CN115360506A - 超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带天线。超宽带天线包括：介质基板；天线辐射体，天线辐射体设置于介质基板的第一侧，天线辐射体的边缘设置有缺口；嵌地金属层，嵌地金属层设置于介质基板的第一侧，且沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层的正投影与缺口的正投影至少部分交叠，嵌地金属层的正投影与天线辐射体的正投影不交叠；底层金属层，底层金属层设置于介质基板的第二侧，底层金属层包括底层金属地和底层馈电焊盘，底层金属地与嵌地金属层电连接，底层馈电焊盘与天线辐射体电连接；介质基板的第一侧与介质基板的第二侧相对。本发明能够在不增加超宽带天线尺寸的情况下实现拓宽频段和提升超宽带天线效率的目的。

Description

超宽带天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种超宽带天线。

背景技术

天线，如超宽带(Ultra Wide Band，UWB)天线通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高等优点，在现代通讯领域中起着至关重要的作用，如广泛应用在雷达、检测、测量、位置遥感与跟踪以及通信***等领域。

然而，现有的超宽带天线多采用单辐射贴片设计，单谐振情况下带宽较窄，现有的扩展天线带宽的方法主要有降低Q值、修改等效电路为多谐振回路、改进馈电方式等。降低Q值主要通过增大基板厚度，降低相对介电常数，增大介质损耗角实现；多谐振回路通过改变贴片的形状，如使用开槽、U型缝隙、附加耦合贴片等来增加天线的驻波比带宽；改进馈电形式则采用电磁耦合，附加阻抗匹配网络等来实现宽带宽。然而，上述超宽带天线贴片开缝后效率会降低，降低介电常数、增加基板厚度、附加耦合和阻抗匹配网络也会增加天线横向和纵向尺寸，不利于天线小型化要求。

发明内容

本发明提供了一种超宽带天线，以在不增加超宽带天线尺寸的情况下实现拓宽频段和提升超宽带天线效率的目的。

根据本发明的一方面，提供了一种超宽带天线，所述超宽带天线包括：

介质基板；

天线辐射体，所述天线辐射体设置于所述介质基板的第一侧，所述天线辐射体的边缘设置有缺口；

嵌地金属层，所述嵌地金属层设置于所述介质基板的第一侧，且沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影与所述缺口的正投影至少部分交叠，所述嵌地金属层的正投影与所述天线辐射体的正投影不交叠；

底层金属层，所述底层金属层设置于所述介质基板的第二侧，所述底层金属层包括底层金属地和底层馈电焊盘，所述底层金属地与所述嵌地金属层电连接，所述底层馈电焊盘与所述天线辐射体电连接；所述介质基板的第一侧与所述介质基板的第二侧相对。

可选地，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影包围所述天线辐射体的正投影。

可选地，所述天线辐射体与所述嵌地金属层同层设置。

可选地，所述天线辐射体与所述嵌地金属层异层设置，且所述天线辐射体与所述嵌地金属层之间设置有隔离层。

可选地，所述超宽带天线还包括顶层金属地，所述顶层金属地与所述天线辐射体同层设置且环绕所述天线辐射体；所述顶层金属地与所述嵌地金属层电连接。

可选地，所述介质基板的边缘设置有多个导电通孔，所述多个导电通孔环绕所述介质基板，所述嵌地金属层通过所述导电通孔与所述底层金属层电连接。

可选地，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影与所述缺口的正投影相交叠的部分，和对应的缺口的正投影的形状相同。

可选地，所述天线辐射体为具有缺口的矩形或圆形。

可选地，所述缺口的形状为三角形、半椭圆形或不规则图形。

可选地，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影半包围所述天线辐射体的正投影，所述介质基板的边缘且对应所述嵌地金属层的部分设置有多个导电通孔，所述嵌地金属层通过所述导电通孔与所述底层金属层电连接。

本发明实施例的技术方案，采用的超宽带天线包括：介质基板；天线辐射体，天线辐射体设置于介质基板的第一侧，天线辐射体的边缘设置有缺口；嵌地金属层，嵌地金属层设置于介质基板的第一侧，且沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层的正投影与缺口的正投影至少部分交叠，嵌地金属层的正投影与天线辐射体的正投影不交叠；底层金属层，底层金属层设置于介质基板的第二侧，底层金属层包括底层金属地和底层馈电焊盘，底层金属地与嵌地金属层电连接，底层馈电焊盘与天线辐射体电连接；介质基板的第一侧与介质基板的第二侧相对。通过设置嵌地金属层，增加了天线辐射体与接地结构之间的耦合，可以使得超宽带天线谐振频率点降低，超宽带天线电场辐射边参考地增加，从而能够提升超宽带天线的带宽和效率；并且由于不需要额外增加超宽带天线的横向以及纵向尺寸，只需要在原有天线尺寸的基础上将超宽带天线设计成本实施例所提供的天线的形式，因而实现了在不增加超宽带天线尺寸的前提下提升超宽带天线的带宽和效率。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超宽带天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超宽带天线的***分解图；

图3为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图4为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图5为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图6为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图7为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图8为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图9为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图10为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图；

图11为传统单辐射天线的散射参数仿真图；

图12为本发明实施例提供的一种超宽带天线的散射参数仿真图；

图13传统单辐射贴片天线辐射效率仿真图；

图14为本发明实施例提供的一种超宽带天线的辐射效率仿真图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种超宽带天线的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种超宽带天线的***分解图，图2与图1对应，结合图1和图2，本实施例提供的超宽带天线包括：介质基板1；天线辐射体2，天线辐射体2设置于介质基板1的第一侧，天线辐射体2的边缘设置有缺口；嵌地金属层21，嵌地金属层21设置于介质基板1的第一侧，且沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层21的正投影与缺口的正投影至少部分交叠，嵌地金属层21的正投影与天线辐射体2的正投影不交叠；底层金属层3，底层金属层3设置于介质基板1的第二侧，底层金属层3包括底层金属地31和底层馈电焊盘32，底层金属地31与嵌地金属层21电连接，底层馈电焊盘32与电线辐射体2电连接；介质基板1的第一侧与介质基板1的第二侧相对。

具体地，介质基板1例如可以是玻纤布覆铜板(flame retardant type 4，FR4)，介质基板1具有相对的第一侧和第二侧。天线辐射体2和嵌地金属层21位于介质基板1的第一侧。其中，天线辐射体2和嵌地金属层21均为金属，可以采用压合或者喷涂等工艺形成。天线辐射体2在其边缘存在一个向天线辐射体2的中心点凹陷的缺口，如图2中所示，天线辐射体2可以是带有缺口的矩形结构，当然，在其它一些实施方式中，也可以是带有缺口的圆形结构。沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层21的投影与缺口的投影交叠，且嵌地金属层21的投影与天线辐射体2的投影不交叠；换句话说，嵌地金属层21填充在缺口中，并且嵌地金属层21与天线辐射体2不接触；底层馈电焊盘32向天线辐射体2馈电；底层金属地31与嵌地金属层21电连接共同组成天线的接地结构，本实施例中通过设置嵌地金属层21，增加了天线辐射体2与接地结构之间的耦合，可以使得超宽带天线谐振频率点降低，从而能够提升超宽带天线的带宽；另外，嵌地金属层21的引入使得超宽带天线电场辐射边参考地增加，天线效率得到提升；并且由于不需要额外增加超宽带天线的横向以及纵向尺寸，只需要在原有超宽带天线尺寸的基础上将超宽带天线设计成本实施例所提供的超宽带天线的形式，因而实现了在不增加超宽带天线尺寸的前提下提升超宽带天线的带宽和效率。

本实施例的技术方案，采用的超宽带天线包括：介质基板；天线辐射体，天线辐射体设置于介质基板的第一侧，天线辐射体的边缘设置有缺口；嵌地金属层，嵌地金属层设置于介质基板的第一侧，且沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层的正投影与缺口的正投影至少部分交叠，嵌地金属层的正投影与天线辐射体的正投影不交叠；底层金属层，底层金属层设置于介质基板的第二侧，底层金属层包括底层金属地和底层馈电焊盘，底层金属地与嵌地金属层电连接，底层馈电焊盘与天线辐射体电连接；介质基板的第一侧与介质基板的第二侧相对。通过设置嵌地金属层，增加了天线辐射体与接地结构之间的耦合，可以使得超宽带天线谐振频率点降低，天线电场辐射边参考地增加，从而能够提升超宽带天线的带宽和效率；并且由于不需要额外增加超宽带天线的横向以及纵向尺寸，只需要在原有超宽带天线尺寸的基础上将超宽带天线设计成本实施例所提供的超宽带天线的形式，因而实现了在不增加超宽带天线尺寸的前提下提升超宽带天线的带宽和效率。

可以理解的是，底层馈电焊盘32在天线辐射体2上的馈点可以是靠近天线辐射体2中心的位置，可以通过调整馈点的位置来调节天线的阻抗。天线辐射体2的谐振频率波长为1/2波长，调节天线辐射体2伸入到嵌地金属层21部分的长度(可理解为调整缺口指向天线辐射体中心点部分的长度)可以调节天线的谐振频率。调节嵌地金属层21到天线辐射体2馈点距离以及天线辐射体2靠近嵌地金属层21边沿形状可以改善天线辐射体2馈点处的阻抗带宽，使超宽带天线阻抗带宽增加。

继续参考图2，沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层21的正投影包围天线辐射体2的正投影。

具体地，在本实施例中，等效为天线辐射体2的四周被嵌地金属层21包围。这样设置，天线辐射体2外侧的金属地和底层金属地31构成一个接地环，作为天线辐射参考地，减小了实际环境中超宽带天线周边环境对天线的影响，从而进一步提高了天线效率。

可选地，继续参考图2，天线辐射体2与嵌地金属层21同层设置。

本实施例中，天线辐射体2和嵌地金属层21由于是同层设置，因而可以同时形成，同时还不用增加其它的膜层结构，不会增加超宽带天线的厚度。

可选地，图3为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，参考图3，在本实施例中，天线辐射体2与嵌地金属层21异层设置，且天线辐射体2与嵌地金属层21之间设置有隔离层4。

具体地，在本实施例中，隔离层4可以和介质基板1的材料、厚度相同或不同；隔离层4可以防止天线辐射体2与嵌地金属层21短路。本实施例中，可以在不同的膜层结构上分别形成嵌地金属层21和天线辐射体2，因此，可以进一步避免嵌地金属层21和天线辐射体2之间发生短路。

可选地，继续参考图3，超宽带天线还包括顶层金属地22，顶层金属地22与天线辐射体2同层设置且环绕天线辐射体2；顶层金属地22与天线辐射体2同层设置且环绕天线辐射体2；顶层金属地22与嵌地金属层21电连接。

优选地，可以设置沿超宽带天线的厚度方向，顶层金属地22的正投影与缺口的正投影不交叠，换句话说，顶层金属地22不填充在缺口内，仅仅起到接地的作用。本实施例中，通过在天线辐射体的周围额外设置一圈金属接地面，可以进一步减小实际环境中超宽带天线周边环境对天线的影响，从而进一步提高了天线效率。

可选地，继续参考图2，介质基板1的边缘设置有多个导电通孔11，多个导电通孔11环绕介质基板1，嵌地金属层21通过导电通孔11与底层金属层3电连接。

具体地，在本实施例中，嵌地金属层21环绕天线辐射体2一周，因而可以在介质基板1相应的位置设置一圈导电通孔11；通过导电通孔11将底层和顶层的金属层连接成一个整体结构，方案简单易于实现。同时，一圈的导电通孔11还可以形成屏蔽结构，防止天线辐射体2受到外部干扰。

可选地，继续参考图2，沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层21的正投影与缺口的正投影相交叠的部分，和对应的缺口的正投影的形状相同。

具体地，在本实施例中，缺口的形状为等腰三角形，那么嵌地金属层21嵌入缺口的部分形状也是等腰三角形；当然，缺口的形状还可以是其它任意形状，如半椭圆形或者不规则图形等，相应地嵌地金属层21嵌入到缺口内部的形状也是半椭圆形或者不规则图形。这样设置，可以使得嵌地金属层21各个部分与天线辐射体2之间的距离大致相同，使得天线辐射体2向各个方向的辐射强度较为均匀。

可选地，图4为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，参考图4，沿超宽带天线的厚度方向，嵌地金属层21的正投影半包围天线辐射体2的正投影，介质基板1的边缘且对应嵌地金属层21的部分设置有多个导电通孔11，嵌地金属层21通过导电通孔11与底层金属层3电连接。

具体地，本实施例中，嵌地金属层21不围绕天线辐射体2一周，而是一个缺口对应一个嵌地金属层21；此种结构可以应用于超宽带天线周边环境对超宽带天线无影响的情况下。

在其它一些实施方式中，如图5所示，图5为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，在本实施例中，天线辐射体2为带有缺口的矩形，且矩形的四条边均具有缺口，相应的嵌地金属层会形成四个嵌地结构(嵌地金属层与缺口投影相交叠的部分)，可以达到缩小天线辐射体尺寸和提升天线辐射体效率的目的。

在其它一些实施方式中，如图6所示，图6为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，在本实施例中，缺口的形状为半椭圆。如图7所示，图7为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，在本实施例中，缺口的形状为不规则图形。且在上述实施例中，天线辐射体可以是具有关于中心线对称的缺口，如图2至图6，也可以是具有非对称的缺口，如图7。

在其它一些实施方式中，如图8所示，图8为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，本实施例的天线可以是PIFA(Planar Inverted F-shaped Antenna，平面倒F型天线)，在介质基板外形尺寸较小时可以采用图8所示的结构。或者，图9为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，当对带宽有更宽的要求时，可以采用图9所示的结构，在图9所示的实施例中，超宽带天线为PIFA叠加寄生天线并引入嵌地结构的设计，此种方式将产生两个谐振频率点，天线辐射体中心的孔为天线短路孔，天线短路孔所在的一侧为PIFA天线，谐振频率为第一频率，另一侧为寄生天线，为第二频率；当第一频率和第二频率接近时可以扩展天线带宽。

在其它一些实施方式中，如图10所示，图10为本发明实施例提供的又一种超宽带天线的***分解图，本实施例中，可以在缺口部分额外设置一个朝向嵌地金属层的缺口，这样设置朝向嵌地金属层的缺口可以等效为一个微带线22，底层馈电焊盘可以通过馈电通孔与微带线电连接，可以使得底层馈电焊盘的位置以及天线的馈电方式更为灵活。

图11为传统单辐射天线的散射参数仿真图，图12为本发明实施例提供的一种超宽带天线的散射参数仿真图，相比于图11传统单辐射贴片天线带宽，本发明的嵌地结构天线可将散射参数带宽在-6dB时由360MHz扩展到600MHz,提升65％左右，且不增大超宽带天线外形尺寸。其中，天线带宽定义为S(1,1)＝-6dB时频率的上下限值之差。

图13传统单辐射贴片天线辐射效率仿真图，图14为本发明实施例提供的一种超宽带天线的辐射效率仿真图，结合图13和图14，本实施例的超宽带天线效率提升将近30％，辐射效率-6dB(25％)带宽由730MHz提升到1440MHz。在不改变超宽带天线外形尺寸情况下实现了散射参数带宽扩展，引入嵌地结构提升了天线辐射效率，展宽效率带宽。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带天线，其特征在于，所述超宽带天线包括：

介质基板；

天线辐射体，所述天线辐射体设置于所述介质基板的第一侧，所述天线辐射体的边缘设置有缺口；

嵌地金属层，所述嵌地金属层设置于所述介质基板的第一侧，且沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影与所述缺口的正投影至少部分交叠，所述嵌地金属层的正投影与所述天线辐射体的正投影不交叠；

底层金属层，所述底层金属层设置于所述介质基板的第二侧，所述底层金属层包括底层金属地和底层馈电焊盘，所述底层金属地与所述嵌地金属层电连接，所述底层馈电焊盘与所述天线辐射体电连接；所述介质基板的第一侧与所述介质基板的第二侧相对。

2.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影包围所述天线辐射体的正投影。

3.根据权利要求1或2所述的超宽带天线，其特征在于，所述天线辐射体与所述嵌地金属层同层设置。

4.根据权利要求1或2所述的超宽带天线，其特征在于，所述天线辐射体与所述嵌地金属层异层设置，且所述天线辐射体与所述嵌地金属层之间设置有隔离层。

5.根据权利要求4所述的超宽带天线，其特征在于，所述超宽带天线还包括顶层金属地，所述顶层金属地与所述天线辐射体同层设置且环绕所述天线辐射体；所述顶层金属地与所述嵌地金属层电连接。

6.根据权利要求2所述的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板的边缘设置有多个导电通孔，所述多个导电通孔环绕所述介质基板，所述嵌地金属层通过所述导电通孔与所述底层金属层电连接。

7.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影与所述缺口的正投影相交叠的部分，和对应的缺口的正投影的形状相同。

8.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述天线辐射体为具有缺口的矩形或圆形。

9.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，所述缺口的形状为三角形、半椭圆形或不规则图形。

10.根据权利要求1所述的超宽带天线，其特征在于，沿所述超宽带天线的厚度方向，所述嵌地金属层的正投影半包围所述天线辐射体的正投影，所述介质基板的边缘且对应所述嵌地金属层的部分设置有多个导电通孔，所述嵌地金属层通过所述导电通孔与所述底层金属层电连接。

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