CN114361786A - 一种低剖面的超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的超宽带天线，通过利用渐变结构的馈电铜柱和金属化过孔的方式实现了天线覆盖宽带的展宽，解决了微带天线相对带宽窄的问题。本发明公开的超宽带天线，通过利用方形地板代替圆形地板，实现结构整体尺寸的缩小，解决了大部分微带天线方案地板直径大于一个波长的问题，且剖面结构低，能够更好地封装在便携终端中。此外，本发明的超宽带天线结构简单，易于加工，成本较低，适合大批量生产和应用。
Description
技术领域
本公开涉及无线通信，更具体地，本公开涉及一种低剖面的超宽带天线。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，在短距离高速率无线通信的基础上，人们对位置信息感知的需求也日益增大。对于大型建筑内部、城市密集区域，以及桥梁、水坝、山体、基坑等区域的定位监测，有助于实现对人员的安全监控、紧急救援，对物资的运输管理、分配调度，以及对自然灾害的预防和监测等。由于具有建筑群密集，遮挡，环境复杂监测空间狭小GPS、北斗信号往往不能深入覆盖，导致空间定位困难。
现有技术中，通过自建定位***实现在特定区域中对指定目标的定位。UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB具有脉冲宽度窄，抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，广泛应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。以UWB信号作为定位信号的定位***可以弥补天空卫星无法覆盖的区域，方便布置，实现狭小空间的位移监测。而用于发射和接收UWB定位信号的UWB天线是影响定位性能的关键因素。
作为UWB定位***终端的天线需要满足以下要求：1.工作频带覆盖UWB标准6～9GHz；2.方向图全向以覆盖足够大的空域；3.物理尺寸小，剖面低；4.易于集成，加工简单。目前UWB天线主流的解决方法是采用印刷单极子形式的天线，虽然能够部分满足带宽和方向图的性能要求，但剖面较高，安装位置受限且不美观。
因此，研究一种结构简单，易于加工，物理尺寸小，剖面低，且符合UWB工作特点的天线成为了本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
依据本发明的一个方面，公开了一种低剖面的超宽带天线，包括：介质基片(1)，具有上表面和下表面；主辐射单元(3)，电镀于介质基片(1)的上表面；天线地板(4)电镀于介质基片(1)的下表面；其中，主辐射单元(3)为圆形铜箔贴片，天线地板(4)为正方形铜箔地板；主辐射单元(3)的圆周同心等角45°均匀设置8个金属化过孔(2)，所述金属化过孔(2)贯穿所述介质基片(1)连通至天线地板(4)，以实现主辐射单元(3)和天线地板(4)的电性连接；所述超宽带天线还包括馈电铜柱(6)，所述馈电铜柱(6)具有上顶面和下底面，上顶面直径大于下底面直径，其中，上顶面耦接至主辐射单元(3)圆心处，所述天线地板(4)的中心处具有直径与馈电铜柱(6)下底面直径成一定比例关系的圆形通孔(5)，馈电铜柱(6)的下底面经由天线地板(4)的圆形通孔(5)与馈电接口实现馈电。
本发明公开的超宽带天线，通过利用渐变结构的馈电铜柱和金属化过孔的方式实现了天线覆盖宽带的展宽，解决了微带天线相对带宽窄的问题。本发明公开的超宽带天线，通过利用方形地板代替圆形地板，实现结构整体尺寸的缩小，解决了大部分微带天线方案地板直径大于一个波长的问题，且剖面结构低，能够更好地封装在便携终端中。此外，本发明的超宽带天线结构简单，易于加工，成本较低，适合大批量生产和应用。
附图说明
图1给出依据本发明一种实施例的低剖面超宽带天线结构的俯视图；
图2给出依据本发明一种实施例的低剖面超宽带天线结构的仰视图；
图3给出依据本发明一种实施例的低剖面超宽带天线结构的剖面示意图；
图4给出如图1至3所示实施例的超宽带天线结构仿真和测试的回波损耗特性曲线图。
附图中的标记对应的具体含义如下：
1——介质基片；
2——金属化过孔；
3——主辐射单元；
4——天线地板；
5——圆形通孔；
6——馈电铜柱。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
为使本发明设计原理，技术特点更加清晰明了，下面结合附图对实施例进行进一步的具体说明。
图1、图2和图3分别给出依据本发明一种实施例的低剖面超宽带天线结构的俯视图、仰视图和剖面示意图。现结合图1至图3，对本发明的超宽带天线结构加以说明。
本发明的超宽带天线包括介质基片(1)，具有上表面和下表面；主辐射单元(3)，电镀于介质基片(1)的上表面；天线地板(4)电镀于介质基片(1)的下表面。其中，主辐射单元(3)为半径为rp的圆形铜箔贴片，天线地板(4)为边长为ws的正方形铜箔地板。在主辐射单元(3)的圆周同心等角45°均匀设置8个金属化过孔(2)，所述金属化过孔(2)贯穿所述介质基片(1)连通至天线地板(4)，以实现主辐射单元(3)和天线地板(4)的电性连接。
在一个实施例中，所述金属化过孔(2)可由金属短路柱代替。
其中，所述金属化过孔(2)的直径为vr，所述金属化过孔(2)的圆心与主辐射单元(3)的圆心距离为ra。在一个实施例中，金属化过孔(2)圆心到主辐射单元(3)圆心的距离ra与主辐射单元(3)半径rp的比值为0.86～0.89。
所述超宽带天线还包括馈电铜柱(6)，所述馈电铜柱(6)具有上顶面和下底面，上顶面直径fr大于下底面直径fd，其中，上顶面耦接至主辐射单元(3)圆心处。所述天线地板(4)的中心处具有直径与馈电铜柱(6)下底面直径fd成一定比例关系的圆形通孔(5)，馈电铜柱(6)的下底面经由天线地板(4)的圆形通孔(5)与馈电接口实现馈电。
在一个实施例中，所述馈电铜柱(6)的上顶面直径fr为下底面直径fd的二倍。
又在一个实施例中，所述馈电铜柱(6)的上顶面直径fr与金属化过孔(2)圆心到主辐射单元(3)圆心的距离ra的比值为0.2～0.26。
在一个实施例中，所述馈电接口为SMA(SubMiniature version A)接口，该接口内导体与外导体之间的填充介质为空气时，天线地板(4)上的圆形通孔(5)的直径为fr×2.33。
在一个实施例中，所述介质基片(1)为AD255C介质板，厚度为H，介电常数为2.55，损耗角正切为0.0012-0.0014(10GHz)。
在一个实施例中，所述馈电铜柱(6)由圆柱和圆台连接，组成渐变结构，其中圆台高度为ha。
表1为本发明优选实施例的超宽带天线参数表。
表1(单位：mm)
| rp | ws | H | fr | fd | vr | ha | ra |
| 12.9 | 37 | 4 | 2.4 | 1.2 | 0.8 | 2 | 11.4 |
图4给出如图1至3所示实施例的超宽带天线结构仿真和测试的回波损耗特性曲线图。可以看出，本发明公开的超宽带结构在仿真阶段，回波损耗在超宽带支持的6-9GHz内有较好的表现，测试结果基本与仿真结果相一致。本发明公开的超宽带结构可较好地工作在超宽带支持的频带范围。
在一个实施例中，本发明公开的超宽带天线可使用在超宽带定位基站和超宽带定位终端中，用与发射和/或接收超宽带定位信号。
本发明通过介质基片上表面的圆形贴片微带天线产生TM02模式，在周围增设8个金属化过孔扰动产生TM01模式，馈电铜柱能够产生单极子模式。通过三个谐振模式的叠加，覆盖6～9GHz的工作带宽，以及在整个工作频带内产生全向的方向图覆盖。40mm直径的圆形贴片不足以激励起单极子辐射模式，采用最大口径尺寸约为52mm，边长为37mm的正方形地板可以同时激励起TM01，TM02和单极子三个辐射模式，使尺寸由40mm降为37mm，且带宽更宽。8个金属化过孔与天线地板、圆形贴片形成腔体，类似同轴线，通过调整馈电铜柱半径的大小实现天线辐射贴片的阻抗匹配。馈电铜柱采用渐变的结构方式与50欧姆的SMA接头实现阻抗匹配。
本发明公开的超宽带天线，通过利用渐变结构的馈电铜柱和金属化过孔的方式实现了天线覆盖宽带的展宽，解决了微带天线相对带宽窄的问题。本发明公开的超宽带天线，通过利用方形地板代替圆形地板，实现结构整体尺寸的缩小，解决了大部分微带天线方案地板直径大于一个波长的问题，且剖面结构低，能够更好地封装在便携终端中。此外，本发明的超宽带天线结构简单，易于加工，成本较低，适合大批量生产和应用。
如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。
Claims (10)
1.一种低剖面的超宽带天线，包括：介质基片(1)，具有上表面和下表面；主辐射单元(3)，电镀于介质基片(1)的上表面；天线地板(4)电镀于介质基片(1)的下表面；
其中，主辐射单元(3)为圆形铜箔贴片，天线地板(4)为正方形铜箔地板；主辐射单元(3)的圆周同心等角45°均匀设置8个金属化过孔(2)，所述金属化过孔(2)贯穿所述介质基片(1)连通至天线地板(4)，以实现主辐射单元(3)和天线地板(4)的电性连接；
所述超宽带天线还包括馈电铜柱(6)，所述馈电铜柱(6)具有上顶面和下底面，上顶面直径大于下底面直径，其中，上顶面耦接至主辐射单元(3)圆心处，所述天线地板(4)的中心处具有直径与馈电铜柱(6)下底面直径成一定比例关系的圆形通孔(5)，馈电铜柱(6)的下底面经由天线地板(4)的圆形通孔(5)与馈电接口实现馈电。
2.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述金属化过孔(2)由金属短路柱代替。
3.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，金属化过孔(2)圆心到主辐射单元(3)圆心的距离与主辐射单元(3)半径的比值为0.86～0.89。
4.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述馈电铜柱(6)的上顶面直径为下底面直径的二倍。
5.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述馈电铜柱(6)的上顶面直径与金属化过孔(2)圆心到主辐射单元(3)圆心的距离的比值为0.2～0.26。
6.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述馈电接口为SMA接口，天线地板(4)上的圆形通孔(5)的直径为馈电铜柱(6)下底面直径的2.2倍。
7.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述馈电铜柱(6)由圆柱和圆台连接，组成渐变结构，所述圆台高度为2mm。
8.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述介质基片(1)为AD255C介质板，厚度为4mm，介电常数为2.55。
9.如权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，主辐射单元(3)半径为12.9mm，天线地板(4)的边长为37mm，馈电铜柱(6)的上顶面直径为2.4，馈电铜柱(6)的下底面直径为1.2，金属化过孔(2)的直径为0.8，金属化过孔(2)的圆心与主辐射单元(3)的圆心距离为11.4。
10.如权利要求1-9任一项所述的超宽带天线，其特征在于，所述超宽带天线应用于超宽带定位基站和超宽带定位终端中，用与发射和/或接收超宽带定位信号。
Priority Applications (1)
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| CN202111586796.XA CN114361786A (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 一种低剖面的超宽带天线 |
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| CN202111586796.XA CN114361786A (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 一种低剖面的超宽带天线 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114361786A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114824806A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-07-29 | 四川中电昆辰科技有限公司 | 一种超宽带圆极化天线 |
-
2021
- 2021-12-23 CN CN202111586796.XA patent/CN114361786A/zh active Pending
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