CN101777691B - 开槽印制单极超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
开槽印制单极超宽带天线，涉及一种超宽带天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低、结构简单且具有全向辐射特性的开槽印制单极超宽带天线。设介质基板，在介质基板上印制有矩形和梯形结构阵子体，梯形的下底居中放置在矩形上，所述阵子体上设有开槽，阵子体倒立放置于介质基板的顶端，阵子体的下边缘接微带线，微带线接辐射元，微带线延伸至介质基板的边缘；介质基板的背面下端设有接地面，接地面与介质基板正面的阵子体之间设有间隙。
Description
技术领域
本发明涉及一种超宽带天线，尤其是涉及一种在矩形于梯形相结合的阵子体上开槽单极超宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。超宽带(UWB)技术的出现，实现了短距离内超带宽、高速的数据传输，其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。与传统通信技术不同，UWB是一种利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，因此与其它无线技术相比，UWB具有更大带宽和更高传输速率。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB通信用频段范围为(3.1～10.6)GHz，共占用7.5GHz的频率带宽。按UWB通信应用要求，UWB天线应具有以下特点：线性的相移和固定的群时延，工作频带内足够小的回波损耗，工作频带内稳定的方向性和天线增益。由于工作频带极宽，UWB天线设计面临许多新问题，其中之一就是要保证天线宽阻抗带宽和高发射效率的情况下使天线小型化。采用平面设计代替三维辐射器，将UWB天线印制在印刷电路板(PCB)上，不仅减少了天线体积、简化天线制作、降低成本，而且容易与其它的RF电路集成，对于便携设备是一个良好选择。针对定向应用，二维平面UWB天线有Vivaldi天线和渐变缝隙天线等；针对全向应用，主要有印制单/偶极子天线和印制宽缝隙天线等([1]Aaron Zachary Hood，Tutku Karacolak andErdem Topsakal.A small antipodal Vivaldi antenna for ultrawide-band applications[J].IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：656-660；[2]Jorge R.Costa，Carla R.Medeiros，and Carlos A.Fernandes.Performance of a crossed exponentially tapered slot antenna forUWB systems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(5)：1345-1352；[3]Petr
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具有镜像接地面的印制单极UWB天线，在安装、馈电、测量等方面都比偶极天线方便得多。利用微带或共面波导进行馈电，采用矩形、三角形、梯形、圆形、水滴形等结构辐射元，同时通过局部短路、电抗加载、增加馈电点等技术控制其工作带宽，是印制单极天线实现超宽带常用措施([5]M John and M J Ammann.Optimization of impedance bandwidth for theprinted rectangle monopole antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2005，47(2)：153-156；[6]Q Wu，R Jin，J Geng，et al.Ultra-wideband rectangular disk monopole antenna withnotched ground[J].Electronics Letters，2007，43(11)：605-606；[7]张钧，刘克诚等，微带天线理论与工程[M]，北京：国防工业出版社，1988年7月；[8]周朝栋，王元珅，杨恩耀，天线与电波[M]，西安：西安电子科技大学出版社，1999年9月；[9]徐健，徐晓文，李世智，重叠微带贴片天线的理论分析与实验研究[J]，北京理工大学学报，1994，14(1)：53-57；[10]车仁信，程鑫，张坤武，宽带微带天线设计方法研究[J]，大连铁道学院学报，2005，1：76-79。)。事实上，印制单极天线超宽带特性的实现，是辐射器、接地面和馈源结构三者优化的结果。文献([11]Sandler S S and King R W P.Compact conical antennas for wide-band coverage[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1994，42(3)：436-439)通过优化得到了开槽叉指形印制单极天线，但尺寸较大，其高度就达到45mm，文献([12]Agrawall Narayan Prasad，Kumar Girish，and Ray K P.Wide-Band Planar Monopole Antennas[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation，1998，46(2)：294-295)通过馈电点偏移，得到面积为32mm×28.1mm叉指形天线，文献([13]Wong Kin-Lu，Wu Chih-Hsien，and Su Saou-Wen(Stephen).Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with a trident-shaped feeding Strip[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(4)：1262-1269)利用U型开槽辐射元，通过弧形多段接地面，实现尺寸的减少和带宽的增加，但此结构引入了天线制作上的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低、结构简单且具有全向辐射特性的开槽印制单极超宽带天线。
本发明设介质基板，在介质基板上印制有矩形和梯形结构阵子体，梯形的下底居中放置在矩形上，所述阵子体上设有开槽，阵子体倒立放置于介质基板的顶端，阵子体的下边缘接微带线，微带线接辐射元，微带线延伸至介质基板的边缘；介质基板的背面下端设有接地面，接地面与介质基板正面的阵子体之间设有间隙。
所述介质基板可为矩形敷铜介质基板，所述介质基板可采用F4BK-2双面敷铜介质基板，介质基板长度可为29.0mm±0.1mm，宽度可为28.0mm±0.1mm，厚度可为1.5mm，敷铜层厚度可为0.035mm；所述介质基板的相对介电常数r可为2.65。
所述矩形和梯形结构阵子体的矩形长度可为28.0mm±0.1mm，宽度可为4.0mm±0.1mm，梯形的上底宽度可为16.0mm±0.1mm，下底宽度可为25.0mm±0.1mm，高度可为8.0mm±0.1mm。所述开槽的宽度可为8.0mm±0.1mm，开槽的深度可为8.0mm±0.1mm。
所述微带线的长度可为17.0mm±0.1mm，宽度可为4.0mm±0.1mm；所述接地面可为矩形接地面，所述矩形接地面的长度可为28.0mm±0.1mm，宽度可为17.0mm±0.1mm。
所述间隙可为1.2mm。
与现有的印制超宽带天线相比，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
本发明针对FCC的UWB规定，利用外侧渐变叉指形辐射器，结合加载技术，通过简单矩形接地面的微带馈电，提供一款新型UWB单极天线，仿真和实验结果表明，其反射系数小于-10dB的阻抗带宽范围为3.08～10.8GHz，倍频带宽达3.5∶1，满足FCC规定的UWB频带要求。同时结合辐射元电流分布模式，对影响天线阻抗带宽特性的因素进行分析，得出了叉指宽度和接地面尺寸的最小限制条件，尺寸小、带宽大、辐射特性好、结构简单，生产成本低，为设计提供参考。
附图说明
图1为本发明实施例的开槽印制单极超宽带天线辐射贴片正面结构示意图。
图2为本发明实施例的开槽印制单极超宽带天线辐射贴片侧面结构示意图。
图3为本发明实施例的开槽印制单极超宽带天线接地面结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。在图4中，横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度|S11|(dB)，实线表示实测结果，虚线表示仿真结果。
图5为本发明实施例的在频率为3、5、7、9GHz时的yoz面方向图。
图6为本发明实施例的在频率为3、5、7、9GHz时的xoz面方向图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1～3，本发明设有双面敷铜介质基板1，介质基板的一面为阵子体2和微带馈线3，介质基板的另一面为矩形接地面4。
介质基板1采用F4BK-2双面敷铜电路基板，其相对介电常数r＝2.65，介质基板厚度为1.5mm，敷铜层厚度为0.035mm。介质基板的长为29.0mm±0.1mm，宽为28.0mm±0.1mm。阵子体由两部分组成，位于最顶端的是一矩形，其长为28.0mm±0.1mm，宽为4.0mm±0.1mm，在矩形的下面接一梯形，梯形倒立放置，其下底与矩形相接，梯形的上底宽为16.0mm±0.1mm，下底宽为25.0mm±0.1mm，高为8.0mm±0.1mm，从矩形底座的下底中间开槽，槽宽为8.0mm±0.1mm，槽深为8.0mm±0.1mm。微带馈线3的长为17.0mm±0.1mm，宽为4.0mm±0.1mm，接在矩形阵子体2的下边，一直延伸至于介质基板1的下边缘。矩形接地面4是敷在介质基板的背面，其长为28.0mm±0.1mm，宽为17.0mm±0.1mm。矩形接地面4与开槽阵子体2的距离是接地面矩形到开槽阵子体梯形上底的竖直距离，其距离为1.2mm。
本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。
表1
| 影响因数 | 工作频段3.08～10.8GHz | S11/dB3.08～10.8GHz | 绝对带宽 | 相对带宽 |
| 介质基板尺寸29.0mm±0.1mm×28.0mm±0.1mm | 不受影响，仍可覆盖 | 引起波动不超过2％。优于-10dB | 优于7.72GHz | 优于111％ |
| 介质基板敷铜层厚度、阵子体尺寸、微带线尺寸、凹形及地面尺寸、馈电点位置等误差控制在2％以内 | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于7.72GHz | 优于111％ |
| 介质基板的相对介电常数、厚度等误差控制在5％以内 | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于7.72GHz | 优于111％ |
注：1.表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，可根据需求特殊设计。
图4给出本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，仿真结果表明，反射系数小于-10dB的阻抗带宽范围为3.08～10.8GHz，绝对带宽为3.5∶1，在此范围内出现的最大反射系数频点为7.4GHz，其值为-11.54dB，表示在工作带宽范围内阻抗匹配得较佳。实测结果的最低工作频点为2.9GHz，可见天线实际工作带宽范围大于仿真结果，但在6.2GHz位置，出现-9dB的反射系数模值，在实际应用中，这也是可以接受的。天线回波损耗(S11)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽为7.72GHz，其相对带宽为111.23％，远优于常规的超宽带天线，可完整覆盖美国联邦通信委员会(FCC)指定3.1GHz～10.6GHz UWB工作频段。
由图5可见，工作频率为3、5、7、9GHz时在yoz平面上，即E面上的方向图，表现为“8”字形，天线有两个瓣，在±y方向上辐射最弱，在±z方向上辐射场最强。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，以导体面为近似对称面，最大辐射方向在导体面的法向。随着频率的升高，辐射方向图变化不大，所以本发明具有全向辐射特性。
由图6可见，工作频率为3、5、7、9GHz时在xoz平面即H面是的方向图，在低频时近似于全向辐射特性，随频率的升高，方向图在±x方向会向内压缩。
从天线回波损耗(S11)性能图可以看出，天线已经覆盖了3.08～10.8GHz频带，达到了美国联邦通信委员会(FCC)对于天线的要求。从天线不同频率的方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。
Claims (9)
1.开槽印制单极超宽带天线，其特征在于设介质基板，在介质基板的一面分别印制有加载窄矩形的梯形结构开槽阵子体和微带线，窄矩形位于最顶端，梯形位于窄矩形的下面，梯形倒立放置，从窄矩形上边缘向下直至梯形下部居中开槽，构成阵子体辐射元，梯形下边缘接微带线，微带线延伸至介质基板边缘，基板的另一面印制有对应于微带馈线的矩形接地面，矩形接地面位于最底端，矩形接地面下边缘和两侧边缘与介质板边缘对齐，矩形接地面上边缘与介质基板另一面的梯形的下边缘在垂直方向上留有间隙。
2.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述介质基板为矩形敷铜介质基板。
3.如权利要求1或2所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述介质基板采用F4BK-2双面敷铜介质基板。
4.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述介质基板的相对介电常数r为2.65。
5.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述矩形和梯形结构阵子体的矩形长度为28.0mm±0.1mm，宽度为4.0mm±0.1mm，梯形的上底宽度为16.0mm±0.1mm，下底宽度为25.0mm±0.1mm，高度为8.0mm±0.1mm。
6.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述开槽的宽度为8.0mm±0.1mm，开槽的深度为8.0mm±0.1mm。
7.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述微带线的长度为17.0mm±0.1mm，宽度为4.0mm±0.1mm。
8.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述接地面为矩形接地面，所述矩形接地面的长度为28.0mm±0.1mm，宽度为17.0mm±0.1mm。
9.如权利要求1所述的开槽印制单极超宽带天线，其特征在于所述间隙为1.2mm。
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