CN102280702A

CN102280702A - 极宽带多端馈电印刷单极天线

Info

Publication number: CN102280702A
Application number: CN2011101234135A
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: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2011-12-14

Abstract

本发明涉及一种极宽带多端馈电印刷单极天线，它由印制在介质基板正面的矩形贴片、微带馈电线导带和背面的梯形地板构成。微带馈电线导带上端以多端馈电分支连接到矩形贴片上；该导带下端与同轴接头内导体相连，以便外接同轴线；该导带采取上窄下宽的渐变形式，以实现微带线的阻抗变换；矩形贴片下端作了圆滑处理，它也可以该用圆滑处理后的正方形、方形环、矩形环等形状的贴片来代替。本天线可工作于极宽的工作频带上，其驻波比带宽可达46：1；工作频带上的天线增益约为0.5-7.5dB。本天线具有低剖面、结构紧凑、加工方便、便于集成等特点，可用作多频无线通信系统的终端天线，并可应用于电子对抗等设备中。

Description

极宽带多端馈电印刷单极天线

技术领域

本发明涉及一种收发两用的极宽带平面天线，特别是一种极宽带多端馈电印刷单极天线，该天线能够覆盖很多通信频段，可用作多频无线通信系统的终端天线，并可应用于电子对抗等设备中。

技术背景

近年来，随着无线通信技术的发展，一些无线通信系统要求工作在两个及两个以上的频段，如卫星导航系统，无线局域网，超宽带系统等等。为达到系统多频段的要求，往往需安装多个天线，每个天线覆盖一个频段。但是，多个天线占用了大量空间并且增加了系统的复杂性。另外，多个天线的安装也影响了系统的及时升级。所以，单一宽带天线的带宽能够覆盖多频系统中所有天线的工作频段是人们所希望看到的。超宽带天线在军用领域和工业领域一直有着广泛的应用，如电子对抗和探地雷达等等。2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准将频段(3.1～10.6GHz)用于商业短程通信后，更推进了超宽带天线的发展与应用。

1898 年Oliver Lodge首先提出了具有宽带性能的双锥天线，在此之后盘锥天线和球状天线相继提出（参见巴拉尼斯著，钟顺时等译，天线理论—分析与设计，电子工业出版社，北京，1988.），此类天线具有良好的宽带性能，但都是三维结构，体积比较庞大。为减小天线的体积和重量，Dubost 和 Zisler 于1976年提出了平面单极天线。随后，国际上对这种宽带平面单极天线作了大量的研究。文献（M. Hammoud , P. Poey and F. Colombel, “Matching the input impedance of a broadband disc monopole”, Electronic Letters, vol. 29, pp.406-407, Feb. 1993. ）采用圆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7.6:1。但是这类平面单极天线的下面都需要一个与天线辐射平面相垂直的导体接地板，增大了尺寸，不利于与有源电路集成。近十年来，超宽带平面印刷天线由于其低剖面，易集成等特点，已有了很大发展（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..hong，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）利用梯形接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。

本发明的目的在于提供一种可以覆盖很多通信频段的新型极宽频带印刷单极天线，并具有结构简单，剖面低，易于加工等优点。

本发明的设计思想：在已有的超宽带印刷单极天线的基础上，采用特定的多端馈电结构更有效地将输入功率馈送到辐射贴片上，进一步改善天线的宽带特性，从而能够覆盖更多通信频段。本设计采用了以下技术：

1. 天线正面采用一个下端作了圆滑处理的的矩形贴片作为单极天线，相当于盘锥天线的圆盘部分；

2. 用微带馈电线对矩形贴片馈电，以代替盘锥的同轴线馈电；该微带线导带上端以多端馈电分支连接到矩形贴片上，该设计能改善天线的宽带特性；

3. 微带馈电线导带的背面采用一个等腰梯形贴片作为地板，该设计也改善了天线的宽带特性；该梯形导体板相当于盘锥天线的锥体部分，从而实现了锥体的平面化；

4. 微带馈电线导带采用上窄下宽的渐变形式，以便与同轴接头实现宽带阻抗匹配。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种极宽带多端馈电平面单极天线，它由印制在介质基板正面的单极贴片、微带线导带和背面的梯形地板构成。其特征在于：

a.所述单极贴片为其下端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、或方形、或矩形环等形状的贴片；

b.所述微带馈电线导带上端以多端馈电分支连接到所述单极贴片上；

c.所述微带馈电线导带为上窄下宽的渐变形印刷导体带，以实现阻抗变换；

d.所述微带馈电先导带下端与一个同轴接头内导体相连，以便外接同轴线；

e.所述梯形地板为等腰梯形导体贴片，印制在介质基板的背面；

f.所述多端馈电分支的左右馈电间的距离为所述矩形贴片1宽度的0.1-0.2倍；所述多端馈电分支2的高度取为1.2-3mm；馈电枝节自身的宽度为1mm左右；

g.所述单极贴片与梯形地板的投影距离为1-5mm；

h.所述梯形地板的底边宽度为最长工作波长的0.2-0.4倍，高度为0.2-1底边宽度，地板顶部宽度为0.05-0.2底边宽度；

i.所述单极贴片为圆滑处理后的矩形贴片，其长边小于或等于梯形地板的底边宽度，而其长边与短边之比为：a/b=0.5~2；

j.所述介质基板的相对介电常数为2~5，其介电损耗角正切为小于或等于10^-3。

与现有宽带天线技术相比，本发明在带宽展宽方面具有突破性的进展，并展示了实质性的突出优点：

1.本发明采用特定的多端馈电结构，使天线具有极宽带特性。由于采用多端馈电分支设计，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，采用渐变的微带馈电线导带，实现了微带线的极宽带阻抗匹配。

2.本发明采用修正形状后的矩形单极贴片，这里对贴片形状的修正主要是圆滑了贴片的下端，这一方面优化了阻抗匹配，使带宽更宽，另一方面也放松了天线加工的容差。

3.天线能够工作于0.76-35.2GHz极宽频带（46：1）上，可覆盖很多无线通信频段，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。

4.在工作带宽上的天线增益约为0.5—7.5dB。

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。

附图说明

图1 本发明一个实例的天线结构正视图。

图2 图1示例天线的测试驻波图。

图3 1.0GHz频点上的测试方向图。

图4 5.0GHz频点上的测试方向图。

图5 10.0GHz频点上的测试方向图。

图6 15.0GHz频点上的测试方向图。

图7 20.0GHz频点上的测试方向图。

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，本极宽带多端馈电印刷单极天线，由由印制在介质基板4正面的单极贴片1、微带馈电线导带3和背面的梯形地板5构成。所述单极贴片1为其下端作了圆滑处理的矩形贴片，或者是圆滑处理后的正方形、或方形环、或矩形环形状的贴片；所述微带馈电线导带3上端以多端馈电分支2连接到所述单极贴片1上；所述微带馈电线导带3下端与一个同轴接头6内导体相连；所述微带馈电线导带3为上窄下宽的渐变形印刷导体带；e. 所述梯形地板5为等腰梯形导体贴片，印刷在介质基板4的背面。

实施例二：参见图1，本极宽带多端馈电印刷单极天线的结构如图1所示。它由印制在介质基板正面的单极贴片1、微带馈电线导带3和背面的梯形地板5构成。微带馈电线导带3上端以多端馈电分支2连接到单极贴片上1上；该导带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微带线的阻抗变换；单极贴片1下端作了圆滑处理，它也可以改用圆滑处理后的正方形、方形环、矩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。

根据理论分析、数值计算和加工验证，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来增加天线的带宽。梯形地板5底边宽度Dmax一般取为最长工作波长的0.2-0.4倍。而梯形地板高度h为（0.2-1）Dmax，梯形地板5顶部宽度Dmin为（0.05-0.2）Dmax。通常增大单极贴片1长边长度a也可以适当降低天线的工作频率，一般取a≤Dmax，单极贴片1与长边与短边长度的比值取a/b=0.5-2比较合适。

合理设计多端馈电枝节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。多端馈电分支的左右分支间的距离w一般选为（0.1-0.2）a；多端馈电分支的高度k取为（1.2-3）mm，馈电枝节自身的宽度可设为1mm，单极贴片1与地板5间的投影距离t一般取（1-5）mm。

所述微带馈电线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，而天线的端口阻抗主要根据同轴接头的特性阻抗来决定，通常为50欧姆。渐变的微带馈电线导带上下端宽度W_top和W_bot即按此阻抗变换的要求与介质基板4参数选定。

所述介质基板4的相对介电常数一般选择范围为：

＝2-5之间。同时，介质损耗角正切

Figure 2011101234135100002DEST_PATH_IMAGE002

应尽量小，一般取

≤10^-3。

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参数曲线图，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，本例中极宽带天线工作频带为0.76-35.2GHz，比带宽超过46：1，驻波比VSWR在频带内不大于2.

图3—图7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，该天线在非常宽的频带上实现了单极天线的辐射特性。

Claims

1.一种极宽带多端馈电印刷单极天线，由印制在介质基板（4）正面的单极贴片（1）、微带馈电线导带（3）和背面的梯形地板（5）构成，其特征在于：

a.所述单极贴片（1）为其下端作了圆滑处理的矩形贴片，或者是圆滑处理后的正方形、或方形环、或矩形环形状的贴片；

b.所述微带馈电线导带（3）上端以多端馈电分支（2）连接到所述单极贴片（1）上；

c.所述微带馈电线导带（3）下端与一个同轴接头（6）内导体相连；

d.所述微带馈电线导带（3）为上窄下宽的渐变形印刷导体带；

e.所述梯形地板（5）为等腰梯形导体贴片，印刷在介质基板（4）的背面。

2.根据权利要求1所述的极宽带多端馈电印刷单极天线，其特征在于所述多端馈电分支（2）的左右馈电分支间的距离W为所述矩形贴片（1）宽度a的0.1-0.2倍；所述多端馈电分支（2）的高度k取为1.2-3mm；馈电枝节自身的宽度为1mm左右。

3.根据权利要求1所述的极宽带多端馈电印刷单极天线，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所述的极宽带多端馈电印刷单极天线，其特征在于所述梯形地板地板（5）的梯形尺寸为：其底边宽度（Dmax）为最长工作波长的0.2-0.4倍，高度（h）为0.2-1底边宽度（Dmax），地板顶部宽度（Dmin）为0.05-0.2底边宽度（Dmax）。

5.根据权利要求1所述的极宽带多端馈电印刷单极天线，其特征在于所述单极贴片（1）为圆滑处理后的矩形贴片时，其长边（a）小于或等于梯形地板（5）的底边宽度（Dmax），而其长边（a）与短边（b）之比为：a/b=0.5~2。

6.根据权利要求1所述的极宽带多端馈电印刷单极天线，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10^-3。