小型化非對稱極寬帶印刷單極天線的製作方法

2023-10-19 00:44:42 3

專利名稱：小型化非對稱極寬帶印刷單極天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型化極寬頻帶平面天線，特別是小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，該天線能支持多個通信標準並具有非常緊湊的結構，可用作手持無線通信多頻系統的收發天線，也可用於電子對抗及能量收集等設備中。
背景技術：
微波集成電路和移動手持設備的發展對通信系統的小型化和寬帶化提出了越來越高的要求。通信系統的小型化意味著使用方便、成本降低；而寬頻帶則意味著通信能力和功能的加強。由於集成化的要求，對於超寬帶及無線多頻通信系統來說，人們希望能夠設計能覆蓋多個通信標準的寬帶天線來取代系統中安裝的多個天線。這樣不僅能夠支持多個通信頻段，提高電磁兼容性，而且能夠減輕系統的設計難度，節省出更多的空間以達到系統的小型化要求。2002年美國通信委員會通過了有關應用UWB(超寬帶)技術的規定，將3. 1-10.6 GHz頻段劃歸為商用和將22-29GHZ頻段劃歸為車載雷達系統。自此，UffB技術突破了過去幾十年內僅在雷達和軍事通信上的應用局限，成為未來短距離高速無線通信系統實現的有力競爭方案，使天線小型化和寬帶技術的研究也進入了一個空前的高速發展時期。1976年Dubost和Zisler首先提出了平面單極天線。相對於之前的三維天線來說，這種平面單極天線具有體積小，重量輕的優勢。國際上對這種寬帶平面單極天線已展幵了大量的石if究。文獻(J. A. Evans and Μ. J. Amunannj 〃Planar trapezoidal and pentagonal monopoles with impedance bandwidths in excess of 10:1，〃 1999 IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium, vol. 3， pp. 1558-1561,1999.)釆用上寬下窄的梯形平板作為垂直於地面的天線輻射部分，其下面釆用同軸線饋電，阻抗帶寬達到11.4:1。文獻(W. Kin-Luj W. Chih-Hsien, and S. Saou-Wenj ^Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with a trident-shaped feeding strip, 〃 IEEE Transactions on Antennas and Propagation， vol. 53，pp. 1262-1269, 2005.)為另一種平面單極天線，通過多端饋電的方式，使矩形輻射貼片結構的平面單極天線的阻抗帶寬由2. 3:1增加到8. 3:1。但是這類天線的下端都需要一個與天線輻射平面相互垂直的金屬接地板，導致天線的剖面較高，佔據了系統中大量的空間。為減小天線的體積，已發展了地板與輻射貼片相平行的印刷結構單極天線。文獻(L. Jianxin, C. C. Chiau, C. Xiaodong, and C. G. Parini, "Study of a printed circular disc monopole antenna for UffB systems, 〃 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53，pp. 3500-3504, 2005)提出一個由圓形貼片和矩形地板構成的平面印刷天線，但是其阻抗帶寬只有3. 4:1左右。在此基礎上，各種不同形式的印刷單極天線相繼提出，並有了很大發展(參見鍾順時、梁仙靈、延曉榮，超寬帶平面天線技術，電波科學學報，22 卷，308-315 頁，2007 年 4 月)。文獻(S.-S. Zhong,X. -L. Liang, and W. Wang, 「Compact elliptical monopole antenna with impedance bandwith in excess of 21:1」， IEEE Trans. Antennas & propagation, vol. 55, pp. 3082-3085 , Nov.2007)利用梯形地板上的漸變共面波導對橢圓形貼片進行饋電，獲得了極寬帶特性，其駐波比VSWR彡2的帶寬達21 :1ο

發明內容
本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供一種小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，該天線能夠覆蓋很多通信頻段，並可減少普通天線在無線通信系統中佔用的空間。而且該天線結構簡單，剖面低，易於加工。本發明的構思
在已有的超寬帶印刷單極天線的基礎上，首先將原天線對稱的輻射貼片和地板幾乎減半，以減小天線佔用的體積。然後採用加載雙端饋電枝節更有效地將輸入功率饋送到輻射貼片上，以提高阻抗匹配能力，進而展寬天線的帶寬，使其能夠支持多個通信標準。本設計採用了以下技術來實現天線的小型化
a.在保留原微帶饋線導帶的基礎上，對原天線的輻射貼片進行左右對稱性的減半；
b.在參數優化的基礎上，同時降低天線輻射貼片的高度和寬度；
c.減小天線左側地板貼片的寬度。採用以下技術來實現天線的寬帶化
a.天線正面採用一個右下角作了圓滑處理的矩形貼片作為單極天線，降低天線在整個工作頻帶的回波損耗；
b.微帶饋線導帶的背面採用一個直角梯形貼片作為地板，地板的上底邊進行了圓角處理，地板左側保留了一部分介質板，該設計也改善了天線的寬帶特性；該直角梯形導體板作為阻抗匹配網絡的一部分，同樣參與天線的輻射；
c.在微帶饋線導帶上端添加雙端饋電枝節連接到矩形貼片上，該設計能改善天線的寬帶特性；
d.微帶饋線導帶採用上窄下寬的漸變形式，以便與同軸接頭阻抗實現寬帶匹配。根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案
一種小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，由介質基板、印製在介質基板正面的非對稱單極貼片和微帶饋線導帶、其背面的梯形地板及同軸接頭構成，其特徵在於
a.所述單極貼片是其右下角作了圓滑處理的矩形導體貼片，或者是圓滑處理後的正方形、或矩形環或方形環等形狀的導體貼片；
b.所述微帶饋線導帶為上窄下寬的漸變形印刷導體帶，以實現阻抗變換，上端通過雙端饋電結構連接到單極貼片上，下端與同軸接頭的內導體相連，以便外接同軸線；
c.所述梯形地板為右上角作了圓滑處理的直角梯形導體貼片，印製在介質基板背面的下部。所述雙端饋電枝節的雙端間的距離為8-lOmm ；所述雙端饋電枝節的高度hi取為矩形貼片寬度a的0. 02-0. 1倍；雙端饋電枝節導帶自身的寬度為Imm左右。所述單極貼片與梯形地板間的投影距離t為l_5mm。所述梯形地板的尺寸為其底邊寬度(Dmax)為最長工作波長的0. 15-0.3倍，高度 (h)為地板底邊寬度(Dmax)的0. 6-1. 2倍，地板頂部寬度(Dmin)為其底邊寬度的0. 4-0. 8倍。
4
所述單極貼片為圓滑處理後的矩形貼片，其寬度(a)為地板底邊寬度(Dmax)的 0. 4-0. 6倍，而貼片寬度(a)與高度(b)之比為a/b=0. 8-1. 2。所述介質基片在地板左側保留的寬度為w=5-10mm ；
所述介質基板的相對介電常數為2-5，其介電損耗角正切小於或等於10_3。與現有寬帶天線技術相比，本發明在小型化和寬帶化方面具有明顯的進展，該天線展示了其實質性的突出優點
1)本發明採用非對稱小型化技術，使平面印刷天線變得更加緊湊。在整個頻帶保持良好的阻抗匹配基礎上，通過減小正面輻射貼片和背面金屬地板左側的部分，並同時對輻射貼片和地板進行參數優化，天線在保持極寬帶特性的前提下，體積減小了 52%。2)本發明採用特定的饋電結構，使天線具有極寬帶特性。由於採用雙端饋電枝節， 提高了單極貼片上垂直電流的分布，抑制了橫向電流，降低了天線的交叉極化，提高了天線的增益，同時也展寬了天線的阻抗帶寬；饋電結構的地板為直角梯形地板，且與單極貼片分置於介質基板的背面和正面，使寬帶特性更好，採用漸變的微帶饋線，實現了極寬帶阻抗匹配。3)本發明採用修正形狀後的矩形單極貼片和修正後的直角梯形地板，這裡的修正主要是圓滑了貼片的右下角和梯形地板的右上角，另外地板的左側還保留了一部分介質基板。這樣一方面優化了阻抗匹配，使帶寬更寬，另一方面也降低了對天線加工的要求。4)本天線為準二維平面結構，便於與有源電路集成，天線結構簡單、緊湊、體積小、 加工方便、成本低。5)天線能工作於1. 05-32. 7GHz極寬頻帶(31:1)上，可覆蓋多個無線通信頻段，其中包括全球定位系統，藍牙，無線區域網和超寬帶通信頻段等等。6)在工作帶寬上的天線增益約為0.5—7. 5dB。


圖1本發明一個實例天線的結構正視圖。圖2實例天線的測試駐波比曲線圖。圖3 實例天線的測試方向圖(a)l. 5GHz (b)5. OGHz (c)10. OGHz (d)15. OGHz (e) 20.OGHz。
具體實施例方式本發明的優選實例結合附圖表述如下 實施例一
參見圖1，本小型化非對稱結構極寬帶印刷單極天線如圖1所示。它由印製在介質基板正面的單極貼片1、微帶饋線導帶3和背面的梯形地板5構成。微帶饋線導帶3上端通過雙端饋電枝節2連接到單極貼片1上；該微帶饋線導帶3下端與同軸接頭6內導體相連，以便外接同軸線；該導帶3採用上窄下寬的漸變形式以實現阻抗變換；梯形地板5的右上角和單極貼片1的右下角端都作了圓滑處理；單極貼片1也可改用圓滑處理後的正方形、矩形環或方形環等形狀的貼片來代替。採用圖1結構，只要合理選擇參數，就可以實現極寬帶單極天線特性。
實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
經過理論分析和數值計算來確定合適的參數。本天線輻射的主要部分來自於單極貼片 1，同時梯形地板5上的感應電流也產生輻射。所以單極貼片1和梯形地板5的大小與形狀都會對天線的性能產生重要的影響。由於天線的最低頻率由天線的有效電流路徑的總長決定，所以增加Dmax、Dmin、H、b、a均可降低天線的最低頻率，從而增加天線的帶寬。梯形地板 5底邊寬度Dmax —般取為最長工作波長的0. 15-0. 3倍。而梯形地板高度h為(0. 6-1. 2) Dmax，梯形地板5頂部寬度Dmin為(0.4-0.8)DmaX。增大單極貼片1寬度a—般也可以適當降低天線的工作頻率，可取a為(0. 4-0. 6) Dmax,單極貼片1寬度與高度的比值取為a/ b=0. 8-1. 2比較合適。合理設計雙端饋電枝節2和適當選擇單極貼片1與梯形地板5間的投影距離t可有效增加天線的最高工作頻率。雙端饋電枝節2雙端間的距離一般選為8-lOmm ；雙端饋電枝節2的高度k取為(0. 02-0. 1) a,雙端饋電枝節2導帶自身的寬度可設為1mm，單極貼片 1與梯形地板5間的投影距離t 一般取(1-5) mm。所述微帶饋線3採用上窄下寬的漸變形式。由於單極貼片1的輸入阻抗為100歐姆左右，而天線的埠阻抗由同軸接頭的特性阻抗決定，通常為50歐姆。漸變的微帶饋線導帶上下端寬度Wt。p和Wb。t即按此阻抗變換的要求選定。所述介質基板4的相對介電常數& 一般選擇範圍為= 2-5 ；介質損耗角正切
應儘量小，一般取彡ΙΟ-3。所述天線輸入端的同軸接頭6可以是一般的N型接頭或者SMA接頭等。圖2為用Wiltron 37369A網絡分析儀(40MHz_40GHz)測得的本實例駐波比曲線，其中橫坐標代表頻率，單位為GHz ；縱坐標代表電壓駐波比VSWR。如圖所示，本例天線工作頻帶(VSWR彡2)達1. 05-32. 7GHz,比帶寬超過31 :1。圖3(a) — (e)給出了本實施例天線五個頻點上的測試方向圖。從這幾個頻點的輻射方向圖可以看出，該天線在很寬的頻帶上實現了較好的全向輻射特性。
權利要求
1.一種小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，由印製在介質基板(4)、介質基板(4)正面的非對稱單極貼片(1)、微帶饋線導帶(3)與其背面上的梯形地板(5)及同軸接頭(6)構成， 其特徵在於a.所述單極貼片(1)是其右下角作了圓滑處理的矩形導體貼片，或者是圓滑處理後的正方形、或矩形環或方形環形狀的導體貼片；b.所述微帶饋線導帶(3)為上窄下寬的漸變形印刷導體帶，以實現阻抗變換，上端通過雙端饋電枝節(2)連接到單極貼片(1)上，下端與所述同軸接頭(6)的內導體相連以便外接同軸線；c.所述梯形地板(5)為右上角作了圓滑處理的直角梯形導體貼片，印製在介質基板 (4)背面的下部。
2.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於雙端饋電枝節的雙端間的距離為8-lOmm ；所述雙端饋電枝節(2)的高度hi取為矩形貼片(1)寬度a的 0. 02-0. 1倍；雙端饋電枝節(2)導帶自身的寬度為Imm左右。
3.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於所述單極貼片(1)與梯形地板(5)間的投影距離t為l-5mm。
4.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於所述梯形地板(5)的尺寸為其底邊寬度(Dmax)為最長工作波長的0. 15-0. 3倍，高度(h)為地板底邊寬度(Dmax)的0. 6-1. 2倍，地板頂部寬度(Dmin)為其底邊寬度的0. 4-0. 8倍。
5.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於所述單極貼片⑴為圓滑處理後的矩形貼片，其寬度(a)為地板底邊寬度(Dmax)的0. 4-0. 6倍，而貼片寬度(a)與高度(b)之比為a/b=0. 8-1. 2。
6.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於所述介質基板(4)在梯形地板(5)左側保留的寬度為w=5-10mm。
7.根據權利要求1所述的小型化非對稱極寬帶印刷單極天線，其特徵在於所述介質基板(4)的相對介電常數為2 5，其介質損耗角正切)小於或等於10-3。
全文摘要
本發明涉及一種小型化非對稱極寬帶印刷單極天線。它由介質基板、印製在介質基板正面的非對稱單極貼片和微帶饋線導帶、其背面的梯形地板及同軸接頭構成。其中單極貼片是其右下角作了圓滑處理的矩形導體貼片；微帶饋線導帶上端通過雙端饋電結構連接到單極貼片上，下端與同軸接頭的內導體相連；微帶饋線導帶為上窄下寬的漸變形印刷導體帶。梯形地板為右上角作了圓滑處理的直角梯形導體貼片，印製在介質基板的背面的下部。本天線由於採用非對稱結構實現了小型化，為準二維平面結構，便於與有源電路集成，天線結構緊湊、容易加工、造價低。它能支持全球定位系統、藍牙、無線區域網及超寬帶系統等多個通信標準，可用作這些無線通信系統的手持終端天線，也可應用於電子對抗及能量收集等設備中。
文檔編號H01Q1/38GK102255141SQ20111010098
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者劉建軍, 鍾順時 申請人:上海大學