CN102646859A - 一种低剖面双层印刷超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板、纵向介质板、反射板、基板和支撑柱；横向介质板与基板之间安装有4根支撑柱，纵向介质板置于横向介质板与基板之间的中部。在横向介质板的上板面上采用覆铜技术加工有两个背条，在横向介质板的下板面上采用覆铜技术加工有两个蝶形振子。纵向介质板的两个板面上采用覆铜技术加工有巴伦。基板的上方采用覆铜技术加工有反射板。本发明天线背条与振子构成的双层印刷天线是折合振子的变种，是能够工作于S波段和C波段的高增益、定向性、新型的双层印刷振子天线，不但实现了小型化，而且具有很宽的频带和很高的增益。因此该天线具有折合振子的很多优良特性。特别是小的结构尺寸和超宽的工作频带。

Description

一种低剖面双层印刷超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种适用于超宽带系统的小型化天线，更具体地说，是指一种工作于S波段和C波段的高增益、定向性、低剖面的双层印刷天线。 

背景技术

20世纪80年代，随着电子科学技术的进步，通信、雷达等无线电系统的频带越来越宽，信号脉冲越来越窄，电磁频谱越来越拥挤，人们开始重视和研究超宽带(UWB)电磁学。1990年前后，人们用各种时域数值方法得到了Maxwell方程的严格瞬态解，从而为超宽带电磁学奠定了坚实的理论基础。超宽带脉冲源、超宽带天线和超宽带接收技术都有了突破，极大地促进了超宽带电磁学的研究，超宽带通信、超宽带雷达等应运而生，超宽带电磁学在成像、目标特性、反隐身技术、微波时域测量技术、微波定向传输等方面都得到了广泛的应用。天线作为UWB无线通信的关键部件，其性能直接影响到通信质量。由于UWB通信的特殊要求，对天线理论与实现技术提出了新的挑战。 

近年来，随着通讯技术的迅猛发展，超宽带天线广泛应用于无线通信，超宽带雷达，卫星通信等领域，在家庭网络及移动通信等方面也有广泛的需求，因此设计一种结构简单，性能良好的超宽带天线具有重要的现实意义。超宽带天线具有很宽工作频带。在此频段内，天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等都在允许的范围内。传统的超宽带天线形式有螺旋天线，对数周期天线，加脊喇叭天线和渐变槽线天线等，但是它们大部分的尺寸都比较大，剖面较高，因而应用受到很大限制。其中渐变槽线天线具有易加工，成本低，高增益和良好的定向辐射特性，但是这种天线在高频段辐射效率较低，远场辐射方向图会出现裂瓣，且容易产生交叉极化问题。 

随着移动通信技术，空间技术和超宽带电子技术的发展，各种电子设备均向小型化与微型化发展，天线作为无线电子系统必不可少的部件也必然向小型化方向发展。在过去的十年中，人们开始注意到UWB技术在未来高速无线通信方面的巨大潜力。随着这项技术的快速发展，高性能UWB天线成为UWB系统中非常关键的部分，很多研究围绕着UWB天线展开。一些新型的超宽带天线，如带有反射器的振子天线等，它们虽都具有良好的性能，但是剖面普遍较高，而且加工复杂，特别是一些有非平面反射器的天线，它们的应用不够灵活。 

在超宽带天线中，印刷单极子天线由于其体积小，宽阻带，低造价的优点，被认为非常有前景。与此同时，一些具有相同优点的印刷偶极子天线也被设计出来。基于此，本发明设计了一种工作于S波段和C波段的高增益、定向性、新型的双层印刷振子天线，不但实现了小型化，而且具有很宽的频带和很高的增益。 

发明内容

本发明的目的是提供一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线采用巴伦馈电，既有小的尺寸，又有极低的剖面，而且在整个带宽范围内有很高的增益和很好的方向性，因而在超宽带通信领域有很好的应用前景。 

本发明的一种低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板(1)、纵向介质板(2)、反射板(3)、基板(4)和支撑柱(5)；横向介质板(1)的底部与反射板(3)的上部之间的间距18mm；横向介质板(1)与反射板(3)之间安装有四根支撑柱(5)，纵向介质板(2)置于横向介质板(1)与反射板(3)之间的中部，反射板(3)置于基板(4)的上方；所述横向介质板(1)的上板面上设有第一背条(101)、第二背条(102)，第一背条(101)和第二背条(102)为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板(1)上形成；所述横向介质板(1)的下板面上安装有A振子(103)、B振子(104)；横向介质板(1)、第一背条(101)、第二背条(102)、A振子(103)和B振子(104)构成第一天线单元；所述纵向介质板(2)的一板面上安装有A梯形微带线(201)，所述纵向介质板(2)的另一板面上安装有B梯形微带线(202)；所述纵向介质板(2)的下部焊接在同轴线缆接头(6)上；纵向介质板(2)、A梯形微带线(201)和B梯形微带线(202)构成巴伦，也是第二天线单元；反射板(3)和基板(4)形成第三天线单元。所述双层印刷超宽带天线能够工作于S波段和C波段。所述双层印刷超宽带天线在2.8GHz～6.2GHz的范围内，其驻波系数小于2。所述双层印刷超宽带天线在3GHz处增益达到9.8dB，在频段2.8GHz～6.2GHz范围内，增益大于6.7dB。 

本发明低剖面双层印刷超宽带天线的优点在于： 

①背条与振子构成的双层印刷天线是折合振子的变种，因此该天线具有折合振子的很多优良特性。特别是小的结构尺寸和超宽的工作频带。该天线的尺寸为23mm×32mm，带宽为2.8GHz～6.2GHz。 

②在横向介质板下方设置巴伦，使得天线的馈电保持了平衡，当双层印刷天线的输入阻抗为120Ω时，保证了振子输入端口从50Ω到120Ω的阻抗变换。 

③本发明设计的巴伦构形对天线辐射特性的影响较小，不会破坏天线的方向性。 

④纵向介质板高度h1即为低剖面双层印刷超宽带天线的高度，h1＝18mm，使本发明 天线的体积大大缩小，不但有利于系统的集成，而且在移动通信中有很好的隐身性能。 

⑤纵向介质板的上方设置横向介质板，纵向介质板的下方设置反射板，所述反射板能够使本发明天线具有很高的增益(6.7dB～9.8dB)和定向辐射特性。在保密性高的超宽带通信系统中有很好的应用前景。 

附图说明

图1是本发明低剖面双层印刷超宽带天线的外部结构图。 

图1A是本发明低剖面双层印刷超宽带天线的另一视角外部结构图。 

图1B是未装配反射板和基板的低剖面双层印刷超宽带天线仰视图。 

图2是本发明横向介质板的上板面的结构图。 

图2A是本发明横向介质板的上板面的两个弧形槽共形结构图。 

图2B是本发明横向介质板的下板面的结构图。 

图2C是本发明横向介质板的下板面的两个蝶形槽共形结构图。 

图3是本发明纵向介质板右板面的结构图。 

图3A是本发明纵向介质板左板面的结构图。 

图3B是本发明纵向介质板右板面的正视图。 

图3C是本发明纵向介质板左板面的正视图。 

图4A是传统双导线折合偶极子天线。 

图4B是传统T型匹配天线。 

图4C是本发明设计的双层印刷的倒T型匹配天线。 

图5是本发明的驻波系数仿真结果。 

图6是本发明的增益仿真结果。

图7A是本发明的E面辐射方向图仿真结果。 

图7B是本发明的H面辐射方向图仿真结果。 

图中编号：1.横向介质板；1A.上板面；1B.下板面；1C.第一弧形槽；1D.第二弧形槽；1E.第一蝶形槽；1F.第二蝶形槽；1G.A通孔；1H.B通孔；1J.C通孔；1K.D通孔；101.第一背条；102.第二背条；103.A振子；104.B振子；111.第一半圆；112.第一梯形；113.第二半圆；114.第二梯形；115.上底；116.上底；2.纵向介质板；2A.右板面；2B.左板面；2C.第一梯形槽；2D.第二梯形槽；201.A梯形微带线；202.B梯形微带线；3.反射板；4.基板；5.支撑柱；6.同轴线缆接头。 

具体实施方式

参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板1、纵向介质板2、反射板3、基板4和支撑柱5；下面将对各个模块进行详细的说明： 

(一)横向介质板1 

参见图1、图1A、图2、图2A所示，横向介质板1为矩形结构，横向介质板1的长记为E，宽记为D，D＝4/5×E。 

横向介质板1的上板面1A上设有第一弧形槽1C、第二弧形槽1D，且第一弧形槽1C与第二弧形槽1D结构相同；第一弧形槽1C的两端设有A通孔1G、B通孔1H；第二弧形槽1D的两端设有C通孔1J、D通孔1K；A通孔1G、B通孔1H、C通孔1J和D通孔1K用于实现振子与背条的短路连接。A通孔1G、B通孔1H、C通孔1J和D通孔1K的直径为0.6mm。第一弧形槽1C与第二弧形槽1D的布局为圆共形，且第一弧形槽1C的端部与第二弧形槽1D的端部相距记为h；共形圆的外径记为R1，共形圆的内径记为R2；在本发明中，通孔的圆心与弧形槽端部的距离记为s。在本发明中，在第一弧形槽1C内采用覆铜技术覆上铜材料形成第一背条101；在第二弧形槽1D内采用覆铜技术覆上铜材料形成第二背条102。在横向介质板1的上板面1A上设置两个弧形槽的结构，是有利于在槽内采用覆铜技术覆上铜材料形成双层印刷天线的上层，所述弧形槽的尺寸满足下列关系：R1-R2＝1mm，s＝1mm，h＝4mm。 

参见图1B、图2B、图2C所示，横向介质板1的下板面1B上设有第一蝶形槽1E、第二蝶形槽1F，且第一蝶形槽1E与第二蝶形槽1F的结构相同； 

所述第一蝶形槽1E是由第一半圆111和第一梯形112构成，第一半圆111的半径记为R(所述R也是第一梯形112的下底宽)，第一梯形112的高记为L，第一梯形112的上底115的宽记为w； 

所述第二蝶形槽1F是由第二半圆113和第二梯形114构成，第二半圆113的半径记为R(所述R也是第二梯形114的下底宽)，第二梯形114的高记为L，第二梯形114的上底116的宽记为w； 

第一蝶形槽1E的上底115与第二蝶形槽1F的上底116之间相距记为g；在本发明中，第一蝶形槽1E与第二蝶形槽1F之间的间隙用于安装纵向介质板2的上部(即纵向介质板2上部的厚度为g)。蝶形槽尺寸关系：L＝R/3，g＝L/2，w＝L/3～L/2。 

参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计的所述横向介质板1的上板面上设有第一背条101、第二背条102，第一背条101和第二背条102为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板1上形成；所述横向介质板1的下板面上安装有A振子103、B振子104；在本发明中，横向介质板1、第一背条101、第二背条102、A振子103和B振子104构成第一天线单元；所述纵向介质板2的一板面上安装有A梯形微带线201，所述纵向介质板2的另一板面上安装有B梯形微带线202；所述纵向介质板2的下部焊接在同轴线缆接头6上。在本发明中，纵向介质板2、A梯形微带线201和B梯形微带线202构成巴伦，也是第二天线单元。在本发明中，反射板3和基 板4形成第三天线单元。 

在本发明中，横向介质板1采用介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃纤维布加工。 

(二)纵向介质板2 

参见图1、图1A、图1B、图3、图3A、图3B、图3C所示，纵向介质板2为矩形结构，纵向介质板2的长记为h1，宽记为h2，厚记为h3，且h1＝R(第一半圆111的半径)，h2＜h1(一般小3～7mm)，h3＝g。 

纵向介质板2的右板面2A上设有第一梯形槽2C；所述第一梯形槽2C的上底宽记为d1，下底宽记为d2；所述第一梯形槽2C内采用覆铜技术覆上铜材料形成A梯形微带线201；所述第一梯形槽2C的深度为0.01mm；d1＝3/4×h3，d2＝g。 

纵向介质板2的左板面2B上设有第二梯形槽2D；所述第二梯形槽2D的上底宽记为d3，下底宽记为d4；所述第二梯形槽2D内采用覆铜技术覆上铜材料形成B梯形微带线202；所述第二梯形槽2D的深度为0.01mm；d3＝3/4×h3，d4＝g，d1＝d3，d2＝d4。 

在本发明中，纵向介质板2上设计梯形槽的结构，是有利于在槽内采用覆铜技术覆上铜材料形成梯形微带线。

为了使设计的天线满足S波段和C波段的工作，纵向介质板2的长不短于18mm。 

在本发明中，纵向介质板2采用介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃纤维布加工。 

(三)反射板3 

参见图1、图1A所示，反射板3为采用覆铜技术将铜蚀刻在基板4上方形成，反射板3厚度为0.01mm～0.1mm。横向介质板1的底部与反射板3的上部之间的间距18mm，这个间距正好也是纵向介质板2的长h1。 

(四)基板4 

参见图1、图1A所示，基板4为矩形结构，基板4选用FR4(玻璃纤维环氧树脂覆铜板)材料加工。 

(五)支撑柱5 

参见图1、图1A所示，支撑柱5采用PVC、PC材料加工。支撑柱5的直径为2mm。 

本发明设计的一种工作于S波段和C波段的高增益、定向性、新型的双层印刷振子天线，其结构装配为：横向介质板1与反射板3之间安装有四根支撑柱5，纵向介质板2置于横向介质板1与反射板3之间的中部，反射板3置于基板4的上方。在横向介质板1的上板面1A上采用覆铜技术加工有两个背条(第一背条101、第二背条102)，在横向介质板1的下板面1B上采用覆铜技术加工有两个蝶形振子(A振子103、B振子104)。纵向介质板2的两个板面上采用覆铜技术加工有微带线(A梯形微带线201、B梯形微带线202)。基板4的上方采用覆铜技术加工有反射板3。在纵向介质板2上所述采用覆铜技术加工出的微带线，这样纵向介质板2与微带线也是天线中常称为的巴伦。 

本发明设计的低剖面双层印刷超宽带天线具有三个天线单元，即第一天线单元用于实现辐射电磁波，第二天线单元用于馈电的阻抗转换，第三天线单元用于实现天线的定向辐射。所述第一天线单元是由第一背条101、第二背条102、A振子103和B振子104构成。所述第二天线单元由A梯形微带线201、B梯形微带线202和纵向介质板2构成。所述第三天线单元由反射板3和基板4构成。采用三个天线单元，有利于天线的加工和制作。不需要任何特殊的工艺，就能制造出性能良好的天线。 

在本发明中，第一天线单元的性能为：图4A所示为传统双导线折合偶极子，所述双导线折合偶极子的长度为λ/2(λ表示天线的工作波长)，馈端阻抗近似为300Ω。该偶极子经变种成为图4B所示的一般化形式，就能获得在很宽范围内由传输线长度F所决定的馈端阻抗值，这种结构称为T型匹配天线。T型匹配天线可以看作是一个短路传输线与具有很宽馈电间隙的振子并联。短路传输线的长度小于四分之一波长(即λ/4)，其阻抗是感性的。通过缩短振子长度或在两臂并联可变电容，可引入电容来调掉电感。随着传输线长度F的增加，输入阻抗也增加，其峰值大约出现在传输线长度F是振子长度的一半时。当传输线长度F进一步增加，阻抗减小，当传输线长度F等于振子长度时，阻抗减小到等于折合振子的阻抗。所以通过调整传输线长度F，可以得到如图4C所示的倒T型匹配天线，其长度仅为0.3λ，并且有合适的馈端阻抗值。本发明的双层印刷天线就是一种倒T型结构，其中传输线长度F的长度近似为2×R1，振子长度为2(R+L)+g，并且有120Ω的馈端阻抗。 

参见图1、图2A中背条的宽度(R1-R2，即弧形槽的槽宽)会直接影响天线的阻抗带宽。当背条宽度减小时，频带变宽。但从实际加工的角度考虑，背条宽度不可能无限小，基于此，在和其它参数综合优化后将背条宽度定为1.0mm。另外，背条的形式也会影响天线的带宽。仿真测试显示，弯的背条比直的背条有更好的性能，因此本发明设计了两个弧形背条共圆的构形。 

参见图2A中s是通孔的圆心与弧形槽端部的距离，即为过孔的位置。过孔的位置对天线的电流分布有影响，因此会间接的影响终端阻抗。为了获得合适的阻抗和带宽，s定为1mm。仿真测试过过孔数超过4个的情况，但是性能并无大的改善，因此从简化设计的角度，过孔数选为4。 

参见图3、图3A、图3B、图3C中振子的间隙g是0.8mm，并且这个位置要与巴伦相连。振子的端口宽度w的改变会影响输入阻抗。当w增加时，输入阻抗会减小，但是w并不能无限增加，因为考虑到天线的尺寸限制，并且为了防止主波束的偏移，w定为0.8mm。最后通过优化得到120Ω的输入阻抗。 

在本发明中，第二天线单元的性能为：巴伦是竖直立在反射板3上的，一面是A梯形微带线201，另一面是B梯形微带线202，如图1、图1A、图1B、图3、图3A、图3B、 图3C所示，该巴伦要实现从50Ω到120Ω的阻抗变换。但是还要考虑巴伦对天线性能的影响。通过与不加巴伦时的天线进行对比，发现天线的方向图会受一定的影响，但只是在高频端稍微有些偏移和裂瓣。这主要是因为巴伦上的电流辐射造成增益和方向性的不稳定。 

在本发明中，第三天线单元的性能为：反射板3的加入是为控制天线的方向性，并且可提高增益。由于增益和带宽的矛盾性，即剖面高时，虽有很宽的带宽，但增益却很小；剖面低时，虽有很高的增益，但带宽却很窄。因此为了平衡这一矛盾，反射板的位置，也就是剖面高度的选择要适中。经过优化后，剖面高度定为18mm(纵向介质板2的长)，而选择平板反射板是因为结构简单，易于加工，并有利于共形安装。 

本发明的一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得驻波系数如图5所示，该天线在2.8GHz～6.2GHz的范围内，其驻波系数小于2，这主要得益于天线形式的设计以及剖面高度的选择。 

本发明的一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得增益如图6所示，该天线在3GHz处增益达到9.8dB，在频段2.8GHz～6.2GHz范围内，增益大于6.7dB。 

本发明的一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得辐射方向图如图7A、图7B所示，该天线在2.8GHz～6.2GHz范围内，有很好的定性辐射特性。虽然有巴伦结构进行平衡馈电，但未受大的影响，只是稍有偏移和裂瓣。 

本发明的一种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线不但在2.8GHz～6.2GHz内驻波系数小于2，高增益，方向性稳定，而且尺寸小，剖面低。不但有良好的抗干扰能力，而且有利于系统的集成化。在无线通信，卫星通信和移动通信中具有广阔的应用前景。 

Claims (10)

1.一种低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：该天线包括有横向介质板(1)、纵向介质板(2)、反射板(3)、基板(4)和支撑柱(5)；横向介质板(1)的底部与反射板(3)的上部之间的间距18mm；横向介质板(1)与反射板(3)之间安装有四根支撑柱(5)，纵向介质板(2)置于横向介质板(1)与反射板(3)之间的中部，反射板(3)置于基板(4)的上方；

所述横向介质板(1)的上板面上设有第一背条(101)、第二背条(102)，第一背条(101)和第二背条(102)为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板(1)上形成；所述横向介质板(1)的下板面上安装有A振子(103)、B振子(104)；横向介质板(1)、第一背条(101)、第二背条(102)、A振子(103)和B振子(104)构成第一天线单元；所述纵向介质板(2)的一板面上安装有A梯形微带线(201)，所述纵向介质板(2)的另一板面上安装有B梯形微带线(202)；所述纵向介质板(2)的下部焊接在同轴线缆接头(6)上；纵向介质板(2)、A梯形微带线(201)和B梯形微带线(202)构成巴伦，也是第二天线单元；反射板(3)和基板(4)形成第三天线单元。

2.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：横向介质板(1)的上板面(1A)上设有第一弧形槽(1C)、第二弧形槽(1D)，且第一弧形槽(1C)与第二弧形槽(1D)结构相同；第一弧形槽(1C)的两端设有A通孔(1G)、B通孔(1H)；第二弧形槽(1D)的两端设有C通孔(1J)、D通孔(1K)；A通孔(1G)、B通孔(1H)、C通孔(1J)和D通孔(1K)用于实现振子与背条的短路连接；横向介质板(1)的下板面(1B)上设有第一蝶形槽(1E)、第二蝶形槽(1F)，且第一蝶形槽(1E)与第二蝶形槽(1F)的结构相同；所述第一蝶形槽(1E)是由第一半圆(111)和第一梯形(112)构成，所述第二蝶形槽(1F)是由第二半圆(113)和第二梯形(114)构成。

3.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：纵向介质板(2)的右板面(2A)上设有第一梯形槽(2C)；所述第一梯形槽(2C)内采用覆铜技术覆上铜材料形成A梯形微带线(201)；纵向介质板(2)的左板面(2B)上设有第二梯形槽(2D)；所述第二梯形槽(2D)内采用覆铜技术覆上铜材料形成B梯形微带线(202)。

4.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：横向介质板(1)采用介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃纤维布加工。

5.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：纵向介质板(2)采用介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃纤维布加工。

6.根据权利要求1所述的工作于S波段和C波段的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：反射板(3)为采用覆铜技术将铜蚀刻在基板(4)上方形成，反射板(3)厚度为0.01mm～0.1mm。

7.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：基板(4)的上方采用覆铜技术加工有反射板(3)。

8.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：所述双层印刷超宽带天线能够工作于S波段和C波段。

9.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：所述双层印刷超宽带天线在2.8GHz～6.2GHz的范围内，其驻波系数小于2。

10.根据权利要求1所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于：所述双层印刷超宽带天线在3GHz处增益达到9.8dB，在频段2.8GHz～6.2GHz范围内，增益大于6.7dB。

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