CN102255141A

CN102255141A - 小型化非对称极宽带印刷单极天线

Info

Publication number: CN102255141A
Application number: CN2011101009832A
Authority: CN
Inventors: 钟顺时; 刘建军
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明涉及一种小型化非对称极宽带印刷单极天线。它由介质基板、印制在介质基板正面的非对称单极贴片和微带馈线导带、其背面的梯形地板及同轴接头构成。其中单极贴片是其右下角作了圆滑处理的矩形导体贴片；微带馈线导带上端通过双端馈电结构连接到单极贴片上，下端与同轴接头的内导体相连；微带馈线导带为上窄下宽的渐变形印刷导体带。梯形地板为右上角作了圆滑处理的直角梯形导体贴片，印制在介质基板的背面的下部。本天线由于采用非对称结构实现了小型化，为准二维平面结构，便于与有源电路集成，天线结构紧凑、容易加工、造价低。它能支持全球定位系统、蓝牙、无线局域网及超宽带系统等多个通信标准，可用作这些无线通信系统的手持终端天线，也可应用于电子对抗及能量收集等设备中。

Description

小型化非对称极宽带印刷单极天线

技术领域

本发明涉及一种小型化极宽频带平面天线，特别是小型化非对称极宽带印刷单极天线，该天线能支持多个通信标准并具有非常紧凑的结构，可用作手持无线通信多频系统的收发天线，也可用于电子对抗及能量收集等设备中。

技术背景

微波集成电路和移动手持设备的发展对通信系统的小型化和宽带化提出了越来越高的要求。通信系统的小型化意味着使用方便、成本降低；而宽频带则意味着通信能力和功能的加强。由于集成化的要求，对于超宽带及无线多频通信系统来说，人们希望能够设计能覆盖多个通信标准的宽带天线来取代系统中安装的多个天线。这样不仅能够支持多个通信频段，提高电磁兼容性，而且能够减轻系统的设计难度，节省出更多的空间以达到系统的小型化要求。2002年美国通信委员会通过了有关应用UWB（超宽带）技术的规定，将3.1-10.6 GHz频段划归为商用和将22-29GHz频段划归为车载雷达系统。自此，UWB技术突破了过去几十年内仅在雷达和军事通信上的应用局限，成为未来短距离高速无线通信系统实现的有力竞争方案，使天线小型化和宽带技术的研究也进入了一个空前的高速发展时期。

1976年Dubost 和 Zisler首先提出了平面单极天线。相对于之前的三维天线来说，这种平面单极天线具有体积小，重量轻的优势。国际上对这种宽带平面单极天线已展开了大量的研究。文献（J. A. Evans and M. J. Amunann, "Planar trapezoidal and pentagonal monopoles with impedance bandwidths in excess of 10:1," 1999 IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium, vol.3, pp. 1558-1561，1999.）采用上宽下窄的梯形平板作为垂直于地面的天线辐射部分，其下面采用同轴线馈电，阻抗带宽达到11.4:1。文献（W. Kin-Lu, W. Chih-Hsien, and S. Saou-Wen, "Ultrawide-band square planar metal-plate monopole antenna with a trident-shaped feeding strip," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, pp. 1262-1269, 2005.）为另一种平面单极天线，通过多端馈电的方式，使矩形辐射贴片结构的平面单极天线的阻抗带宽由2.3:1增加到8.3:1。但是这类天线的下端都需要一个与天线辐射平面相互垂直的金属接地板，导致天线的剖面较高，占据了系统中大量的空间。为减小天线的体积，已发展了地板与辐射贴片相平行的印刷结构单极天线。文献（L. Jianxin, C. C. Chiau, C. Xiaodong, and C. G. Parini, "Study of a printed circular disc monopole antenna for UWB systems," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, pp. 3500-3504, 2005）提出一个由圆形贴片和矩形地板构成的平面印刷天线，但是其阻抗带宽只有3.4:1左右。在此基础上，各种不同形式的印刷单极天线相继提出，并有了很大发展（参见钟顺时、梁仙灵、延晓荣，超宽带平面天线技术，电波科学学报，22卷，308-315页，2007年4月）。文献（S.-S. Zhong，X.-L. Liang, and W. Wang, “Compact elliptical monopole antenna with impedance bandwith in excess of 21:1”, IEEE Trans. Antennas & propagation, vol. 55, pp.3082-3085 , Nov. 2007）利用梯形地板上的渐变共面波导对椭圆形贴片进行馈电，获得了极宽带特性，其驻波比VSWR≤2的带宽达 21：1。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种小型化非对称极宽带印刷单极天线，该天线能够覆盖很多通信频段，并可减少普通天线在无线通信系统中占用的空间。而且该天线结构简单，剖面低，易于加工。

本发明的构思：

在已有的超宽带印刷单极天线的基础上，首先将原天线对称的辐射贴片和地板几乎减半，以减小天线占用的体积。然后采用加载双端馈电枝节更有效地将输入功率馈送到辐射贴片上，以提高阻抗匹配能力，进而展宽天线的带宽，使其能够支持多个通信标准。本设计采用了以下技术来实现天线的小型化：

a.在保留原微带馈线导带的基础上，对原天线的辐射贴片进行左右对称性的减半；

b.在参数优化的基础上，同时降低天线辐射贴片的高度和宽度；

c.减小天线左侧地板贴片的宽度。

采用以下技术来实现天线的宽带化：

a.天线正面采用一个右下角作了圆滑处理的矩形贴片作为单极天线，降低天线在整个工作频带的回波损耗；

b.微带馈线导带的背面采用一个直角梯形贴片作为地板，地板的上底边进行了圆角处理，地板左侧保留了一部分介质板，该设计也改善了天线的宽带特性；该直角梯形导体板作为阻抗匹配网络的一部分，同样参与天线的辐射；

c.在微带馈线导带上端添加双端馈电枝节连接到矩形贴片上，该设计能改善天线的宽带特性；

d.微带馈线导带采用上窄下宽的渐变形式，以便与同轴接头阻抗实现宽带匹配。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种小型化非对称极宽带印刷单极天线，由介质基板、印制在介质基板正面的非对称单极贴片和微带馈线导带、其背面的梯形地板及同轴接头构成，其特征在于：

a. 所述单极贴片是其右下角作了圆滑处理的矩形导体贴片，或者是圆滑处理后的正方形、或矩形环或方形环等形状的导体贴片；

b. 所述微带馈线导带为上窄下宽的渐变形印刷导体带，以实现阻抗变换，上端通过双端馈电结构连接到单极贴片上，下端与同轴接头的内导体相连，以便外接同轴线；

c. 所述梯形地板为右上角作了圆滑处理的直角梯形导体贴片，印制在介质基板背面的下部。

所述双端馈电枝节的双端间的距离为8-10mm；所述双端馈电枝节的高度h1取为矩形贴片宽度a的0.02-0.1倍；双端馈电枝节导带自身的宽度为1mm左右。

所述单极贴片与梯形地板间的投影距离t为1-5mm。

所述梯形地板的尺寸为：其底边宽度（Dmax）为最长工作波长的0.15-0.3倍，高度（h）为地板底边宽度（Dmax）的0.6-1.2倍，地板顶部宽度（Dmin）为其底边宽度的0.4-0.8倍。

所述单极贴片为圆滑处理后的矩形贴片，其宽度（a）为地板底边宽度（Dmax）的0.4-0.6倍，而贴片宽度（a）与高度（b）之比为：a/b=0.8-1.2。

所述介质基片在地板左侧保留的宽度为w=5-10mm；

所述介质基板的相对介电常数为2-5，其介电损耗角正切小于或等于

Figure 2011101009832100002DEST_PATH_IMAGE001

。

与现有宽带天线技术相比，本发明在小型化和宽带化方面具有明显的进展，该天线展示了其实质性的突出优点：

1) 本发明采用非对称小型化技术，使平面印刷天线变得更加紧凑。在整个频带保持良好的阻抗匹配基础上，通过减小正面辐射贴片和背面金属地板左侧的部分，并同时对辐射贴片和地板进行参数优化，天线在保持极宽带特性的前提下，体积减小了52%。

2) 本发明采用特定的馈电结构，使天线具有极宽带特性。由于采用双端馈电枝节，提高了单极贴片上垂直电流的分布，抑制了横向电流，降低了天线的交叉极化，提高了天线的增益，同时也展宽了天线的阻抗带宽；馈电结构的地板为直角梯形地板，且与单极贴片分置于介质基板的背面和正面，使宽带特性更好，采用渐变的微带馈线，实现了极宽带阻抗匹配。

3) 本发明采用修正形状后的矩形单极贴片和修正后的直角梯形地板，这里的修正主要是圆滑了贴片的右下角和梯形地板的右上角，另外地板的左侧还保留了一部分介质基板。这样一方面优化了阻抗匹配，使带宽更宽，另一方面也降低了对天线加工的要求。

4) 本天线为准二维平面结构，便于与有源电路集成，天线结构简单、紧凑、体积小、加工方便、成本低。

5) 天线能工作于1.05-32.7GHz极宽频带（31：1）上，可覆盖多个无线通信频段，其中包括全球定位系统，蓝牙，无线局域网和超宽带通信频段等等。

6) 在工作带宽上的天线增益约为0.5—7.5dB。

附图说明

图1 本发明一个实例天线的结构正视图。

图2 实例天线的测试驻波比曲线图。

图3 实例天线的测试方向图（a）1.5GHz（b）5.0GHz（c）10.0GHz（d）15.0GHz（e）20.0GHz。

具体实施方式

本发明的优选实例结合附图表述如下：

实施例一：

参见图1，本小型化非对称结构极宽带印刷单极天线如图1所示。它由印制在介质基板正面的单极贴片1、微带馈线导带3和背面的梯形地板5构成。微带馈线导带3上端通过双端馈电枝节2连接到单极贴片1上；该微带馈线导带3下端与同轴接头6内导体相连，以便外接同轴线；该导带3采用上窄下宽的渐变形式以实现阻抗变换；梯形地板5的右上角和单极贴片1的右下角端都作了圆滑处理；单极贴片1也可改用圆滑处理后的正方形、矩形环或方形环等形状的贴片来代替。采用图1结构，只要合理选择参数，就可以实现极宽带单极天线特性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

经过理论分析和数值计算来确定合适的参数。本天线辐射的主要部分来自于单极贴片1，同时梯形地板5上的感应电流也产生辐射。所以单极贴片1和梯形地板5的大小与形状都会对天线的性能产生重要的影响。由于天线的最低频率由天线的有效电流路径的总长决定，所以增加Dmax、Dmin、H、b、a均可降低天线的最低频率，从而增加天线的带宽。梯形地板5底边宽度Dmax一般取为最长工作波长的0.15-0.3倍。而梯形地板高度h为（0.6-1.2）Dmax，梯形地板5顶部宽度Dmin为（0.4-0.8）Dmax。增大单极贴片1宽度a一般也可以适当降低天线的工作频率，可取a为（0.4-0.6）Dmax，单极贴片1宽度与高度的比值取为a/b=0.8-1.2比较合适。

合理设计双端馈电枝节2和适当选择单极贴片1与梯形地板5间的投影距离t可有效增加天线的最高工作频率。双端馈电枝节2双端间的距离一般选为8-10mm；双端馈电枝节2的高度k取为（0.02-0.1）a，双端馈电枝节2导带自身的宽度可设为1mm，单极贴片1与梯形地板5间的投影距离t一般取（1-5）mm。

所述微带馈线3采用上窄下宽的渐变形式。由于单极贴片1的输入阻抗为100欧姆左右，而天线的端口阻抗由同轴接头的特性阻抗决定，通常为50欧姆。渐变的微带馈线导带上下端宽度W_top和W_bot即按此阻抗变换的要求选定。

所述介质基板4的相对介电常数

Figure 2011101009832100002DEST_PATH_IMAGE002

一般选择范围为

＝2-5；介质损耗角正切

Figure 2011101009832100002DEST_PATH_IMAGE003

应尽量小，一般取

≤。

所述天线输入端的同轴接头6可以是一般的N型接头或者SMA接头等。

图2 为用Wiltron 37369A 网络分析仪 (40MHz-40GHz)测得的本实例驻波比曲线，其中横坐标代表频率，单位为GHz；纵坐标代表电压驻波比VSWR。如图所示，本例天线工作频带（VSWR≤2）达1.05-32.7GHz，比带宽超过31：1。

图3(a)—(e)给出了本实施例天线五个频点上的测试方向图。从这几个频点的辐射方向图可以看出，该天线在很宽的频带上实现了较好的全向辐射特性。

Claims

1.一种小型化非对称极宽带印刷单极天线，由印制在介质基板（4）、介质基板（4）正面的非对称单极贴片（1）、微带馈线导带（3）与其背面上的梯形地板（5）及同轴接头（6）构成，其特征在于：

a. 所述单极贴片（1）是其右下角作了圆滑处理的矩形导体贴片，或者是圆滑处理后的正方形、或矩形环或方形环形状的导体贴片；

b. 所述微带馈线导带（3）为上窄下宽的渐变形印刷导体带，以实现阻抗变换，上端通过双端馈电枝节（2）连接到单极贴片（1）上，下端与所述同轴接头（6）的内导体相连以便外接同轴线；

c. 所述梯形地板（5）为右上角作了圆滑处理的直角梯形导体贴片，印制在介质基板（4）背面的下部。

2.根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于双端馈电枝节的双端间的距离为8-10mm；所述双端馈电枝节（2）的高度h1取为矩形贴片（1）宽度a的0.02-0.1倍；双端馈电枝节（2）导带自身的宽度为1mm左右。

3. 根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于所述单极贴片（1）与梯形地板（5）间的投影距离t为1-5mm。

4.根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于所述梯形地板（5）的尺寸为：其底边宽度（Dmax）为最长工作波长的0.15-0.3倍，高度（h）为地板底边宽度（Dmax）的0.6-1.2倍，地板顶部宽度（Dmin）为其底边宽度的0.4-0.8倍。

5.根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于所述单极贴片（1）为圆滑处理后的矩形贴片，其宽度（a）为地板底边宽度（Dmax）的0.4-0.6倍，而贴片宽度（a）与高度（b）之比为：a/b=0.8-1.2。

6.根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于所述介质基板（4）在梯形地板（5）左侧保留的宽度为w=5-10mm。

7.根据权利要求1所述的小型化非对称极宽带印刷单极天线，其特征在于所述介质基板（4）的相对介电常数（

）为2~5，其介质损耗角正切（

）小于或等于。