專利名稱：：開槽印制單極超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超寬帶天線，尤其是涉及一種在矩形于梯形相結(jié)合的陣子體上開槽單極超寬帶天線。
背景技術(shù)：
：隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶(UWB)技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了短距離內(nèi)超帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸，其調(diào)制方式和多址技術(shù)的特點使得它具有其他無線通信技術(shù)所無法具有的很寬的帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸、功耗低、安全性能高等特點。與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同，UWB是一種利用納秒級窄脈沖發(fā)射無線信號的技術(shù)，因此與其它無線技術(shù)相比，UWB具有更大帶寬和更高傳輸速率。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定UWB通信用頻段范圍為(3.110.6)GHz，共占用7.5GHz的頻率帶寬。按UWB通信應(yīng)用要求，UWB天線應(yīng)具有以下特點線性的相移和固定的群時延，工作頻帶內(nèi)足夠小的回波損耗，工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定的方向性和天線增益。由于工作頻帶極寬，UWB天線設(shè)計面臨許多新問題，其中之一就是要保證天線寬阻抗帶寬和高發(fā)射效率的情況下使天線小型化。采用平面設(shè)計代替三維輻射器，將UWB天線印制在印刷電路板(PCB)上，不僅減少了天線體積、簡化天線制作、降低成本，而且容易與其它的RF電路集成，對于便攜設(shè)備是一個良好選擇。針對定向應(yīng)用，二維平面UWB天線有Vivaldi天線和漸變縫隙天線等；針對全向應(yīng)用，主要有印制單/偶極子天線和印制寬縫隙天線等([l]AaronZacharyHood，TutkuKaracolakandErdemTopsakal.AsmallantipodalVivaldiantennaforultrawide_bandapplications[J].IEEEAnte皿asandWirelessPropagationLetters,2008，7:656-660;[2]JorgeR.Costa，CarlaR.Medeiros，andCarlosA.Fernandes.Performanceofacrossedexponentiallyt即eredslotantennaforUWBsystems[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2009，57(5):1345-1352;[3]PetrCern沐MilosMazdnek.Ultrawidebanddipoleantennaoptimization[J].Automatika，2006，47:121-125;[4]Huan—ChengLien，Yung—ChengLee，Wen—FeiLee，etal.Microstripslotante皿awithafinitegroundplanefor3.1-10.6GHzultrawidebandcommunication[C].PIERSProceedings,Beijing,China,March23-27，2009，1438-1441)。具有鏡像接地面的印制單極UWB天線，在安裝、饋電、測量等方面都比偶極天線方便得多。利用微帶或共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，采用矩形、三角形、梯形、圓形、水滴形等結(jié)構(gòu)輻射元，同時通過局部短路、電抗加載、增加饋電點等技術(shù)控制其工作帶寬，是印制單極天線實現(xiàn)超寬帶常用措施([5]MJohnandMJAmmann.Optimizationofimpedancebandwidthforth印rintedrectanglemonopoleantenna[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2005，47(2):153-156;[6]QWu，RJin，JGeng，etal.Ultra-widebandrectangulardiskmonopoleantennawithnotchedground[J].ElectronicsLetters,2007,43(11):605-606;[7]張鈞，劉克誠等，微帶天線理論與工程[M]，北京國防工業(yè)出版社，1988年7月；[8]周朝棟，王元珅，楊恩耀，天線與電波[M]，西安西安電子科技大學(xué)出版社，1999年9月；[9]徐健，徐曉文，李世智，重疊微帶貼片天線的理論分析與實驗研究[J]，北京理工大學(xué)學(xué)報，1994，14(1):53-57;[10]車仁信，程鑫，張坤武，寬帶微帶天線設(shè)計方法研究[J]，大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2005，1:76-79。)。事實上，印制單極天線超寬帶特性的實現(xiàn)，是輻射器、接地面和饋源結(jié)構(gòu)三者優(yōu)化的結(jié)果。文獻(xiàn)([ll]SandlerSSandKingRWP.Compactconicalantennasforwide-bandcoverage[J].IEEETransactionsonAnte麗sandPropagation,1994，42(3):436_439)通過優(yōu)化得到了開槽叉指形印制單極天線，但尺寸較大，其高度就達(dá)到45mm，文獻(xiàn)([12]AgrawallNarayanPrasad,KumarGirish，andRayKP.Wide-BandPlanarMonopoleAntennas[J].IEEETransactionsonAnte麗sandPropagation,1998，46(2):294_295)通過饋電點偏移，得到面積為32mmX28.lmm叉指形天線，文獻(xiàn)([13]WongKin-Lu，WuChih-Hsien，andSuSaou_Wen(Stephen).Ultrawide-bandsquareplanarmetal-platemonopoleantennawithatrident-shapedfeedingStrip[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2005，53(4):1262-1269)利用U型開槽輻射元，通過弧形多段接地面，實現(xiàn)尺寸的減少和帶寬的增加，但此結(jié)構(gòu)引入了天線制作上的復(fù)雜性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低、結(jié)構(gòu)簡單且具有全向輻射特性的開槽印制單極超寬帶天線。本發(fā)明設(shè)介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板上印制有矩形和梯形結(jié)構(gòu)陣子體，梯形的下底居中放置在矩形上，所述陣子體上設(shè)有開槽，陣子體倒立放置于介質(zhì)基板的頂端，陣子體的下邊緣接微帶線，微帶線接輻射元，微帶線延伸至介質(zhì)基板的邊緣；介質(zhì)基板的背面下端設(shè)有接地面，接地面與介質(zhì)基板正面的陣子體之間設(shè)有間隙。所述介質(zhì)基板可為矩形敷銅介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板可采用F4BK-2雙面敷銅介質(zhì)基板，介質(zhì)基板長度可為29.0mm±0.lmm，寬度可為28.0mm±0.lmm，厚度可為1.5mm，敷銅層厚度可為0.035mm;所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)r可為2.65。所述矩形和梯形結(jié)構(gòu)陣子體的矩形長度可為28.0mm±0.lmm，寬度可為4.0mm±0.lmm，梯形的上底寬度可為16.0mm±0.lmm，下底寬度可為25.0mm±0.lmm，高度可為8.0mm±0.lmm。所述開槽的寬度可為8.0mm±0.lmm，開槽的深度可為8.0mm±0.lmm。所述微帶線的長度可為17.0mm±0.lmm，寬度可為4.0mm±0.lmm;所述接地面可為矩形接地面，所述矩形接地面的長度可為28.0mm±0.lmm，寬度可為17.0mm±0.lmm。所述間隙可為1.2mm。與現(xiàn)有的印制超寬帶天線相比，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點和顯著的效果本發(fā)明針對FCC的UWB規(guī)定，利用外側(cè)漸變叉指形輻射器，結(jié)合加載技術(shù)，通過簡單矩形接地面的微帶饋電，提供一款新型UWB單極天線，仿真和實驗結(jié)果表明，其反射系數(shù)小于-10dB的阻抗帶寬范圍為3.0810.8GHz，倍頻帶寬達(dá)3.5:1，滿足FCC規(guī)定的UWB頻帶要求。同時結(jié)合輻射元電流分布模式，對影響天線阻抗帶寬特性的因素進(jìn)行分析，得出了叉指寬度和接地面尺寸的最小限制條件，尺寸小、帶寬大、輻射特性好、結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，為設(shè)計提供參考。圖1為本發(fā)明實施例的開槽印制單極超寬帶天線輻射貼片正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的開槽印制單極超寬帶天線輻射貼片側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的開槽印制單極超寬帶天線接地面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例的回波損耗(Sn)性能圖。在圖4中，橫坐標(biāo)表示頻率Frequency(GHz)，縱坐標(biāo)表示回波損耗強(qiáng)度|Su|(dB)，實線表示實測結(jié)果，虛線表示仿真結(jié)果。圖5為本發(fā)明實施例的在頻率為3、5、7、9GHz時的yoz面方向圖。圖6為本發(fā)明實施例的在頻率為3、5、7、9GHz時的xoz面方向圖。具體實施例方式以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖13，本發(fā)明設(shè)有雙面敷銅介質(zhì)基板l，介質(zhì)基板的一面為陣子體2和微帶饋線3，介質(zhì)基板的另一面為矩形接地面4。介質(zhì)基板1采用F4BK-2雙面敷銅電路基板，其相對介電常數(shù)r=2.65，介質(zhì)基板厚度為1.5mm，敷銅層厚度為0.035mm。介質(zhì)基板的長為29.Omm士O.lmm，寬為28.Omm士O.lmm。陣子體由兩部分組成，位于最頂端的是一矩形，其長為28.Omm士O.lmm，寬為4.Omm士O.lmm，在矩形的下面接一梯形，梯形倒立放置，其下底與矩形相接，梯形的上底寬為16.Omm士O.lmm，下底寬為25.Omm士O.lmm，高為8.Omm士O.lmm，從矩形底座的下底中間開槽，槽寬為8.Omm士O.lmm，槽深為8.Omm士O.lmm。微帶饋線3的長為17.Omm士O.lmm，寬為4.Omm士O.lmm，接在矩形陣子體2的下邊，一直延伸至于介質(zhì)基板1的下邊緣。矩形接地面4是敷在介質(zhì)基板的背面，其長為28.Omm士O.lmm，寬為17.Omm士O.lmm。矩形接地面4與開槽陣子體2的距離是接地面矩形到開槽陣子體梯形上底的豎直距離，其距離為1.2mm。本發(fā)明的制造加工誤差對天線特性的影響情況參見表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注1.表中數(shù)據(jù)已有一定冗余，各參數(shù)之間有一定關(guān)聯(lián)性，給出的是均衡特性，可根據(jù)需求特殊設(shè)計。圖4給出本發(fā)明實施例的回波損耗(Su)性能圖。從圖4可以看出，仿真結(jié)果表明，反射系數(shù)小于-10dB的阻抗帶寬范圍為3.0810.8GHz，絕對帶寬為3.5:l，在此范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大反射系數(shù)頻點為7.4GHz，其值為-11.54dB，表示在工作帶寬范圍內(nèi)阻抗匹配得較佳。實測結(jié)果的最低工作頻點為2.9GHz，可見天線實際工作帶寬范圍大于仿真結(jié)果，但在6.2GHz位置，出現(xiàn)-9dB的反射系數(shù)模值，在實際應(yīng)用中，這也是可以接受的。天線回波損耗(Su)性能在整個通頻帶內(nèi)滿足要求，天線的絕對帶寬為7.72GHz，其相對帶寬為111.23%，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的超寬帶天線，可完整覆蓋美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)指定3.lGHz10.6GHzUTO工作頻段。由圖5可見，工作頻率為3、5、7、9GHz時在yoz平面上，即E面上的方向圖，表現(xiàn)為"8"字形，天線有兩個瓣，在士y方向上輻射最弱，在士z方向上輻射場最強(qiáng)。兩個瓣基本上覆蓋了大部分角度，以導(dǎo)體面為近似對稱面，最大輻射方向在導(dǎo)體面的法向。隨著頻率的升高，輻射方向圖變化不大，所以本發(fā)明具有全向輻射特性。由圖6可見，工作頻率為3、5、7、9GHz時在xoz平面即H面是的方向圖，在低頻時近似于全向輻射特性，隨頻率的升高，方向圖在士x方向會向內(nèi)壓縮。從天線回波損耗(Su)性能圖可以看出，天線已經(jīng)覆蓋了3.0810.8GHz頻帶，達(dá)到了美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對于天線的要求。從天線不同頻率的方向圖可以看出，天線具有全向輻射特性。權(quán)利要求開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于設(shè)介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板上印制有矩形和梯形結(jié)構(gòu)陣子體，梯形的下底居中放置在矩形上，所述陣子體上設(shè)有開槽，陣子體倒立放置于介質(zhì)基板的頂端，陣子體的下邊緣接微帶線，微帶線接輻射元，微帶線延伸至介質(zhì)基板的邊緣；介質(zhì)基板的背面下端設(shè)有接地面，接地面與介質(zhì)基板正面的陣子體之間設(shè)有間隙。2.如權(quán)利要求1所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述介質(zhì)基板為矩形敷銅介質(zhì)基板。3.如權(quán)利要求1或2所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述介質(zhì)基板采用F4BK-2雙面敷銅介質(zhì)基板。4.如權(quán)利要求2所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述矩形敷銅介質(zhì)基板長度為29.Omm士O.lmm，寬度為28.Omm士O.lmm，厚度為1.5mm，敷銅層厚度為0.035mm。5.如權(quán)利要求1所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)r為2.65。6.如權(quán)利要求l所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述矩形和梯形結(jié)構(gòu)陣子體的矩形長度為28.Omm士O.lmm，寬度為4.Omm士O.lmm，梯形的上底寬度為16.Omm士O.lmm，下底寬度為25.Omm士O.lmm，高度為8.Omm士O.lmm。7.如權(quán)利要求l所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述開槽的寬度為8.Omm士O.lmm，開槽的深度為8.Omm士O.lmm。8.如權(quán)利要求1所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述微帶線的長度為17.Omm士O.lmm，寬度為4.Omm士O.lmm。9.如權(quán)利要求1所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述接地面為矩形接地面，所述矩形接地面的長度為28.Omm士O.lmm，寬度為17.Omm士O.lmm。10.如權(quán)利要求1所述的開槽印制單極超寬帶天線，其特征在于所述間隙為1.2mm。全文摘要開槽印制單極超寬帶天線，涉及一種超寬帶天線。提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低、結(jié)構(gòu)簡單且具有全向輻射特性的開槽印制單極超寬帶天線。設(shè)介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板上印制有矩形和梯形結(jié)構(gòu)陣子體，梯形的下底居中放置在矩形上，所述陣子體上設(shè)有開槽，陣子體倒立放置于介質(zhì)基板的頂端，陣子體的下邊緣接微帶線，微帶線接輻射元，微帶線延伸至介質(zhì)基板的邊緣；介質(zhì)基板的背面下端設(shè)有接地面，接地面與介質(zhì)基板正面的陣子體之間設(shè)有間隙。文檔編號H01Q1/14GK101777691SQ20101011602公開日2010年7月14日申請日期2010年2月23日優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日發(fā)明者嚴(yán)新金,李偉文,柳青,游佰強(qiáng),蔡立紹申請人:廈門大學(xué)