CN105305055B - 超宽带双圆环形平面单极天线 - Google Patents

超宽带双圆环形平面单极天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带双圆环形平面单极天线，它由介质基板、印制在介质基板正面的双圆环形辐射单元、渐变结构微带线、印制在介质基板背面的椭圆槽形地板和外接的同轴接头构成。双圆环形辐射单元采用半圆环组合结构，展宽天线频带，通过改变辐射单元中间形成的圆形孔半径调节阻抗匹配，利用渐变结构微带线对辐射单元馈电，改善低频段的驻波特性，在介质基板背面下端的矩形地板上设有椭圆凹槽，地板上端和辐射单元下端在与介质基板表面平行方向上设有一定的缝隙，相当于一个匹配网络，进一步展宽天线的阻抗带宽。本天线具有超宽带、小型化、结构简单、加工方便等特点，有效工作带宽为2.8～13.5GHz，辐射特性好，达到短距超宽带通信应用的要求。

Description

超宽带双圆环形平面单极天线
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域的天线，特别是一种超宽带双圆环形平面单极天线，适合短程超宽带通信。
背景技术
随着高速电子集成电路的迅猛发展，为适应小型集成化的需求，超宽带天线以其低功耗、低成本、高安全性、高数据率以及抗多径干扰等优点受到广泛关注。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1～10.6GHz频段作为超宽带技术的应用频段，这使得超宽带印刷单极子天线成为研究的热点。超宽带天线通常具有一致的群时延和线性的相移、工作频带内高辐射效率、稳定的方向性和天线增益，而低剖面、小型化是当前超宽带天线的发展方向。用于超宽带的印制天线结构主要有单极天线、双极天线、分形结构、螺旋结构等，与其它结构相比，印制单极超宽带天线最为简单，并且具有显著紧凑尺寸和稳定的辐射特性。超宽带印刷单极天线一般由覆在介质基板两侧或同侧的单极贴片和导体地板构成，通过匹配网络、电抗加载、结构优化、增加馈电点等实现天线的宽频带和小型化设计，利用地板中央的微带线或共面波导进行馈电，具备体积小、剖面低、易与终端设备集成等特点，被无线通信系统广泛应用。印刷单级天线超宽带特性的实现一般通过优化辐射单元、接地面和馈源结构来实现，就辐射单元而言，心形、U形、圆形、椭圆形、叉指形等辐射单元和地板可以等效为传输TEM模电磁波的均匀渐变传输线，因此具有不同程度的宽频带特性，就馈电结构而言，主要有微带和共面波导两种，共面波导结构由于具有较低的辐射损耗和良好的色散特性，在增加带宽方面具有优势，但因自由度增加，其结构优化难度较大，微带天线具有体积小、重量轻、加工成本低、容易同有源器件集成等优点。在各类超宽带印制单极天线中，采用微带馈电的印制矩形单极天线结构最为简单，其它单极天线可近似为它的变形或结构优化。利用馈电结构增加带宽，最重要的是辐射单元下端与接地面间隙的调整，一种矩形槽地板的平面单极天线通过接地面切口，实现了4.8:1的阻抗带宽。改变馈电方式也可以有效降低天线的低频工作频率，如使用非中心馈电或多点馈电等，可以降低低频工作频率。一种矩形贴片印刷单极天线将单极贴片进行阶梯形过渡，通过微带进行馈电，地板上对应开矩形的槽，相当于在贴片单元与地板之间增加一个匹配网络，展宽了天线的带宽，该天线的尺寸为16×18mm，S11≤-10dB的频率覆盖范围3.1～11GHz。一种圆形贴片印刷单极天线使用圆形单极子贴片，利用微带馈电，阻抗带宽超过5.3:1，S11≤-10dB的频率覆盖2.27GHz～12GHz以上。一种环形槽圆盘单极天线将圆形单极贴片外增加一圆环，通过微带线串联并馈电，展宽天线带宽，在圆形贴片上开一矩形槽，通过调整槽与X轴的角度改善阻抗匹配，S11≤-10dB的频率覆盖2.127～12GHz。
发明内容
本发明的目的是提供一种尺寸小、带宽大、结构简单、回波损耗较低且具有较宽的阻抗带宽和良好的全向辐射特性的超宽带双圆环形平面单极天线。
本发明的技术方案是，一种超宽带双圆环形平面单极天线，由介质基板、印制在介质基板正面的双圆环形辐射单元(1)、渐变结构微带线(2)、印制在介质基板背面的椭圆槽形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，双圆环形辐射单元(1)采用内径相同且外径不同的同心半圆环组合结构，展宽天线频带，双圆环形辐射单元中间形成一圆形孔，通过改变圆形孔半径调节阻抗匹配，改进天线的全向性，通过渐变结构微带线(2)对辐射单元馈电，改善低频段的驻波特性，增加低频有效电流路径长度，渐变结构微带线(2)下端与同轴接头(4)内导体相连，便于外接同轴电缆，在介质基板背面下端的矩形地板上设有以辐射单元中心为圆心，轴比为1.3的椭圆凹槽，形成椭圆槽形地板(3)，椭圆槽形地板(3)上端与双圆环形辐射单元(1)下端在与介质基板表面平行方向上设有一定的缝隙，相当于一个匹配网络，进一步展宽天线的阻抗带宽，并实现全向性辐射。
本发明的效果在于：本天线具有超宽带、尺寸小、结构简单、便于加工等特点，通过调整上下圆环外径、圆孔直径、椭圆槽形半径，展宽阻抗带宽，利用渐变微带线作为馈源，能够改善低频段的驻波特性，增加低频有效电流路径长度。该天线具有超宽带特性，有效工作带宽覆盖2.8～13.5GHz，辐射特性好，增益稳定，达到短距超宽带通信应用的要求。
附图说明
图1是本发明实例的结构示意图。
图2是发明实例反射系数S11随参数r1、r2的变化曲线。
图3本发明实例反射系数S11随参数r3的变化曲线。
图4本发明实例反射系数S11随参数r4的变化曲线。
图5本发明实例的阻抗频率特性。
图6本发明实例实测反射系数S11曲线与仿真结果比较。
图7是本发明实例在频率为3、6、9GHz时的E面增益方向图。
图8是本发明实例在频率为3、6、9GHz时的H面增益方向图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：如图1所示，本超宽带双圆环形平面单极天线是由介质基板、印制在介质基板正面的双圆环形辐射单元(1)、渐变结构微带线(2)、印制在介质基板背面的椭圆槽形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成。双圆环形辐射单元(1)采用内径相同且外径不同的同心半圆环组合结构，展宽天线频带，双圆环形辐射单元中间形成一圆形孔，通过调整圆孔半径，改变辐射单元表面电流分布，降低所需带宽内驻波比，从而调节阻抗匹配，改进天线的全向性，通过渐变结构微带线(2)对辐射单元馈电，在优化阻抗匹配的同时降低辐射损耗，改善低频段的驻波特性，增加低频有效电流路径长度，渐变结构微带线(2)的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，在介质基板背面下端的矩形地板上设有以辐射单元中心为圆心，轴比为1.3的椭圆凹槽，形成椭圆槽形地板(3)，椭圆槽形地板(3)上端与双圆环形辐射单元(1)下端在与介质基板表面平行方向上设有一定的缝隙，相当于一个匹配网络，进一步展宽天线的阻抗带宽，并实现全向性辐射。
选择介电常数εr＝3.0的FR4型双面敷铜介质基板，厚度h＝1mm，介质损耗为0.001。介质基板l＝40mm、宽w＝40mm。微带天线具有体积小、重量轻、加工成本低、容易同有源器件集成等优点。要实现双圆环单极天线的超宽带特性应调整w1、w2，使其产生附加电抗特性，以进一步补偿随频率变化的电抗参量，从而展宽带宽。为达到尺寸小型化，微带线高度l2的可取略大于1/4等效波长，而微带线的平均宽度为1/2对应波长。天线的各个参数都会影响天线的带宽，根据带宽要求，天线的初始结构尺寸选择为：r1＝12mm，r2＝9mm，r3＝5mm，r4＝16mm，l1＝21mm，l2＝16.5mm，w1＝2.3mm，w2＝4.2mm，如图1所示。
使用HFSS仿真软件对天线性能进行对比分析，对主要参数上半圆环外径r1、下半圆环外径r2、匹配孔径r3、椭圆凹槽半径r4进行分析，通过调节这些参数改善阻抗匹配。
对上下半圆环外径r1、r2进行分析，r1、r2取不同的值时得到的反射系数S11曲线如图2所示。从图中可以看出，上下半圆环外径r1、r2对天线的阻抗匹配与谐振点均产生了一定的影响，当上半圆环外径r1增大时，反射系数S11深度加深，阻抗匹配越来越好，谐振点随下半圆环外径r2变小而向右发生一定偏移。当r1＝13mm、r2＝9mm时可以得到良好的阻抗匹配和带宽，S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖2.7GHz～13.6GHz，满足设计要求。
对匹配孔径r3进行分析，r3取不同的值时得到的反射系数S11曲线如图3所示。从图中可以看出，在双圆环辐射单元中间形成的匹配孔径能够改变辐射单元表面电流方向，引起各个谐振点的偏移，提高天线的工作带宽。随着r3的增加，天线的频率点增多，反射系数S11曲线下陷程度减小，阻抗匹配变差，谐振点也随着r3增大向左发生了一定偏移。当r3＝4mm时，能够得到良好的带宽和阻抗匹配，S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖2.6GHz～13.4GHz。
对椭圆凹槽半径r4进行分析，r4取不同的值时得到的反射系数S11曲线如图4所示。从图中可以看出，椭圆凹槽半径r4的变化对阻抗带宽影响较大，随着r4的增加，反射系数S11曲线下陷程度加深，低频段的带宽有所提高，高频段谐振点向右发生一定偏移，当r4＝18mm时，高频段产生失配现象，对带宽产生一定影响，当r4＝16mm时，能够得到良好的阻抗带宽，S11≤-10dB的阻抗带宽覆盖2.4GHz～13.7GHz。
图5为双圆环平面单极天线的阻抗频率特性仿真结果，从图中可以看出，在较宽的频率范围区间，天线的输入阻抗在匹配点附近，低频时呈现感抗特性，主要是由于低频时椭圆凹槽与双圆环辐射单元的间隙和地板两端凸起部分引入的电抗起到容抗作用，而双圆环辐射单元的电抗成分在容抗与感抗之间转换，需要椭圆凹槽与辐射单元的间隙和地面两端凸起所起的电抗成分随频率变化有相反的变化规律。因此，引入椭圆凹形地板使辐射单元与接地面的垂直与平行关系增加，等同于电容变量与电感变量的增加，更加有利于天线的电抗成分补偿。
通过以上分析，得出双圆环平面单极天线的主要结构参数：r1＝13mm，r2＝9mm，r3＝4mm，r4＝16mm，l1＝21mm，l2＝16.5mm，w1＝2.3mm，w2＝4.2mm。
在微波暗室进行测试，使用矢量网络分析仪测试天线的反射系数S11曲线，实测天线的S11曲线与仿真结果对比如图6所示，从天线的阻抗随频率的变化趋势上看，实测值与仿真值保持了较好的一致性，在低频段实测值与仿真值基本相符，随着频率的增加，实测值与仿真值出现了一定的偏差，并且出现了波动，谐振点偏离仿真值，主要是由于高频段对应的等效波长变小，手工焊接馈电部分引入一定误差，降低了输入端口的驻波系数，引起一些关键参数发生微小变化。反射系数小于-10dB的频率范围实测结果为2.8GHz～13.5GHz，天线具有宽频带特性，谐振特性较为明显，平衡相邻谐振点的谐振强弱或者调整谐振位置能够增加带宽。
天线在频率为3、6、9GHz时的增益方向图如图7、图8所示，天线的辐射方向图较好，E面辐射方向图近似为“∞”，形状稍有些不规则，H面辐射方向图近似全向，随着频率的升高，方向性变化不大，天线的尺寸相对于波长变大，电流分布近似为多个小天线组成的天线阵列，引起辐射场发生叠加而产生旁瓣，在高频f＝9GHz时，E面辐射方向图产生旁瓣，H面辐射方向图基本保持全向辐射特性。
实验结果表明，通过调整双圆环辐射单元、渐变结构微带线、椭圆槽形地板的尺寸可以提高天线的阻抗带宽。对辐射单元进行双圆环组合设计，调整馈源结构，同时在接地面上端采用椭圆凹槽结构，调整椭圆凹槽和辐射体在与介质基板表面平行方向上的间隙，能够大幅度展宽天线阻抗带宽，天线阻抗带宽覆盖2.8～13.5GHz达到4.82:1，实际测量与仿真结果吻合良好，其回波损耗较低，辐射特性稳定，具有较宽的阻抗带宽，结构简单，加工方便，适用于短距超宽带无线通信。

Claims (1)

1.一种超宽带双圆环形平面单极天线，由介质基板、印制在介质基板正面的双圆环形辐射单元(1)、渐变结构微带线(2)、印制在介质基板背面的椭圆槽形地板(3)和外接的同轴接头(4)构成，其特征在于：双圆环形辐射单元(1)采用内径相同且外径不同的同心半圆环组合结构，展宽天线频带，双圆环形辐射单元中间形成一圆形孔，通过改变圆形孔半径调节阻抗匹配，改进天线的全向性，通过渐变结构微带线(2)对辐射单元馈电，改善低频段的驻波特性，增加低频有效电流路径长度，渐变结构微带线(2)下端与同轴接头(4)内导体相连，便于外接同轴电缆，在介质基板背面下端的矩形地板上设有以辐射单元中心为圆心，轴比为1.3的椭圆凹槽，形成椭圆槽形地板(3)，椭圆槽形地板(3)上端与双圆环形辐射单元(1)下端在与介质基板表面平行方向上设有一定的缝隙，相当于一个匹配网络，进一步展宽天线的阻抗带宽，并实现全向性辐射。
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