CN101814652A - 超宽带杯形单极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用在超宽带通信中的印刷杯型单极子天线，该天线采用基片集成的波导馈电和平面印刷技术，适用于超宽带、多频段及需要将天线与系统实现平面集成的应用场合。天线包括辐射单元(7)、金属地平面(2)、介质基板(3)和共面波导馈电部分(1)。辐射单元(7)和共面波导馈电部分(1)放在介质基板(3)的一面，介质基板的厚度(8)为2mm，在辐射单元(7)中间开有三个圆形孔(4)，半圆形的底端和共面波导(1)相连，半圆形辐射单元的顶端由凹口(5)和开路短枝节(6)构成。其中，介质基板的另一面没有金属板。与已有的单极子天线相比，本发明制作成本低，可与微带电路集成，同时具有超宽带特性和全向特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用在超宽带通信中的印刷杯型单极子天线，该天线采用基片集成的波导馈电和平面印刷技术，适用于超宽带、多频段及需要将天线与系统实现平面集成的应用场合。
背景技术
自超宽带脉冲无线电技术在美国被定义并接受以来，引起了广大学者的研究兴趣。经过多年的发展，超宽带通信中收发天线的设计依然是个富有挑战性的课题。超宽带天线需要在非常宽的频带上工作，同时要求有良好的时域特性，即最小的脉冲失真响应；宽带天线在现代无线通信系统中也扮演了越来越重要的角色。它的出现避免了多频带的微带天线设计，简化了天线结构并有利于电磁兼容。近年来，已经涌现了许多适用于超宽带通信的单极子天线如圆盘单极子、方形单极子、五角形和六边形单极子，它们都具有很宽的工作频带，较好的辐射方向图。但由于他们非平面结构，地平面与辐射单元垂直，不能方便的和印刷电路集成，限制了应用。基片集成波导在保持金属波导高Q值、功率容量大的同时，还易于用PCB技术实现，易于与其它平面电路集成。
现代移动通信中的天线常在超宽带和多频带工作，并且对功率有一定的要求。采用了基片集成波导和杯型单极子天线单元，使天线具有超宽带，易于与现代平面电路集成等优点。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种应用于移动通信的超宽带杯形单极子天线，该天线为单端口馈电无需馈线网络，可工作在多频带和超带宽(1.9GHz-31GHz)的移动通信频带上。
技术方案：本发明的印刷杯型单极子天线，采用基片集成的波导馈电和平面印刷技术，适用于超宽带、多频段及需要将天线与系统实现平面集成的应用场合。天线包括辐射单元、金属地平面、介质基板和共面波导馈电部分。辐射单元和馈电部分放在介质基板的一面，在辐射单元中间开有三个圆形孔，半圆形的底端和共面波导相连，半圆形辐射单元的顶端由凹口和开路短枝节构成。其中，介质基板的另一面没有金属板。
有益效果：与现有技术相比，该发明具有以下优点：
本发明的优点在于可实现移动通信超宽频上的多频带工作。
本发明采用基片集成波导和杯型单极子天线单元，无需组阵和设计复杂的阵列馈电网络，即可实现移动通信中对超宽带和多频带工作的要求，包括电压驻波比，回路损耗以及阻抗匹配等。
本发明利用开圆孔单极子天线结构达到了覆盖从S到K波段的宽频带特性，适合移动通信应用，并且由于采用印刷结构，制作简单，利于天线的批量生产。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明中天线的电压驻波比与频率关系的示例图。
图3是本发明在5GHz、20GHz和25GHz频率上H面典型辐射方向性图。
图4是本发明在5GHz、20GHz和25GHz频率上E面典型辐射方向性图。
以上图中有：共面波导1，金属地2，介质基板3，天线元上的圆孔4，凹口5，调谐枝节6，单极子天线7，天线基板的厚度8。
具体实施方式：
本发明超宽带杯形单极子天线由共面波导1和单极子天线元7及介质基板3构成。
在介质基片3的一面是共面波导1和单极子天线7，另一面没有金属层；单极子天线元7直接和基片集成共面波导1相连，在天线上面开有三个圆孔4，在天线的顶端的凹口5内有一个调谐短枝节6，其与天线垂直；基板集成波导位于天线的底端，直接和天线相接。天线结构如图1所示，介质基底的尺寸为51×42×2(L×W×H)，尺寸单位为mm，天线辐射单元为半径为15mm的半圆。天线的基板采用介电常数为2.7的板材，板厚2mm，根据使用的基板介电常数和厚度的不同，天线的尺寸要相应地变化。
天线各部分的设计参数直接影响和最终决定天线的总体效果和性能。天线上有三个圆孔和一个调谐枝节，可以调谐天线的工作频率、增加带宽和提高方向性。在本实例实施中，天线下部为集成共面波导，上部为一个半圆形结构和枝节组合的结构。在本实例实施中，共面波导的长度可以根据实际情况进行调整，信号线的宽度和信号线与地平面的距离已经计算和优化达到与输入阻抗50欧姆匹配的目的。
通过计算和仿真，对上述的超宽带天线进行了验证。图2给出了天线的输入驻波比，从结果中可以看到在1.9GHz到31GHz的范围内，天线性能良好，均小于2，满足UWB系统对收发机天线的要求。
图3和图4是天线在5GHz，20GHz和25GHz的场强辐射极化圆图。图3是天线在H面的极坐标方向图，基本满足全向天线的方向特性。图4在天线在E面三个频率点处的极坐标方向图。方向图说明天线满足超宽带无线通讯的应用。
天线为全向天线，在各个方向上和不同的频率点处的方向性略有差异。天线的工作频率范围在1.9-31GHz之间，馈电方式可采用微带线或同轴线馈电，馈电端直接与CPW相连。
Claims (7)
1.一种超宽带杯形单极子天线，包括辐射单元(7)、金属地平面(2)、介质基板(3)和共面波导馈电(1)。其特征在于辐射单元(7)和波导馈电(1)放在介质基板(3)的一面，在辐射单元(7)中间开有三个圆形孔(4)，半圆形的底端和共面波导(1)相连，半圆形辐射单元的顶端由凹口(5)和调谐短枝节(6)构成。
2.根据权利要求1所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于半圆形的辐射单元(7)内开有至少三个圆孔(4)。
3.根据权利要求2所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于圆形孔(4)均在辐射单元(7)内，且圆形孔之间没有相交。
4.根据权利要求1所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于半圆形的顶端有一凹口(5)和带有至少两分枝的短枝节(6)。
5.根据权利要求1所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于共面波导馈电(1)和天线(7)同时在介质的一面，介质基板(3)的另一面没有金属层。
6.根据权利要求1所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于介质基板(3)可以是不同介电常数和不同厚度的电路板，天线(7)和共面波导(1)可以印制在电路板的任一面上。
7.根据权利要求4所述的超宽带杯形单极子天线，其特征在于地平面金属(2)至少为两块，与信号金属一起构成“地-信号-地”共面波导(1)结构。
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