基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，包括：介質(zhì)基板、金屬天線貼片，金屬天線貼片包括：饋電耦合單元、能量傳導(dǎo)單元、輻射單元和引向單元；饋電耦合單元包括：地板、微帶饋線、槽線；輻射單元包括兩對偶極子，上方為短偶極子，下方為長偶極子；能量傳導(dǎo)單元包括兩條對稱的共面帶線，引向單元包括位于偶極子上方中央的兩個(gè)相互平行的寄生金屬條帶；本發(fā)明整體空間結(jié)構(gòu)緊湊，天線背板與饋線連接緊密，輻射振子依靠共面帶線供電的方式，滿足相位要求的同時(shí)又節(jié)省尺寸設(shè)計(jì)方便；天線的寬帶輻射原理易于理解，陷波生成方法可復(fù)制性強(qiáng)，該方法理論上可以實(shí)現(xiàn)任意頻點(diǎn)的阻帶。
【專利說明】
基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及平面微帶天線的陷波技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷 波功能的超寬帶天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信設(shè)備的普及，越來越多的小型化電子設(shè)備開始走入民眾生活，日常 生活空間中的電磁輻射也越發(fā)復(fù)雜。這些新技術(shù)普及為人民生活水平的提高作出積極貢 獻(xiàn)，同時(shí)也不可避免使通信頻譜愈發(fā)擁擠，甚至出現(xiàn)干擾的可能。因此在接收端濾除不必要 干擾信號(hào)成為愈發(fā)緊迫的課題。
[0003] 目前為止，行業(yè)內(nèi)主要有兩種手段解決上述問題：其一是在天線后端加載濾波單 元，對接收到的信號(hào)做整體處理。其二則是直接在天線上加載諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾波，從接收端 濾除干擾信號(hào)。第一種方法思路簡單明了，便于工程設(shè)計(jì)，但不可避免增加電路尺寸，且必 須考慮濾波器的插入損耗，這對小信號(hào)的接收不可忽略。同時(shí)在前后級(jí)聯(lián)器件后必須重新 考慮端口匹配，在實(shí)際設(shè)計(jì)中完成單個(gè)模塊的仿真設(shè)計(jì)往往比較理想，實(shí)際級(jí)聯(lián)之后端口 特性會(huì)隨之改變，這些都給實(shí)際設(shè)計(jì)帶來不便，增加了工作量。第二種方法則從天線入手， 在接收端直接濾除不需要的信號(hào)。常用的方案是在天線設(shè)計(jì)時(shí)加入諧振結(jié)構(gòu)，一種是在饋 線位置加入諧振單元，這種方式類似濾波器，等效于將濾波單元和天線饋電部分合并；另一 種方案則是將諧振結(jié)構(gòu)設(shè)置天線內(nèi)部，常見的思路是設(shè)定一定尺寸的封閉槽線。這兩種方 案均有良好的濾波效果，在工程中亦較為常見。于2012年發(fā)表的文章 "A Compact Disc UltrawideBand(UWB)Antenna With Quintuple Band Rejections"給出了應(yīng)用的具體案 例。但顯而易見，該方法存在一個(gè)明顯的不足，即須原天線結(jié)構(gòu)有足夠的預(yù)留空間，無論增 加槽型結(jié)構(gòu)或諧振單元均提升了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，這些給工程設(shè)計(jì)帶來一定挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在克服目前天線結(jié)構(gòu)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便、容易加工的 基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，該天線不僅可以幫助實(shí)現(xiàn)較寬頻帶，而且 理論上可以實(shí)現(xiàn)任意頻點(diǎn)的陷波。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，包括:介質(zhì)基板、金屬天線貼 片，所述金屬天線貼片包括:饋電耦合單元、能量傳導(dǎo)單元、輻射單元和引向單元；
[0007] 饋電耦合單元包括:地板、介質(zhì)基板下方的微帶饋線，所述地板上開槽形成槽線， 槽線下方連接槽端，槽線上方連接能量傳導(dǎo)單元；
[0008] 輻射單元:位于介質(zhì)基板上方，包括相互平行的兩對偶極子，上方為短偶極子，下 方為長偶極子；
[0009] 所述能量傳導(dǎo)單元:包括兩條對稱的共面帶線，共面帶線位于兩對偶極子的中心 下方，共面帶線上部垂直連接偶極子，共面帶線底部連接槽線，偶極子通過共面帶線與槽線 連接在一起，共面帶線內(nèi)側(cè)邊沿Ei的形狀為指數(shù)型過渡曲線；
[0010]在地板上部接兩條共面帶線，能量以電磁耦合的方式從饋線進(jìn)入地板槽線，由共 面帶線引導(dǎo)傳輸至輻射單元。長偶極子負(fù)擔(dān)低頻段輻射，短偶極子負(fù)擔(dān)高頻段輻射。在雙偶 極子的上方的兩個(gè)寄生金屬條帶，起引向器的作用，并與地板配合一起使天線呈現(xiàn)定向輻 射的方向圖。共面帶線將饋電耦合單元與輻射單元連接在一起，其邊沿形狀采用指數(shù)型過 渡曲線，這主要是為了優(yōu)化兩者之間的阻抗匹配。
[0011] 引向單元:包括位于偶極子上方中心的兩個(gè)相互平行的寄生金屬條帶。
[0012] 作為優(yōu)選方式，所述微帶饋線為側(cè)面饋電。
[0013] 作為優(yōu)選方式，所述地板與金屬天線貼片為一體結(jié)構(gòu)。這樣節(jié)省空間。
[0014] 作為優(yōu)選方式，所述槽線下方接圓形槽端。
[0015] 作為優(yōu)選方式，所述兩個(gè)寄生金屬條帶包括上方的短金屬條帶和下方的長金屬條 帶。一長一短的結(jié)構(gòu)為優(yōu)化的結(jié)果。金屬條在高頻段也承擔(dān)一定的輻射作用，但由于其與天 線部分不直接相連，所以能量無法直接流動(dòng)到金屬條上。在高頻段能量以耦合的方式從短 偶極子進(jìn)入金屬條，所以可以認(rèn)為是一種寄生的關(guān)系。
[0016] 作為優(yōu)選方式，所述地板上邊沿兩端E2按照指數(shù)曲線上翹。這樣能優(yōu)化天線各部 分之間的匹配和能量傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)整體良好的端口特性和輻射參數(shù)。
[0017] 作為優(yōu)選方式，短偶極子下邊沿末端為階梯形。
[0018] 作為優(yōu)選方式，長偶極子的端部中心設(shè)有向偶極子中心延伸的矩形缺口。
[0019] 對長偶極子和短偶極子端部的處理方式能優(yōu)化天線各部分之間的匹配和能量傳 導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)整體良好的端口特性和輻射參數(shù)。
[0020] 本發(fā)明的平面雙偶極子結(jié)構(gòu)的陷波原理是這樣:在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，雙偶極子 多見于大型天線，將兩對相同長度偶極子天線靠近時(shí)，由于輻射近場區(qū)重疊，天線會(huì)極大的 相互干擾。而應(yīng)用于小尺寸的平面微帶天線之后，由于輻射電流主要沿金屬貼片邊沿流動(dòng)， 所以該缺點(diǎn)可加以利用轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。對于一般的微帶偶極子天線，如"丫"字形，穩(wěn)定的方向 圖由兩側(cè)振子上的電流共同輻射產(chǎn)生。本發(fā)明將單振子拓展成雙偶極子，則"丫"形變?yōu)?"干"形，邊沿電流在兩對偶極子間的狹窄縫隙必然呈反向流動(dòng)。此時(shí)我們調(diào)整雙偶極子的 尺寸，使四個(gè)振子貼片的反向表面電流呈穩(wěn)定態(tài)，則可以產(chǎn)生特定頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場相位抵消，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)陷波。
[0021] 本發(fā)明最突出的創(chuàng)新之處在于不破壞原有天線結(jié)構(gòu)的前提下利用雙偶極子技術(shù) 制造陷波，這在國內(nèi)外尚屬首次，是一種完全新穎的陷波方法。雙振子和多振子在傳統(tǒng)的天 線設(shè)計(jì)中已有使用，但多用于拓展帶寬例如對數(shù)周期天線。目前的陷波技術(shù)都是遵循傳統(tǒng) 思路，在天線不同位置刻槽或加諧振單元，平面雙偶極子結(jié)構(gòu)是一種全新的設(shè)計(jì)理念。該結(jié) 構(gòu)基于雙偶極子的近場相干原理，又與微帶天線的實(shí)際相結(jié)合，充分利用微帶天線電流分 布原理，將原本兩對偶極子之間的干擾變?yōu)榭衫玫募夹g(shù)資源。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是:整體空間結(jié)構(gòu)緊湊，天線背板與饋線連接緊密，輻射振子依 靠共面帶線供電的方式，滿足相位要求的同時(shí)又節(jié)省尺寸設(shè)計(jì)方便。天線的寬帶輻射原理 易于理解，陷波生成方法可復(fù)制性強(qiáng)，該方法理論上可以實(shí)現(xiàn)任意頻點(diǎn)的阻帶。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的側(cè)視圖；
[0024]圖2是本發(fā)明的仰視圖；
[0025]圖3是本發(fā)明的俯視圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明與單偶極子時(shí)的端口駐波曲線對比；
[0027] 圖5是本發(fā)明與單偶極子時(shí)的增益曲線對比；
[0028] 圖6是本發(fā)明天線在4個(gè)不同頻點(diǎn)的方向圖。
[0029] 其中，1為介質(zhì)基板，2為金屬天線貼片，3為微帶饋線，4為短偶極子，5為長偶極子， 6為共面帶線，7為寄生金屬條帶，71為短金屬條帶，72為長金屬條帶，8為地板，9為槽線，10 為槽端。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0031] -種基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，包括:介質(zhì)基板1、金屬天線 貼片2,所述金屬天線貼片包括:饋電耦合單元、能量傳導(dǎo)單元、輻射單元和引向單元；
[0032] 饋電耦合單元包括:地板8、介質(zhì)基板下方的微帶饋線3,所述地板上開槽形成槽線 9,槽線下方連接槽端10,槽線上方連接能量傳導(dǎo)單元；
[0033]輻射單元:位于介質(zhì)基板上方，包括相互平行的兩對偶極子，上方為短偶極子4，下 方為長偶極子5;
[0034]所述能量傳導(dǎo)單元:包括兩條對稱的共面帶線6,共面帶線位于兩對偶極子的中心 下方，共面帶線上部垂直連接偶極子，共面帶線底部連接槽線，偶極子通過共面帶線與槽線 連接在一起，共面帶線內(nèi)側(cè)邊沿Ei的形狀為指數(shù)型過渡曲線；
[0035]在地板上部接兩條共面帶線，能量以電磁耦合的方式從饋線進(jìn)入地板槽線，由共 面帶線引導(dǎo)傳輸至輻射單元。長偶極子負(fù)擔(dān)低頻段輻射，短偶極子負(fù)擔(dān)高頻段輻射。在雙偶 極子的上方的兩個(gè)寄生金屬條帶，起引向器的作用，并與地板配合一起使天線呈現(xiàn)定向輻 射的方向圖。共面帶線將饋電耦合單元與輻射單元連接在一起，其邊沿形狀采用指數(shù)型過 渡曲線，這主要是為了優(yōu)化兩者之間的阻抗匹配。
[0036]引向單元:包括位于偶極子上方中心的兩個(gè)相互平行的寄生金屬條帶7。
[0037]所述微帶饋線為側(cè)面饋電。
[0038]所述地板與金屬天線貼片為一體結(jié)構(gòu)。這樣節(jié)省空間。
[0039]所述槽線下方接圓形槽端。
[0040] 所述兩個(gè)寄生金屬條帶包括上方的短金屬條帶71和下方的長金屬條帶72。一長一 短的結(jié)構(gòu)為優(yōu)化的結(jié)果。金屬條在高頻段也承擔(dān)一定的輻射作用，但由于其與天線部分不 直接相連，所以能量無法直接流動(dòng)到金屬條上。在高頻段能量以耦合的方式從短偶極子進(jìn) 入金屬條，所以可以認(rèn)為是一種寄生的關(guān)系。
[0041] 所述地板上邊沿兩端E2按照指數(shù)曲線上翹。這樣能優(yōu)化天線各部分之間的匹配和 能量傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)整體良好的端口特性和輻射參數(shù)。
[0042] 短偶極子下邊沿末端為階梯形。
[0043] 長偶極子的端部中心設(shè)有向偶極子中心延伸的矩形缺口。
[0044] 對長偶極子和短偶極子端部的處理方式能優(yōu)化天線各部分之間的匹配和能量傳 導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)整體良好的端口特性和輻射參數(shù)。
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明采用平面印刷天線，介質(zhì)基板1采用介電常數(shù)為4.4的FR4板材， 兩面分別覆蓋不同結(jié)構(gòu)的金屬貼片以實(shí)現(xiàn)所需功能。介質(zhì)板上層為金屬天線貼片2,介質(zhì)板 下方為微帶饋線3。能量從下層貼片流入，通過耦合傳導(dǎo)至上層金屬。為方便說明，圖中附帶 三維直角坐標(biāo)軸?？芍?，天線位于xoy平面。
[0046]圖2為天線仰視圖。天線基板長度為34mm，寬度為30mm。微帶饋線3將能量由500hm 端口經(jīng)過階梯結(jié)構(gòu)匹配至漸變形共面帶線6下接的槽端，圓形槽段是一個(gè)典型的寬帶結(jié)構(gòu)。 饋線的尺寸如下：kii = 2 · 3mm，k2i = 3mm，k3i = 3mm，k4i = 4· 55mm，kiw=0 · 8mm，k2w= 1 · lmm，k3w =1 · lmm,k4w= 1.45mm，r = 2mm，β =120°。上層天線貼片包括長偶極子5、短偶極子4、共面帶 線6、寄生金屬條帶7、地板8等結(jié)構(gòu)，為了優(yōu)化各結(jié)構(gòu)之間的阻抗匹配，提升天線的整體輻射 效能，須對共面帶線6和地板8進(jìn)行修正和優(yōu)化。分別為以上兩結(jié)構(gòu)的邊沿修正曲線。曲 線描述如下：
[0047] Ewx ~ +0.1 *cxp(0.17* r) +0,4,(0 < v < 18/?;?) (l)
[0048] E2 :y = 0 · l*exp(0 · 315*( I x I-2 · 3) )-〇 · 1，（2 · 3mm< I x I < 15mm) (2)
[0049] 圖3為天線俯視圖。當(dāng)能量從下層微帶饋線3耦合上來之后，開始沿共面帶線6傳 導(dǎo)。由于共面帶線6端接閉合槽端，這使得帶線上的表面電流呈反向流動(dòng)狀態(tài)，該相位狀態(tài) 恰好滿足偶極子天線的輻射要求。端接圓形閉合槽端的共面帶線6結(jié)構(gòu)有效地將能量傳導(dǎo)， 同時(shí)又制造了 180度的相位差，節(jié)省天線縱向尺寸。天線的輻射功能主要由雙偶極子承擔(dān)， 短偶極子4和長偶極子5分別擔(dān)負(fù)不同頻段的輻射功能。此外，為了盡可能大的拓展天線帶 寬優(yōu)化偶極子自身阻抗，實(shí)例對短偶極子進(jìn)行階梯型改造，并在長偶極子上做切角處理。寄 生金屬條帶7和地板8分別作為雙偶極子的引向器和反射器，使天線呈定向輻射狀態(tài)。上層 天線貼片的詳細(xì)值結(jié)構(gòu)尺寸如下:W v= 2.3mm，Ws = 0.6mm，yi = 0.8mm，y2 = 0.5mm，y3 = 0.8mm， xi = 1.5mm, X2 = 1.5mm, X3 = 5mm, Ld = 8mm ,ffd = 2.4mm, Lo = 2mm, Li = 12mm, L2 = 6 · 8mm,L3 = 5.4mm,ffi = 2.5mm,ff2 = 1.5mm,ff3 = 1.2mm,G = 0.6mm,H= 15mm,r〇 = 2mm,di = 2mm,d2 = 2.7 mm ·
[0050] 圖4描述天線采用本發(fā)明的雙偶極子技術(shù)與單偶極子時(shí)的端口駐波曲線對比。使 用雙偶極子技術(shù)后，從天線端口曲線的對比可知，帶寬明顯增大，在相應(yīng)頻段出現(xiàn)阻帶。陷 波的基本原來是這樣的:微帶天線的輻射機(jī)理決定，表面電流聚集在金屬貼片邊沿，天線在 目標(biāo)頻點(diǎn)的穩(wěn)定輻射須有對應(yīng)尺寸的結(jié)構(gòu)長度相支撐。依照此機(jī)理，調(diào)整雙振子長度、間距 和陣子形態(tài)，使其構(gòu)成合適尺寸的單端閉合縫隙，此時(shí)縫邊沿的反向電流便可以在遠(yuǎn)場相 位相消產(chǎn)生對應(yīng)頻點(diǎn)的陷波。
[0051] 圖5是天線采用雙偶極子技術(shù)與單偶極子時(shí)的增益曲線對比，該圖進(jìn)一步說明天 線在遠(yuǎn)場的輻射增益，在5.12-6.05GHz，天線的增益明顯下降，說明陷波效果良好。
[0052] 圖6是天線在不同頻點(diǎn)的方向圖。該天線在通帶內(nèi)沒有發(fā)生方向圖的畸變，定向輻 射性能良好穩(wěn)定。說明該平面雙偶極子技術(shù)是穩(wěn)定可靠的。
[0053]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成 的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于，包括:介質(zhì)基板、 金屬天線貼片，所述金屬天線貼片包括:饋電耦合單元、能量傳導(dǎo)單元、輻射單元和引向單 元； 饋電耦合單元包括:地板、介質(zhì)基板下方的微帶饋線，所述地板上開槽形成槽線，槽線 下方連接槽端，槽線上方連接能量傳導(dǎo)單元； 輻射單元:位于介質(zhì)基板上方，包括相互平行的兩對偶極子，上方為短偶極子，下方為 長偶極子； 所述能量傳導(dǎo)單元:包括兩條對稱的共面帶線，共面帶線位于兩對偶極子的中心下方， 共面帶線上部垂直連接偶極子，共面帶線底部連接槽線，偶極子通過共面帶線與槽線連接 在一起，共面帶線內(nèi)側(cè)邊沿E1的形狀為指數(shù)型過渡曲線； 引向單元:包括位于偶極子上方中央的兩個(gè)相互平行的寄生金屬條帶。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述微帶饋線為側(cè)面饋電。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述地板與金屬天線貼片為一體結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述槽線下方接圓形槽端。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述兩個(gè)寄生金屬條帶包括上方的短金屬條帶和下方的長金屬條帶。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述地板上邊沿兩端E2按照指數(shù)曲線上翹。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 短偶極子下邊沿末端為階梯形。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面雙偶極子實(shí)現(xiàn)陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 長偶極子的端部中心設(shè)有向偶極子中心延伸的矩形缺口。
【文檔編號(hào)】H01Q5/335GK106025556SQ201610357468
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】楊德強(qiáng), 屈家峰, 曾慧靈, 陳睿, 曹飛飛, 劉賢峰, 潘錦
【申請人】電子科技大學(xué)