CN102738571A - 基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超宽带微带天线。为提供满足超宽带通信系统的超宽带微带天线，本发明采取的技术方案是，基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线，包括接地板，FR4环氧介质基板，馈电网络和辐射贴片，馈电网络由复合左/右手传输线单元构成，复合左/右手传输线单元是以蛇行线形状蚀掉方形FR4环氧板表面金属层形成；由左至右依次串接4个复合左/右手传输线单元形成馈电网络，辐射贴片的金属层由一段以蛇行线布置的传输线和方型辐射面基板组成；馈电网络和辐射贴片设置在FR4环氧介质基板一面上，FR4环氧介质基板另一面为接地板。本发明主要应用于图像传感器的设计制造。

Description

基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线
技术领域
本发明涉及超宽带微带天线。具体讲，涉及基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线。
背景技术
为了解决频带资源的紧张以及应对高速通信的需求，能够与其他窄带系统共享频带的超宽带(Ultra Wideband)技术成为新型无线通信技术的焦点。随着2002年，美国联邦通信委员会发布超宽带通信系统的初步规范，将3.1-10.6GHz频段分配给超宽带通信使用，超宽带技术开始广泛应用于民用领域。UWB系统以其传输速率快、共享频谱资源、抗干扰能力强、保密性好、成本低、功耗小等特点正式走向商业化。在超宽带系统中，小型化、成本低、易于集成的UWB天线备受瞩目。学者们设计了多种超宽带天线以满足超宽带通信的需求。
复合左/右手传输线(Composite Right/Left-Handed Transmission Line)是一种兼具左手材料和右手材料性质的超电磁介质，由于其具有的奇异特性已成为电磁领域研究的前沿和热点，并在未来的微波设备研究中拥有不可估量的潜力。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供满足超宽带通信系统的超宽带微带天线，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，包括接地板，FR4环氧介质基板，馈电网络和辐射贴片，馈电网络由复合左/右手传输线单元构成，复合左/右手传输线单元是以蛇行线形状蚀掉方形FR4环氧板表面金属层形成，蛇行线转角均为直角，蛇行线由右至左形成长边，然后向上形成短边，再180度转折形成第2个长边，然后再向上形成短边，再180度转折形成第3个长边，依次类推经n次180度转折，蛇行线长边与方形FR4环氧板长边平行；由左至右依次串接4个复合左/右手传输线单元形成馈电网络，辐射贴片的金属层由一段以蛇行线布置的传输线和方型辐射面基板组成，一段以蛇行线布置的传输线的一端连接馈电网络依次串接的最后一个复合左/右手传输线单元，一段以蛇行线布置的传输线的另一端连接方型辐射面基板，馈电网络和辐射贴片设置在FR4环氧介质基板一面上，FR4环氧介质基板另一面为接地板。
复合左/右手传输线单元长度为4.1毫米，宽度为2.2毫米，蛇行线部分由左至右长为3.3毫米；方型辐射面基板的长、宽各为4.4毫米、3.2毫米；蛇行线布置的传输线长边与方型辐射面基板的短边平行，其长边到短边转角均为90度，蛇行线布置的传输线长边方向宽度与辐射面基板的短边等长，蛇行线布置的传输线最终的一个短边连接到方型辐射面基板短边中间位置。
本发明的技术特点及效果：
本发明采用复合左/右手传输线，基于一维微带线的典型结构设计了一种新型超宽带贴片天线。建立了基于电磁高频仿真软件HFSS的仿真模型，研究结果表明：本发明的天线在3.1-10.6GHz频段内的回波损耗小于-10dB，并且具有良好的辐射性能，满足超宽带系统对天线设计的要求。
附图说明
图1复合左/右手传输线天线结构及建模示意图。
图2复合左右手传输线单元几何图。
图3基于复合左右手传输线的超宽带贴片天线三维结构图。
图4CRLH TL单元级联个数不同时天线的S11图。图中：
(a)f＝4.9GHz,Phi=0°(b)f＝4.9GHz,Phi=90°
(c)f＝8.4GHz,Phi=0°(d)f＝8.4GHz,Phi=90°
图5不同工作频率时天线的方向图。
具体实施方式
天线包括接地板，介质基地FR4（环氧板），馈电网络和辐射贴片。
采用典型的一维微带线实现的复合左/右手传输线来构造天线，如图1所示。天线采用边馈，输入阻抗为50Ω，在馈电点和辐射贴片间加载匹配电路,以实现阻抗匹配。
通过使用高频仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）建立优化工程发现，复合左/右手传输线（CRLH TL）单元级联个数为影响天线工作带宽的重要参数。当CRLH TL单元级联个数n取不同值时，对天线仿真得到的S11参数如图4所示。
为了研究天线的辐射特性，运用HFSS软件对天线在4.9GHz和8.4GHz两个频率点的方向图进行了仿真。图5中(a)—(d)分别为上述两个频率点出天线在Phi=0°和Phi=90°时的方向图。
当n=2时，天线带宽为4.5-8GHz，不能完全覆盖FCC(Federal Communications Commission)分配给超宽带业务的频段；当n=3时，工作频段展宽到3.5-7.5GHz，并在6.7-7.2GHz频段内出现阻带，不能满足超宽带系统的要求；当n=4时，天线在3.0-10.8GHz频段内，回波损耗小于-10dB，完全覆盖了超宽带系统要求的3.1-10.6GHz频段；当n=5时，带宽急剧变窄，同时出现带外谐波。
因此，取n=4，即四个复合左/右手传输线单元级联。天线在4.9GHz和8.4GHz两个频率的回波损耗最小，分别为-21.09dB和-16.41dB，均远小于-10dB，阻抗匹配程度良好。
由图5可知，当工作频率在4.9GHz附近时，天线的辐射方向图呈倒8字形；当工作频率在8.4GHz附近时，天线具有全向辐射的特性。
本文采用复合左/右手传输线，基于一维微带线的典型结构设计了一种新型超宽带贴片天线。建立了基于电磁高频仿真软件HFSS的仿真模型，研究结果表明：此天线在在3.1-10.6GHz频段内的回波损耗小于-10dB，并且具有良好的辐射性能，满足超宽带系统对天线设计的要求。
取四个复合左右手传输线级联，末端接矩形贴片作为辐射单元。天线大小为18.915mm*10mm*0.508mm。
本文设计天线基底相对介电常数为3.2，tanδ=0.0029，厚度为0.508mm，三维结构图如图3所示，几何尺寸图如图2所示,单位mm。
馈电方式为边馈，输入阻抗50Ω.。

Claims (2)

1.一种基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线，包括接地板，FR4环氧介质基板，馈电网络和辐射贴片，其特征是，馈电网络由复合左/右手传输线单元构成，复合左/右手传输线单元是以蛇行线形状蚀掉方形FR4环氧板表面金属层形成，蛇行线转角均为直角，蛇行线由右至左形成长边，然后向上形成短边，再180度转折形成第2个长边，然后再向上形成短边，再180度转折形成第3个长边，依次类推经n次180度转折，蛇行线长边与方形FR4环氧板长边平行；由左至右依次串接4个复合左/右手传输线单元形成馈电网络，辐射贴片的金属层由一段以蛇行线布置的传输线和方型辐射面基板组成，一段以蛇行线布置的传输线的一端连接馈电网络依次串接的最后一个复合左/右手传输线单元，一段以蛇行线布置的传输线的另一端连接方型辐射面基板，馈电网络和辐射贴片设置在FR4环氧介质基板一面上，FR4环氧介质基板另一面为接地板。
2.如权利要求1所述的基于复合左/右手传输线的超宽带微带天线，其特征是，复合左/右手传输线单元长度为4.1毫米，宽度为2.2毫米，蛇行线部分由左至右长为3.3毫米；方型辐射面基板的长、宽各为4.4毫米、3.2毫米；蛇行线布置的传输线长边与方型辐射面基板的短边平行，其长边到短边转角均为90度，蛇行线布置的传输线长边方向宽度与辐射面基板的短边等长，蛇行线布置的传输线最终的一个短边连接到方型辐射面基板短边中间位置。
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