CN102074796A - 单向线极化超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开单向线极化超宽带天线,包括上层的电偶极子辐射体、直立的匹配电路结构和下层的接地金属反射板;上层的电偶极子辐射体包括上层介质基板、第一扇形贴片、第二扇形贴片、第一弧形微带线、第二弧形微带线和圆环贴片,第一扇形贴片和第二扇形贴片的顶角之间有空隙;直立的匹配电路结构包括直立介质基板、渐变传输线、第一渐变贴片、第二渐变贴片、第一馈电贴片和第二馈电贴片;渐变传输线的大端与同轴连接头的芯线相连,另一端与第一渐变贴片的小端相连;通过第一馈电贴片、第二馈电贴片将电磁能量输入上层的电偶极子辐射体;本发明的天线具有单向性辐射方向图,辐射方向稳定,增益与效益较高,可应用于超宽带通信系统。

Description

单向线极化超宽带天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域的天线,尤其是一种单向性线极化超宽带天线。
背景技术
超宽带(Ultra-Wide Band, UWB)通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强、高保密性、有利于多功能一体化等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。有鉴于此,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)于2002年2月核定超宽带通信技术为一般商业用通信系统,并规范超宽带通信为高传输速率(数据速率每秒大于100Mb)、低功率(功率小于-41dBm/MHz)以及短距离(通信半径小于10公尺)通信系统,工作频率范围在3.1GHz-10.6GHz之间。
目前,大多数的超宽带天线的辐射方向图成锥形,单向性辐射方向图的超宽带天线设计很少,如文献H. Schantz, The Art and Science of Ultrawideband Antennas. Norwood,MA: Artech House, 2005中所设计的具有单向性辐射方向图的超宽带天线,其辐射方向图不稳定,增益较低,难以满足应用要求。微带贴片天线可以实现单向性辐射方向图,但是带宽较窄。通过采用一些改进技术可以拓宽微带贴片天线的带宽,但是其辐射方向图和增益在工作频段上仍然不稳定。为了克服上述技术的缺点,急需提供一种具有单向性辐射方向图,辐射方向稳定,增益与效益较高的超宽带天线。
发明内容
本发明的目的是提供了用于超宽带通信的单向线极化超宽带天线。本发明采用微带贴片技术制作,工作频率为超带宽通信频率,具有单向性辐射方向图,辐射方向稳定,增益与效益较高。本发明可以应用于超宽带通信系统。
为实现本发明目的,本发明所采用的技术方案如下:
单向线极化超宽带天线,包括上层的电偶极子辐射体、直立的匹配电路结构和下层的接地金属反射板;上层的电偶极子辐射体包括上层介质基板、位于上层介质基板同一平面上的第一扇形贴片、第二扇形贴片、第一弧形微带线、第二弧形微带线和圆环贴片;第一扇形贴片、第二扇形贴片位于圆环贴片的内圆中,第一扇形贴片和第二扇形贴片的弧形边通过第一弧形微带线和第二弧形微带线相连,第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角之间有空隙;直立的匹配电路结构包括直立介质基板、渐变传输线、第一渐变贴片、第二渐变贴片、第一馈电贴片和第二馈电贴片;渐变传输线、第一渐变贴片和第一馈电贴片附着在直立介质基板的前表面;第二渐变贴片和第二馈电贴片附着在直立介质基板的后表面;渐变传输线大的一端与同轴连接头的芯线相连,另一端与第一渐变贴片的小端相连;第一渐变贴片的大端与所述接地金属反射板相连;第一馈电贴片的一端与第一扇形贴片的顶角相连,另一端与第一渐变贴片的小端相连;第二渐变贴片的大端与接地金属反射板相连,第二馈电贴片的一端与第二扇形贴片的顶角相连,另一端与第二渐变贴片的小端相连;同轴连接头的铜套与下层的接地金属反射板相连。
上述的单向线极化超宽带天线,第一扇形贴片、第二扇形贴片的弧形边、第一弧形微带线和第二弧形微带线位于同一圆周上。
上述的单向线极化超宽带天线,第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角为对顶角,第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角被切除一部分使该两个顶角之间留有所述空隙;所述圆环贴片的内径大于第一扇形贴片、第二扇形贴片的半径。
上述的单向线极化超宽带天线,第一渐变贴片、第一馈电贴片在与直立介质基板平行的平面上的正投影与第二渐变贴片、第二馈电贴片在该平面上的正投影为轴对称关系,对称轴为直立介质基板的竖直中心线在该平面上的正投影。
上述的单向线极化超宽带天线,所述渐变传输线的大端到另一端的宽度是逐渐减小的。
上述的单向线极化超宽带天线,所述第一渐变贴片、第二渐变贴片的大端到小端的宽度是逐渐减小的。
上述的单向线极化超宽带天线,所述电偶极子辐射体的第一扇形贴片、第二扇形贴片的半径的电长度在中心频率上为四分之一波长。 
上述的单向线极化超宽带天线,所述直立的匹配电路结构的第一渐变贴片、第二渐变贴片的大端与小端之间的电长度在中心频率上为四分之一波长,第一渐变贴片、第二渐变贴片构成偶极子形式的中心馈电电路。
上述的单向线极化超宽带天线,所述第一扇形贴片、第二扇形贴片构成的碟形电偶极子;圆环贴片拓宽天线的工作频率,维持辐射方向图稳定。
相对于现有技术,本发明具有如下优点和效果:
1、  本发明的阻抗带宽可以达到110%以上,增益可以达到5dBi以上,辐射方向图稳定;
2、  本发明具有单向性辐射方向图。目前,大多数超宽带天线的辐射方向图成锥形,只有少数的超宽带天线具有单向性辐射方向图;
3、  本发明的交叉极化比小于-10dB;
4、  本发明采用微带贴片结构,成本低廉,工艺简单,易于大规模制造。
附图说明
图1是单向线极化超宽带天线的结构示意图(X、Y、Z为坐标轴方向)。
图2是本发明的上层的电偶极子辐射体的下表面贴片的结构示意图。
图3是本发明的直立的匹配电路结构的前视图。
图4是本发明的直立的匹配电路结构的后视图。
图5是本发明的仿真与样品测试的电压驻波比和增益曲线图。
图6至图10是本发明的样品测试的归一化辐射方向图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明,但本发明的实施和要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。
如图1所示,单向线极化超宽带天线包括上层的电偶极子辐射体1,直立的匹配电路结构2和下层的接地金属反射板3;如图2所示,上层的电偶极子辐射体1包括上层介质基板4、位于上层介质基板4同一平面上的第一扇形贴片5、第二扇形贴片6、第一弧形微带线7、第二弧形微带线8和圆环贴片9;位于同一圆形上的第一扇形贴片5和第二扇形贴片6的弧形边通过第一弧形微带线7和第二弧形微带线8相连,且第一扇形贴片5和第二扇形贴片6的弧形边和所述第一弧形微带线7和第二弧形微带线8之间连接形成圆周,第一扇形贴片5的顶角和第二扇形贴片6的顶角为对顶角,第一扇形贴片5的顶角和第二扇形贴片6的顶角被切除一部分使该两个顶角之间有空隙;第一扇形贴片5、第二扇形贴片6对应的圆心与圆环贴片9的圆心重叠,圆环贴片9的内径大于第一扇形贴片5、第二扇形贴6的半径;如图3、图4所示,直立的匹配电路结构2包括直立介质基板10、渐变传输线11、第一渐变贴片12、第二渐变贴片15、第一馈电贴片13和第二馈电贴片16;渐变传输线11、第一渐变贴片12和第一馈电贴13附着在直立介质基板的前表面;第二渐变贴片15和第二馈电贴片16附着在直立介质基板的后表面;第一渐变贴片12、第一馈电贴片13在与直立介质基板10平行的平面上的正投影与第二渐变贴片15、第二馈电贴片16在该平面上的正投影为轴对称关系,对称轴为直立介质基板10的竖直中心线在该平面上的正投影;渐变传输线11的大端与同轴连接头14的芯线相连,另一端与第一渐变贴片12的小端相连;第一渐变贴片12的大端与接地金属反射板3相连;第一馈电贴片13的一端与第一扇形贴片5的顶角相连,另一端与第一渐变贴片12的小端相连;第二渐变贴片15的大端与接地金属反射板3相连;第二馈电贴片16的一端与第二扇形贴片6的顶角相连,另一端与第二渐变贴片15的小端相连;同轴连接头14的铜套与下层的接地金属反射板3相连。                                           
实施例
单向线极化超宽带天线的各个参数经过仿真优化得到,单向线极化超宽带天线的工作频率范围为3.1GHz-10.6GHz。其中,上层的正方形介质基板4的厚度为1.57mm,边长为42mm,介电常数等于2.33;第一扇形贴片5、第二扇形贴片6的半径等于25mm,张角等于131°;第一扇形贴片5的顶角和第二扇形贴片6的顶角之间的空隙宽度等于0.79mm;圆环贴片9的内径等于38mm,宽度等于4mm;第一弧形微带线7、第二弧形微带线8的宽度等于0.5mm;直立的匹配电路结构的直立介质基板10的介电常数等于2.33,厚度为0.79 mm,长度为42mm,高度等于13mm;渐变传输线11的宽边(位于大端处的直边)宽度等于2mm,窄边(位于小端处的直边)宽度等于0.8mm;第一渐变贴片12的宽边(位于大端处的直边)宽度等于10mm,窄边(位于小端处的直边)宽度等于0.8mm;第一馈电贴片13的长度等于1mm,宽度等于0.5mm;第二渐变贴片15的尺寸与第一渐变贴片12的尺寸相同,第二馈电贴片16的尺寸与第一馈电贴片13的尺寸相同;正方形接地金属反射板3的边长等于140mm;同轴连接头14的芯线穿过接地金属反射板3与渐变传输线11相连,同轴连接头14的铜套与接地金属反射板3相连;同轴连接头14为SMA(Sub-Miniature-A)型。
按照上述结构参数设计单向线极化超宽带天线,使用商业电磁仿真软件HFSS进行仿真,同时采用安捷伦E5071C网络分析仪和SATIMO近场测试系统进行样品测试。图5是仿真与样品测试的驻波比及增益曲线图,横轴表示频率,左纵轴表示电压驻波比,右纵轴表示增益;虚线表示仿真结果,实线表示样品测试结果;在电驻波比SWR<2的情况下,仿真的阻抗带宽从3.25GHz到11.2GHz,达到113%;样品测试的阻抗带宽从2.6GHz到12.0GHz,达到128.7% ;天线增益的仿真结果在3.25GHz到11.2GHz内达到5-10.8dBi;天线样品的测试结果在2.6GHz到9GHz内为5-11.3dBi。图6至图10是本发明的样品测试在Phi=0°截面和Phi=90°截面的归一化辐射方向图,电场强度以dB为单位。图6的工作频率是3GHz,图7的工作频率是5GHz,图8的工作频率是7GHz,图9的工作频率是9GHz,图10的工作频率是11GHz;由图6至图10可知,本发明的在3GHz、5GHz、7GHz、9GHz、11GHz频点的交叉极化小于-10dB;在3GHz、5GHz、9GHz、11GHz频点的后瓣辐射小于-20dB。
实施例的仿真和测试结果表明,单向线极化超宽带天线具有单向性辐射方向图,辐射方向稳定,增益与效益较高,满足超宽带通信系统要求,可以用于超宽带通信。

Claims (8)

1.单向线极化超宽带天线,其特征在于包括上层的电偶极子辐射体、直立的匹配电路结构和下层的接地金属反射板;上层的电偶极子辐射体包括上层介质基板、位于上层介质基板同一平面上的第一扇形贴片、第二扇形贴片、第一弧形微带线、第二弧形微带线和圆环贴片;第一扇形贴片、第二扇形贴片位于圆环贴片的内圆中,第一扇形贴片和第二扇形贴片的弧形边通过第一弧形微带线和第二弧形微带线相连,第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角之间有空隙;直立的匹配电路结构包括直立介质基板、渐变传输线、第一渐变贴片、第二渐变贴片、第一馈电贴片和第二馈电贴片;渐变传输线、第一渐变贴片和第一馈电贴片附着在直立介质基板的前表面;第二渐变贴片和第二馈电贴片附着在直立介质基板的后表面;渐变传输线大的一端与同轴连接头的芯线相连,另一端与第一渐变贴片的小端相连;第一渐变贴片的大端与所述接地金属反射板相连;第一馈电贴片的一端与第一扇形贴片的顶角相连,另一端与第一渐变贴片的小端相连;第二渐变贴片的大端与接地金属反射板相连,第二馈电贴片的一端与第二扇形贴片的顶角相连,另一端与第二渐变贴片的小端相连;同轴连接头的铜套与下层的接地金属反射板相连。
2.根据权利要求1所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于第一扇形贴片、第二扇形贴片的弧形边、第一弧形微带线和第二弧形微带线位于同一圆周上。
3.根据权利要求2所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角为对顶角,第一扇形贴片的顶角和第二扇形贴片的顶角被切除一部分使该两个顶角之间留有所述空隙;所述圆环贴片的内径大于第一扇形贴片、第二扇形贴片的半径。
4.根据权利要求1所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于第一渐变贴片、第一馈电贴片在与直立介质基板平行的平面上的正投影与第二渐变贴片、第二馈电贴片在该平面上的正投影为轴对称关系,对称轴为直立介质基板的竖直中心线在该平面上的正投影。
5.根据权利要求1所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于所述渐变传输线的大端到另一端的宽度是逐渐减小的。
6.根据权利要求1所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于所述第一渐变贴片、第二渐变贴片的大端到小端的宽度是逐渐减小的。
7.根据权利要求1所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于所述电偶极子辐射体的第一扇形贴片、第二扇形贴片的半径的电长度在中心频率上为四分之一波长。
8. 根据权利要求1~7任一项所述的单向线极化超宽带天线,其特征在于所述直立的匹配电路结构的第一渐变贴片、第二渐变贴片的大端与小端之间的电长度在中心频率上为四分之一波长,第一渐变贴片、第二渐变贴片构成偶极子形式的中心馈电电路。
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