CN205248438U - 渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线，它由双椭圆组合辐射单元、渐变式共面波导、阶梯结构地板和同轴接头构成。双椭圆组合辐射单元为上下半径不同且轴比都为1.25的组合椭圆，采用该结构能够降低低频截止频率，增加低频有效电流路径长度，将辐射单元中间开一圆孔，调节带宽匹配，通过渐变式共面波导的方式对其进行馈电，降低辐射损耗，调节输入阻抗，地板采用阶梯结构，形成多谐振、宽频带和良好的全向性辐射特性。本天线具有宽频带、小型化、结构简单、加工方便、易于共形等特点，有效工作带宽为2.4～12.6GHz，辐射特性稳定，适用于近距离宽频带通信。

Description

渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线

技术领域

本实用新型涉及一种无线通信技术领域的天线，特别是一种渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线，适用于近距离宽频带通信。

背景技术

随着3G、WLAN、UWB等无线通信技术的迅猛发展，系统信道容量不断增加，信息传输速率不断提高，要求无线通信系统中的天线必须具备宽频带特性。近期，国内外公开一些新型的印刷单极子天线，不但缩小天线的体积而且拓展了应用的范围。实践证明，圆盘、方形、五边形、六边形单极子都有较宽的工作频带，但由于地平面与辐射单元垂直，形成非平面结构，不能与印刷电路集成起来，限制了其应用范围。螺旋、正旋、椭圆形以及改进的圆形、半椭圆形的单极子天线具有不同程度的宽频带特性，将矩形贴片切去一部分，将其上半部改成蝶形结构，改善馈线与缝隙之间的匹配，天线的带宽达到113％，将圆形贴片作馈源，采用共面波导馈电的印刷天线，能够将驻波比带宽增至145％，如果用椭圆形替代圆形馈源，能够使天线的带宽进一步增大到173％(1.3～20GHz)以上。微带天线具有重量轻、体积小、加工成本低、容易与有源器件集成等优点，但微带天线的波瓣宽度较窄，限制其应用于宽频带天线的范围。宽频带天线的设计应选择具有宽带特性的天线结构和馈电网络，共面波导这种馈电方式已经被广泛应用，共面波导馈电的天线与微带天线相比有较宽的带宽和较低的辐射损耗，具有良好的色散特性，能够提高天线效率，因辐射体、馈电导带和地板均在介质基板的同侧，所以加工方便。研究表明，采用共面波导馈电的椭圆形辐射贴片天线，相对带宽可达131.44％，频率覆盖2.85GHz～14.36GHz，在贴片上开槽能够实现陷波功能，通过增加匹配枝节可使天线阻抗带宽达到221％。宽频带天线的低截止频率是由低频时的有效电流路径长度决定的，在多边形、矩形振子上或是地板上开一些矩形槽或使用分形的方法，能够增加有效电路路径长度，降低低频截止频率，从而展宽频带。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种体积小、结构简单、加工方便的渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线，其辐射特性稳定，回波损耗较低，具有较宽的阻抗带宽和良好的全向辐射特性。

本实用新型的技术方案是，在F4B-2介质基板上印有一个中间开孔且上下不同半径的双椭圆组合辐射单元(1)、渐变式共面波导(2)和阶梯结构地板(3)，外接同轴接头(4)，双椭圆组合辐射单元(1)采用上下不同半径的双椭圆组合结构，为上下轴比都为1.25的组合椭圆，将辐射单元中间开一圆孔，渐变式共面波导(2)的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，地板采用阶梯结构，阶梯结构地板(3)与渐变式共面波导(2)之间设有一定的缝隙。

本实用新型的效果在于：本天线具有宽频带、小型化、结构简单、加工方便、易于共形等特点，通过调整上下椭圆半径、圆孔直径、地板阶梯结构尺寸，调节匹配带宽，利用渐变式共面波导作为馈源对缝隙进行激励，能够得到较宽的阻抗带宽，降低辐射损耗，提高天线的集成度。该天线具有宽频带特性，有效工作带宽覆盖2.4～12.6GHz，在工作频段内具有良好的全向辐射特性，增益稳定，适用于近距宽频带无线通信。

附图说明

图1是本实用新型实例xoy方向的结构示意图。

图2是本实用新型实例zoy方向的结构示意图。

图3是实用新型实例反射系数S₁₁随参数r₁、r₃的变化曲线。

图4本实用新型实例反射系数S₁₁随参数r₂的变化曲线。

图5本实用新型实例实测反射系数S₁₁曲线与仿真结果比较。

图6是本实用新型实例在频率为4.6、12.6、18.1GHz时的E面增益方向图。

图7是本实用新型实例在频率为4.6、12.6、18.1GHz时的H面增益方向图。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式是：如图1、2所示，本渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线是由印制在介质基板上的一个中间开孔且上下不同半径的双椭圆组合辐射单元(1)、渐变式共面波导(2)、阶梯结构地板(3)和外接的同轴接头(4)构成。双椭圆组合辐射单元(1)上下轴比都为1.25的组合椭圆，辐射单元采用上下不同半径的双椭圆组合结构，降低低频截止频率，增加低频有效电流路径长度，将辐射单元中间开一圆孔，改变金属表面电流流向，有效降低所需带宽内驻波比，提高天线工作带宽，通过渐变式共面波导的方式对其进行馈电，降低辐射损耗，调节输入阻抗，共面波导的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，地板采用阶梯结构，相当于一个分布式匹配网络，形成多谐振、宽频带和良好的全向性辐射特性，阶梯结构地板(3)与渐变式共面波导(2)之间设有一定的缝隙，通过渐变式共面波导(2)作为馈源对缝隙进行激励，等效于一个匹配网络，达到良好的阻抗匹配。

介质基板选择介电常数ε_r＝2.55的F4B-2型，厚度h＝0.2mm，介质损耗为0.001。介质基板l＝40mm、宽w＝40mm。

共面波导相对于微带线，具有色散低、辐射损耗小、容易同其它元器件串并连接、集成度高等优点。渐变式共面波导内导带终端为开路，作为馈源对缝隙进行激励，缝隙的结构等效于一个匹配网络，渐变式共面波导的阻抗特性由介质基板厚度h，相对介电常数ε_r，渐变式共面波导导带的长度l₂，宽度w₁、w₂，导带与阶梯结构地板之间的缝隙间隔g等参数共同决定，调节l₂、w₁、w₂、g，可以实现良好的阻抗匹配。渐变式共面波导阻抗特性的计算公式如下：

$z_0=\frac{30}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}\frac{k_0^{\′}}{k_0}$

其中ε_eff为渐变式共面波导的相对有效介电常数，表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\frac{k_1{k}_0^{\′}}{k_1^{\′}{k}_0}$

其中

为实现50欧姆的阻抗匹配，l₂的初始值为17.5mm，经计算导带宽度w₁＝2.5mm、w₂＝3.5mm，缝隙间隔g＝0.2mm。

阶梯结构地板的尺寸的计算公式为：

$c=\frac{a}{2f_0}{\left({\mathrm{\ϵ}}_e\right)}^{-1/2},d=\frac{a}{2f_0}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-1/2}$

其中ε_r表示介质基板的相对介电常数，ε_e表示等效介电常数，f₀表示天线的工作中心频率，ε_r与ε_e之间的关系由下式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{10h}{d})}^{-1/2}$

基于上述天线的设计，中心频率f₀＝12.5GHz，由以上公式计算得出c＝3.3mm，d＝4.9mm。

使用HFSS仿真软件进行优化设计，得出天线的初始结构尺寸：r₁＝8mm，r₂＝5mm，r₃＝11mm，l₁＝7.4mm，l₂＝17.5mm，c＝3.3mm，d＝4.9mm，w₁＝2.5mm，w₂＝3.5mm，g＝0.2mm，如图1所示。

使用HFSS仿真软件对天线性能进行对比分析，对主要参数下半椭圆半径r₁、匹配孔径r₂、上半椭圆半径r₃进行分析，通过调节这些参数改善阻抗匹配。

对上下椭圆半径r₁、r₃进行分析，r₁、r₃取不同的值时得到的回波损耗S₁₁曲线如图3所示。从图中可以看出，上下椭圆半径r₁、r₃对天线的谐振点和阻抗匹配产生一定的影响，选择合适的上下椭圆半径r₁、r₃大小能够得到良好的阻抗匹配和带宽，调整r₁、r₃可以降低天线低频段的截止频率，改善低频段的驻波特性，增加低频有效电流路径长度。当r₁＝7mm、r₃＝12mm时天线的匹配最佳，S₁₁≤-10dB的阻抗带宽覆盖2.8GHz～21.6GHz，谐振点位于12.4GHz处，稍偏离中心频率12.2GHz右侧。

对匹配孔径r₂进行分析，r₂取不同的值时得到的回波损耗S₁₁曲线如图4所示。从图中可以看出，在双椭圆组合辐射单元上合适的位置开一圆孔，可以改变辐射单元表面电流方向，优化天线的谐振频率和阻抗匹配，有效降低所需带宽内驻波比，提高了天线工作带宽。随着r₂的增加，S₁₁深度不断加深，阻抗匹配程度越来越好，谐振点也随着r₂增大而从左向右发生一定偏移。当r₂＝5.5mm时，能够得到良好的阻抗匹配及带宽，谐振点位于中心频率12.2GHz处，S₁₁≤-10dB的阻抗带宽覆盖2.4GHz～22GHz。

通过以上分析，得出渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线的主要结构参数：r₁＝7mm，r₂＝5.5mm，r₃＝12mm，l₁＝7.4mm，l₂＝17.5mm，c＝3.3mm，d＝4.9mm，w₁＝2.5mm，w₂＝3.5mm，g＝0.2mm。

在微波暗室中进行测试工作，使用Agilent矢量网络分析仪N5230A测试天线的回波损耗S₁₁曲线，实测天线的S₁₁曲线与仿真结果对比如图5所示，回波损耗小于-10dB的频率范围实测结果为2.4GHz～19.8GHz，天线具有宽频带特性，谐振点分别为4.6GHz、12.6GHz和18.1GHz，与仿真结果对比可以看出，测试的谐振点向右偏移，回波损耗S₁₁曲线深度加深，测量的S₁₁在低频处稍微上移，整个带宽有所下降，但曲线整体趋势是一致的。频率偏移的原因有介质基板相对介电常数的误差，手工焊接的馈电部分引入一定的损耗，测试时周围的环境对测量结果产生了影响。谐振点的增益方向图如图6、图7所示，天线的辐射方向图较好，E面近似为“8”字，H面近似全向辐射，频率升高时增益值降低，因高频时辐射单元与阶梯地板的电流分布发生改变，天线的电流越来越集中于阶梯结构地板与渐变式共面波导所夹的缝隙区域，形成向两侧辐射的结构，天线的E面方向图产生旁瓣，主辐射方向又回到近似水平，H面方向图的全向性有明显的恶化，但总体上仍是全向的，因高频时的波瓣有一定的恶化，可用频段覆盖2.4～12.6GHz。

实验结果表明，r₁、r₂、r₃等参数对天线谐振频率、阻抗带宽均会产生一定的影响。该天线可用频段覆盖2.4～12.6GHz，实际测量与仿真结果吻合良好，其辐射特性稳定，回波损耗较低，具有较宽的阻抗带宽和良好的全向辐射特性，结构简单、加工方便、易于共形，适用于近距宽频带无线通信。

Claims (1)

1.一种渐变式共面波导馈电的双椭圆组合单极子天线，由双椭圆组合辐射单元(1)、渐变式共面波导(2)、阶梯结构地板(3)和同轴接头(4)构成，其特征在于：双椭圆组合辐射单元(1)采用上下不同半径的双椭圆组合结构，由上下半径不同且轴比都为1.25的椭圆组合而成，将辐射单元中间开一圆孔，渐变式共面波导(2)的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，地板采用阶梯结构，阶梯结构地板(3)与渐变式共面波导(2)之间设有一定的缝隙。