CN101404353A - 共面波导馈电的超宽带折合环天线及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是共面波导馈电的超宽带折合环天线及其制作方法，其结构是顶层子环和底层子环分别位于介质基板的两侧，顶层子环和底层子环通过两列金属化过孔连接在一起，构成完整的折合环；渐变线与水平线的夹角范围为25－35度；共面波导馈线、矩形调谐枝节之间通过阶梯阻抗变换结构相连，三者构成天线的宽带馈电结构，并与顶层子环共同位于介质基板的同一侧。制作方法是利用印刷电路板工艺，在低介电常数介质基板上设计折合环，采用渐变环结构降低最低工作频率、增加工作带宽，另一方面采用共面波导和贴片状调谐枝节作为馈线；同时在枝节与馈线之间引入多节阶梯阻抗变换结构。优点：结构简单，无需附加馈电部件；制作工艺简单；便于集成；成本低廉。

Description

共面波导馈电的超宽带折合环天线及其制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种具有超宽频带工作特性的折合环天线及其制作方法。该天线具有良好的辐射特性和简单的结构，可用于作为小型超宽带(UWB)通信设备收发天线或移动通信室内分布天线，属于微波技术领域。
背景技术
超宽带通信技术以其数据速率高、系统结构简单、成本低廉等特点，成为目前无线通信技术研究的一大热点。超宽带通信系统设计中，其中一项重要工作就是超宽带小型天线的设计与实现，天线性能好坏将直接关系到整机性能的优劣。超宽带天线就是指具有宽频带工作特性的天线，一般意义上认为具有超过25％相对带宽的天线就是超宽带天线。在其工作频带内，超宽带天线具有良好的阻抗匹配特性、稳定的辐射方向性和相对平坦的增益特性和极化特性。除此以外，特别针对超宽带通信而言，还要求天线具有体积小、全向辐射、成本低廉、便于加工与安装等特点。超宽带天线除了可以应用在高速无线通信以外，由于其频带极宽、能覆盖多种无线通信的频带，因此还能用于移动通信室内分布系统等宽带应用场合。
常规的超宽带天线主要包括频率无关天线(双锥天线、对数周期天线等)、渐变槽线天线、TEM角锥喇叭天线等，它们都具有很宽的工作频带，但由于它们多属于行波天线，因此受到最低工作频率的限制、体积相当庞大；另一方面，这类天线多属于非平面结构、难以完成与小型通信系统的一体化设计，这样就使得这类天线难以应用在小型通信设备特别是手持设备中；加之这类天线中有不少是端射特性的定向天线，不能满足超宽带通信全向覆盖的要求，因此无法直接应用在超宽带通信中。现有的小型超宽带天线包括单/偶极子天线和缝隙天线等类型。
除此以外，折合环天线也是一类具有宽带特性的天线，但是常规折合环形天线的工作带宽一般最多只有50％左右，因此限制了这类天线的应用场合；另一方面，折合环天线通常都是对称结构，也就是说，其馈电需要采用平衡器。对于L波段及以下的频带，可以采用双线平衡器或者铁氧体材料平衡器，但是随着频率继续上升至S波段以上，双线平衡器的性能将会变得很差、漏射严重，铁氧体平衡器的损耗也会急剧增加、甚至出现谐振现象而失去平衡器的功能。况且，平衡器的引入，有时候并不利于降低系统复杂度和成本，也不便于与前端电路的集成。为了扩展折合环天线的工作带宽，降低这类天线的馈电复杂度，本发明将提出新的设计方案。
发明内容
本发明的目的旨在克服折合环天线带宽窄、馈电复杂的问题，提出一种结构简单新颖、工作频带宽、便于制作实现和集成的超宽带折合环天线，为陆地移动通信、超宽带无线通信天线的开发提供技术储备。具有较小的体积、简单的结构和极低的剖面尺寸，能够有效地实现与前端射频电路的集成。
本发明的技术解决方案：共面波导馈电的超宽带折合环天线，其特征是顶层子环和底层子环分别位于介质基板的两侧，顶层子环和底层子环通过两列金属化过孔连接在一起，构成完整的折合环；渐变线与水平线的夹角范围为25-35度；共面波导馈线、矩形调谐枝节之间通过阶梯阻抗变换结构相连，共面波导馈线、矩形调谐枝节和阶梯阻抗变换结构构成天线的宽带馈电结构，并与顶层子环共同位于介质基板的同一侧。
共面波导馈电的超宽带折合环天线的制作方法，其特征是利用印刷电路板工艺，在低介电常数介质板上设计折合环，采用渐变环结构降低最低工作频率、增加工作带宽，另一方面采用共面波导和贴片状调谐枝节作为馈线；同时在枝节与馈线之间引入多节阶梯阻抗变换结构，实现有效的宽带阻抗调配。
本发明的优点：结构简单，无需附加馈电部件；制作工艺简单；便于集成；成本低廉。
附图说明
附图1是天线的结构(正面、剖面)与参考坐标示意图。
附图2是天线的实测输入驻波比示意图。
附图3是天线的两个工作平面的实测方向图。其中图3(a)是E面(zy平面)方向图，图3(b)是H面(zx平面)方向图，图中的实线表示900MHz的方向图，点状线表示1800MHz的方向图，点划线表示3600MHz的方向图。
图中的1是介质基板，2是顶层子环，3是底层子环，4是共面波导馈线，5是矩形贴片调谐枝节，6是阶梯阻抗变换结构，7是金属化过孔，8是渐变线与水平线的夹角。
具体实施方式
对照附图1，其结构是折合环由顶层子环2和底层子环3构成，顶层子环和底层子环分别印刷在介质基板1的正面和底面，结构完全一致，两者通过两列金属化过孔(每列11个)连接成一个完整的折合环；每列金属化过孔11个。
所述的折合环的结构呈五边形，渐变线与水平线的夹角8角度控制在25-35度；馈电采用共面波导结构，共面波导的特性阻抗为50欧姆，馈线末端带有矩形贴片状的调谐枝节，共面波导馈线与矩形贴片调谐枝节之间通过阶梯阻抗变换结构相连，三者与顶层子环位于介质基板的同一侧；阶梯阻抗变换结构的节数为2-3节。
对照附图2，它给出了介质基板1按照相对介电常数为2.65、厚度为2毫米时制作的天线样品的反射系数。天线在0.8-3.85GHz频带内，反射系数低于-9.54dB，即驻波比低于2。也就是说，天线具有良好的阻抗匹配特性，阻抗带宽超过4.7∶1。
参照图1给出的参考坐标系，并对照附图3与表1，它们给出的是上述天线在整个工作频段内的实测增益特性，以及工作频率为900MHz、1800MHz、3600MHz时的实测远场辐射特性。附图3(a)是E面(zy平面)方向图，附图3(b)是H面(zx平面)方向图，图中的实线表示900MHz的方向图，点状线表示1800MHz的方向图，点划线表示3600MHz的方向图。
表1计算与测量的视轴增益(dBi)
工作频率     测量值
900MHz     2.85
1600MHz     3.42
1800MHz     4.15
2200MHz     4.62
2400MHz     4.50
3600MHz     2.89
由天线的实测增益图表1可见，天线具有近似的全向辐射特性和波动不超过3dBi的增益特性，全频段内视轴(+z轴)方向平均增益约为3.5dBi。因此可认为天线的方向图带宽、增益带宽与阻抗带宽是基本一致的、即均具有宽带特性。
共面波导馈电的折合环天线具有超宽带工作特性、结构简单、体积轻巧、剖面尺寸低、易于制作、成本低廉的特点。这种天线能覆盖CDMA800、GSM900、DCS1800、PHS1900、IMT2000、WLAN2400、WiMax3300等不同制式无线通信(特别是陆地移动通信)的频段，因此可用于移动通信室内分布等场合；根据工作频率，按比例缩小尺寸后，可用作小型超宽带通信设备的收发天线。因此，本发明在移动通信、超宽带无线通信中有着广泛的应用前景。

Claims (4)

1、共面波导馈电的超宽带折合环天线，其特征是顶层子环和底层子环分别位于介质基板的两侧，顶层子环和底层子环通过两列金属化过孔连接在一起，构成完整的折合环；渐变线与水平线的夹角为25-35度；共面波导馈线、矩形调谐枝节之间通过阶梯阻抗变换结构相连，共面波导馈线、矩形调谐枝节和阶梯阻抗变换结构构成天线的宽带馈电结构，并与顶层子环共同位于介质基板的同一侧。
2、根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带折合环天线，其特征是所述的顶层子环与底层子环之间通过两列金属化过孔连接在一起，其每列金属化过孔的数目为11-12个；折合环的结构呈五边形，渐变线与水平线的夹角在25-35度左右；共面波导馈线的特性阻抗为50欧姆，通过阶梯阻抗变换结构与矩形调谐枝节连接起来，阶梯阻抗变换结构的节数为2-3节。
3、根据权利要求1所述的共面波导馈电的超宽带折合环天线，其特征是所述的介质基板按照相对介电常数为2.65、厚度为2毫米时制作的天线样品的反射系数，天线在0.8-3.85GHz频带内，反射系数低于-9.54dB，驻波比低于2，阻抗带宽超过4.7∶1。
4、共面波导馈电的超宽带折合环天线的制作方法，其特征是利用印刷电路板工艺，在低介电常数介质基板上设计折合环，采用渐变环结构降低最低工作频率、增加工作带宽，另一方面采用共面波导和贴片状调谐枝节作为馈线；同时在枝节与馈线之间引入多节阶梯阻抗变换结构，实现有效的宽带阻抗调配。
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