基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，包括：介質基板、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相互平行的寄生金屬條帶；本發明整體空間結構緊湊，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又節省尺寸設計方便；天線的寬帶輻射原理易于理解，陷波生成方法可復制性強，該方法理論上可以實現任意頻點的阻帶。
【專利說明】
基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線
技術領域
[0001] 本發明涉及平面微帶天線的陷波技術領域，特別是一種基于平面雙偶極子實現陷 波功能的超寬帶天線。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信設備的普及，越來越多的小型化電子設備開始走入民眾生活，日常 生活空間中的電磁輻射也越發復雜。這些新技術普及為人民生活水平的提高作出積極貢 獻，同時也不可避免使通信頻譜愈發擁擠，甚至出現干擾的可能。因此在接收端濾除不必要 干擾信號成為愈發緊迫的課題。
[0003] 目前為止，行業內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，對接收到的信號做整體處理。其二則是直接在天線上加載諧振結構進行濾波，從接收端 濾除干擾信號。第一種方法思路簡單明了，便于工程設計，但不可避免增加電路尺寸，且必 須考慮濾波器的插入損耗，這對小信號的接收不可忽略。同時在前后級聯器件后必須重新 考慮端口匹配，在實際設計中完成單個模塊的仿真設計往往比較理想，實際級聯之后端口 特性會隨之改變，這些都給實際設計帶來不便，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。常用的方案是在天線設計時加入諧振結構，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構設置天線內部，常見的思路是設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年發表的文章 "A Compact Disc UltrawideBand(UWB)Antenna With Quintuple Band Rejections"給出了應用的具體案 例。但顯而易見，該方法存在一個明顯的不足，即須原天線結構有足夠的預留空間，無論增 加槽型結構或諧振單元均提升了天線設計的復雜度，這些給工程設計帶來一定挑戰。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在克服目前天線結構的不足，提供一種結構簡單、饋電方便、容易加工的 基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，該天線不僅可以幫助實現較寬頻帶，而且 理論上可以實現任意頻點的陷波。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：
[0006] -種基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，包括:介質基板、金屬天線貼 片，所述金屬天線貼片包括:饋電耦合單元、能量傳導單元、輻射單元和引向單元；
[0007] 饋電耦合單元包括:地板、介質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單元；
[0008] 輻射單元:位于介質基板上方，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，共面帶線內側邊沿Ei的形狀為指數型過渡曲線；
[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入地板槽線，由共 面帶線引導傳輸至輻射單元。長偶極子負擔低頻段輻射，短偶極子負擔高頻段輻射。在雙偶 極子的上方的兩個寄生金屬條帶，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型過 渡曲線，這主要是為了優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相互平行的寄生金屬條帶。
[0012] 作為優選方式，所述微帶饋線為側面饋電。
[0013] 作為優選方式，所述地板與金屬天線貼片為一體結構。這樣節省空間。
[0014] 作為優選方式，所述槽線下方接圓形槽端。
[0015] 作為優選方式，所述兩個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。一長一短的結構為優化的結果。金屬條在高頻段也承擔一定的輻射作用，但由于其與天 線部分不直接相連，所以能量無法直接流動到金屬條上。在高頻段能量以耦合的方式從短 偶極子進入金屬條，所以可以認為是一種寄生的關系。
[0016] 作為優選方式，所述地板上邊沿兩端E2按照指數曲線上翹。這樣能優化天線各部 分之間的匹配和能量傳導，實現整體良好的端口特性和輻射參數。
[0017] 作為優選方式，短偶極子下邊沿末端為階梯形。
[0018] 作為優選方式，長偶極子的端部中心設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化天線各部分之間的匹配和能量傳 導，實現整體良好的端口特性和輻射參數。
[0020] 本發明的平面雙偶極子結構的陷波原理是這樣:在傳統的天線設計中，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，由于輻射近場區重疊，天線會極大的 相互干擾。而應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， 所以該缺點可加以利用轉化為優勢。對于一般的微帶偶極子天線，如"丫"字形，穩定的方向 圖由兩側振子上的電流共同輻射產生。本發明將單振子拓展成雙偶極子，則"丫"形變為 "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。此時我們調整雙偶極子的 尺寸，使四個振子貼片的反向表面電流呈穩定態，則可以產生特定頻點的遠場相位抵消，進 而實現陷波。
[0021] 本發明最突出的創新之處在于不破壞原有天線結構的前提下利用雙偶極子技術 制造陷波，這在國內外尚屬首次，是一種完全新穎的陷波方法。雙振子和多振子在傳統的天 線設計中已有使用，但多用于拓展帶寬例如對數周期天線。目前的陷波技術都是遵循傳統 思路，在天線不同位置刻槽或加諧振單元，平面雙偶極子結構是一種全新的設計理念。該結 構基于雙偶極子的近場相干原理，又與微帶天線的實際相結合，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為可利用的技術資源。
[0022] 本發明的有益效果是:整體空間結構緊湊，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又節省尺寸設計方便。天線的寬帶輻射原理 易于理解，陷波生成方法可復制性強，該方法理論上可以實現任意頻點的阻帶。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的側視圖；
[0024]圖2是本發明的仰視圖；
[0025]圖3是本發明的俯視圖；
[0026] 圖4是本發明與單偶極子時的端口駐波曲線對比；
[0027] 圖5是本發明與單偶極子時的增益曲線對比；
[0028] 圖6是本發明天線在4個不同頻點的方向圖。
[0029] 其中，1為介質基板，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。
【具體實施方式】
[0030] 以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0031] -種基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，包括:介質基板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單元；
[0033]輻射單元:位于介質基板上方，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，共面帶線內側邊沿Ei的形狀為指數型過渡曲線；
[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入地板槽線，由共 面帶線引導傳輸至輻射單元。長偶極子負擔低頻段輻射，短偶極子負擔高頻段輻射。在雙偶 極子的上方的兩個寄生金屬條帶，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型過 渡曲線，這主要是為了優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相互平行的寄生金屬條帶7。
[0037]所述微帶饋線為側面饋電。
[0038]所述地板與金屬天線貼片為一體結構。這樣節省空間。
[0039]所述槽線下方接圓形槽端。
[0040] 所述兩個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 短的結構為優化的結果。金屬條在高頻段也承擔一定的輻射作用，但由于其與天線部分不 直接相連，所以能量無法直接流動到金屬條上。在高頻段能量以耦合的方式從短偶極子進 入金屬條，所以可以認為是一種寄生的關系。
[0041] 所述地板上邊沿兩端E2按照指數曲線上翹。這樣能優化天線各部分之間的匹配和 能量傳導，實現整體良好的端口特性和輻射參數。
[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化天線各部分之間的匹配和能量傳 導，實現整體良好的端口特性和輻射參數。
[0045] 如圖1所示，本發明采用平面印刷天線，介質基板1采用介電常數為4.4的FR4板材， 兩面分別覆蓋不同結構的金屬貼片以實現所需功能。介質板上層為金屬天線貼片2,介質板 下方為微帶饋線3。能量從下層貼片流入，通過耦合傳導至上層金屬。為方便說明，圖中附帶 三維直角坐標軸。可知，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 端口經過階梯結構匹配至漸變形共面帶線6下接的槽端，圓形槽段是一個典型的寬帶結構。 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等結構，為了優化各結構之間的阻抗匹配，提升天線的整體輻射 效能，須對共面帶線6和地板8進行修正和優化。分別為以上兩結構的邊沿修正曲線。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。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狀態，該相位狀態 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結構有效地將能量傳導， 同時又制造了 180度的相位差，節省天線縱向尺寸。天線的輻射功能主要由雙偶極子承擔， 短偶極子4和長偶極子5分別擔負不同頻段的輻射功能。此外，為了盡可能大的拓展天線帶 寬優化偶極子自身阻抗，實例對短偶極子進行階梯型改造，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。上層 天線貼片的詳細值結構尺寸如下: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描述天線采用本發明的雙偶極子技術與單偶極子時的端口駐波曲線對比。使 用雙偶極子技術后，從天線端口曲線的對比可知，帶寬明顯增大，在相應頻段出現阻帶。陷 波的基本原來是這樣的:微帶天線的輻射機理決定，表面電流聚集在金屬貼片邊沿，天線在 目標頻點的穩定輻射須有對應尺寸的結構長度相支撐。依照此機理，調整雙振子長度、間距 和陣子形態，使其構成合適尺寸的單端閉合縫隙，此時縫邊沿的反向電流便可以在遠場相 位相消產生對應頻點的陷波。
[0051] 圖5是天線采用雙偶極子技術與單偶極子時的增益曲線對比，該圖進一步說明天 線在遠場的輻射增益，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是天線在不同頻點的方向圖。該天線在通帶內沒有發生方向圖的畸變，定向輻 射性能良好穩定。說明該平面雙偶極子技術是穩定可靠的。
[0053]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟 悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成 的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1. 一種基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，其特征在于，包括:介質基板、 金屬天線貼片，所述金屬天線貼片包括:饋電耦合單元、能量傳導單元、輻射單元和引向單 元； 饋電耦合單元包括:地板、介質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單元； 輻射單元:位于介質基板上方，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，共面帶線內側邊沿E1的形狀為指數型過渡曲線； 引向單元:包括位于偶極子上方中央的兩個相互平行的寄生金屬條帶。2. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述微帶饋線為側面饋電。3. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現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構。4. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現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. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現陷波功能的超寬帶天線，其特征在于： 所述兩個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. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現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按照指數曲線上翹。7. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現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. 根據權利要求1所述的基于平面雙偶極子實現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有向偶極子中心延伸的矩形缺口。
【文檔編號】H01Q5/335GK106025556SQ201610357468
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】楊德強, 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