CN101217217A - 超宽带印刷单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信领域的超宽带印刷单极子天线。它包括：辐射元件、共面波导、介质板，共面波导由左右两块共面波导接地板和中央一条共面波导激励线构成，辐射元件位于两块共面波导接地板对称中心上面，与共面波导位于介质板的同一表面上，并且位于介质板的中轴对称处。该天线具有超宽带特性，传输函数相位近似线性、幅度平坦，结构简单，易于实现，可以应用于UWB以及WLAN等多种无线通信系统中。

Description

超宽带印刷单极子天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种超宽带(UWB)无线通信领域用的印刷天线，既可用于接收也可用于发射电磁波。

背景技术

超宽带技术具有抗干扰能力强、传输速率高、频谱利用率高、发送功率小等优点。最初作为军用技术应用在雷达、电子对抗等领域，2002年美国联邦通信委员会批准超宽带无线电技术进入民用领域，超宽带技术在低费用的中短距离无线通信应用中越来越具有吸引力，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，其所占用的频带为3.1～10.6GHz。

超宽带天线是超宽带系统的关键器件之一，也是最具挑战性的部分。常规的超宽带天线主要包括双锥天线、对数周期天线等，TEM喇叭天线等，它们都具有很宽的工作频带，但是由于他们多属于行波天线，因此受到最低工作频率的限制；这一类天线多属于立体结构，很难与系统集成。另一方面传统天线仅为窄带系统设计，辐射窄带信号。如果窄脉冲加在这样的天线上，信号会严重的失真，不适合在超宽带系统中使用。所以超宽带天线的设计比传统窄带天线的设计面临更多的挑战。要求天线的传输函数具有线性相位，传输函数幅度尽量平坦，以保证超宽带信号不会失真。超宽带终端设备多为便携式移动设备，所以要求超宽带天线具有平面结构，并且体积要小。

印刷天线具有体积小、结构简单、容易与系统集成等优点而受到人们青睐；单极子天线具有超宽带特性，适合超宽带信号的传输，引起人们的广泛研究。印刷单极子天线具有上述两种天线的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的超宽带印刷单极天线，不但能够满足超宽带无线通信的要求，而且结构简单、加工方便，便于与系统的其它部件集成。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明包括：辐射元件、共面波导、介质板，其特征在于所述的共面波导由左右两块共面波导接地板和中央一条共面波导激励线构成；所述的辐射元件位于两块共面波导接地板的对称中心上面，与共面波导位于介质板的同一表面上，并且位于介质板的中轴对称处。

所述辐射元件的形状是由一个梯形和一个圆形加顶组成，圆形加顶部件与上述梯形内切，整体是一个光滑过渡的图形。

所述共面波导激励线是一段均匀宽度的导体线，位于所述介质板的轴对称中心。上端电连接辐射元件。

所述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，与共面波导激励线之间存在有效的间隔。

所述共面波导接地板形状为修正的直角梯形，即将直角梯形的斜边用向外突出的圆弧代替，所述圆弧与所述辐射单元构成阻抗渐变结构。

所述共面波导的特性阻抗为50欧姆。

本发明可以看作是立体球面加顶圆锥天线的平面化。立体球面加顶圆锥天线由金属接地板，垂直于接地板的倒立圆锥，以及与圆锥内切的球面构成，采用同轴线馈电，同轴线的内导体与圆锥顶电连接，同轴线的外导体与金属接地板电连接。该天线具有良好的宽带特性，但是立体结构限制了其应用范围。本发明采用了以下措施将立体球面加顶圆锥天线平面化并进一步改善其性能：

1.用一个圆形加顶的梯形单极子代替球面加顶的圆锥；

2.用共面波导馈电代替同轴线馈电；

3.采用两块修正的直角梯形代替金属接地板，同时作为共面波导的接地板。

本发明通过调整辐射导体的尺寸、接地板的尺寸以及共面波导的长度可以实现天线的超宽带特性。辐射元件中圆形加顶部件元件的半径取值范围在10mm~15mm之间，所对应的圆心角取值范围在230~250度之间。辐射元件中梯形部件与共面波导连接的底边宽度与共面波导激励线的宽度相同，取值范围在1mm~3mm之间。共面波导激励线的长度取值范围在最低谐振频率波长的八分之一至四分之一之间。共面波导接地板内侧高度与共面波导激励线的长度相同，外侧高度介于23mm~27mm之间。共面波导接地板圆弧部分对应的半径介于18mm~25mm之间。

本发明的优点在于采用了圆形加顶的平面单极子辐射元件实现了超宽带性能，同时采用两块修正的直角梯形金属板作为地板，形成了阻抗渐变结构，进一步展宽了天线的频带宽度。传输函数相位近似线性，幅度平坦，有利于超宽带信号的传输。采用共面波导馈电，损耗小，有利于提高天线的效率，同时便于和系统的其它部件集成。整个天线为平面印刷结构，结构简单，易于加工，适合用于超宽带无线通信领域。

附图说明

图1是本发明超宽带印刷单极子天线的实施例正面结构示意图；

图2是本图1中实施例的侧面结构示意图；

图3是图1中实施例的实测驻波比曲线；

图4是图1中实施例的传输函数幅度及相位随频率变化的曲线。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：如图1和图2所示，本超宽带印刷单极子天线包括：辐射元件1、共面波导2、介质板3，所述辐射元件1与共面波导2位于介质板3的同一表面上，并且关于介质板3的中轴对称。

所述辐射元件1由一个梯形和一个圆形加顶组成，圆形加顶部件与上述梯形内切并且电连接，整体是一个光滑的过渡单元。

所述共面波导2包括共面波导接地板4及共面波导激励线5。所述共面波导激励线5是一段均匀宽度的导体线，位于所述介质板3的轴对称中心，一端与辐射元件1电连接，一端接SMA接头。共面波导2将电磁能量传递给辐射元件1，然后由辐射元件1辐射出去。

所述共面波导接地板4是两块一样的印刷导体，对称的位于共面波导激励线5的两侧，与共面波导激励线5之间存在一定的间隔，电磁能量在共面波导接地板4与共面波导激励线5之间的缝隙内传输。

所述共面波导接地板4为修正的直角梯形结构，即将直角梯形的斜边用向外突出的圆弧代替，所述圆弧与所述辐射单元构成阻抗渐变结构，以实现共面波导3与辐射元件1之间的阻抗匹配。通过调整辐射导体的尺寸、接地板的尺寸以及共面波导的长度可以实现天线的超宽带特性。

本发明的一个具体实施例具体尺寸如下：辐射元件中圆形加顶部件元件的半径取值为13.5mm，所对应的圆心角取值为244度。辐射元件中梯形部件与共面波导连接的底边宽度与共面波导激励线的宽度均为2mm。共面波导激励线的长度取值13mm。共面波导接地板内侧高度与共面波导激励线的长度相同，外侧高度介于24mm。共面波导接地板圆弧部分对应的半径介于20.5mm。

图3是采用Agilent 8722ES矢量网络分析仪测得的本发明实施例驻波比随频率变化的曲线。由图3可以看出，实测的频率范围(VSWR＜2∶1)为1.8GHz~12.6GHz，即阻抗带宽为10.8GHz，其中包含了UWB工作频带3.1GHz~10.6GHz以及2.4GHz WLAN工作频带，以及IMT-2000工作频带。可见本发明的天线确实实现了超宽带特性。图4是实测的传输函数幅度及相位随频率变化的曲线，由图可以看出，在3.1GHz~10.6GHz的频带内，传输函数相位近似线形，整体幅度比较平坦，非常有利于超宽带信号的传输。此外，本天线在超宽带范围的增益约介于-1~5dB之间，并且在超宽带范围内具有稳定的辐射方向图。

Claims (5)

1.一种超宽带印刷单极子天线，包括：介质板(3)、辐射元件(1)和共面波导(2)、其特征在于共面波导(2)由左右两块共面波导接地板(4)和中央一条共面波导激励线(5)构成；所述的辐射元件(1)位于两块共面波导接地板(4)对称中心上面，与共面波导(2)位于介质板(3)的同一表面上，并且位于介质板(3)的中轴对称处。

2.根据权利要求1所述的超宽带印刷单极子天线，其特征在于所述的辐射元件(1)的形状是由一个梯形和一个圆形加顶组成，整体是一个光滑的过渡的图形。

3.根据权利要求1所述的超宽带印刷单极子天线，其特征在于其所述的共面波导激励线(5)是一段均匀宽度的导体线，位于所述介质板(3)的轴对称中心，上端电连接辐射元件(1)。

4.根据权利要求(1)所述的超宽带印刷单极子天线，其特征在于所述的共面波导接地板(4)是两块一样的印刷导体，对称位于共面波导激励线(5)的两侧，与共面波导激励线(5)之间存在有效间隔。

5.根据权利要求(4)所述的超宽带印刷单极子天线，其特征在于所述的共面波导接地板形状为修正的直角梯形，其直角梯形的斜边用向外突出的圆弧代替。

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