CN100414770C - 共面波导馈电的超宽带分形天线 - Google Patents
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Abstract
一种无线通信技术领域的共面波导馈电的超宽带分形天线。本发明包括：辐射元件、共面波导、电介质板和馈电端口，辐射元件和共面波导位于电介质板的同一表面，辐射元件和共面波导的一端相连，共面波导的另一端和馈电端口相连。辐射元件具有n层辐射单元，第1层辐射单元是在圆形贴片内，挖去以该圆形贴片的圆心为中心的内接三角形，将第1层辐射单元作为原始结构，第n层辐射单元为第1层辐射单元经n阶叠代因子缩减后添加到具有n-1层的辐射元件中去，辐射元件是以共面波导纵向轴作为对称轴。本发明用于超宽带通信系统，其结构紧凑，体积小，易于集成在印制电路板中，而且在整个超宽带频率域内几乎360度范围内分布较均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域的天线，具体是一种共面波导馈电的超宽带分形天线。
背景技术
随着现代信息技术的飞速发展，超宽带技术在电子对抗、雷达、声纳、地质勘探等众多领域越来越多地被采用。超宽带解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具有抗干扰能力强、传输速率高、超宽带宽、消耗电能少、保密性好、发送功率小等优点。超宽带天线是超宽带的关键技术之一。普通的宽带天线因为频率色散和空间色散通常不能发送超短脉冲，超宽带系统需要特殊的天线来发送或接收纳秒级上升时间的超短脉冲。
经对现有技术的文献检索发现，超宽带天线和分形天线是现代天线技术中研究的两大热点，P.Dehkhoda等人发表在2004年6月电气与电子工程学会天线与传播国际会议(IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium)第3卷的文章：一种花冠方形微带分形天线(A Crown SquareMicrostrip Fractal Antenna)，提出了一种在大驻波比带宽上圆极化的分形天线结构，但是未能实现超宽带性能；Jiangxin Liang等人发表在2005年3月的电气与电子工程学会天线技术(IEEE Antenna Technology)会议的文章：一种用于超宽带的共面波导馈电的圆碟片单极子天线(CPW-fed circular discmonopole antenna for UWB applications)，公开了一种用共面波导激励线的超宽带天线，这种天线虽然能实现超宽带性能，但是天线尺寸还不够小，如用在较小的通讯设备中，还存在一定困难，尺寸还有继续缩减的可能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种共面波导馈电的超宽带分形天线，使其结合两种天线的优点，采用分形技术在保证超宽带性能的基础上，有效地缩小天线的尺寸。本发明天线的全向辐射特性更好，结构紧凑，体积小，而且易于集成在印制电路板中，而且在整个超宽带频率域内几乎360度范围内分布较均匀。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：辐射元件、共面波导、电介质板和馈电端口，所述辐射元件和共面波导位于电介质板的同一表面，而且辐射元件和共面波导的一端相连，共面波导的另一端和馈电端口相连。辐射元件由分形天线构成，采用分形结构实现天线超宽带性能。
所述辐射元件位于所述电介质板的中心。
所述辐射元件具有n层辐射单元，第1层辐射单元是在圆形贴片内，挖去以该圆形贴片的圆心为中心的内接三角形，将第1层辐射单元作为原始结构，第n层辐射单元为第1层辐射单元经n阶叠代因子缩减后添加到具有n-1层的辐射元件中去，辐射元件是以共面波导纵向轴作为对称轴。
所述共面波导由一共面波导激励线和两块共面波导接地板构成。共面波导接地板是两块一样的印刷导体，对称的位于共面波导激励线的两侧。
所述共面波导激励线是一段均匀宽度的微带线，位于所述电介质板的轴对称中心，共面波导激励线的一端与辐射元件相连接。所述共面波导激励线的纵向轴线的延伸线通过辐射单元的几何中心。
所述馈电端口可以是侧面馈电，也可以是从所述电介质板的背面馈电。
本发明通过调节辐射单元的半径、共面波导接地板的长度和宽度以及共面波导激励线的长度可调整天线的超宽带性能。辐射元件的半径一般在为第一个谐振波长的四分之一到二分之一之间，根据辐射元件的半径，相应调整共面波导的长度和宽度，共面波导与辐射元件间的宽度范围一般在0.03mm-2mm之间。
本发明首先通过馈电端口将TEM波传输给共面波导，为了与通用的传输线阻抗相匹配，共面波导设置为50Ω阻抗，共面波导与辐射元件相连接，将电磁能量传输给辐射元件，由辐射元件向外辐射能量。
本发明和现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明因为在辐射单元结构上采用中心对称的分形结构，天线对于不同的频率，可获得相似的表面电流分布并且具有多带特性，利用此特性实现了超宽带天线的性能。而分形技术的空间填充性能够使天线在更小的体积下得到更大的电长度，适合用于天线的小型化设计，天线尺寸小，容易集成在印制电路板中。采用共面波导馈电，天线不仅能够实现好的带宽和方向图，而且容易集成在印制电路板中。因此，本发明具有结构紧凑，体积小，而且易于集成在印制电路板中，同时具有更好的全向辐射特性的优点。本发明符合FCC规定的标准，可用于超宽带通信系统。
附图说明
图1是本发明一种共面波导馈电的超宽带分形天线的正面结构示意图；
图2是本发明一种共面波导馈电的超宽带分形天线的侧视图；
图3是本发明的第一实例的天线的正面结构示意图；
图4是图3中天线的驻波系数曲线；
图5是图1中天线的驻波系数曲线；
图6是图1中天线在相关频率上的方向图
其中(a)天线在3GHz频率上的方向图，(b)天线在6GHz频率上的方向图，(c)天线9GHz频率上的方向图
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明包括：辐射元件1、电介质板2、共面波导3和馈电端口6，辐射元件1和共面波导3位于电介质板2的同一表面，而且辐射元件1和共面波导3的一端相连，共面波导3的另一端和馈电端口6相连。辐射元件1由分形天线构成，采用分形结构实现天线超宽带性能。
所述辐射元件1位于电介质板2的对称轴中心。
所述辐射元件1具有n层辐射单元，第1层辐射单元是在圆形贴片内，挖去以该圆形贴片的圆心为中心的内接三角形，将第1层辐射单元作为原始结构，第n层辐射单元为第1层辐射单元经n阶叠代因子缩减后添加到具有n-1层的辐射元件1中去，辐射元件1是以共面波导3纵向轴作为对称轴。
所述共面波导3由一共面波导激励线7和两块共面波导接地板4、5构成。共面波导接地板4、5，是两块一样的印刷导体，对称的位于共面波导激励线7的两侧。
所述共面波导激励线7是一段均匀宽度的微带线，位于电介质板2的轴对称中心，共面波导激励线7的一端与辐射元件1相连接。
所述共面波导激励线7的纵向轴线的延伸线通过辐射单元1的几何中心，
所述馈电端口6可以是侧面馈电，也可以是从电介质板2的背面馈电。
本发明通过调节辐射单元1的半径、共面波导接地板4、5的长度和宽度以及共面波导激励线7的长度调整天线的超宽带性能。辐射元件1的半径一般在为第一个谐振波长的四分之一到二分之一之间。共面波导3与辐射元件1间的宽度范围一般在0.03mm-2mm之间。
实例一：
图3是本发明的第一实例的天线的正面结构示意图，具体尺寸为：圆形贴片的半径为12.5mm，调节共面波导接地板4(或5)与激励线3之间的距离使其得到50Ω的阻抗。所述辐射元件1和共面波导激励线3由导电片制成、所述导电片及接地板4和5采用铜板。该导电片具有0.018mm的厚度。此外，该导电片可以被电镀和涂层以防止生锈。贴片能被印制在电介质板2上。该电介质板2为聚四氟乙烯基片，基片的介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0004，尺寸为43.5mm×39.6mm×1mm。
图4是第一实例天线的驻波系数曲线。从图中可以看出如果想获得更好的超宽带特性，需要增大共面波导的长度和宽度，即增大天线的整体尺寸。在同尺寸的情况下，可以通过如下实施例二，即本发明中提到的分形结构减小尺寸的情况下来实现超宽带特性。
实例二：
图1是本发明第二实例的天线的正面结构示意图，具体结构尺寸与第一实例相同：辐射元件1最外边圆形贴片的半径为12.5mm，分形叠代因子为0.5，使用两层叠代结构，即辐射元件1中间圆形贴片半径为6.25mm，最内层圆形贴片半径为3.125mm。调节共面波导接地板4与激励线3之间的距离使其得到50Ω的阻抗。所述辐射元件1和共面波导激励线3由导电片制成、所述导电片及接地板4和5采用铜板。该导电片具有0.018mm的厚度。此外，该导电片可以被电镀和涂层以防止生锈。贴片能被印制在电介质板2上。该电介质板2为聚四氟乙烯基片，基片的介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0004，尺寸为43.5mm×39.6mm×1mm。
图6是图1中天线的驻波系数曲线；其中(a)天线在3GHz频率上的方向图，(b)天线在6GHz频率上的方向图，(c)天线9GHz频率上的方向图。与第一实例相比，此实例在不增加天线尺寸的情况下实现了较好的超宽带特性。天线在2.28GHZ至12GHZ以上的频率内具有2以下的驻波比，谐振频率在2.6GHZ。也就是说，天线不仅可以在UWB的频率范围(3.1-10.6GHZ)运行，还可以在无线LAN的频率范围内(2.4GHZ)运行。因此对此实例天线进行了详细的仿真。图6是图1中天线在3GHz、6GHz和9GHz频率上的E面方向图。从图中可以看出，此天线为全向辐射天线。
根据该实例，天线工作频率范围为可用最低频率至该可用最低频率的6倍或更高。因为该天线尺寸和厚度都较小，容易集成在印制电路板中。此外，因为该天线结构简单并容易生产，所以该天线的成本较低。
Claims (9)
1. 一种共面波导馈电的超宽带分形天线，包括：辐射元件(1)、电介质板(2)、共面波导(3)和馈电端口(6)，其特征在于，辐射元件(1)和共面波导(3)位于电介质板(2)的同一表面，辐射元件(1)和共面波导(3)的一端相连，共面波导(3)的另一端和馈电端口(6)相连，辐射元件(1)由分形天线构成，采用分形结构实现天线超宽带性能；
所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述辐射元件(1)具有n层辐射单元，第1层辐射单元是在圆形贴片内，挖去以该圆形贴片的圆心为中心的内接三角形，将第1层辐射单元作为原始结构，第n层辐射单元为第1层辐射单元经n阶叠代因子缩减后添加到具有n-1层的辐射元件(1)中去，辐射元件(1)是以共面波导(3)纵向轴作为对称轴。
2. 根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述辐射元件(1)位于电介质板(2)的对称轴中心。
3. 根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述共面波导(3)由一共面波导激励线(7)和两块共面波导接地板(4、5)构成，共面波导接地板(4、5)是两块一样的印刷导体，对称的位于共面波导激励线(7)的两侧。
4. 根据权利要求3所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述共面波导激励线(7)是一段均匀宽度的微带线，位于电介质板(2)的轴对称中心，共面波导激励线(7)的一端与辐射元件(1)相连接。
5. 根据权利要求4所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述共面波导激励线(7)的纵向轴线的延伸线通过辐射单元(1)的几何中心。
6. 根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，所述馈电端口(6)是侧面馈电，或者是从电介质板(2)的背面馈电。
7. 根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，通过调节辐射单元(1)的半径、共面波导(3)中共面波导接地板(4、5)的长度和宽度以及共面波导激励线(7)的长度调整天线的超宽带性能。
8. 根据权利要求1或者7所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，辐射元件(1)的半径为第一个谐振波长的四分之一到二分之一之间。
9. 根据权利要求1或者7所述的共面波导馈电的超宽带分形天线，其特征是，共面波导(3)与辐射元件(1)间的宽度范围在0.03mm-2mm之间。
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