CN101764287B - 切口叉指形印制单极超宽带天线 - Google Patents
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切口叉指形印制单极超宽带天线，涉及一种印制单极子天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗较低、增益高、辐射效率高、结构简单且具有全向辐射特性的切口叉指形印制单极超宽带天线。设有双面敷铜介质基板，在介质基板一面切出一条叉指形的缺口，在介质基板正面设有微带线，切口叉指形辐射元位于介质基板的上端居中放置且叉指口与介质基板上边缘齐平，切口叉指形辐射元的下边缘切出一微带线，微带线一直延伸至介质基板的下边缘；介质基板背面的下端为三阶梯形接地面，三阶梯形接地面与设于介质基板正面的矩形阵子体之间设有间隙。
Description
技术领域
本发明涉及一种印制单极子天线，尤其是涉及一种切口叉指形印制单极超宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。超宽带(UWB)技术的出现，实现了短距离内超带宽、高速的数据传输。其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。超宽带(UWB)无线通信技术是目前受到广泛关注的一种短距离大容量无线通讯方式，美国联邦通信委员会(FCC)指定3.1～10.6GHz频段用于UWB通信。
针对超宽带通信应用，对天线设计也提出了新的技术要求，一般地，UWB天线应具有超宽带、稳定的辐射模式增益、一致的群时延、高辐射效率等特点，而低剖面小型化是当前超宽带天线的发展方向。目前用于UWB通信的主要有双锥形天线、平面天线、印制天线等。平面天线需要一个与振子体相垂直的接地镜像面，因此与双锥形天线一样，它们是属于立体结构天线。对于印制天线，可在电路板上直接蚀刻完成，故其制作方便，成本低廉并且可与电路集成。用于超宽带的印制天线结构，具体有印制双极天线、印制单极天线，以及螺旋结构、分形结构等。相对于其它印制结构，印制单极超宽带天线最为简单，并且具有显著紧凑尺寸和稳定的辐射特性，同时不需要进行平衡不平衡的转换
印制单极天线超宽带的实现，其主要措施有：辐射元结构的设计，馈入结构包括接地面形状和馈隙的调整，以及加载技术。当前超宽带印制单极天线的辐射元结构种类繁多，大致可分为矩形、梯形、椭圆形、圆形、倒三角形、叉指形、钻石形、水滴形等等。它们利用微带或共面波导馈电，结合接地面形状的优化或加载技术，实现了满足FCC规定的带宽范围，有的甚至达到6∶1以上的绝对带宽([7]Wong Kin-Lu，Wu Chih-Hsien，and Su Saou-Wen(Stephen).Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with a trident-shapedfeeding Strip[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(4)：1262-1269)。就振子体结构而言，具体有矩形、圆或椭圆形、叉指形等多种形态，而其中以椭圆形实现的带宽最大，文献([10]Wu Q，Jin R，Geng J，et al.Ultra-wideband rectangular disk monopole antennawith notched ground[J].Electronics Letters，2007，43(11)：605-606)报道了带宽比为12.4∶1的超宽范围。就馈入结构而言，主要可分微带馈入和共面波导馈入两种，相对而言，共面波导结构在增加带宽方面具有优势，但因自由度增加，其结构优化难度增大。利用馈入结构增加带宽，最重要的是振子体下端与接地面间隙的调整，文献([7]Wong Kin-Lu，Wu Chih-Hsien，and Su Saou-Wen(Stephen).Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with atrident-shaped feeding Strip[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(4)：1262-1269)通过接地面切口，实现了4.8∶1的阻抗带宽比。
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、增益高、辐射效率高、结构简单且具有全向辐射特性的切口叉指形印制单极超宽带天线。
本发明设有双面敷铜介质基板，在介质基板一面切出一条叉指形的缺口，在介质基板正面设有微带线，切口叉指形辐射元位于介质基板的上端居中放置且叉指口与介质基板上边缘齐平，切口叉指形辐射元的下边缘切出一微带线，微带线一直延伸至介质基板的下边缘；介质基板背面的下端为三阶梯形接地面，三阶梯形接地面与设于介质基板正面的矩形阵子体之间设有间隙。
所述介质基板可为矩形介质基板，所述介质基板可为F4BK-2双面敷铜介质基板，所述矩形介质基板的长度可为24.0mm±0.1mm，宽度可为35.0mm±0.1mm。
所述切口叉指形辐射元的切口叉指臂的宽度可为4.0mm±0.1mm，切口叉指的深度可为10.0mm±0.1mm，两切口叉指臂的距离可为8.0mm±0.1mm。
所述微带线的长度可为10.0mm±0.1mm，宽度可为4.0mm±0.1mm；所述三阶梯形接地面的第一阶梯的长度为35.0mm±0.1mm，高度可为5.0mm±0.1mm；第二个阶梯的长度可为29.0mm±0.1mm，高度可为2.5mm±0.1mm；第三个阶梯的长度可为12.0mm±0.1mm，高度可为1.5mm±0.1mm，三阶梯均居中放置。
所述矩形阵子体与三阶梯形接地面之间的间隙可为1mm。
与现有的印制超宽带天线相比较，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、增益高，结构简单，生产成本低。其驻波系数小于0.2的阻抗带宽范围为3.05～17.52GHz，阻抗带宽比都达到5.74∶1，满足FCC规定的UWB频带要求。
附图说明
图1为本发明实施例的切口叉指形印制单极超宽带天线正面辐射贴片结构示意图。
图2为本发明实施例的切口叉指形印制单极超宽带天线侧面辐射贴片结构示意图。
图3为本发明实施例的切口叉指形印制单极超宽带天线背面结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。在图4中，横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss.of the antenna(dB)，实线表示实测结果，虚线表示仿真结果。
图5为本发明实施例的在频率为4、7、10、13、17GHz时的yoz面方向图。
图6为本发明实施例的在频率为4、7、10、13、17GHz时的xoz面方向图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1～3，本发明设有双面敷铜介质基板1，介质基板的一面为切口辐射元2和微带线3，介质基板1的另一面为三阶梯形接地面4。
介质基板1采用普通的F4BK-2双面敷铜电路矩形介质基板，其长为24.0mm±0.1mm，宽为35.0mm±0.1mm。切口叉指辐射元的叉指臂宽度为4.0mm±0.1mm，切口叉指的深度为10.0mm±0.1mm，两切口叉指臂的距离为8.0mm±0.1mm，位于介质基板1正面，其叉指臂与介质基板1的上边缘齐平。距离介质基板的左右边缘距离相等。微带线3其长10.0mm±0.1mm，宽为4.0mm±0.1mm，接在矩形辐射元2的下边，一直延伸至于介质基板1的下边缘。
三阶梯形接地面4是敷在介质基板的背面，其第一阶梯的长为35.0mm±0.1mm，高为5.0mm±0.1mm，第二个阶梯长为29.0mm±0.1mm，高为2.5mm±0.1mm，第三个阶梯的长为12.0mm±0.1mm，高为1.5mm±0.1mm，三阶梯均居中放置。三阶梯形接地面4与切口叉指形辐射元2的距离是接地面第三阶梯到叉指辐射元的竖直距离，其距离为1mm。
本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。
表1
| 影响因数 | 工作频段3.05～17.52GHz | S11/dB3.05～17.52GHz | 绝对带宽 | 相对带宽 |
| 介质基板尺寸24mm±0.1mm×35mm±0.1mm | 不受影响，仍可覆盖 | 引起波动不超过2％，优于-10dB | 优于14.47GHz | 优于140％ |
| 介质板敷铜层厚度、阵子体尺寸、微带线尺寸、凹形及地面尺寸、馈电点位置等误差控制在2％以内 | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于14.47GHz | 优于140％ |
| 介质基板的相对介电常数、厚度等误差控制在5％以内 | 保证频段覆盖 | 引起波动不超过1％，优于-10dB | 优于14.47GHz | 优于140％ |
注：表1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。
图4给出本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，天线的工作频带覆盖了3.05～17.52GHz，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，工作频带内两个显著谐振点分别在5GHz和10GHz附近。天线回波损耗(S11)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽为14.47GHz，其相对带宽为140.69％，远优于常规的超宽带天线，可完整覆盖美国联邦通信委员会(FCC)指定3.1～10.6GHz的UWB工作频段。
图5给出本发明实施例的在频率为4、7、10、13、17GHz时的yoz面方向图，由图5可见，工作频率为4、7、10、13、17GHz时在yoz平面上，即E面上的方向图，表现为“8”字形，天线有两个瓣，在±y方向上辐射最弱，在±z方向上辐射场最强。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。
图6给出本发明实施例的在频率为4、7、10、13、17GHz时的xoz面方向图，由图6可见，工作频率为4、7、10、13、17GHz时在xoz平面即H面是的方向图，在低频时近似于全向辐射特性，随频率的升高，方向图在±x方向会向内压缩。
从天线回波损耗(S11)性能图可以看出，天线已经覆盖了3.05～17.52GHz频带，达到了美国联邦通信委员会(FCC)对于天线的要求。从天线不同频率的方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。
Claims (6)
1.切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于设有双面敷铜介质基板，在介质基板一面切出一条叉指形的缺口，在介质基板正面设有微带线，切口叉指形辐射元位于介质基板的上端居中放置且叉指口与介质基板上边缘齐平，在切口叉指间形成居中矩形阵子体，切口叉指形辐射元的下边缘切出一微带线，微带线一直延伸至介质基板的下边缘；介质基板背面的下端为三阶梯形接地面，三阶梯形接地面与设于介质基板正面的矩形阵子体之间设有间隙；
所述切口叉指形辐射元的切口叉指臂的宽度为4.0mm±0.1mm，切口叉指的深度为10.0mm±0.1mm，两切口叉指臂的距离为8.0mm±0.1mm；
所述三阶梯形接地面的第一阶梯的长度为35.0mm±0.1mm，高度为5.0mm±0.1mm，第二个阶梯的长度为29.0mm±0.1mm，高度为2.5mm±0.1mm，第三个阶梯的长度为12.0mm±0.1mm，高度为1.5mm±0.1mm，三阶梯均居中放置。
2.如权利要求1所述的切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于所述介质基板为矩形介质基板。
3.如权利要求1或2所述的切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于所述介质基板为F4BK-2双面敷铜介质基板。
4.如权利要求2所述的切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于所述矩形介质基板的长度为24.0mm±0.1mm，宽度为35.0mm±0.1mm。
5.如权利要求1所述的切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于所述微带线的长度为10.0mm±0.1mm，宽度为4.0mm±0.1mm。
6.如权利要求1所述的切口叉指形印制单极超宽带天线，其特征在于所述间隙为1mm。
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