CN102723593A - 单层印刷电路结构的对数周期微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，该天线是采用覆铜技术在介质基板(10)上制作出N个辐射贴片(1)和微带线阻抗变换元件(2)；微带线阻抗变换元件(2)上设有馈电点(21)、微带线梯形臂(22)和微带线长臂(23)；N个辐射贴片(1)分别置于微带线长臂(23)上下方，辐射贴片的构形尺寸为逐渐递增的，且有构形尺寸比例因子

采用较大比例因子能够减少微带贴片单元数，减小天线尺寸，并降低制作成本。本发明天线具有优良的结构强度并可通过标准单层PCB工艺加工，天线辐射效率高。

Description

单层印刷电路结构的对数周期微带天线

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的天线，具体是一种超宽带单层印刷电路结构的对数周期微带天线。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，超宽带技术在无线通信、电子对抗、雷达、地质勘探以及医学成像等众多领域越来越多地被采用。超宽带通信技术具有抗干扰能力强、传输速率高、消耗电能少、保密性好、发送功率小等优点。基于超宽带技术的医学成像可以有效穿透人体，形成高精度的医学影像。电子对抗技术是信息化战争的重要技术环节，可能直接影响未来战争的走势。超宽带天线技术是上述超宽带系统中的关键技术之一。

微带天线是一种较为成熟、应用广泛的天线形式，具有很低的整体剖面、宽定向波束以及较高的增益，同时也是一种良好的共形辐射器。然而，微带天线的阻抗带宽很窄，特别是单层微波介质上刻蚀的谐振型贴片天线的带宽仅有中心频率的百分之几。

经对现有技术的文献检索发现，采用串馈对数周期方式提升微带天线的阻抗带宽长期以来都是现代天线技术中的研究热点之一，P.S.Hall发表在1980年2月电子快报(Electronics Letters)的文章：宽频带对数周期微带天线(New widebandmicrostrip antenna using log-periodic technique)，提出了一种双层介质结构的对数周期微带天线，天线结构较复杂，且终端吸收负载严重影响天线效率，尤其在工作频率的两端天线的效率至少损失10％；M.K.A.Rahim等人发表在2007年的国际电气电子学会国际超宽带会议中的(IEEE International Conference onUWB)的文章：U形和直形超宽带对数周期天线性能比较(Comparison betweenstraight and U shape of ultra wide band Microstrip antenna using LogPeriodic technique)，提出一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，同时在馈线终端采用微带天线阵元截断。这种天线虽然能实现超宽带性能，但是天线的比例因子仅为1.05，采用17个微带贴片单元也仅能获得2.18∶1的带宽。因此天线尺寸较大，无法在移动无线设备中有效集成，在各种飞行器中的布局也十分困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，采用微带线共面耦合的馈电方式，高效可靠；通过调节最后一个矩形贴片末端与微带线馈线末端的间距T以补偿微带线馈线终端反射对天线阻抗匹配的影响，可以替代通常采用的终端吸收负载，提高天线效率；采用较大的具有对数周期的构形尺寸比例因子，可以减少所需的微带贴片单元数，减小天线尺寸。本发明天线具有优良的结构强度并可通过标准单层PCB工艺加工，天线辐射效率高，所需的微带贴片数量少，天线尺寸小巧，制作成本低。

本发明的一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，该天线是采用覆铜技术在介质基板(10)上制作出N个辐射贴片(1)和一个微带线阻抗变换元件(2)；所述N个辐射贴片(1)的构形尺寸为逐渐递增的；

所述微带线阻抗变换元件(2)上设有馈电点(21)、微带线梯形臂(22)和微带线长臂(23)；

所述N个辐射贴片(1)设置在微带线阻抗变换元件(2)的微带线长臂(23)的上下位置；即每两个置于微带线长臂(23)上方的辐射贴片之间放置一个置于微带线长臂(23)下方的辐射贴片；

所述微带线阻抗变换元件(2)的馈电点(21)作为连接同轴线缆馈电的端口。

在本发明中，第一个辐射贴片的长、宽尺寸应当满足在天线阻抗带宽最高频率对应波长λ_max的八分之一至二分之一之间，最后一个辐射贴片的长、宽尺寸应当满足在天线阻抗带宽最低频率对应波长λ_min的八分之一至二分之一之间。

本发明单层印刷电路结构的对数周期微带天线的优点：

①本发明和现有技术相比，其效果是积极和明显的。本发明采用单层微带印刷结构，加工成本低、结构强度好、可靠性高，同时加工成本低。

②本发明可以采用值为1.10的构形尺寸比例因子，只需少量的微带贴片单元即可获得超宽工作频带，极大地减小了天线尺寸。

③本发明通过调节辐射贴片末端与微带线馈线末端间距可以补偿微带线馈线终端反射对天线阻抗匹配的影响，其辐射效率较采用终端吸收负载的天线更高。

附图说明

图1是本发明一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线的正面结构示意图。

图1A是标注尺寸的单层印刷电路结构的对数周期微带天线的正面结构示意图。

图2是实施例结构下的单层印刷电路结构的对数周期微带天线的正面结构图。

图3是实施例构形天线的仿真和测试驻波系数曲线图。

图4A是实施例构形天线的天线H面测试方向图。

图4B是实施例构形天线的天线E面测试方向图。

图5是实施例构形天线在相关频率上的仿真和测试增益图。

1.辐射贴片	11.上辐射单元组	12.下辐射单元组
			101.第一个辐射贴片	102.第二个辐射贴片	103.第三个辐射贴片
104.第i-1个辐射贴片	105.第i个辐射贴片	106.第i+1个辐射贴片
			107.第N-1个辐射贴片	108.第N个辐射贴片	2.微带线阻抗变换元件
21.馈电点	22.微带线梯形臂	23.微带线长臂

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，该天线是采用覆铜技术在介质基板10上制作出N个辐射贴片1和微带线阻抗变换元件2；介质基板10的材料为玻璃纤维聚四氟乙烯；所述N个辐射贴片1的构形尺寸为逐渐递增的；辐射贴片为金属铜材料。

所述微带线阻抗变换元件2上设有馈电点21、微带线梯形臂22和微带线长臂23；微带线梯形臂22为梯形结构；微带线长臂23为矩形结构；

所述N个辐射贴片1可以是第一个辐射贴片101、第二个辐射贴片102、第三个辐射贴片103、……、第i-1个辐射贴片104、第i个辐射贴片105、第i+1个辐射贴片106、……、第N-1个辐射贴片107、第N个辐射贴片108；

所述N个辐射贴片1设置在微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的上下位置；即第一个辐射贴片101、第三个辐射贴片103、第i个辐射贴片105、第N个辐射贴片108设置在微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的上方；第二个辐射贴片102、第i-1个辐射贴片104、第i+1个辐射贴片106、第N-1个辐射贴片107设置在微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的下方。设置在微带线长臂23上方的辐射贴片可以称为上辐射单元组11；设置在微带线长臂23下方的辐射贴片可以称为下辐射单元组12。

在本发明中，每两个置于微带线长臂23上方的辐射贴片之间放置一个置于微带线长臂23下方的辐射贴片，即：

第一个辐射贴片101与第三个辐射贴片103之间放置有第二个辐射贴片102；

第三个辐射贴片103与第i个辐射贴片105之间放置有第i-1个辐射贴片104；

同理可得，第i个辐射贴片105之后的下方放置有第i+1个辐射贴片106；第N个辐射贴片108之前的下方放置有第N-1个辐射贴片107。

本发明设计的对数周期微带天线的位置关系为：所述微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23设置在所述上辐射单元组11与下辐射单元组12之间；所述微带线阻抗变换元件2的微带线梯形臂22设置在上辐射单元组11与下辐射单元组12的左端；所述微带线阻抗变换元件2的馈电点21作为连接同轴线缆馈电的端口。

本发明天线构形尺寸设置：

介质基板10的长记为L₁₀(单位mm)，介质基板10的宽记为W₁₀(单位mm)，介质基板10的厚记为3mm。

微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的上轮廓边线与上辐射单元组11的排列边线之间的间距记为G₁₁；微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的下轮廓边线与下辐射单元组12的排列边线之间的间距记为G₁₂；且G₁₁＝G₁₂。所述辐射元件与微带线馈线通过缝隙耦合馈电，其间距G₁₁＝G₁₂用于调节天线的阻抗匹配。微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23端部与第N个辐射贴片108的右端边线的间距记为T(简称为馈线端距T)。G₁₁和G₁₂的取值为0.1mm～0.5mm。T的取值为1mm～4mm。所述辐射元件的最后一个辐射贴片右端端部与微带线长臂23端部的间距T，是用于补偿微带线馈线终端反射对天线阻抗匹配的影响。馈电点21的轴向长记为L₂₁(单位mm)，微带线梯形臂22的轴向长L₂₂(单位mm)，微带线长臂23的轴向长L₂₃(单位mm)。

第一个辐射贴片101的长记为L₁₀₁(单位mm)，第一个辐射贴片101的宽记为W₁₀₁(单位mm)；

第i-1个辐射贴片104的长记为L_i-1(单位mm)，第i-1个辐射贴片104的宽记为W_i-1(单位mm)；

第i个辐射贴片105的长记为L_i(单位mm)，第i个辐射贴片105的宽记为W_i(单位mm)；

第i+1个辐射贴片106的长记为L_i+1(单位mm)，第i+1个辐射贴片106的宽记为W_i+1(单位mm)；

第N个辐射贴片108的长记为L_N(单位mm)，第N个辐射贴片108的宽记为W_N(单位mm)；

第i-1个辐射贴片104与第i个辐射贴片105之间的中心间距记为D_i-1，i；

第i个辐射贴片105与第i+1个辐射贴片106之间的中心间距记为D_i，i+1。

在本发明中，构形尺寸之间的关系有：

L_i-1＜L_i＜L_i+1；W_i-1＜W_i＜W_i+1；D_i-1，i＜D_i，i+1；

L₁₀＝(75～85)T；W₁₀＝(25～28)T；

$G_{11}=G_{12}=\frac{1}{20}T;$

L₁₀₁＝(3.5～4)T；W₁₀₁＝(3～3.5)T；

L₂₂＝3L₂₁，L₂₃＝(1.5～2)W₁₀。

在本发明中，根据辐射贴片的长、宽和中心间距的尺寸构形，上下相邻辐射贴片之间的构形尺寸比例因子关系为

且k＝1.01～1.10，k表示构形尺寸比例因子。

本发明通过调节辐射贴片的尺寸、辐射贴片与微带线馈线的间距、构形尺寸比例因子k以及馈线端距T，能够实现对数周期微带天线的超宽带性能。所述第一个辐射贴片101的长L₁₀₁、宽W₁₀₁尺寸应当满足在天线阻抗带宽最高频率对应波长λ_max的八分之一至二分之一之间，第N个辐射贴片108的长L_N、宽W_N尺寸应当满足在天线阻抗带宽最低频率对应波长λ_min的八分之一至二分之一之间。所需辐射贴片个数由构形尺寸比例因子k决定，构形尺寸比例因子k的取值范围在1.01～1.10之间。

实施例

参见图1A、图2所示，一种具有11个辐射贴片的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其具体尺寸为：

(1)介质基板选用玻璃纤维聚四氟乙烯材料，其长度为L₁₀＝320mm，宽度为W₁₀＝110mm，厚度为3mm；介质基板的相对介电常数为2.65、损耗角正切为0.005；

(2)第一个辐射贴片111的长L₁₁₁＝13mm，第一个辐射贴片111的宽W₁₁₁＝15mm；依据构形尺寸比例因子k＝1.10；

辐射贴片的排列个数为11个，其中上辐射贴片有6个，下辐射贴片5个，如图2所示。11个辐射贴片是指第一个辐射贴片111、第二个辐射贴片121、第三个辐射贴片112、第四个辐射贴片122、第五个辐射贴片113、第六个辐射贴片123、第七个辐射贴片114、第八个辐射贴片124、第九个辐射贴片115、第十个辐射贴片125、第十一个辐射贴片116；

第一个辐射贴片111与第二个辐射贴片121之间的中心间距13mm；

(3)微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的上轮廓边线与上辐射单元组11的排列边线之间的间距记为G₁₁；微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23的下轮廓边线与下辐射单元组12的排列边线之间的间距记为G₁₂；且G₁₁＝G₁₂＝0.2mm；

(4)微带线阻抗变换元件2的微带线长臂23端部与第N个辐射贴片114之间的馈线端距T＝4mm。

采用HFSS软件(HFSS V12.0)对图2所示的结构进行全波分析，其驻波系数曲线如图3所示。图中测试值采用矢量网络分析仪测试得到。该天线的阻抗带宽在2.26GHz～6.85GHz，说明设计的具有11个辐射贴片的对数周期微带天线实现了超宽带性能。

图4A是实施例天线的H面辐射方向图，图4B是实施例天线的E面辐射方向图，图4A和图4B中的仿真值采用HFSS软件进行全波分析得到，测试值在微波暗室中测试得到。该天线在其工作频段中实现了稳定的定向辐射波束。

图5是实施例天线的增益。图中仿真值采用HFSS软件进行全波分析得到，测试值在微波暗室中测试得到。该天线在2.4GHz～6.6GHz的频带范围内增益高于6.5dB，增益波动小于2.4dB。

Claims (6)

1.一种单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于：该天线是采用覆铜技术在介质基板(10)上制作出N个辐射贴片(1)和一个微带线阻抗变换元件(2)；所述N个辐射贴片(1)的构形尺寸为逐渐递增的；

所述微带线阻抗变换元件(2)上设有馈电点(21)、微带线梯形臂(22)和微带线长臂(23)；

所述N个辐射贴片(1)设置在微带线阻抗变换元件(2)的微带线长臂(23)的上下位置；即每两个置于微带线长臂(23)上方的辐射贴片之间放置一个置于微带线长臂(23)下方的辐射贴片；

所述微带线阻抗变换元件(2)的馈电点(21)作为连接同轴线缆馈电的端口。

2.根据权利要求1所述的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于：介质基板(10)的材料为玻璃纤维聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于：辐射贴片为金属铜材料。

4.根据权利要求1所述的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于辐射贴片构形尺寸之间的关系有：

L_i-1＜L_i＜L_i+1；W_i-1＜W_i＜W_i+1；D_i-1，i＜D_i，i+1；

L₁₀＝(75～85)T；W₁₀＝(25～28)T；

L₁₀₁＝(3.5～4)T；W₁₀₁＝(3～3.5)T；

L₂₂＝3L₂₁，L₂₃＝(1.5～2)W₁₀；

构形尺寸比例因子关系为

且k＝1.01～1.10，k表示构形尺寸比例因子。

5.根据权利要求1所述的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于：所述第一个辐射贴片(101)的长L₁₀₁、宽W₁₀₁尺寸应当满足在天线阻抗带宽最高频率对应波长λ_max的八分之一至二分之一之间，第N个辐射贴片(108)的长L_N、宽W_N尺寸应当满足在天线阻抗带宽最低频率对应波长λ_min的八分之一至二分之一之间。

6.根据权利要求1所述的单层印刷电路结构的对数周期微带天线，其特征在于：该对数周期微带天线的阻抗带宽在2.26GHz～6.85GHz，且在2.4GHz～6.6GHz的频带范围内增益高于6.5dB，增益波动小于2.4dB。

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