CN101304114B - 用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线 - Google Patents
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Abstract
用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，涉及一种微带天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线。设有双面覆铜层的介质基板，介质基板的一面覆铜层为弯折线微带天线辐射贴片，介质基板的另一面覆铜层为分形光子带隙结构；弯折线微带天线辐射贴片设有至少4个横向臂和至少3个纵向臂，各横向臂与各纵向臂依次交替端部串连，每个纵向臂的两端分别与2个横向臂的一端连接并呈U字形；分形光子带隙结构设有3行3列共9片铜片，每行设有3片间隔分布的铜片，每列设有3片间隔分布的铜片；行与行之间平行，列与列之间平行，每行中的铜片平行，每列中的铜片平行。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于超宽带系统的分形光子带隙(PBG)弯折线微带天线。
背景技术
2002年，美国联邦通信委员会(FCC)宣布超宽带(UWB)通信的频段定义为3.1～10.6GHz，这一频段除了可用作无线局域网(WPAN)外，还可用于精确测距、金属探测等用途。在IEEE802.15.3a标准提出后，超宽带无线接入技术进一步得到规范化。超宽带技术以其成木低廉、数据传输速率高、具有穿透性、发射功率低等优点而备受重视，成为目前无线通信的一大研究热点。
天线设计及制造技术是超宽带通信系统的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了超宽带系统的工作性能及应用领域。天线在超宽带系统中具有举足轻重的地位。超宽带(UWB)通信的频段定义为3.1～10.6GHz，其带宽要求为7.5GHz。对于超宽带系统的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0 dBi以上。与以往的天线设计要求相比，超宽带通信系统的天线必须具有体积小、带宽宽和全向覆盖等特点。而以往很多具有超宽带工作特性的天线往往体积较大，难以实现与小型系统的一体化设计。
对于目前的超宽带天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小、辐射方向覆盖不均匀等缺点。现代无线通信技术的发展，迫切需要一款天线能够覆盖3.1～10.6GHz的超宽带通信频段。
弯折线微带天线是一种高效的多频谐振天线，能在实现超宽带工作特性的同时，有效地减小天线的尺寸。
20世纪70年代，法国数学家B.B.Mandelbrot在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。
到了20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。
研究发现，与传统天线相比，具有分形结构的天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好的满足超宽带系统对天线的要求。光子带隙(PBG，PhotonicBand-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。目前，把弯折线微带天线与分形PBG结构结合起来应用在3.1～10.6GHz的超宽带通信频段的相关技术未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线。
本发明采用了弯折线微带天线与分形光子带隙结构相结合的技术方案。
本发明设有双面覆铜层的介质基板，介质基板的一面覆铜层为弯折线微带天线辐射贴片，介质基板的另一面覆铜层为分形光子带隙结构；弯折线微带天线辐射贴片设有至少4个横向臂和至少3个纵向臂，各横向臂与各纵向臂依次交替端部串连，每个纵向臂的两端分别与2个横向臂的一端连接并呈U字形，各个横向臂之间设有间距，各个纵向臂之间设有间距，各个横向臂与介质基板之间设有间距，各个纵向臂与介质基板之间设有间距；
分形光子带隙结构设有3行3列共9片铜片，每行设有3片间隔分布的铜片，每列设有3片间隔分布的铜片；行与行之间平行，列与列之间平行，每行中的铜片平行，每列中的铜片平行。
各个横向臂最好互相平行，各个纵向臂最好互相平行。
各个横向臂与所连接的纵向臂最好垂直。
每个横向臂和每个纵向臂的线宽最好均为2mm。
位于弯折线微带天线辐射贴片中部的1个横向臂设有天线馈电点。
弯折线微带天线辐射贴片上的上部外边沿与介质基板上边沿的距离最好为3mm；弯折线微带天线辐射贴片上的上部外边沿与介质基板下边沿的距离最好为2mm；弯折线微带天线辐射贴片上的左右两侧外边沿与介质基板左右两侧边沿的距离最好为3mm。
分形光子带隙结构的各铜片的形状优选矩形，最好为正方形。
位于分形光子带隙结构中间的中间铜片的面积最好大于其它铜片的面积，其它铜片的面积最好相同。中间铜片和其它铜片均为正方形，中间铜片边长最好为7mm±0.1mm，其它铜片的边长最好为5mm±0.1mm。中间铜片与位于中间铜片上、下、左和右的4片铜片之间设有间距，间距最好为4mm，其它铜片之间设有间距，相邻两片铜片之间的间距最好为5mm。
分形光子带隙结构的上行3片铜片的上边沿最好与介质基板上边沿重合，分形光子带隙结构的下行3片铜片的下边沿与介质基板下边沿的距离最好为7mm，分形光子带隙结构的左列3片铜片的左边沿最好与介质基板左边沿重合，分形光子带隙结构的右列3片铜片的右边沿与介质基板右边沿的距离最好为5mm。
介质基板最好为矩形介质基板，其尺寸最好是长度为30mm±1mm，宽度为32mm±1mm，厚度为1mm±0.05mm。
介质基板最好选用相对介电常数为2.25±5％的介质基板，优选环氧树脂玻璃布介质基板。
与常规的用于超宽带系统的微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
尺寸小、带宽大、辐射特性好、能够全向辐射，其工作频带为2.91GHz～11.53GHz，绝对带宽达到8.62GHz，相应的相对带宽达到119.39％，带宽倍频程达到3.96，可完全覆盖3.1～10.6GHz的超宽带通信频段。而且本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳、易于集成和能够批量生产等优点，能够满足超宽带系统对天线的具体要求。
附图说明
图1为本发明实施例的金属弯折线微带天线辐射贴片结构示意图。
图2为本发明实施例的分形光子带隙结构示意图。
图3为本发明实施例回波损耗(S11)性能图。图3中的横坐标表示频率，单位为GHz，纵坐标表示回波损耗强度，单位为dB。
图4为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。
图5为本发明实施例的E面方向图。坐标为极坐标。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，本发明设有双面覆铜的介质基板P，介质基板P为矩形介质基板，其尺寸是长度为30mm，宽度为32mm，厚度为1mm。介质基板P选用相对介电常数为2.25±5％的介质基板。介质基板P采用环氧树脂玻璃布介质基板，介质基板P的一面所覆铜层为弯折线微带天线辐射贴片(如图1所示)，介质基板P的另一面所覆铜层为分形光子带隙结构(如图1所示)。
弯折线微带天线辐射贴片设有6个横向臂(11、12、13、14、15和16)及5个纵向臂(21、22、23、24和25)。每个横向臂互相平行，每个纵向臂互相平行。从横向臂11起始，各横向臂与各纵向臂依次交替端部串连，每个横向臂与所连接的纵向臂垂直。横向臂11、12、13、14、15和16的长度分别是12mm、15mm、20mm、20mm和17mm。纵向臂21、22、23、24和25的长度分别是7mm、12mm、17mm、12mm和7mm。位于弯折线微带天线辐射贴片中部的横向臂14的横向中心线A处设有天线馈电点。弯折线微带天线辐射贴片的起始端为横向臂11的首端，弯折线微带天线辐射贴片的终止端为横向臂16的尾端；每个纵向臂的两端分别与2个横向臂的一端连接并呈U字形(如纵向臂21与横向臂11和12连接所形成的U字形形状)，每个横向臂之间设有间距，每个纵向臂之间设有间距，每个横向臂及每个纵向臂与介质基板P之间设有间距。弯折线微带天线辐射贴片的上部外边沿(即横向臂11的外边沿)与介质基板P上边沿的距离为3mm；弯折线微带天线辐射贴片的下部外边沿(即横向臂15的外边沿)与介质基板P下边沿的距离为2mm；弯折线微带天线辐射贴片的左右两侧外边沿(即纵向臂22、23、24和25的外边沿)与介质基板左右两侧边沿的距离均为3mm。每个横向臂和纵向臂的线宽均为2mm。
分形光子带隙结构设有上、中、下3行，左、中、右3列共9片正方形铜片，9片铜片的标号为1～9。每行的铜片平行，每列的铜片平行。每行设有3片间隔分布的铜片，每列设有3片间隔分布的铜片。
位于分形光子带隙结构中间的中间铜片5的面积大于其它铜片的面积，其它铜片的面积相同。中间铜片5边长为7mm，其它铜片的边长为5mm。中间铜片5与位于其上、下、左和右的4片铜片(即铜片2、8、4和6)之间设有间距，间距为4mm，其它铜片之间设有间距，相邻两片铜片之间的间距为5mm。
分形光子带隙结构的上行3片铜片(即铜片1、2和3)的上边沿与介质基板P上边沿重合，分形光子带隙结构的下行3片铜片(即铜片7、8和9)的下边沿与介质基板P下边沿的距离最好为7mm，分形光子带隙结构的左列3片铜片(即铜片1、4和7)的左边沿与介质基板P左边沿重合，分形光子带隙结构的右列3片铜片(即铜片3、6和9)的右边沿与介质基板P右边沿的距离为5mm。
参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。
表1
| 影响因数 | 工作频段(2.91～11.53GHz) | S11/dB(2.91～11.53GHz) | 绝对带宽 | 相对带宽 |
| 介质基板尺寸30m+1mm×32mm+1mm | 不受影响仍可覆盖 | 引起波动不超过2％。优于-10dB | 优于8.6GHz | 优于110％ |
| 介质基板相对介电常数2.25，厚度1.0mm，覆铜层厚度、辐射贴片横向臂与纵向臂的折叠角度等误差控制在5％以内 | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于8.6GHz | 优于110％ |
| 各横向臂和纵向臂长度误差为±0.1mm | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于8.6GHz | 优于110％ |
| 分形光子带隙结构中矩形铜片的尺寸误差±0.1mm | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过2％。优于-10dB | 优于8.6GHz | 优于110％ |
注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；2.需采用高性能微波低耗双面覆铜介质板，tgδ＜0.002。
参见图3，图3给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了2.91GHz～11.53GHz，工作频带内的回波损耗都在 -10dB以下，工作频带内的最小回波损耗为-17.17dB。天线回波损耗(S11)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽达到8.62GHz，相应的相对带宽达到119.39％，带宽倍频程达到3.96，可完全覆盖3.1～10.6GHz的超宽带通信频段。
参见图4，图4中可见，天线有两个瓣，一个在300°～60°之间，另一个在120°～240°之间。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。
参见图5，图5中可见，天线主瓣在300°～60°之间。
将图4与图5对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。
从天线回波损耗(S11)性能图可以看出，天线可完全覆盖3.1～10.6GHz的超宽带通信频段，达到了超宽带系统对于天线的要求。从天线的H面和E面方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。
Claims (10)
1.用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于设有双面覆铜层的介质基板，介质基板的一面覆铜层为弯折线微带天线辐射贴片，介质基板的另一面覆铜层为分形光子带隙结构；弯折线微带天线辐射贴片设有至少4个横向臂和至少3个纵向臂，各横向臂与各纵向臂依次交替端部串连，每个纵向臂的两端分别与2个横向臂的一端连接并呈U字形，各个横向臂之间设有间距，各个纵向臂之间设有间距，各个横向臂与介质基板的边沿之间设有间距，各个纵向臂与介质基板的边沿之间设有间距；
分形光子带隙结构设有3行3列共9片铜片，每行设有3片间隔分布的铜片，每列设有3片间隔分布的铜片；行与行之间平行，列与列之间平行，每行中的铜片平行，每列中的铜片平行。
2.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于各个横向臂互相平行，各个纵向臂互相平行。
3.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于每个横向臂与所连接的纵向臂垂直。
4.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于每个横向臂和每个纵向臂的线宽均为2mm。
5.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于位于弯折线微带天线辐射贴片中部的1个横向臂设有天线馈电点。
6.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于弯折线微带天线辐射贴片上的上部外边沿与介质基板上边沿的距离为3mm；弯折线微带天线辐射贴片上的下部外边沿与介质基板下边沿的距离为2mm；弯折线微带天线辐射贴片上的左右两侧外边沿与介质基板左右两侧边沿的距离为3mm。
7.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于分形光子带隙结构的各铜片的形状为矩形。
8.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于位于分形光子带隙结构中间的中间铜片的面积大于其它8片铜片的面积，其它8片铜片的面积相同，铜片均为正方形，中间铜片边长为7mm±0.1mm，其它8片铜片的边长为5mm±0.1mm。中间铜片与位于其上、下、左和右的4片铜片之间设有间距，间距为4mm，其它8片铜片之间设有间距，相邻两片铜片之间的间距为5mm。
9.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于分形光子带隙结构的上行3片铜片的上边沿与介质基板上边沿重合，分形光子带隙结构的下行3片铜片的下边沿与介质基板下边沿的距离为7mm，分形光子带隙结构的左列3片铜片的左边沿与介质基板左边沿重合，分形光子带隙结构的右列3片铜片的右边沿与介质基板右边沿的距离为5mm。
10.如权利要求1所述的用于超宽带系统的分形光子带隙弯折线微带天线，其特征在于介质基板为矩形介质基板，长度为30mm±1mm，宽度为32mm±1mm，厚度为1mm±0.05mm；介质基板选用相对介电常数为2.25±5％的介质基板。
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