超寬帶梯形地板印刷單極天線的製作方法

2023-12-01 17:31:51 4

專利名稱：超寬帶梯形地板印刷單極天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超寬頻帶平面單極天線，該天線既可用於接收也可用於發射無線電波。在軍事方面，可用作電子偵察和電子幹擾、電磁防護及探地雷達等超寬頻帶無線電設備的終端天線。在民用方面，可作為短程超寬帶(UWB)通信的基站天線，以及家用無線通信超寬帶天線等。
背景技術：
超寬帶天線在軍用領域和民用領域的應用越來越廣泛。尤其在美國聯邦通信委員會(FCC)批准將UWB(3.1～10.6GHz)用於短距離無線通信後，人們對超寬帶天線提出了越來越高的要求，如頻帶寬、體積小、結構簡單等等。
傳統的超寬帶單極天線主要有單圓錐天線和盤錐天線等(參見巴拉尼斯著，鍾順時、於志遠等譯，天線理論—分析與設計，電子工業出版社，北京，1988；王元坤、李玉權編，線天線的寬頻帶技術，西安電子科技大學出版社，1995)，但其體積比較龐大。為減小天線的體積，G.Dubost和S.Zisler於1976年首先提出了平面單極天線。隨後，國內外的科技工作者對超寬帶平面單極天線作了大量的研究。文獻(N.P.Agrawall，G.Kumar，and K.P.Ray，「寬帶平面單極天線」，IEEE Trans.AntennasPropagat.，vol.46，pp.294-295，Feb.1998)採用圓盤或橢圓盤形平板作為單極天線，其下面用同軸線饋電，最大阻抗帶寬達到10.7∶1。文獻(M.J.Ammann and Z.N.Chen，「一種寬帶的短路切角平面單極天線」，IEEE Trans.Antennas Propagat.，vol.51，pp.901-903，April 2003)為平面方形單極天線的改進型結構，該天線的阻抗帶寬也達到10個倍頻。文獻(S.-Y.Suh，W.L.Stutaman，and W.A.Davis，「一種新的超寬帶印刷單極天線平面倒錐形天線(PICA)」，lEEE Trans.Antenna andPropagat.，Vol.52，pp.1361-1365，May 2004.)為另一種平面單極天線，其基本原理與單圓錐天線類似，也實現了超過10個倍頻的阻抗帶寬。但是以上幾種天線下面都需要一個與之垂直的地板，增大了天線的結構，而且不便於與有源電路集成。最近，一種新型結構的平面印刷單極天線由一個倒三角形貼片和一個共面的「T」形地板構成，利用地板中央的共面波導對倒三角形貼片進行饋電(N.Fortino，G.Kossiavas，J.Y.Dauvignac and R.Staraj，「新穎超寬帶通信天線」，Microwave Opt.Tech.Lett.，Vol.41，no.3，pp.166-169，May 2004.)。該天線不需要另加與之垂直的地板，但其阻抗帶寬只有5個倍頻左右。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新型超寬帶印刷單極天線，不但具有良好的超寬帶特徵，而且具有平面結構，加工簡單，便於與有源電路集成。
本發明的構思如下本發明可以認為是立體盤錐天線的一種平面化。盤錐天線由一個導體圓錐上面加一個導體圓盤構成，採用同軸線饋電，同軸線的外導體與圓錐的錐頂相連接，而其內導體接到圓盤上。該天線具有良好的寬頻帶特性且結構簡單，但體積太大，因而大大限制了其應用範圍。本發明採用印刷天線結構，使得由盤錐天線的三維結構壓縮成近似二維的平板天線結構(厚度很薄)，大大減小了天線的體積和重量，而且便於與有源電路集成。
為能採用單一平面印刷天線結構而又具有良好的超寬帶特性，本設計採用了以下措施1.用一個單極天線板來代替盤錐天線的圓盤；2.用一個梯形的共面金屬地板來代替盤錐天線的圓錐體；3.用共面波導饋電代替盤錐的同軸線饋電；4.共面波導採用漸變的形式，以便在超寬頻帶範圍內與天線埠的同軸接頭實現阻抗匹配。
採用共面波導饋電有幾個優點a.共面金屬地板剛好可以作為共面波導的地板；b.共面波導的損耗較小，有利於提高天線的效率；c.便於實現阻抗匹配；d.便於與有源電路集成。
根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案一種超寬帶梯形地板印刷單極天線，由在介質基板上印刷單極天線板、共面梯形金屬地板和內嵌式饋電線構成，其特徵在於a.單極天線板為橢圓形貼片、或圓形貼片、或圓環形貼片；b.共面金屬地板為梯形金屬貼片，此金屬貼片分割為左右兩片而貼置於共面波導導帶貼片的兩旁；c.內嵌式饋電線為共面波導，由位於梯形金屬地板中央的導帶貼片和金屬地板的左石兩片形成。
上述的共面波導導帶貼片的寬度為上小下大的漸變形帶形貼片。
上述的單極天線板為橢圓形貼片時，其橢圓形長軸a小於或等於金屬地板的梯形下底寬度Dmax，而橢圓軸比一般範圍為a/b＝0.3～6(對於帶寬要求不是很寬時，a/b的取值範圍可更大)。
上述的金屬地板的高度H由下式確定H＝0.2λl，λl＝c/fl，式中c為自由空間光速，fl為最低工作頻率。
梯形金屬地板的下底寬度Dmax為其高度H的0.8～1.5倍；而頂部寬度Dmin由下式確定Dmin/λh＝0.2～0.4，λh＝c/fh，式中fh為最高工作頻率。
上述的橢圓形貼片與金屬地板貼片之間的距離t由下式確定t/λh＝0.05～0.08。
上述的介質板的相對介電常數為2～11，其介質損耗角正切不大於10-3。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的實質性突出特點和顯著優點本發明可實現超過15個倍頻的阻抗帶寬(電壓駐波比VSWR≤2∶1)；本發明是在單片介質基板同一面上印製共面單極天線貼片、梯形金屬地板和共面波導導帶，結構簡單，便於與有源電路集成；採用漸變式共面波導饋電，便於實現超寬帶阻抗匹配，而且損耗小，有利於提高天線的效率。本天線在其超寬帶範圍上的增益約為-2～5dB。本天線結構簡單、緊湊、體積小、加工方便、成本低。


圖1天線結構正視2天線實物照片3天線的實測駐波比41.0GHz頻點上的實測方向53.0GHz頻點上的實測方向66.0GHz頻點上的實測方向78.0GHz頻點上的實測方向圖具體實施方式
本發明的一個優選實施例參見圖1和圖2。天線的結構如圖1所示，它由印製在介質基板上的橢圓形貼片1和梯形金屬地板3組成，用金屬地板3中部的共面波導2饋電。該共面波導2下端接同軸接頭5，同軸接頭內導體與共面波導導帶相接，而接頭外導體與金屬地板相連接。圖2是根據某一頻段而設計、加工的實物圖。橢圓形貼片1也可以用圓形貼片和圓環形貼片來代替；圖1所示的天線的設計參數為Dmax、Dmin、H、b、a、t及介質板厚度h、相對介電常數εr。採用圖1結構，只要合理選擇參數，就可以保持整個天線的輸入阻抗隨頻率變化較小，從而實現超寬帶的單極天線特性。
通常要求給出一定的指標來設計天線，一般的超寬帶單極天線的指標為阻抗帶寬、方向圖和增益，下面將敘述如何根據指標要求來設計該形式的天線。假設給定的頻率範圍為fl～fh，對應的波長分別為λl，λh。
1.參數的確定根據理論分析和實驗測試經驗來確定設計參數Dmax、Dmin、H、b、a、t的值。本發明天線的輻射機理主要由橢圓形貼片1和梯形金屬地板3來實現，並且地板3也是輻射的重要部分，設計時首先應確定參數H的值。由於梯形金屬地板3靠兩個斜邊來輻射，高度H最佳選取值為H≈0.2λl。其次確定參數Dmax。Dmax的變化對天線低頻端的輸入阻抗影響比較大，增大Dmax可以適當降低天線的工作頻率，但是Dmax值的增大使得天線的交叉極化電平抬高，影響天線的方向圖，所以一般取Dmax為Dmax/H＝0.8～1.5。接下來確定參數a和b，參數a會影響天線的低端阻抗，增大a通常也可以適當降低天線的工作頻率，但是為使天線結構緊湊，a不能取得太大，一般取a≤Dmax，而參數b主要根據a來確定，a與b之間的比值主要影響橢圓形貼片的輸入阻抗，一般a/b取0.3～6比較合適(若所要求的帶寬範圍不大，則a/b的取值範圍可更大)。然後確定參數Dmin，Dmin的選取主要由天線的最高頻率來決定，一般取Dmin/λh≈0.2～0.4。最後確定參數t的值，t主要影響橢圓形貼片與金屬地板貼片之間的耦合。整個天線在共面波導2的上埠處的輸入阻抗可以認為是由橢圓形貼片的輸入阻抗，橢圓形貼片與金屬地板之間的耦合阻抗，以及金屬地板的自阻抗三者構成，所以t的變化對整個天線的阻抗帶寬影響比較明顯，t的最佳取值範圍為t/λh＝0.05～0.08(若所要求的帶寬範圍不大，則t/λh的取值範圍可更大)。
2.共面波導2的設計整個天線在共面波導2的上埠處的輸入阻抗約為100多歐姆，而共面波導的下埠接同軸接頭，其特性阻抗通常為50歐姆。因此，共面波導特性阻抗需要從100多歐姆漸變到50歐姆。共面波導的特性阻抗與導帶寬度w，導帶2與金屬地板3的間隔g以及介質板4的介電常數和厚度有關，只要改變一項參數，而保持其它參數不變，即可改變其特性阻抗。為此，對共面波導導帶2的寬度w採用漸變的形式。當然，也可保持w不變，而改變間隔g來實現。同時，為了保證低頻端的阻抗漸變特性好，H需取0.2λl或更大些。
3.介質板4的選擇介質板4的相對介電常數一般的選擇範圍為εr＝3～6之間，若所要求的帶寬範圍不大，則可取εr＝2～11。同時，介質損耗角正切應儘量小，一般取tgδ≤10-3；若對效率要求不高，則更大的tgδ值也可以。介質板厚度h的選擇可主要從保證天線強度來考慮，如取h≥0.8mm。
4.接頭5的選取天線埠的接頭5可採用N型同軸接頭、SMA接頭或其它接頭等。
圖3為用Agilent 8720ES矢量網絡分析儀測得的本發明實施例(圖2)駐波隨頻率變化曲線。實測的阻抗帶寬(VSWR≤2∶1)為0.41到8.8GHz，即比帶寬為21.6∶1(約22個倍頻)。
圖4～圖7給出了天線四個頻率點上的實測方向圖。比較這幾組曲線，不難發現，該天線在非常寬的頻帶上實現了單極子的輻射特性，在方位面(xy面)上，其主極化具有很穩定的全向輻射特性。
權利要求
1.一種超寬帶梯形地板印刷單極天線，由在介質基板(4)上印刷單極天線板(1)、共面金屬地板(3)和內嵌式饋電線(2)構成，其特徵在於a.單極天線板為橢圓形貼片、或圓形貼片、或圓環形貼片；b.共面金屬地板為梯形金屬貼片，此金屬貼片分割為左右兩片而貼置於共面波導導帶貼片的兩旁；c.內嵌式饋電線為共面波導，由位於梯形金屬地板中央的導帶貼片和金屬地板的左右兩片形成。
2.根據權利要求1所述的超寬帶梯形地板印刷單極天線，其特徵在於共面波導(2)採用漸變的形式，如將其導帶取為上小下大的漸變形帶形貼片。
3.根據權利要求1所述的超寬帶梯形地板印刷單極天線，其特徵在於單極天線板為橢圓形貼片(1)時，其橢圓形長軸(a)小於或等於金屬地板(3)的梯形下底寬度(Dmax)，而橢圓形長軸(a)與短軸(b)之比為0.3～6。
4.根據權利要求1所述的超寬帶梯形地板印刷單極天線，其特徵在於金屬地板(3)的梯形形狀尺寸為其高度(H)約為最長工作波長的0.2倍，其下底寬度(Dmax)為其高度(H)的0.8～1.5倍；而頂部寬度(Dmin)為最短工作波長的0.2～0.4倍。
5.根據權利要求3或4所述的超寬帶梯形地板印刷單極天線，其特徵在於橢圓形貼片(1)與金屬地板(3)之間的距離t約為最短工作波長的0.05～0.08倍。
6.根據權利要求1所述的超寬帶梯形地板印刷單極天線，其特徵在於介質板(4)的相對介電常數(εr)為2～11，其介電損耗角正切(tgδ)不大於10-3。
全文摘要
本發明涉及一種超寬頻帶平面單極天線，它是由介質板上印刷單極天線板、共面金屬地板和內嵌式饋電線構成，單極天線板為橢圓形貼片、或圓形貼片、或圓環形貼片；內嵌式饋電線為共面波導導帶貼片；共面金屬地板為梯形金屬貼片，此金屬貼片分割為左右兩片而貼置於共面波導導帶貼片的兩旁；本天線有良好的寬帶特徵，可實現超過15個倍頻的駐波帶寬，超寬帶範圍的增益約為－2－5db。本天線結構簡單、緊湊、體積小、加工方便、成本低。
文檔編號H01Q9/04GK1684302SQ200510024288
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月10日 優先權日2005年3月10日
發明者鍾順時, 梁仙靈, 汪偉 申請人:上海大學