CN108183329A - 一种低剖面单向辐射差分超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，无线通信领域的天线，它包括双向辐射差分超宽带天线和封装腔，双向辐射差分超宽带天线包括左馈电贴片、右馈电贴片、矩形介质基板和接地板；封装腔包括封装地、短路过孔、辐射边屏蔽过孔、非辐射边屏蔽过孔和屏蔽金属带、阻抗匹配过孔、阻抗匹配圆板；封装腔上端连接到接地板，下端与封装地相连；辐射边和非辐射边屏蔽过孔的下端都连接在封装地上，上端悬空；阻抗匹配过孔位于封装腔内部，下端连接封装地，上端悬空。本发明通过在辐射边和非辐射边加屏蔽过孔和屏蔽金属带，实现天线的单向辐射，同时实现天线的超宽带工作。整个封装腔的高度为最低工作频率上波长的1/10，大大降低了整个天线的高度，减小了其体积。

Description

一种低剖面单向辐射差分超宽带天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域的天线，具体为一种低剖面单向辐射差分超宽带天线。
背景技术
随着无线通信快速发展，全球定位***、卫星通信、个人通信等通信***对天线的宽频带和小型化提出了更高的要求。超宽带（Ultra Wide Band）通信技术因其带宽大、传输速率高、抗干扰性强、抗多径能力强等优点，广泛应用于通信、雷达和军事等方面。
近年来，众多学者提出了多种超宽带天线，比如单层结构的差分超宽带天线(Liang Lu,, et al., " Single‐layer differential CPW‐FED UWB antenna withcommon‐mode suppressed and band notched applications ", 《Microwave & OpticalTechnology Letters》 , 2017 , 59 (1) :73-77)；应用于超宽带***的差分MIMO天线(Y.Y. Liu et al., “Compact Differential Band-Notched Stepped-Slot UWB-MIMOAntenna With Common-Mode Suppression”， IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters, 16, (2017), 593-596)。目前的很多超宽带天线为双向辐射，需要悬空放置才能保证其辐射特性，当将其放于物体上时，其阻抗特性和辐射性能会变差，因此需要对其进行封装。为保证其辐射特性，封装腔的高度一般为天线工作频率上波长的1/4，剖面高，体积大。
发明内容
为了解决现有超宽带天线需要悬空放置，以及普通封装腔的高度过高的问题，本发明提供了一种小型化、低剖面、单向辐射的超宽带天线，不但具有良好的宽带阻抗特性，而且具有较低的剖面和较高的增益。
本发明的构思如下：一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，首先将封装腔高度降低，降低高度后，导致天线的阻抗特性和辐射特性都变差。为此，本发明将封装腔的四壁设计为半封闭调谐结构，使封装腔既能起到屏蔽作用，又能调节天线的阻抗特性，同时，利用中间的空腔增加阻抗匹配环节，进一步改善了阻抗带宽特性，而不会增加天线的体积。所实现的单向辐射天线高度只有最低工作频率波长的1/10，在改善辐射性能的同时，也改善了阻抗特性。
本发明是采用如下技术方案实现的：
低剖面单向辐射差分超宽带天线，包括双向辐射差分超宽带天线和封装腔，其特征是所述双向辐射差分超宽带天线包括左馈电贴片、右馈电贴片、矩形介质基板和接地板，左馈电贴片与右馈电贴片关于x轴对称，位于矩形介质基板的下方，左馈电贴片、右馈电贴片均由微带线、短截线、矩形金属贴片和一个半圆形贴片构成；左馈电贴片关于y轴对称，右馈电贴片关于y轴对称；接地板为一块八边形金属板，位于介质基板的上方，接地板设有半径为R的圆孔，在圆孔内沿X方向设置一条过圆孔圆心的平衡金属带；R为11-15mm；
封装腔包括封装地、短路过孔、辐射边屏蔽过孔、非辐射边屏蔽过孔，非辐射边屏蔽金属带、阻抗匹配过孔、阻抗匹配圆板。
封装地是与介质板相同尺寸的金属板，位于介质板正下方，离开介质板的距离为h，h为8-10mm；
短路过孔对称分布在平衡金属带下方，分为前后两组，每组数量为Ns，间距均为ds，ds为0.5-1.5mm，上端连接到接地板，下端与封装地相连；
辐射边屏蔽过孔包括左侧辐射边屏蔽过孔和右侧辐射边屏蔽过孔，左、右侧辐射边屏蔽过孔关于x轴对称，下端都连接在封装地上，上端悬空，高度为封装腔高度h的3/4。左侧辐射边过孔有两组，每组N个过孔，两组过孔对称地分布在y轴两侧，离开y轴距离为dy(5-7mm)，过孔间距为db(0.5-1.5mm)；右侧辐射边过孔有两组，每组N个过孔，两组过孔对称地分布在y轴两侧，离开y轴距离为dy(5-7mm)，过孔间距为db(0.5-1.5mm)。
非辐射边屏蔽过孔包括前侧非辐射边屏蔽过孔和后侧非辐射边屏蔽过孔，前、后侧非辐射边屏蔽过孔关于y轴对称，下端都连接在封装地上，上端悬空，高度为封装腔高度的3/4；前侧非辐射边屏蔽过孔有两组，位于封装腔的前端，每组N个过孔，两组过孔对称地分布在x轴两侧，离开x轴距离为dx(1-3mm)，过孔间距为df(8-10mm)；后侧非辐射边屏蔽过孔有两组，位于封装腔的后端，每组N个过孔，两组过孔对称地分布在x轴两侧，离开x轴距离为dx(1-3mm)，过孔间距为df(8-10mm)。
非辐射边屏蔽金属带包括前侧非辐射边屏蔽金属带和后侧非辐射边屏蔽金属带，前、后侧非辐射边屏蔽金属带关于y轴对称；前侧非辐射边金属带有N1条，沿Z轴均匀分布，位于封装腔的前端，总高度为封装腔高度h的3/4；后侧非辐射边金属带有N1条，沿Z轴均匀分布，位于封装腔的后端，总高度为封装腔高度的3/4。
阻抗匹配过孔有4个，位于封装腔内部半径为a(15-16mm)的圆上，下端连接封装地，上端悬空，高度为h-h0(8-9mm)，4个阻抗匹配过孔与X轴的夹角为45/135/225/315°，阻抗匹配圆板位于阻抗匹配过孔悬空的顶端，半径为b(0.1-0.3mm)。
与现有的单向差分超宽带天线相比，本发明所述的一种低剖面单向辐射差分超宽带天线在双向辐射的差分超宽带天线下方加封装地，通过在封装地和天线地之间加短路过孔，将封装腔和双向辐射天线的地连接在一起；通过在辐射边和非辐射边加屏蔽过孔和屏蔽金属带，实现天线的单向辐射，并调节了阻抗特性，通过引入阻抗匹配过孔、阻抗匹配圆板，进一步改善阻抗特性，实现了天线的超宽带工作。整个封装腔的高度为最低工作频率上波长的1/10，大大降低了整个天线的高度，减小了其体积。
本发明结构简单、设计巧妙，有效解决了现有单向超宽带天线高、增益低的的问题，适用于无线通信。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
图2 本发明天线的回波损耗特性S11图。
图3本发明天线的增益图。
图4本发明中双向辐射超宽带差分天线在4GHz的方向图。
图5本发明中双向辐射超宽带差分天线在6GHz的方向图。
图6 本发明中双向辐射超宽带差分天线在8GHz的方向图。
图7 本发明中双向辐射超宽带差分天线在10GHz的方向图。
图8 本发明在4GHz的方向图。
图9 本发明在6GHz的方向图。
图10 本发明在8GHz的方向图。
图11 本发明在10GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式。
图1所示：低剖面单向辐射差分超宽带天线，包括双向辐射差分超宽带天线和封装腔。
所述双向辐射差分超宽带天线包括左馈电贴片1、右馈电贴片2、矩形介质基板3和接地板4；左馈电贴片1、右馈电贴片2关于x轴对称，且位于矩形介质基板的下层，左馈电贴片1、右馈电贴片2均由微带线、短截线、矩形金属贴片和一个半圆形的贴片构成。
接地板是一块八边形金属板，位于介质基板的上面，接地板轴向设有一个半径为R的圆孔，圆孔径向且沿X方向设置一条平衡金属带，平衡金属带两端连接接地板。
封装腔包括封装地5、短路过孔6、左辐射边屏蔽过孔7和右辐射边屏蔽过孔8、前非辐射边屏蔽过孔9和后非辐射边屏蔽过孔10，前非辐射边屏蔽金属带11和后非辐射边屏蔽金属带12、阻抗匹配过孔13、阻抗匹配圆板14，封装地板与接地板之间的距离构成封装腔的高度，封装腔高度为9mm。
封装地为尺寸与介质板相同的矩形金属板，且位于介质板正下方。短路过孔6对称分布在平衡金属带下方，上端连接到接地板，下端与封装地相连。辐射边屏蔽过孔包括左侧辐射边屏蔽过孔7和右侧辐射边屏蔽过孔8，左、右侧辐射边屏蔽过孔关于x轴对称，且距离x轴16.5mm；每侧辐射边过孔有两组，每组3个过孔，两组过孔对称地分布在y轴两侧，且距离y轴5.81mm，相邻过孔间距为1mm。所有辐射边屏蔽过孔的下端连接在封装地上，上端悬空，高度为封装腔高度的3/4。
非辐射边屏蔽过孔包括前侧非辐射边屏蔽过孔9和后侧非辐射边屏蔽过孔10，前、后侧非辐射边屏蔽过孔关于y轴对称，且距离y轴16.7mm。每侧非辐射边过孔有两组，每组2个非辐射边屏蔽过孔，两组非辐射边屏蔽过孔对称地分布在x轴两侧，且距离x轴1mm，相邻过孔间距为8.71mm。所有非辐射边屏蔽过孔的下端连接在封装地上，上端悬空，高度为封装腔高度的3/4。
非辐射边屏蔽金属带包括前侧非辐射边屏蔽金属带11和后侧非辐射边屏蔽金属带12，前、后侧非辐射边屏蔽金属带关于y轴对称；每侧非辐射边金属带有6条，沿Z轴均匀分布，总高度为封装腔高度的3/4。
阻抗匹配过孔13共4个，位于封装腔内部半径为15.5mm的圆上，4个阻抗匹配过孔与X轴的夹角分别为45°、135°、225°、315°，下端连接封装地，高度为8.5mm，阻抗匹配圆板14位于阻抗匹配过孔的顶端，阻抗匹配圆板14的半径为b。
图2-图11将对本发明的具体实施做进一步的描述。
图2是本发明的S11，图中曲线1-5分别是在双向辐射超宽带差分天线基础上增加封装地、短路过孔、非辐射边屏蔽过孔和屏蔽金属带、辐射边屏蔽过孔、阻抗匹配过孔和阻抗匹配圆板后天线的S11。从图中曲线1可以看出，加封装地后，天线在3-6GHz的阻抗匹配较差，S11都大于-10dB；加入短路过孔后(曲线2)，3.5GHz附近的S11有所改善，但7GHz附近略有恶化；进一步加入非辐射边屏蔽过孔和屏蔽金属带后(曲线3)，6GHz附近的S11大大降低，3.5GHz附近的则略有增加；在此基础上，辐射边屏蔽过孔的引入(曲线4)，使3-12GHz频段的S11都降到了-9dB以下；最后，阻抗匹配过孔和阻抗匹配圆板的加入(曲线5)，使3.5-12GHz的S11都降到了-10dB以下。
图3是本发明的增益，其中曲线1是双向辐射超宽带差分天线，曲线2是本发明的增益，可以看出，除了5GHz附近的增益略有降低外，本发明在其他频率处的增益均大幅增加，最大的增益出现在7GHz，为9.2dB，较双向辐射超宽带差分天线增加了3.4dB。在8.5GHz时，增益提高量最大，为4dB；
图4-图7为双向辐射超宽带差分天线的归一化方向图，其中曲线1-4分别为E面主极化、E面交叉极化、H面主极化和H面交叉极化。可以看出双向辐射超宽带差分天线在各频率上均为双向辐射，在正向和背向极化有相同的辐射电平；
图8-图11为本发明的归一化方向图，其中曲线1-4分别为E面主极化、E面交叉极化、H面主极化和H面交叉极化。可以看出本发明在各频率上均为单向辐射，在正向的辐射远大于背向的辐射，在4、6、8、10GHz的前后比分别为：14.2dB、15.6dB、17.0dB、17.9dB。

Claims (10)

1.一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征在于：包括双向辐射差分超宽带天线和封装腔，双向辐射差分超宽带天线位于封装腔的上方；整个封装腔的高度为最低工作频率上波长的1/10，大大降低了整个天线的高度，减小了其体积；在辐射边和非辐射边设置屏蔽过孔和屏蔽金属带，实现天线的单向辐射，同时实现天线的超宽带工作。
2.根据权利要求1所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述双向辐射差分超宽带天线包括左馈电贴片、右馈电贴片、矩形介质基板和接地板，左馈电贴片与右馈电贴片关于x轴对称并关于y轴对称，且位于矩形介质基板的下面；接地板位于介质基板的上面，接地板设有的圆孔，圆孔径向且沿X方向设有一条平衡金属带，平衡金属带两端连接接地板。
3.根据权利要求2所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述左馈电贴片由微带线、短截线、矩形金属贴片和一个半圆形的贴片构成。
4.根据权利要求2所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述右馈电贴片均由微带线、短截线、矩形金属贴片和一个半圆形的贴片构成。
5.根据权利要求2所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述接地板是一块八边形金属板。
6.根据权利要求1所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述封装腔包括封装地、短路过孔、辐射边屏蔽过孔、非辐射边屏蔽过孔、非辐射边屏蔽金属带、阻抗匹配过孔、阻抗匹配圆板，封装腔高度为8~10mm；封装腔上端连接到接地板，下端与封装地相连；封装地位于介质板正下方，封装地为形状与介质板相同的金属板；短路过孔位于平衡金属带下方。
7.根据权利要求6所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述辐射边屏蔽过孔包括左辐射边屏蔽过孔和右辐射边屏蔽过孔，左辐射边屏蔽过孔、右辐射边屏蔽过孔关于x轴对称，左辐射边屏蔽过孔下端连接在封装地上，上端悬空；右辐射边屏蔽过孔下端连接在封装地上，上端悬空，左辐射边屏蔽过孔、右辐射边屏蔽过孔的高度均为封装腔高度的3/4；左辐射边屏蔽过孔有两组，每组若干个过孔，两组左辐射边屏蔽过孔对称地分布在y轴两侧，离开y轴距离为5~7mm，相邻左辐射边屏蔽过孔间距为0.5~1.5mm；右辐射边屏蔽过孔有两组，每组若干个过孔，两组辐射边屏蔽过孔对称地分布在y轴两侧，离开y轴距离为5~7mm，相邻右辐射边屏蔽过孔间距为0.5~1.5mm。
8.根据权利要求6所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述非辐射边屏蔽过孔包括前非辐射边屏蔽过孔和后非辐射边屏蔽过孔，前非辐射边屏蔽过孔、后非辐射边屏蔽过孔关于y轴对称，前非辐射边屏蔽过孔下端连接在封装地上，上端悬空；后非辐射边屏蔽过孔下端连接在封装地上，上端悬空；前非辐射边屏蔽过孔、后非辐射边屏蔽过孔的高度均为封装腔高度的3/4；前非辐射边屏蔽过孔有两组，位于封装腔的前端，每组若干个过孔，两组前非辐射边屏蔽过孔对称地分布在x轴两侧，且离开x轴距离为1~3mm，相邻前非辐射边屏蔽过孔间距为8~10mm；后非辐射边屏蔽过孔有两组，位于封装腔的后端，每组若干个过孔，两组后非辐射边屏蔽过孔对称地分布在x轴两侧，且离开x轴距离为1~3mm，相邻后非辐射边屏蔽过孔间距为8~10mm。
9.根据权利要求6所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述非辐射边屏蔽金属带包括前非辐射边屏蔽金属带和后非辐射边屏蔽金属带，前非辐射边屏蔽金属带、后侧非辐射边屏蔽金属带关于y轴对称；若干条前非辐射边金属带沿Z轴均匀分布，位于封装腔的前端，前非辐射边金属带的高度为封装腔高度的3/4；若干条后非辐射边金属带沿Z轴均匀分布，位于封装腔的后端，后非辐射边金属带的高度为封装腔高度的3/4。
10.根据权利要求6所述一种低剖面单向辐射差分超宽带天线，其特征是所述阻抗匹配过孔有4个，下端连接封装地，上端悬空，4个阻抗匹配过孔与X轴的夹角分别为45°、135°、225°、315°，阻抗匹配圆板位于阻抗匹配过孔悬空的顶端。
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