CN104617393B - 基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，涉及超宽带微带天线。设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个弧状枝节加载的宽匹配微带馈线结构，弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，微带馈线结构顶端形状设计为圆状；下表面良导体层由多边形缺陷地结构和偏心的正多边形辐射贴片组成，多边形缺陷地结构是在不规则金属面上挖去一个多边形宽缝，多边形宽缝的边数为3～9，不规则金属面由矩形和半圆形组成；正多边形辐射贴片为在所述多边形宽缝内嵌有的一个偏心的正多边形，偏心的正多边形的边数为3～9。阻抗带宽大、回波损耗低、增益高、辐射特性好、结构简单易加工，可很好应用于UWB通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种超宽带微带天线，尤其是涉及一种基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线。
背景技术
近年来，在社会的发展中,无线通信技术扮演了至关重要的角色。天线作为无线通信系统中的重要组成部件，在通信质量方面发挥着至关重要的作用。人们对无线通信系统的速度、容量及安全性方面的需求与无线频谱资源拥塞状况之间的矛盾日益加剧，拓宽频带的范围成为一件迫在眉睫的事情。
超宽带(Ultra-Wideband,UWB)技术是一种应用于高速无线数据传输和长距离定位的无线通信技术，具有传输效率高、功耗低、成本低、抗干扰能力强等优点，因而近年来成为无线通信的研究热点之一。
在2002年，FCC(Federal Communication Commission)也就是美国联邦通信委员会允许允许商业机构自由使用7.5GH(3.1GHz-10.6GHz)宽的频谱作为应用开发。自此，超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术引起了无线通信行业的广泛关注，并被认为是提高无线通信数据传输速率最有前景的技术。超宽带系统具有传输速率、高带宽极宽、能耗低保密性好、抗干扰能力强等优势，不管在通信领域、军事领域还是雷达系统等众多领域中都具有重要的理论价值和广泛的应用前景。
超宽带通信所具备的优势主要表现在以下方面：
1、相比于窄带通信系统，超宽带通信占有非常宽的频带，系统容量非常大。
2、超宽带通信系统传输速率高，通常可以达到几十Mbps到几百Mbps。
3、超宽带通信的保密性增强，超宽带通信系统的工作频带非常宽，那么信号能量就在这个非常宽的频带内弥散。超宽带通信的接收机采用跳时扩频技术，只有在已知发送端扩频码的情况下才能对发射的数据进行解码，而且发射功率谱密度特别低，使用传统的接收机将无法进行接收，有利于保密通信的进行。
4、超宽带通信抗多径干扰能力强，超宽带通信具有很强的抗多径干扰能力，与此同时超宽带通信的定位能力也十分精准。
5、超宽带通信消耗的电能较小，相同的电量超宽带通信系统电源的工作时间更长，且对人体的伤害更小。
目前，超宽带技术已经突破了起初只应用于雷达遥感和军事通信的局限性，成为了未来短距离通信、高速传输的民用以及商用无线通信系统的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供阻抗带宽大、回波损耗低、增益高、辐射特性好、结构简单易加工，可很好应用于UWB通信系统的一种基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线。
本发明设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个弧状枝节加载的宽匹配微带馈线结构，所述弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，所述微带馈线结构顶端形状设计为圆状；下表面良导体层由多边形缺陷地结构和偏心的正多边形辐射贴片组成，所述多边形缺陷地结构是在不规则金属面上挖去一个多边形宽缝，多边形宽缝的边数为3～9，所述不规则金属面由矩形和半圆形组成；所述正多边形辐射贴片为在所述多边形宽缝内嵌有的一个偏心的正多边形，偏心的正多边形的边数为3～9。
所述介质基板可采用陶瓷双面覆铜基板、陶瓷双面覆银基板、环氧复合板双面覆铜基板或环氧复合板双面覆银基板等，介质基板的相对介电常数可为2～8。
所述上表面良导体层是设有两个弧状枝节加载的微带馈线结构，所述微带馈线结构顶端形状可为圆状，顶端小圆半径可为1～4mm，馈线长可为9～14mm，宽可为2～4mm。
所述上表面良导体层的弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，所述圆弧结构的外圆弧半径可为2～7mm，内圆弧半径可为1～6mm，圆弧开口宽可为4～9mm。
所述多边形宽缝左右对称，多边形宽缝上下两对边长度可为9～14mm，多边形宽缝左上边和右上边长度为8～13mm，多边形宽缝左下边和右下边长度可为11～16mm，所述多边形缺陷地结构下边缘到介质基板下边缘的距离可为1～5mm。
所述不规则金属面由矩形和半圆形组成，半圆的半径可为13～18mm，矩形长可为28～33mm，宽为13～18mm。
所述偏心的正多边形的边长可为4～9mm，正多边形辐射贴片下边缘到缺陷结构下边缘间距为0.25～1.75mm。
本发明与常规微带线相比具有以下优点：
本发明采用多边形缺陷地结构，有效地实现了超宽带和全向辐射。同时，在矩形微带馈线的两边对称加载弧状枝节，更好地实现阻抗匹配，进一步改善了天线的性能，扩展了天线的带宽。在频带范围2.87～8.66GHz内实现回波损耗S11小于-10dB，电压驻波比VSWR小于2，相对带宽为108％，倍频带宽为5.64∶1。
附图说明
图1为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线上表面俯视图。
图3为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的上表面示意图。
图4为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的下表面示意图。
图5为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的下表面示意图。
图6为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的侧面示意图。
图7为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的回波损耗(S11)性能图。在图7中，直角坐标系的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB)。
图8为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线的电压驻波比(VSWR)性能图。在图8中，直角坐标系的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示电压驻波比Voltage Standing Wave Ratio。
图9为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线4GHz时的E面方向图。
图10为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线4GHz时的H面方向图。
图11为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线5GHz时的E面方向图。
图12为本发明实施例的基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带微带天线5GHz时的H面方向图。
在图9～12中，坐标为极坐标。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参照图1、2、6，图2中标注1为上表面良导体层，即上表面的微带馈线，图6中标注2为下表面良导体层，由图1中的标注的5、6两部分组成。图1中标注5为多边形缺陷地结构。图1中标注6为多边形宽缝内嵌有的一个偏心的正多边形辐射贴片。
参照图3和图5，介质基板的介电常数是3.2，基板边长为30.0±0.1mm，其基本形状是正方形。
图2中标注1为有两个弧状枝节加载的微带馈线结构，所述弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，所述微带馈线结构顶端形状设计为圆状。顶端小圆的半径R1为2±0.1mm，馈线高H为11.5mm±0.1mm。下表面微带馈线两边对称加载的弧状枝节，枝节加载于馈线高H3处，其中高H3为2.9±0.1mm，弧状枝节的的外圆弧半径Rf为4.6±0.1mm，内圆弧半径R0为3±0.1mm，圆弧开口宽W0为6mm±0.1mm。
参照图4和图5，图1中标注5的不规则金属面结构为半圆和矩形组成，半圆的半径R为15±0.1mm，多边形缺陷地结构是边长分别为a、b、c的对称六边形，其中a为10.8±0.1mm，b为12±0.1mm，c为13.5±0.1mm，缺陷结构下边缘到基板下边缘的距离H2为3±0.1mm。图1中标注6是边长d为7±0.1mm的偏心的正六边形辐射贴片，辐射贴片的下边缘到多边形宽缝的下边缘的距离H1为1±0.1mm。
参照图6，图中标注3为介质基板，图中标注4为SMA接头，SMA接头分别连接上下表面良导体层。
参照图7和图8可以看出，本发明天线在频带范围2.87～8.66GHz内实现回波损耗S11小于-10dB，电压驻波比VSWR小于2，相对带宽为108％，倍频带宽为5.64∶1。
参照图9和图10，为4GHz时E面方向图和H面方向图。
参照图11和图12，为5GHz时E面方向图和H面方向图。
整体来说该天线具有尺寸小、超宽带、辐射特性好、结构简单、易于加工、全向辐射等优点。
参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。
表1
注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。
Claims (10)
1.基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个弧状枝节加载的宽匹配微带馈线结构，所述弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，所述微带馈线结构顶端形状设计为圆状；下表面良导体层由多边形缺陷地结构和偏心的正多边形辐射贴片组成，所述多边形缺陷地结构是在不规则金属面上挖去一个多边形宽缝，多边形宽缝的边数为3～9，所述不规则金属面由矩形和半圆形组成；所述正多边形辐射贴片为在所述多边形宽缝内嵌有的一个偏心的正多边形，偏心的正多边形的边数为3～9。
2.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述介质基板采用陶瓷双面覆铜基板、陶瓷双面覆银基板、环氧复合板双面覆铜基板或环氧复合板双面覆银基板。
3.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述介质基板的相对介电常数为2～8。
4.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述上表面良导体层是设有两个弧状枝节加载的微带馈线结构，所述微带馈线结构顶端形状为圆状，顶端小圆半径为1～4mm，馈线长为9～14mm，宽为2～4mm。
5.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述上表面良导体层的弧状枝节加载结构为宽度渐变的对称圆弧结构，所述圆弧结构的外圆弧半径为2～7mm，内圆弧半径为1～6mm，圆弧开口宽为4～9mm。
6.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述多边形宽缝左右对称，多边形宽缝上下两对边长度为9～14mm，多边形宽缝左上边和右上边长度为8～13mm，多边形宽缝左下边和右下边长度为11～16mm。
7.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述多边形缺陷地结构下边缘到介质基板下边缘的距离为1～5mm。
8.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述不规则金属面由矩形和半圆形组成，半圆的半径为13～18mm，矩形长为28～33mm，宽为13～18mm。
9.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述偏心的正多边形的边长为4～9mm。
10.如权利要求1所述基于弧状枝节加载的多边形缺陷地结构超宽带天线，其特征在于所述正多边形辐射贴片下边缘到缺陷地结构下边缘间距为0.25～1.75mm。
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