所述正六边形金属辐射贴片位于介质基板上表面顶部，其边长L为8.6—8.7mm，厚度为0.016—0.018mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线长度L2为17.7—17.9mm，宽度W2为3.4—3.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：同轴线缆内导体半径R3为0.55—0.65mm，线缆长度L3为4.8—5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9—2.1mm，半径为0.55—0.65mm；外导体内径R2为2.0—2.1mm，外导体外径3.0—3.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：一侧L型寄生条带长L4+L5为24.8—26.8mm，宽度W为0.9—1.1mm；另一侧L型寄生条带长L6+L7为19.1—21.1mm，宽度W为0.9—1.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：接地板位于介质基板地面下方，其长度L8为11.5mm，宽度与介质基板相同，均为W1，其大小为25mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：接地板上所开槽位于接地板顶部中心，其深度H为3.4—3.6mm，宽度W3为5.1—5.3mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于L型寄生条带的紧凑型超宽带天线，其特征在于：介质基板材料为FR4，其介电常数约4.4，损耗角正切约0.016，基板长度L1为33mm，宽度W1为25mm。
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