带同心串接环控制的多阶六角密堆积超宽带微带天线

摘要

带同心串接环控制的多阶六角密堆积超宽带微带天线，设有基板，基板的覆铜面上表面设有辐射贴片、阻抗匹配输入传输线、左侧矩形金属接地板和右侧矩形金属接地板；左右侧矩形金属接地板对称分布在阻抗匹配输入传输线的两侧；下方馈入的阻抗匹配传输线的另一端与辐射贴片第一阶基本单元相连，阻抗匹配传输线的左右两侧设有矩形金属接地板；辐射贴片结构由内嵌同心串接环控制的密堆积正六角形环基本单元由下向上逐阶垒叠延伸形成，同心串接环控制的正六角形环基本单元由内外边缘为正六角形的外环内嵌一个同心圆环组成，内同心圆环由上下两段电感桥枝节连接到外六角环；正六角形环的外轮廓平面密堆积形成联通的带多元电磁内圆环控制的多阶辐射单元。

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带微带天线，尤其是涉及带同心串接环控制的多阶六角密堆积超宽带微带天线。

背景技术

超宽带天线历史源远流长，1898年，英国科学家Lodge就提出了宽频双锥天线，随后超宽带天线设计技术不断发展，从1939年Cater改进双锥天线并设计了圆锥单极子天线到1948年Brillouin引入同轴喇叭天线，再到20世纪50年代提出的平面螺旋天线、对数周期天线等。现如今超宽带天线研究主要集中在具有小型化、低剖面、易加工、易共形等优点的平面印刷微带天线上^[1]。MIMO天线的研究历史相对很迟，前期各国学者研究主要致力于MIMO通信传输信号编码算法和多信道传播模型建立上，直到2006年，Manteghi等人^[2]首次提出两单元及四单元的MIMO天线。UWB-MIMO天线的相关研究主要集中在小型化、多端口、可陷波、高隔离度等方向。

2012年，Shuai Zhang等人^[3]提出的小型二元UWB-MIMO天线，不仅利用不同辐射模式和极化分集提升两天线单元的隔离度，还通过单极子辐射贴片和另一天线的接地面形成的去耦槽进一步降低耦合，其隔离度超过-26dB。2014年，Sharma>[4]设计了一款共面波导馈电的UWB-MIMO天线，缺陷地结构(DGS)被引入天线可以显著降低MIMO天线单元间的相关系数，提升隔离度。2016年Verma>[5]提出一款单面扳手形UWB-MIMO天线^[6]，为了增强隔离度，矩形槽和Y形结构被引入到地面的中心，但仅覆盖了部分UWB频段：4.2～9.0GHz，该天线从4.20～5.20GHz隔离度低于-16dB，而5.20GHz以上频段的隔离度可优于-21dB。同年，Zhang>[7]通过在UWB-MIMO天线引入中和线结构减少单元间的相互耦合^[1]，工作频段仅为3.1～5.0GHz，但其隔离度优于-22dB。

基于以上国内外关于左手材料结构以及UWB-MIMO天线的研究现状的调研，可以看出左手材料在UWB-MIMO天线中的设计还非常少，大部分利用SRR或CSRR结构进行阻带结构设计，MIMO天线隔离度提升存在一定难度。所以，探究具有特定性能的左手材料结构以及结合左手材料单元的小型化、陷波、高隔离度UWB-MIMO天线具有很重要的科研价值和实践意义。

参考文献：

[1]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨工业大学出版社,2006.

[2]Manteghi M,Rahmat-Samii Y.Novel compact tri-band two-element andfour-element MIMO antenna designs[C]//Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium 2006,IEEE.IEEE,2006:4443-4446.

[3]Zhang S,Lau B K,Sunesson A,et al.Closely-packed UWB MIMO/diversityantenna with different patterns and polarizations for USB dongle applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(9):4372-4380.

[4]Sharma M,Sharma S,Goodwill K,et al.A CPW fed antenna design forUWB-MIMO communication system for high isolation[C]//ComputationalIntelligence on Power,Energy and Controls with their impact on Humanity(CIPECH),2014 Innovative Applications of.IEEE,2014:322-325.

[5]Verma A K,Nakkeeran R,Vardhan R K.Design of 2×2 single sidedwrench shaped UWB MIMO antenna with high isolation[C]//Circuit,Power andComputing Technologies(ICCPCT),2016International Conference on.IEEE,2016:1-3.

[6]Saravani S,Chakrabarty C K,Md Din N.Compact Bandwidth-EnhancedCenter-Fed CPW Zeroth-Order Resonant Antenna Loaded by Parasitic Element[J].Progress In Electromagnetics Research Letters,2017,66:1-8.

[7]Zhang S,Pedersen G F.Mutual coupling reduction for UWB MIMOantennas with a wideband neutralization line[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2016,15:166-169.

发明内容

本发明的目的在于提供小型化的带同心串接环控制的多阶六角密堆积超宽带微带天线。

本发明设有基板，所述基板的覆铜面上表面设有辐射贴片、阻抗匹配输入传输线、左侧矩形金属接地板和右侧矩形金属接地板；左侧矩形金属接地板和右侧矩形金属接地板对称分布在阻抗匹配输入传输线的两侧；下方馈入的阻抗匹配传输线的另一端与辐射贴片第一阶基本单元相连，所述阻抗匹配传输线的左、右两侧设有矩形金属接地板；辐射贴片结构由一系列内嵌同心串接环控制的密堆积正六角形环基本单元由下向上逐阶垒叠延伸形成，所述同心串接环控制的正六角形环基本单元由内外边缘为正六角形的外环内嵌一个同心圆环组成，内同心圆环由上下两段电感桥枝节连接到外六角环；辐射单元结构垒叠按1、2、3…6逐阶延伸，正六角形环的外轮廓平面密堆积形成联通的带多元电磁内圆环控制的多阶辐射单元，由此控制调谐超宽带天线的频率特性及工作带宽；六角密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组成。

所述基板可采用单面覆铜基板。

所述垒叠的阶数可为n＝1～6阶。

所述基板的介电常数可为2.2～8.0，所述基板可采用高性能介质材料基板，所述基板的形状可为长方形，长L＝20～24mm，宽W＝12～17mm，厚度h＝1.2～2.0mm。

所述天线使用共面波导馈电，所述阻抗匹配传输线的信号带与共面地板缝隙宽度g＝0.18～0.2mm，信号带宽度Wm＝1.3～1.6mm，信号带长度Lm＝7～9mm。

所述金属接地板可为矩形，金属接地板的高度Lg＝6～9mm，宽度Wg＝5～7mm。

所述内嵌同心串接环控制的密堆积正六角形环基本单元的正六角形外环边长R_p＝5～8mm，正六角形内环边长R_p1＝4～7mm；内嵌同心圆环外环半径R₀＝2～4mm，内嵌同心圆环内环半径R₀₁＝1～3mm，上述内外环相连的短枝节宽度g_n1＝0.7～1.2mm。

所述天线不同垒叠阶次的基本单元边长之间满足优化的比率，当天线垒叠阶次为n时，天线基本单元结构的所有正六角形的边长R_p1＝k1×p^n-1，其中优化比率p＝0.8～1，可用于调整带宽；边长基数k1＝4～7mm，用于控制超宽带微带天线的增益；同理，当天线垒叠阶次为n时，天线基本单元结构的所有内嵌同心圆环控制单元的外环半径R₀＝k3×p^n-1，同心圆环内环半径R₀₁＝k3×p^n-1，优化比率p＝0.8～1，半径基数k2＝2～4mm，k3＝1～3mm。

本发明通过在内部加载同心串接环控制从而拓展电流路径，满足低频段匹配。同时带同心串接环控制的正六角形之间相互耦合进一步加以控制，使天线电流分布更加稳定，改善宽频带的阻抗匹配特性。正六角形结构可向上垒叠递归生长，内六角形按一定递归比例优化，第n阶的边长范围R_p1＝k×p^n-1，递归比p＝0.8～1。内六角形边长减小可以增大辐射贴片的有效辐射面积，保障较大的辐射增益，递归比的控制可以有规律的对每级的能量辐射进行双重，获得均衡平坦的宽带微带天线特性。

附图说明

图1为本发明一阶实施例的整体结构组成示意图。

图2为本发明一阶实施例与正六角形宽带微带天线回波损耗示意图。在图2中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为回波损耗的取值；实曲线为本发明的回波损耗，虚曲线为正六角形天线的回波损耗。

图3为本发明叠层递归实施例的二阶六角密堆积天线结构示意图。

图4为本发明叠层递归实施例的三阶六角密堆积天线结构示意图。

图5为本发明实施例三种线回波损耗示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为回波损耗的取值。

图6为本发明实施例二阶六角密堆积天线的E方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例二阶六角密堆积天线的H方向图。在图7中，坐标为极坐标。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例设有单面覆铜基板，基板覆铜面上表面设有辐射贴片、阻抗匹配输入传输线、左侧矩形金属接地板、右侧矩形金属接地板；左、右两侧矩形金属接地板对称分布在阻抗匹配输入传输线的两侧；下方馈入的阻抗匹配传输线的另一端与辐射贴片第一阶基本单元相连，所述阻抗匹配输入传输线左、右两侧设有矩形金属接地板；辐射贴片结构由一系列内嵌同心串接环控制的密堆积正六角形环基本单元由下向上逐阶垒叠延伸形成，垒叠阶数为n＝1～6阶，所述同心串接环控制的正六角形环基本单元由内外边缘为正六角形的外环内嵌一个同心圆环组成，内同心圆环由上下两段电感桥枝节连接到外六角环。辐射单元结构垒叠可按1、2、3…6逐阶延伸，正六角形环的外轮廓平面密堆积形成联通的带多元电磁内圆环控制的多阶辐射单元，由此控制调谐超宽带天线的频率特性及工作带宽。六角密堆积的模式由下而上垒叠而成，按上阶比下阶多一个基本单元递归组成。

所述高性能介质材料基板的介电常数为2.2～8.0，所述高性能介质材料基板的形状为长方形，长L＝20～24mm，宽W＝12～17mm，厚度h＝1.2～2.0mm。所述天线使用共面波导馈电，匹配传输线信号带与共面地板缝隙宽度g＝0.18～0.2mm，信号带宽度Wm＝1.3～1.6mm，信号带长度Lm＝7～9mm。所述的金属地板为矩形，金属地板高度Lg＝6～9mm，宽度Wg＝5～7mm。所述内嵌同心串接环控制的正六角形环，其基本单元的正六角形外环边长Rp＝5～8mm，正六角形内环边长R_p1＝4～7mm；内嵌同心圆环外环半径R₀＝2～4mm，内嵌同心圆环内环半径R₀₁＝1～3mm。上述内外环相连的短枝节宽度g_n1＝0.7～1.2mm。所述天线不同垒叠阶次的基本单元边长之间满足优化的比率。当天线垒叠阶次为n时，天线基本单元结构的所有正六角形的边长R_p1＝k1×p^n-1，其中优化比率p＝0.8～1，可用于调整带宽；边长基数k1＝4～7mm，用于控制超宽带微带天线的增益。同理，当天线垒叠阶次为n时，天线基本单元结构的所有内嵌同心圆环控制单元的外环半径R₀＝k3×p^n-1，同心圆环内环半径R₀₁＝k3×p^n-1，优化比率p＝0.8～1，半径基数k2＝2～4mm，k3＝1～3mm。

本发明实施实施例中基板的相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，介质材料基板的形状为长方体，长L＝22mm，宽W＝15mm，厚度h＝1.6mm。本发明使用共面波导馈电，信号带与共面地板缝隙宽度g。信号带宽度Wm＝1.5mm，信号带长度Lm＝8mm，位于信号带两侧的金属地板为矩形，金属地板高度Lg＝7mm，宽度Wg＝6.5mm。

本发明的优选实施例(结合附图)详述如下：

实施例1：参见图1，本实施例取n＝1，即一阶带同心串接环控制的多级六角密堆积超宽带微带天线，辐射贴片结构为正六角形环内嵌套一个同心串接环，正六角形边长R_p＝7mm，内环正六角形边长R_p1＝5mm，内嵌圆环外环半径R₀＝3mm，内嵌圆环内环半径R₀₁＝2mm相连的短枝节g_n1＝1mm。参见图2，图2是本发明一阶实施例与正六角形宽带微带天线回波损耗示意图。由图2可知带同心串接环控制的六角形天线低频拓展到3.47GHz，而正六角形在3.8GHz，所以同心串接环控制结构确实增加电流路径长度，有利于实现小型化，减小天线尺寸。

实施例2：参见图3，本实施例取n＝2，正六角形外环边长R_p＝4mm，正六角形内环边长R_p1＝3mm，内嵌圆环外环半径R0＝2mm，内嵌圆环内环半径R₀₁＝1mm，相连的短枝节g_n1＝1mm。参见图4，本实施例取n＝3，正六角形边长R_p＝2.8mm，内环正六角形边长R_p1＝1.8mm，内嵌圆环外环半径R₀＝1.4mm，内嵌圆环内环半径R₀₁＝0.8mm，相连的短枝节g_n1＝0.6mm。由图5可知结构的拓展，电流路径得到了极大的丰富和延长，所以频谱宽度得以拓展。一阶天线工作频段为3.47～9.77GHz，中间频段匹配相对较好；二阶天线工作频段为2.97～11.76GHz，中间频段匹配比较一般，两端略好；三阶线在频段3.33～12.84GHz内中间频段匹配比较差，大部分在-10dB附近。

参见图6～7，图6是频点4.00GHz、5.50GHz、6.50GHz、9.50GHz的辐射E面图，图7是频点4.00GHz、5.50GHz、6.50GHz、9.50GHz的辐射H面图。由图6～7可知天线具有全向辐射特性，且图形畸变比较小，说明方向性比较稳定。

表1给出本发明二阶实施例的制造加工误差对天线的影响特性。

表1

注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。