一种五陷波超宽带天线及电子设备

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种五陷波超宽带天线及电子设备。


背景技术：

2.自2002年美国联邦通信委员会(fcc)把3.1ghz-10.6ghz作为超宽带(ultra wide band，uwb)分配给商业领域，因具有定位精度高、抗干扰能力强、传输效率高以及功耗低等优点，在汽车、智能家居和工业等领域得到了广泛应用、超宽带通信系统也因具有高传输速率、高容量、低检测率和高分辨率等优点，迅速成为民用通信系统的研究重点，广泛应用于医学成像、矿井通信、智能物联网等短距离无线通信场景。然而，uwb通信系统的工作频带中有多个窄带通信系统占用，例如全球互联接入ieee802.16wimax(3.3-3.6ghz)、c波段卫星通信(3.7-4.4ghz)、数字微波通信(4.3-4.5ghz)、无线局域网ieee 802.11awlan(5.15-5.826ghz)，以及x波段卫星通信(7.2-7.6ghz)等。为了减小这些窄带通信系统对uwb造成的噪声干扰，提出一种引入陷波结构的超宽带天线。
3.现有的超宽带天线在设计中，主要采用开槽法、添加枝节法、寄生单元法等方式来实现天线的陷波特性。然而，现有的超宽带天线大多数只能实现双陷波或者三陷波，由于天线本身尺寸减小，基板的尺寸有效等原因，陷波加入本就存在困难，陷波结构之间的互耦也导致天线实现多频段陷波的难度加大。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种五陷波超宽带天线及电子设备，其结构简单、体积小、频带宽、具有多频段陷波的良好特性，可以屏蔽uwb频带内窄带信号的干扰，产生的阻带可有效屏蔽wi-max、c波段卫星通信、无线局域网、卫星x波段、国际电信联盟(itu)等频段的干扰，是超宽带通信系统的潜在候选。
5.根据本发明的一方面，提供了一种五陷波超宽带天线，包括：天线基板、设置在天线基板正面的第一辐射贴片、设置在天线基板背面的第二辐射贴片和第一陷波结构；其中，
6.第一辐射贴片包括第一贴片单元、第二贴片单元和第二陷波结构；第一贴片单元呈优弧弓形，第一贴片单元具有第三陷波结构和第四陷波结构；第二贴片单元呈矩形，第二贴片单元的短边侧与第一贴片单元的优弧侧相连，第二贴片单元具有第五陷波结构；第二陷波结构的一端与第一贴片单元的弓弦侧相连；
7.第二辐射贴片呈矩形；
8.第一陷波结构设置在天线基板的背面、且穿透天线基板与第一贴片单元相连。
9.可选的，第一陷波结构为电磁场带隙ebg结构；第二陷波结构为l型枝节；第三陷波结构为第一c型槽；第四陷波结构为第二c型槽；第五陷波结构为u型槽。
10.可选的，第一c型槽的开口方向与第二c型槽的开口方向相同、且第一c型槽的尺寸大于第二c型槽的尺寸。
11.可选的，u型槽的开口方向与第一c型槽、第二c型槽的开口方向相反。
12.可选的，天线基板的尺寸为22mm
×
16mm；
13.第一c型槽的尺寸为10.5mm
×
4.4mm，第一c型槽的槽宽为0.4mm，第一c型槽的开口大小为1.2mm；
14.第二c型槽的尺寸为6.8mm
×
2.8mm，第二c型槽的槽宽为0.3mm，第二c型槽的开口大小为0.6mm；
15.第二辐射贴片的尺寸为16mm
×
4.8mm；
16.第二贴片单元的尺寸为5mm
×
2mm；u型槽的槽宽为0.3mm，u型槽的宽度为1mm；
17.ebg结构的尺寸为8mm
×
1mm。
18.可选的，第一c型槽用于产生3.52-4.04ghz的陷波频带；l型枝节用于产生4.16-4.54ghz的陷波频带；第二c型槽用于产生5.59-6.00ghz的陷波频带；ebg结构用于产生6.44-6.68ghz的陷波频带；u型槽用于产生9.06-9.78ghz的陷波频带。
19.可选的，天线基板选用rogers ro4350，rogers ro4350的介电常数为3.66；
20.第一辐射贴片和第二辐射贴片为铜贴片，铜贴片的厚度为0.02mm。
21.可选的，还包括：设置在天线基板靠近第二贴片单元的侧面的微带线。
22.可选的，微带线的阻抗为50欧姆。
23.根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，包括上述任一实施例的五陷波超宽带天线。
24.本发明实施例的技术方案，通过对超宽带天线重新进行设计，令天线包括天线基板、第一辐射贴片、第二辐射贴片和第一陷波结构；第一辐射贴片包括第一贴片单元、第二贴片单元和第二陷波结构，第一贴片单元具有第三陷波结构和第四陷波结构，第二贴片单元具有第五陷波结构。如此，超宽带天线的五个陷波结构实现了五陷波性能，并且该天线的频带覆盖了s、c和x三个波段，起到了在这三个波段内有效屏蔽窄带信号的干扰的作用；同时，天线的结构简单、体积小、频带宽、具有多频段陷波的良好特性，适用于各种超宽带系统。
25.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
26.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。
27.图1是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的正面结构示意图；
28.图2是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的背面结构示意图；
29.图3是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的侧面透视图；
30.图4是本发明实施例一提供的一种矩形单极子天线以及圆形单极子天线的性能仿真图；
31.图5是本发明实施例一提供的一种对圆形单极子天线进行削顶的示意图；
32.图6是本发明实施例一提供的一种对圆形单极子天线进行削顶前后的性能仿真
图；
33.图7是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的设计过程图；
34.图8是本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线的仿真电压驻波比(vswr)随着频率的变化示意图；
35.图9是本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线的回波损耗(s11)随着频率的变化示意图；
36.图10是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的vswr的仿真结果；
37.图11是本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的阻抗特性曲线；
38.图12是本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线所对应的五个陷波的谐振频率处的电流分布仿真图；
39.图13是本发明实施例一提供的一种非陷波频点处该天线的e面和h面的归一化的方向图。
具体实施方式
40.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。
41.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、系统、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。
42.实施例一
43.图1为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的正面结构示意图；图2为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的背面结构示意图；图3为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的侧面透视图。如图1-图3所示，五陷波超宽带天线包括：天线基板100，设置在天线基板100正面的第一辐射贴片200、设置在天线基板100背面的第二辐射贴片300和第一陷波结构a。
44.具体的，第一辐射贴片200包括第一贴片单元201、第二贴片单元202和第二陷波结构b；第一贴片单元201呈优弧弓形，第一贴片单元201具有第三陷波结构c和第四陷波结构d；第二贴片单元202呈矩形，第二贴片单元202的短边侧与第一贴片单元201的优弧侧相连，第二贴片单元202具有第五陷波结构e；第二陷波结构b的一端与第一贴片单元201的弓弦侧相连。第二辐射贴片300呈矩形。第一陷波结构a设置在天线基板100的背面、且穿透天线基板100与第一贴片单元201相连。
45.可以理解的是，上述第一贴片单元201、第二贴片单元202和第二陷波结构b只是对
第一辐射贴片200的划分，第一辐射贴片200实质上是一个整体贴片。
46.如图1-图3所示，第一陷波结构a为电磁场带隙(electromagnetic band gap，ebg)结构；第二陷波结构b为l型枝节；第三陷波结构c为第一c型槽；第四陷波结构d为第二c型槽；第五陷波结构e为u型槽。
47.第一c型槽的开口方向与第二c型槽的开口方向相同、且第一c型槽的尺寸大于第二c型槽的尺寸。u型槽的开口方向与第一c型槽、第二c型槽的开口方向相反。
48.在一实施例中，五陷波超宽带天线可以由圆形单极子天线改进所得。通过对天线的顶部进行削顶，以减小天线的尺寸，随后在天线顶部添加了l型枝节以引入一个陷波带，之后陆续添加了可以生成陷波带所对应的两个不同位置不同大小的c型槽、倒u形槽以及ebg结构，最终可以实现五个频段的陷波带，五个陷波带按照频带由小到大的排序依次为第一c形槽、l型枝节、第二c形槽、ebg结构以及u型槽，通过以上添加陷波带的方法最终实现了五个频段的陷波带的产生。
49.可选的，天线基板100可以采用rogers ro4350，rogers ro4350的介电常数为3.66；第一辐射贴片200和第二辐射贴片300为铜贴片，铜贴片的厚度为0.02mm。
50.可选的，五陷波超宽带天线还包括：设置在天线基板100靠近第二贴片单元202的侧面的微带线，用于进行馈电。微带线的阻抗为50欧姆。
51.为了得到性能更好的五陷波超宽带天线，本发明可以对设计好的天线具体尺寸各个参数通过使用ansoft hfss软件进行了仿真优化，经过仿真优化后的五陷波超宽带天线的尺寸如表1所示。
52.表1五陷波超宽带天线的尺寸
[0053][0054]
也就是说，天线基板的尺寸为22mm
×
16mm；第一c型槽的尺寸为10.5mm
×
4.4mm，第一c型槽的槽宽为0.4mm，第一c型槽的开口大小为1.2mm；第二c型槽的尺寸为6.8mm
×
2.8mm，第二c型槽的槽宽为0.3mm，第二c型槽的开口大小为0.6mm；第二辐射贴片的尺寸为
16mm
×
4.8mm；第二贴片单元的尺寸为5mm
×
2mm；u型槽的槽宽为0.3mm，u型槽的宽度为1mm；ebg结构的尺寸为8mm
×
1mm。
[0055]
第一c型槽用于产生3.52-4.04ghz的陷波频带；l型枝节用于产生4.16-4.54ghz的陷波频带；第二c型槽用于产生5.59-6.00ghz的陷波频带；ebg结构用于产生6.44-6.68ghz的陷波频带；u型槽用于产生9.06-9.78ghz的陷波频带。
[0056]
本发明提供的五陷波超宽带天线的设计来自于传统的单极子天线，传统的单极子天线包括矩形单极子天线以及圆形单极子天线等。图4为本发明实施例一提供的一种矩形单极子天线以及圆形单极子天线的性能仿真图。如图4所示，仿真可以发现圆形单极子天线的带宽是优于矩形单极子天线的。因此，本发明提供的五陷波超宽带天线是在圆形单极子天线的基础上改进的。
[0057]
为了在不影响天线性能的同时令天线小型化，对圆形单极子天线进行了削顶处理，为续添加l型枝节预留了足够的空间。图5为本发明实施例一提供的一种对圆形单极子天线进行削顶的示意图；图6为本发明实施例一提供的一种对圆形单极子天线进行削顶前后的性能仿真图。如图5-图6所示，d＝1.8mm表示天线长度所减小的尺寸，比原先缩小了约为8.6％，最终尺寸为21mm
×
16mm。天线1经过削顶处理后，带宽几乎没发生变化，但辐射特性会变好，基本符合超宽带的要求，与此同时天线2依然满足uwb(3.1ghz-10.6ghz)宽带的特性，因此后续的处理基于天线2进行，并不会影响天线的性能。
[0058]
为了实现陷波带，利用hfss仿真软件进行仿真和优化，通过引入不同的谐振枝节来实现带阻特性。产生陷波的谐振枝节尺寸由公式(1)来确定。
[0059][0060]
其中，xj是常数，对应于介质内的导波波长，通过大量的实验可以得到最佳值。
[0061]
在图5所示的天线2的基础上，图7为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的设计过程图。如图7所示，天线3、天线4、天线5、天线6、天线7分别在3.78ghz、4.37ghz、5.88ghz、6.69ghz、9.34ghz处具有独立频带陷波特性，当五种陷波的谐振枝节合并在一起时就可以得到预期所设计的五陷波超宽带天线。图8为本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线的仿真电压驻波比(vswr)随着频率的变化示意图；图9为本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线的回波损耗(s11)随着频率的变化示意图。结合图7可知，对于vswr《2，天线3、天线4、天线5、天线6、天线7均在uwb上，并且可以在频段内分别产生3.52-4.04ghz、4.16-4.54ghz、5.59-6.00ghz、6.44-6.68ghz、9.06-9.78ghz的陷波频带。并且也可以通过图9的s11曲线发现这五个天线可以产生不同的陷波带，并且效果较好。
[0062]
通过研究上述五种陷波天线，将这五种陷波天线结合在一起可以最终得到需要的五陷波天线，通过与上述五种天线仿真结果图的对比可以发现，其产生的陷波基本与五个谐振枝节所产生的陷波频带对比较为吻合，最终所得到的五陷波天线的陷波带与分别添加谐振枝节的陷波带相比有部分偏移，这是各个谐振枝节之间相互影响的结果。因此可以得到结论，本发明提供的五陷波超带宽天线很好地通过合并所设计的谐振枝节从而很好的实现五陷波的特性。图10为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的vswr的仿真结果，从仿真结果可以看出，该五陷波天线产生的陷波频带分别为3.41-3.88ghz、4.17-4.57ghz、5.04-5.49ghz、6.99-7.26ghz以及9.00-9.86ghz。
[0063]
图11为本发明实施例一提供的一种五陷波超宽带天线的阻抗特性曲线，五个部分的阴影即为该五陷波天线的陷波带。从图中可以清晰地看出，在不同谐振枝节所对应的阻抗特性保留在所需要的频带上，阻抗的实部和虚部在陷波带内出现了明显的跳变，天线在该频段发生并联谐振，当天线在某个频点发生并联谐振时，将会导致阻抗失配，天线的能量就不能被正常发射或者接收，这就实现了所谓的陷波。由于该天线的各个谐振枝节对应的谐振频率为3.74ghz、4.34ghz、5.29ghz、7.13ghz、9.33ghz，由于在这五个谐振频率处的电路会呈现开路状态，天线无法正常接收信号，因此，这些阻带可以避免wi-max(ieee 802.16:3.30-3.80ghz)、c波段卫星通信(3.7-4.4ghz)、无线局域网wlan(5.15-5.825ghz)、卫星x波段(7.25-7.75ghz)、国际电信联盟(itu)波段(8.01-8.5ghz)等频段的干扰。
[0064]
为了更深入地理解天线的陷波结构在天线陷波中起到的作用，使用hfss仿真软件对上述的5种单陷波天线(即天线3-天线7)所对应的五个陷波的谐振频率处的电流分布进行了仿真。图12为本发明实施例一提供的一种5种单陷波天线所对应的五个陷波的谐振频率处的电流分布仿真图，从图12(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可以发现，3.78ghz处的电流分布集中在大c型槽的周围，4.37ghz处的电流分布集中在l型枝节周围，5.88ghz处的电流分布集中在小c型槽的周围，6.69ghz处的电流分布集中在ebg结构的周围，9.34ghz处的电流分布集中在u型槽周围。从电流分布也可以发现，在这些谐振枝节周围，聚集了大量能量，也正因为如此，能量集中而无法向外辐射，因此产生了陷波。
[0065]
另外，对于所设计的五陷波uwb天线，还需要观察其方向图特性，通过选取非陷波频点2.92ghz、3.99ghz、4.79ghz、6.55ghz、7.88ghz以及10.57ghz这六个代表性的频点来观察该天线的e面和h面的归一化的方向图。图13为本发明实施例一提供的一种非陷波频点处该天线的e面和h面的归一化的方向图，从图13可以看出，在2.92ghz(即图13a)、3.99ghz(即图13b)、4.79ghz(即图13c)、6.55ghz(即图13d)、7.88ghz(即图13e)、10.57ghz(即图13f)，天线的方向图在e面呈现“8”字形，在h面具有全向辐射方向图，能够很好的收发各个方向的信号。在高频段上的天线归一化方向(normalized pattern)图中存在有个别方向的增益低于其他方向的情况，也就是如图13中的10.57ghz频点处h面的辐射90
°
和270
°
两个方向的辐射增益略低于其他方向，呈现为双向辐射，原因是天线工作于高频段时出现了反向电流导致天线的方向图发生畸变。
[0066]
本发明提供的五陷波超宽带天线，将uwb这种超宽带通信的应用与陷波天线技术相结合，设计了一种小型化五陷波uwb天线。所设计的天线实现了体积小、频带宽、多频段陷波特性的性能要求，此天线的频带覆盖了s(2-4ghz)、c(4-8ghz)和x(8-12ghz)三个波段，起到了在这三个频段内有效屏蔽窄带信号的干扰的作用。另外，将本发明的小型化五陷波uwb天线使用电磁仿真软件ansyshfss进行仿真，得到天线的s11、vswr等特性参数，并对仿真结果进行分析讨论，由仿真结果可以看出仿真数据与理论具有较强的一致性，即所发明天线具有良好的性能表现。天线的工作频段的选择性也更多，屏蔽uwb频带内窄带信号的干扰强，同时也是超宽带通信系统的潜在候选。从结构上来看，天线结构简单，尺寸紧凑，剖面也较低，相较于传统的单极子天线体积也减小了40％以上，实现了小型化，达成了uwb天线实现五个陷波带的良好特性。
[0067]
实施例二
[0068]
本发明实施例还提供一种电子设备。电子设备包括上述实施例中的五陷波超宽带
天线。
[0069]
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。