CN205016672U - 一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及小型化共面波导（CPW）馈电宽带印刷天线，包括第一U形单极子、第二U形单极子、CPW馈线、CPW缝隙、介质基板；本实用新型通过同时激励起三个辐射单元，即低频段为第一U形单极子和第二U形单极子作为主辐射体，中频段为第一U形单极子作为主辐射体，高频段为CPW馈线作为主辐射体，从而拓展了天线的工作带宽。本实用新型具有天线结构简单、小型化、宽频带和整个频带内保持辐射方向图稳定的优点，适用于以高速无线个域网、宽带无线局域网为代表的宽带通信系统，以及其它对带宽及频带内方向图稳定性要求较高的天线设计。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信技术的天线设计技术领域，涉及一种可靠通信的频带内方向图稳定的小型化共面波导馈电宽带印刷天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，电磁波作为信息传输的载体，发挥着越来越重要的作用。而天线，作为无线电设备中辐射或接收无线电波的装置，广泛应用于无线电通信装备、雷达、电子对抗设备和无线电导航等设备中。
宽带及超宽带无线技术，由于其具有传输速率高、系统容量大等优点，在高速无线个域网、智能无线局域网、户外对等网络以及传感、定位和识别网络等众多领域有着广泛的应用。随着移动通信事业在世界范围内的迅猛发展，移动通信系统在不断演进。移动通信系统已经从第三代WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA移动通信系统，发展到目前广泛投入使用的第四代宽带无线移动通信网络IMT-Advanced系统。欧盟委员会在2013年12月表示，将与企业合作，分别拿出7亿欧元和30多亿欧元，用于第五代（5G）移动通信系统的研发。第五代移动通信系统将提供全新的技术，实现在任何地点都能建立起人与人、人与汽车等的联系，并计划在2020年实现5G应用。我国在2013年投入1.6亿人民币，启动国家863计划《第五代移动通信（5G）系统前期研究开发（第一期）》项目,“系统地研究5G移动通信体系构架、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用关键技术”。移动用户数的快速增长和用户数据量的急剧增加，对移动通信系统的容量和更新提出了巨大的挑战。
为了同时满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用，也为了减小天线间的干扰并降低成本，当前比较成熟的技术是要求单个天线能在宽频带范围内工作。通过激励起单个天线的高次模,使得单天线工作在多谐振模式,从而拓展带宽。比较典型的是单极子天线。这种天线结构简单，加工成本低，能够实现几个倍频程的带宽。但是单极子天线在整个带宽内都工作在单极子模式，辐射方向图对单极子的电长度比较敏感。考虑到宽带及超宽带天线的带宽很宽，往往能达到几个倍频程，因而单极子的电尺寸在倍频程内变化了几倍，所以其辐射方向图在倍频程内畸变很严重，而且频率越高，畸变越明显。多谐振模式的单天线都存在这个问题。为了提高无线通信系统的有效性和保障无线通信系统的可靠性，也为了降低天线的成本，设计出在宽带和超宽带内保持稳定辐射方向图的平面型天线，对促进宽带无线通信的发展具有非常积极的贡献。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种工作频带内具有稳定方向图的小型化共面波导馈电宽带印刷天线。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线，包括：第一U形单极子（1），由三条宽度相同的微带线依次连接组成；
第二U形单极子（2），由三条宽度相同的微带线依次连接组成；
CPW馈线（3），为一段微带线，第一U形单极子（1）下臂（1a）与第二U形单极子（2）下臂（2a）关于其镜像对称；
CPW缝隙（4），由两个长度和宽度均相同的缝隙组成，关于CPW馈线（3）镜像对称；
介质基板（5），所述第一U形单极子（1）、第二U形单极子（2）、CPW馈线（3）、CPW缝隙（4）均设置于其一面。
第一U形单极子下臂和第二U形单极子下臂同时作为CPW馈电结构的金属地板。
第一U形单极子下臂与第二U形单极子下臂以及两个CPW缝隙关于CPW馈线镜像对称。
组成第一U形单极子和第二U形单极子的微带线宽度相同。
调整第一U形单极子、第二U形单极子、CPW馈线、CPW缝隙各参数值，可使各频段单极子工作模式与阻抗匹配，因此整个天线的阻抗在各频带内均可调节为50欧姆，实现整个天线与输入端同轴馈电端口的匹配。
CPW馈线与同轴探针相连，使用同轴探针进行馈电。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
（1）天线结构简单，制造成本低。
（2）提出同时激励起三个辐射单元，谐振在不同的工作频段，拓展了天线的工作带宽，满足了宽带无线通信系统对带宽的要求。
（3）采用具有相同方向图的单极子工作模式，使得天线在整个工作频带内都具有稳定的电磁辐射方向特性，保障了宽带无线通信的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本实用新型中天线的实施实例俯视图，图上标注的尺寸单位均为毫米（mm）。
图2为图1中天线的实施实例侧视图，图上标注的尺寸单位均为毫米（mm）。
图3为图1中天线实施实例的反射系数仿真图，其中：表示仿真的反射系数。
图4为图1中天线工作在2GHz的X-Y辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图5为图1中天线工作在2GHz的Y-Z辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图6为图1中天线工作在3GHz的X-Y辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图7为图1中天线工作在3GHz的Y-Z辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图8为图1中天线工作在4.44GHz的X-Y辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图9为图1中天线工作在4.44GHz的Y-Z辐射方向图，其中：表示仿真辐射方向图。
图10为图1中天线增益的仿真图，其中：表示仿真的增益值。
其中：
第一U形单极子1、第二U形单极子2、CPW馈线3、CPW缝隙4、介质基板5。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线的俯视图，天线结构包括第一U形单极子1、第二U形单极子2、CPW馈线3、CPW缝隙4、介质基板5。第一U形单极子1与第二U形单极子2均由三条宽度相同的微带线顺次连接组成，并且第一U形单极子1和第二U形单极子2微带线宽度相同。
CPW馈线3与同轴探针相连，使用同轴探针进行馈电。
第一U形单极子1下臂1a、第二U形单极子2下臂2a同时作为CPW馈电结构的金属地板。
如图1和2所示，介质基板5采用相对介电常数4.4、厚度1.6mm的FR4板材。所述第一U形单极子1、第二U形单极子2、CPW馈线3、CPW缝隙4均设置于介质基板5的同一面。
本实用新型的技术方案是这样实现的：如图1和图2所示的结构，当天线工作在较低频段时，第一U形单极子1和第二U形单极子2一起作为主辐射体，天线工作在单极子模式，调整第一U形单极子1和第二U形单极子2的总长度、第一U形单极子1和第二U形单极子2之间缝隙的相对位置和长度以及微带线宽带，可调节低频段的工作频率和阻抗匹配，此时电流分布集中在第一U形单极子1和第二U形单极子2上。如图1和图2所示的结构，当天线工作在中间频段时，第一U形单极子1作为主辐射体，天线工作在单极子模式，调整第一U形单极子1的长度和微带线宽度，可调节中间频段的工作频率和阻抗匹配，电流分布集中在第一U形单极子1上。如图1和图2所示的结构，当天线工作在较高频段时，天线工作为单极子模式，调整CPW馈线3的长度和宽度，可调节单极子模式的工作频率和阻抗匹配，电流分布集中在CPW馈线3上，CPW馈线3伸出金属地板部分长度约为四分之一个波长。因此，通过调整天线各参数，可激励起三个辐射单元，即低频段为第一U形单极1和第二U形单极子2作为主辐射体，中频段为第一U形单极子1作为主辐射体，高频段为CPW馈线3作为主辐射体，从而拓展了天线的工作带宽；由于天线在低频段、中频段和高频段都为单极子工作模式，具有相似的天线辐射图，因此本实用新型在整个工作频段内具有稳定的双向辐射特性。该实用新型的实施例的具体结果说明如下：
天线尺寸可按照图1和图2所示：组成第一U形单极子(1)和第二U形单极子2的微带线宽度均为8.8mm。第一U形单极子1的下臂1a外长27.1mm，另一条臂外长16.7mm，中间段内长27.4mm。第二U形单极子2的下臂2a外长27.1mm，另一条臂外长34.7mm，中间段内长27.4mm。第一U形单极子(1)的上臂和第二U形单极子(2)的上臂之间的缝隙长6mm。CPW馈线3的长度为25.6mm,宽度为1.2mm。两个CPW缝隙4宽度均为1mm。介质基板5长度为45mm，宽度为57.4mm，厚度为1.6mm。根据以上尺寸制作的天线的反射系数仿真结果如图3所示，-10dB带宽为3.6087GHz，从1.7866GHz到5.3953GHz。以图1和图2所示尺寸制作的天线的辐射方向图的仿真结果如图4所示，其中图4、图5为天线工作在2GHz时X-Y平面与Y-Z平面辐射方向图；图6、图7为天线工作在3GHz时X-Y平面与Y-Z平面辐射方向图；图8、图9为天线工作在4.44GHz时X-Y平面与Y-Z平面辐射方向图。可以看到，在给定的频率上，天线都具有稳定的双向辐射特性。我们定义天线在不同频率上的3-dB波束宽度为两个方向（+Y与-Y）3-dB波束宽度的总和。图4-图5所示，天线工作在2GHz时X-Y平面，3-dB波束宽度为150°；Y-Z平面，3-dB波束宽度为110°。图6-图7所示，天线工作在3GHz时X-Y平面，3-dB波束宽度为150°；Y-Z平面，3-dB波束宽度为155°。图8-图9所示，天线工作在4.44GHz时X-Y平面，3-dB波束宽度为100°；Y-Z平面，3-dB波束宽度为120°。可见天线的3-dB波束宽度都很宽。图1和图2所示尺寸制作的天线的增益如图10所示，在1.78GHz到5.40GHz频带内，天线增益在3.65dB到7.18dB波动。
所述天线系统可以在45×57.4mm2的平面空间内，实现3.6087GHz（从1.7866GHz到5.3953GHz）的带宽，而且整个工作频带内具有稳定的双向辐射特性。
除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线，其特征在于，它包括：
第一U形单极子（1），由三条宽度相同的微带线依次连接组成；
第二U形单极子（2），由三条宽度相同的微带线依次连接组成；
CPW馈线（3），为一段微带线，第一U形单极子（1）下臂（1a）与第二U形单极子（2）下臂（2a）关于其镜像对称；
CPW缝隙（4），由两个长度和宽度均相同的缝隙组成，关于CPW馈线（3）镜像对称；
介质基板（5），所述第一U形单极子（1）、第二U形单极子（2）、CPW馈线（3）、CPW缝隙（4）均设置于其一面。
2.根据权利要求1所述的一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线，其特征在于，第一U形单极子（1）下臂（1a）、第二U形单极子（2）下臂（2a）同时作为CPW馈电结构的金属地板。
3.根据权利要求1所述的一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线，其特征在于，组成第一U形单极子（1）和第二U形单极子（2）的微带线宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线，其特征在于，CPW馈线（3）与同轴探针相连，使用同轴探针进行馈电。
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| CN201520681133.XU CN205016672U (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105161837A (zh) * | 2015-09-06 | 2015-12-16 | 中国人民解放军63680部队 | 一种小型化共面波导馈电宽带印刷天线 |
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2015
- 2015-09-06 CN CN201520681133.XU patent/CN205016672U/zh not_active Expired - Fee Related
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