專利名稱：一種平面超寬頻帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于超寬頻帶天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及平面全向輻射天線。
背景技術(shù)：
天線作為超寬頻帶(Ultra-Wide Band，UWB)無(wú)線通信系統(tǒng)中輻射、接收能量的關(guān)鍵性部件，其性能要求包括極大阻抗帶寬、體積小且易共形、低加工成本等多個(gè)方面。
國(guó)際電子電氣工程師學(xué)會(huì)《天線與傳播》雜志(IEEE Transaction on Antennas andPropagation，1998年第2期，294-295頁(yè))曾介紹了作為獲得極大阻抗帶寬典型結(jié)構(gòu)的橢圓單極天線，但由于該型天線在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要一個(gè)較大的且與輻射片相垂直的接地平面，使得一方面該型天線僅在包含輻射單元的上半空間內(nèi)具有能量輻射，無(wú)法獲得全空間內(nèi)的輻射特性，另一方面由于事實(shí)上的三維結(jié)構(gòu)限制了天線的小型化且無(wú)法滿足共形特性要求，因此在實(shí)際的通信系統(tǒng)尤其是小型系統(tǒng)中難以得到廣泛利用。
為解決上述問題，2003年國(guó)際天線與傳播會(huì)議(IEEE Antennas Propagation SocietyInternational Symposium)上施坎茲(Schantz)提出了一種底部饋電平面橢圓超寬帶天線(Bottom fed planar elliptical UWB antennas)，具有平面結(jié)構(gòu)特征并可實(shí)現(xiàn)邊沿饋電以減小饋電結(jié)構(gòu)對(duì)方向圖的影響，但其巴侖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且工作帶寬不能完全覆蓋超寬帶無(wú)線通信所需的3.1GHz-10.6GHz頻段范圍，因此在應(yīng)用上仍有不足。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種平面超寬頻帶天線，其阻抗帶寬可覆蓋3.1GHz-10.6GHz頻段，且易于饋電和制作，可有效應(yīng)用于小型超寬頻帶無(wú)線通信系統(tǒng)。
本實(shí)用新型平面超寬帶天線，包括介質(zhì)基板、以及分別敷設(shè)在介質(zhì)基板正、反兩個(gè)平面上的輻射銅層和饋電銅層構(gòu)成；其特征在于所述輻射銅層由左右對(duì)稱、上下排列的兩個(gè)輻射單元構(gòu)成，上輻射單元為由一條垂直對(duì)稱軸線的上直線邊沿和下橢圓邊沿包圍而成的金屬銅層，下輻射單元為由垂直于對(duì)稱軸線的上、下兩條直線邊沿和左、右兩條橢圓邊沿共四條邊沿包圍而成的金屬銅層，兩輻射單元之間形成一橢圓邊沿和直線邊沿相對(duì)的寬度漸變槽線；所述饋電銅層包含矩形傳輸線條帶和耦合段該矩形傳輸線條帶下端邊沿位置正對(duì)于介質(zhì)板另一側(cè)下輻射單元的下直線邊沿中點(diǎn)處，上端邊沿位置則正對(duì)兩輻射單元間槽線的中心位置；在傳輸線條帶上端處展開呈扇形的耦合段，其張角朝上并左右對(duì)稱。
由于本實(shí)用新型采用將輻射單元、介質(zhì)基板和饋電結(jié)構(gòu)平面平行的方式，使得該天線具有平面結(jié)構(gòu)特征，有利于加工制作和共形；由于在輻射結(jié)構(gòu)上采用了經(jīng)過裁剪的偶極橢圓形結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)覆蓋3.1GHz～10.6GHz的超寬阻抗帶寬，同時(shí)還具有近似全向輻射場(chǎng)型；通過使用邊沿-中心微帶線傳輸能量結(jié)構(gòu)以及扇形-縫隙型能量耦合結(jié)構(gòu)，可在天線底端邊沿饋電以簡(jiǎn)化饋電結(jié)構(gòu)并降低饋電對(duì)天線方向圖的影響，同時(shí)又保證天線阻抗帶寬基本不變。因此，本實(shí)用新型可較好地滿足小型超寬頻帶通信系統(tǒng)的要求。


圖1為本實(shí)用新型平面超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是平面超寬帶天線的側(cè)視圖；圖3是平面超寬帶天線的的后視圖；圖4是平面超寬帶天線的的俯視圖。
圖5為端口反射損耗測(cè)量結(jié)果。
圖6為頻率為4GHz時(shí)H面內(nèi)的輻射方向圖；圖7為頻率為4GHz時(shí)E面內(nèi)的輻射方向圖；圖8為頻率為8GHz時(shí)H面內(nèi)的輻射方向圖；圖9為頻率為8GHz時(shí)E面內(nèi)的輻射方向圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例平面超寬帶天線可參見圖1給出的結(jié)構(gòu)示意圖以及圖2給出的側(cè)視圖、圖3給出的后視圖和圖4給出的俯視圖它由介質(zhì)基板1，以及分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)的輻射銅層2和饋電銅層3三個(gè)部分構(gòu)成。
介質(zhì)基板1具有一定介電常數(shù)和厚度，其作用在于一是在饋電傳輸線中傳遞能量，二是支撐輻射銅層以及饋電銅層。為降低介質(zhì)板對(duì)耦合結(jié)構(gòu)處場(chǎng)分布的影響，通常采用較低介電常數(shù)的介質(zhì)基板，并在保證一定硬度情況下選用較薄的厚度。本實(shí)施實(shí)例中采用厚度為0.5mm的聚四氟乙烯材料介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為2.64。
天線的輻射銅層2印刷在介質(zhì)基板1的正面，包括上輻射片21和下輻射片22兩個(gè)輻射單元。輻射單元結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，并具有相同的對(duì)稱軸線。輻射單元均由橢圓狀初始結(jié)構(gòu)裁剪而成，裁剪后上輻射片21邊沿由垂直于對(duì)稱軸線的上直線邊沿211和橢圓邊沿212組成；下輻射片22則包括垂直于對(duì)稱軸線的上直線直邊221和下直邊222，以及左橢圓邊沿223和右橢圓邊沿224共四條邊沿。為使天線工作在設(shè)計(jì)頻段，要求上輻射單元的上直線邊沿211和下輻射單元的下邊沿222之間的距離至少應(yīng)為最低截止頻率的半個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度，同時(shí)為獲得較好的阻抗特性，橢圓長(zhǎng)短半軸比例應(yīng)當(dāng)選擇在1.0～2.0之間，兩輻射單元間最近處縫隙寬度在0.2mm～1.5mm之間。綜合以上考慮，在本實(shí)施例中，選取橢圓長(zhǎng)半軸為24.0mm，短半軸為20.0mm。裁剪后，上輻射單元21的上直線邊沿211與橢圓短軸線重合；下輻射單元22的上直邊221距離橢圓中心的距離為10.0mm，下直邊222則與短軸線重合，上輻射片橢圓邊沿212與下輻射片上直邊221之間縫隙寬度選取為0.2mm。
介質(zhì)基板1的反面印刷有饋電銅層3。該饋電結(jié)構(gòu)由兩部份組成傳輸線條帶31和扇形耦合結(jié)構(gòu)32。傳輸線條帶31為矩形，與下輻射片22、介質(zhì)基板1構(gòu)成微帶傳輸線，其作用在于傳輸能量，為獲得與饋電線匹配的性能，其條帶寬度的選取應(yīng)使得該微帶傳輸線獲得50歐姆特性阻抗，本實(shí)施例中該值為1.345mm；條帶下邊沿311中心位置正對(duì)于下輻射單元的下直線邊沿222的中心，且兩邊沿平行；條帶上邊沿312終止于介質(zhì)板中部，該位置對(duì)應(yīng)于上輻射片橢圓邊沿212和下輻射片上直邊221之間的縫隙中線位置。扇形耦合結(jié)構(gòu)32包含三條邊沿左直邊321，右直邊322以及弧形邊沿323，張角朝向由下至上，且呈左右對(duì)稱放置，其頂點(diǎn)部分在條帶上端面312處與條帶結(jié)合于一體，并形成光滑過渡結(jié)構(gòu)。扇形結(jié)構(gòu)使得微帶線與槽線之間可實(shí)現(xiàn)有效的能量耦合轉(zhuǎn)換，本實(shí)施例中，選取扇形張角為120度，半徑為8mm可得到最佳耦合性能。
天線的能量在條帶下邊沿311和下輻射片的下直邊222之間饋入，可采用同軸饋電或連接微帶傳輸線進(jìn)行饋電，該饋電結(jié)構(gòu)不僅制作簡(jiǎn)單，與其他型式的傳輸線連接方便，而且遠(yuǎn)離天線中心位置，對(duì)于天線的輻射方向圖影響很小。能量經(jīng)由50歐姆微帶線送至中心耦合結(jié)構(gòu)處，由扇形左直線邊沿321和右直線邊沿322向上輻射片橢圓邊沿212和下輻射片的上直線邊沿221構(gòu)成的槽線結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量耦合轉(zhuǎn)換，最終沿上輻射片橢圓邊沿212和下輻射片左橢圓邊沿223、右橢圓邊沿224向自由空間輻射。
圖5給出了端口反射損耗測(cè)量結(jié)果，本實(shí)施例的端口反射損耗(Return losses)測(cè)量結(jié)果表明，反射損耗低于-10dB的頻帶范圍為2.5GHz-10.8GHz，該天線具有超過4個(gè)倍頻程、8GHz以上絕對(duì)帶寬的超寬阻抗帶寬，可以覆蓋FCC所要求的3.1GHz-10.6GHz頻帶范圍。圖6和圖7所示頻率為4GHz處H面和E面內(nèi)的輻射方向圖，結(jié)果表明本實(shí)施例在該頻率下其H面輻射方向圖在變化不超過5dB，E面方向圖3dB波瓣寬度超過240度，因此可認(rèn)為其具有近似于全向的輻射場(chǎng)型；圖8和圖9所示頻率為8GHz處H面和E面內(nèi)的輻射方向圖，具有類似于頻率為4GHz時(shí)的結(jié)果，故對(duì)于本實(shí)施例，可認(rèn)為其在整個(gè)3.1GHz-10.6GHz頻段范圍內(nèi)均具有近似于全向的輻射場(chǎng)型，尤其在H面內(nèi)更有較好的全向輻射特性。
權(quán)利要求1.一種平面超寬帶天線，包括分別敷設(shè)在介質(zhì)基板正、反兩個(gè)平面上的輻射銅層和饋電銅層；其特征在于所述輻射銅層由左右對(duì)稱、上下排列的兩個(gè)輻射單元構(gòu)成，上輻射單元為由一條垂直對(duì)稱軸線的上直線邊沿和下橢圓邊沿包圍而成的金屬銅層，下輻射單元為由垂直于對(duì)稱軸線的上、下兩條直線邊沿和左、右兩條橢圓邊沿共四條邊沿包圍而成的金屬銅層，兩輻射單元之間形成一橢圓邊沿和直線邊沿相對(duì)的寬度漸變槽線；所述饋電銅層包含矩形傳輸線條帶和耦合段該矩形傳輸線條帶下端邊沿位置正對(duì)于介質(zhì)板另一側(cè)下輻射單元的下直線邊沿中點(diǎn)處，上端邊沿位置則正對(duì)兩輻射單元間槽線的中心位置；在傳輸線條帶上端處展開呈扇形的耦合段，其張角朝上并左右對(duì)稱。
專利摘要本實(shí)用新型平面超寬帶天線，包括敷設(shè)在介質(zhì)基板正、反兩個(gè)平面上的輻射銅層和饋電銅層構(gòu)成；特征是輻射銅層由左右對(duì)稱、上下排列的兩個(gè)輻射單元構(gòu)成，上輻射單元為由垂直對(duì)稱軸線的上直線邊沿和下橢圓邊沿包圍而成，下輻射單元為由垂直于對(duì)稱軸線的上、下兩條直線和左、右兩條橢圓邊沿包圍而成，兩輻射單元之間形成一橢圓邊沿和直線邊沿相對(duì)的寬度漸變槽線；饋電銅層的矩形傳輸線條帶下端邊沿正對(duì)于介質(zhì)板另一側(cè)下輻射單元的下直線邊沿中點(diǎn)處，上端邊沿正對(duì)兩輻射單元間槽線的中心位置；在傳輸線條帶上端處展開呈扇形的耦合段，其張角朝上并左右對(duì)稱。本天線阻抗帶寬可覆蓋3.1GHz－10.6GHz頻段，且易于饋電和制作，可有效應(yīng)用于小型超寬頻帶無(wú)線通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01Q5/00GK2899142SQ20062007239
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者張金平, 徐云生, 王衛(wèi)東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)