一种基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，具体涉及一种基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线。

背景技术

在无线电通信系统中，天线作为接收或发射电磁波的功能性器件，具有十分重要的意义。随着科学技术的发展，天线所传递的信息量不断加大，导致无线电频谱变得愈加紧张，人类对无线电频谱的带宽需求加大，超宽带(Ultra-wide band,UWB)技术应运而生。UWB是指相对带宽不小于20％或绝对带宽不小于500MHz的无线电信号，其能够有效地缓解对频谱资源的需求和减少复杂电磁环境等的影响，保证无线通信系统在复杂传播环境中的通信质量。

超宽带天线作为超宽带无线通信系统的射频前端，其设计研究是超宽带无线通信系统实现的一个重要环节。超宽带天线在20世纪40年代便已经出现，当时如双锥天线、火山烟雾形天线以及定向同轴线喇叭天线等天线形式展现出了较宽的工作频带。然而，这些早期天线结构通常是立体形式，占用较大空间，不太适应当今系统对集成的要求。自2000年以来，超宽带天线以及超宽带技术的研究相关报道逐年增多。2002年2月FCC准许超宽带技术进入民用领域后，国际上许多公司和厂商已推出多种超宽带天线产品。在当前的实际应用中，平面结构的宽带微带天线在尺寸以及系统集成等方面都比立体结构的天线更具优势，而平面结构的宽带微带天线正是由传统的立体结构演变而来的。平面结构的宽带微带天线可大致分为平板单极子天线、平面印刷缝隙天线以及具有带阻特性的超宽带天线。近年来对超宽带单极子天线的研究越来越多，但所提出的单极子天线的增益一般较低，难以满足中远距离通信。

期刊文献“A novel offset feed flared monopole quasi-Yagi highdirectional UWB antenna”(期刊名：International Journal of RF and MicrowaveComputer-Aided Engineering，2021年第31卷148-151页)报道了一种新型喇叭状的UWB准八木偏置馈电单极子天线。文献给出的平面超宽带单极子天线结构如图1所示，所提出的天线由具有偏置馈电的平面单极子和连接馈线的气泡、辐射贴片组成。辐射贴片上还有L形的微带线槽。此外，该天线采用了带有圆形槽的部分接地，添加了喇叭形结构和引向器元件到顶部和底部平面上。采用结合圆形槽的部分接地来增强阻抗带宽。偏置馈电和喇叭形结构主要用于增强整个工作频段的方向性，而导向器元件由于其尺寸而用于增强工作频段较高频率的方向性。利用气泡和L形微带线槽来获得反射系数的-10dB下限截止频率的左移，从而实现带宽的提升和增益的提高。文献所提出的结构需要对天线的接地面以及顶层辐射贴片进行设计，顶层和底层需要添加喇叭状贴片和条状引向器，通过引向器和喇叭形结构增强工作频段的方向性使天线具有准Yagi和喇叭的特点，这种结构的添加虽然提高了方向性，但也增加了结构的复杂度和天线的尺寸，不利于天线的加工和运用。在对圆形辐射贴片偏置馈电的基础上还需要进行L型开槽，采用结合圆形槽的部分缺陷地结构来增强阻抗带宽，这种结构的添加不利于天线的调试，并且使得天线在部分频点增益下降，增益曲线不稳定。复杂的天线结构通常需要更多的材料和精密加工，由于文献中这种天线结构涉及到L型开槽、喇叭状、准Yagi等多个特征需要更多工序，这可能会导致更高的制造成本。在制造过程中需要更多的设计流程，确保天线能够在预期的频率范围内提供良好的性能。此外，复杂的结构也可能需要更多的时间和精力来进行优化和调整，增加了设计的复杂性和难度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线，包括辐射贴片1、介质基板2、金属接地面3、微带馈线4和过渡气泡5；金属接地面3印制在介质基板2下表面，辐射贴片1、微带馈线4和过渡气泡5均印制在介质基板2上表面；辐射贴片1和微带馈线4分别与过渡气泡5连接。

进一步的，辐射贴片1为圆形辐射结构，微带馈线4为矩形，过渡气泡5为圆形金属贴片；辐射贴片1左下部连接过渡气泡5，过渡气泡5中部偏左处连接微带馈线4。

进一步的，所述金属接地面3由矩形金属接地面7和梯形金属反射面6组成，梯形金属反射面6位于矩形金属接地面7的上边沿左部。

进一步的，所述矩形金属接地面7上边沿设有半圆形缺陷地结构8，所述半圆形缺陷地结构8的位置位于微带馈线4的位置的正下方。

进一步的，所述矩形金属接地面7左部和右部的中间分别设有一个矩形扼流槽9，并且每一个矩形扼流槽9在靠近半圆形缺陷地结构8的一端设有圆形缺陷地结构10。

进一步的，梯形金属反射面6左部从上至下设有若干等间距排列的矩形细槽，所有矩形细槽组合形成梳状缺陷地结构11。

进一步的，矩形细槽的长度从上至下依次等额增加。

进一步的，所述介质基板2为Rogers 4350b板材，其相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.004。

进一步的，所述介质基板2的大小为40mm×40mm，厚度为1.52mm。

本发明的有益效果：

现有技术中为了改善阻抗特性扩展带宽，需要对辐射贴片和接地面进行开槽或者添加其他枝节结构，加工时需对基板两面进行处理。本发明提出的半圆形缺陷地结构和通过圆形缺陷地改进的矩形扼流槽结构仅对接地面做出改变，可以在改善天线阻抗特性的同时影响天线的辐射特性，对拓展天线带宽和性能提升有着重要作用。

为了提升天线增益，通常需要添加引向器和寄生贴片等结构，增大尺寸的同时也增加了加工复杂度。本设计通过梯形反射面内的矩形梯度周期波纹，提高增益的同时减少了天线尺寸。

附图说明

图1为现有技术天线结构示意图；

图2为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线立体示意图；

图3为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线顶层结构示意图；

图4为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线底层结构示意图；

图5为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线顶视图；

图6为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线S11仿真图；

图7为本发明基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线仿真增益曲线图；

其中，1-辐射贴片，2-介质基板，3-金属接地面，4-微带馈线，5-过渡气泡，6-梯形金属反射面，7-矩形金属接地面，8-半圆形缺陷地结构，9-矩形扼流槽，10-圆形缺陷地结构，11-梳状缺陷地结构。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于缺陷地结构的偏置馈电超宽带高增益单极子天线，如图2所示，包括辐射贴片1、介质基板2、金属接地面3、微带馈线4和过渡气泡5；金属接地面3印制在介质基板2下表面，辐射贴片1、微带馈线4和过渡气泡5均印制在介质基板2上表面；辐射贴片1和微带馈线4分别与过渡气泡5连接。

具体地，所述介质基板2为Rogers 4350b板材，其相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.004。所述介质基板2的大小为40mm×40mm，厚度为1.52mm。

具体地，如图3所示，辐射贴片1为圆形辐射结构，微带馈线4为矩形，辐射贴片1左下部放置过渡气泡5形成偏置馈电结构，用于增强天线辐射方向性。过渡气泡5为圆形金属贴片，辐射贴片1与微带馈线4之间通过过渡气泡5连接，过渡气泡5相对微带馈线4有一定倾斜角度。

具体地，如图4所示，所述金属接地面3由矩形金属接地面7和梯形金属反射面6组成，梯形金属反射面6位于矩形金属接地面7的上边沿左部。

具体地，如图4所示，所述矩形金属接地面7上边沿设有半圆形缺陷地结构8，如图5所示，所述半圆形缺陷地结构8的位置位于微带馈线4和过渡气泡5连接位置的正下方，用于改善阻抗匹配，采用光滑的半圆形结构，有利于获得更稳定的阻抗特性。所述半圆形缺陷地结构8的半圆直径略大于微带馈线4连接处的部分过渡气泡5。

具体地，如图4所示，所述矩形金属接地面7左边沿中部向右开有一个矩形扼流槽9，并且该矩形扼流槽9右端口处设有一个圆形缺陷地结构10，该圆形缺陷地结构10靠近半圆形缺陷地结构8的左下部；同时矩形金属接地面7右边沿中部向左开有一个矩形扼流槽9，并且该矩形扼流槽9左端口处设有一个圆形缺陷地结构10，该圆形缺陷地结构10靠近半圆形缺陷地结构8的右下部；这两个矩形扼流槽9的宽度相同，且这两个圆形缺陷地结构10的直径相同。圆形缺陷地结构10的直径大于矩形扼流槽9的宽度。矩形扼流槽9和圆形缺陷地结构10组合形成的缺陷地结构通过改变矩形金属接地面内的电流分布，影响天线阻抗匹配和辐射性能。

具体地，所述矩形金属接地面7右部的矩形扼流槽9的长度大于左部的矩形扼流槽9的长度。

具体地，梯形金属反射面6为直角梯形结构。

具体地，梯形金属反射面6左部从上至下设有若干等间距排列的矩形细槽，所有矩形细槽组合形成梳状缺陷地结构11，将该梳状缺陷地结构11也可称作矩形周期波边缘纹。梯形金属反射面6将辐射反射到正前方(即辐射贴片1的上方)，通过提高天线定向性来增加天线增益。通过矩形周期波纹边缘11增加接地面内边缘电流的流经长度，有利于缩小尺寸和降低低频截止频率。

具体地，梳状缺陷地结构内矩形细槽呈梯度分布，相邻矩形细槽间距相等，从上往下矩形细槽长度逐渐增加。

本发明在现有超宽带单极子天线技术方案的基础上进行改进，单极子天线整体结构图如图5所示。在对辐射贴片进行偏置馈电的基础上，通过接地面上添加半圆形、圆形矩形组合的槽结构和周期波纹边缘的缺陷地结构，改善天线性能。仿真得到的S11结果如图6所示，由仿真结果可以看出超宽带单极子天线在4.9GHz-15.1GHz频段处回波损耗(S

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。