專利名稱：超寬帶高增益印刷縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種印刷縫隙天線，特別是一種超寬帶高增益印刷天線，既可用于接收也可用于發(fā)射無線電波。在軍事方面，可用作電子偵察和電子干擾、電磁防護及探地雷達等超寬頻帶無線電設(shè)備的終端天線。在民用方面，可作為短程超寬帶(UWB)通信的基站天線，以及家用無線通信超寬帶天線等。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電子戰(zhàn)設(shè)備正向多功能一體化、小型集成化、模塊化、智能化的方向不斷邁進。現(xiàn)有的超寬帶天線由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和龐大的體積已經(jīng)無法與先進的高集成系統(tǒng)相結(jié)合，研究小型化、高增益的超寬帶天線已日益重要。同時由于這種天線頻帶寬，能覆蓋多個通信頻段，因此可以減少通信系統(tǒng)所需天線的數(shù)目，進而降低系統(tǒng)造價、減輕重量，并有利于系統(tǒng)的電磁兼容。
縫隙天線以其平面結(jié)構(gòu)且易與載體共形，饋電網(wǎng)絡(luò)與天線結(jié)構(gòu)一起集成等優(yōu)點，自從上世紀40年代起就受到廣泛的關(guān)注，發(fā)展到今天，寬帶縫隙天線主要分為三類漸變縫隙天線、共面波導(dǎo)(CPW)饋電縫隙天線和微帶饋電縫隙天線。漸變縫隙天線如Vivaldi天線，能在一個很寬頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作(鐘順時，微帶天線理論與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，1991116-126)。但是這種天線的應(yīng)用也受到一定的限制，因為它是一種端射天線，縱向尺寸大，不便與平面電路集成。共面波導(dǎo)饋電縫隙天線和微帶饋電縫隙天線都具有邊射形式方向圖。共面波導(dǎo)饋電縫隙天線主要有蝶形、三角形等形式，其阻抗帶寬達到40％到75％(Jun-Wei Niu and Shun-Shi Zhong，A CPW-fedbroadband slot antenna with linear taper.Microwave Optical Technology Letter，41(2004)，218-221)。傳統(tǒng)的微帶饋電縫隙天線是在天線的接地面上開一個窄長方形或圓環(huán)形的縫隙，通過另一側(cè)的微帶饋線進行饋電。這種天線由于其自身結(jié)構(gòu)的限制，存在帶寬較窄的缺點，而且是雙向輻射的，從而限制了它的增益。經(jīng)過眾多研究者的不斷努力，目前在微帶饋源結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了很多新形式，如“T”形(Y.W.Jang，Broadband T andshunt-stub shaped microstrip-fed slot antenna backed by a ground plane.Microwave andOptical Technology Letters，32(2002)278-280)、“十字”形(Y.W.Jang，Broadbandcross-shaped microstrip-fed antenna.Electronics Letters，7th，Dec.20002057-2058)、“II”形(Yong-Woong Jang，Experimental study of large bandwidth three-offsetmicrostripline-fed slot antenna.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，11(2001)425-427)等，使其帶寬得到了很大的展寬，擠進超寬帶天線行列。除此之外，在縫隙形式上用圓形或環(huán)形縫隙代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形縫隙也獲得了更寬的帶寬(Yong-Woong Jang and Hiroyuki Arai，Wideband and high-gain triple-offset-fed ring-slotantenna backed by ground plane.Microwave and Optical Technology Letters，41(2004)161-162；Y.W.Jang，A broadband cross-shaped cross-shaped no-offset ring slotantenna，Microwave and Optical Technology Letter，2003(36)61-63；C.-S.Hong，Smallannular slot antenna with capacitor loading，Electron Letter，36(2000)110-111)。以上新設(shè)計中已達到的最寬阻抗帶寬(電壓駐波比VSWR≤2)為94.3％，其比帶寬為2.75∶1，而其增益約為4.5dB～6.8dB。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的超寬帶高增益印刷縫隙天線，不但具有良好的超寬帶阻抗特性，而且具有相對較高的增益，容易加工，便于與有源電路集成。
本發(fā)明構(gòu)思如下本發(fā)明主要是由微帶饋線的扇形終端和水平枝節(jié)連接構(gòu)成輻射縫隙的饋源，以獲得超寬帶阻抗特性，并附加了反射板以獲得較高的增益，從而制成一種具有超寬帶與高增益特性的天線，使得縫隙天線大家族中增添了新的一員。可滿足目前電子對抗、PCS、IMT-2000、ISM、移動與超寬帶通信及電磁干擾防護等系統(tǒng)對超寬帶天線的需求。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種超寬帶高增益印刷縫隙天線，包括一塊介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的一側(cè)有印制的金屬接地板，金屬接地板上開有縫隙，而另一側(cè)貼有微帶饋源，其特征在于a.所述的縫隙為矩形縫隙，其內(nèi)有一個圓形金屬貼片；b.所述的微帶饋源由扇形終端與水平枝節(jié)相連接構(gòu)成；c.所述的介質(zhì)基板沿縫隙長度方向兩側(cè)各延長一段有效長度(l)；d.在所述的介質(zhì)基板背后附加一塊銅箔反射板。
上述的矩形縫隙的長度ls＝(0.6±0.05)λl，式中λl為最低工作頻率的波長，而矩形縫隙的寬度Ws為矩形縫隙長度ls的2/3。
上述的圓形金屬貼片的半徑rp＝(0.07±0.01)λl，圓心與矩形縫隙邊緣的距離為sx＝(0.3±0.05)λh，sy＝(0.5±0.05)λh，式中λl為最低工作頻率的波長，λh為最高工作頻率的波長。
上述的微帶饋源的扇形終端的半徑r為最高工作頻率的波長λh的0.4±0.05倍；其扇形張角范圍為110°～140°。
上述的微帶饋源的水平枝節(jié)的長度為工作頻段中心頻率波長λ0的1/2，即ld=λ02=λl+λh4.]]>上述的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2～5，其損耗角正切不大于10-3。
上述的介質(zhì)基板沿縫隙長度方向兩側(cè)各延長一段有效長度為(0.25±0.05)λl，式中λl為最低工作頻率的波長。
上述的銅箔反射極置于介質(zhì)基板背后距離為1/4工作頻段中心頻率波長處。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明采用微帶饋線的扇形終端與水平枝節(jié)組成微帶饋源，并引入圓形金屬貼片以獲得超寬帶阻抗特性，采用寬縫隙作為主要輻射源，實現(xiàn)超過3個倍頻的阻抗帶寬(電壓駐波比VSWR≤2)；并采用反射板提高了天線增益，使其帶寬范圍上的增益達到5.5～8dB；將介質(zhì)基板適當延伸使上半空間形成較寬的方向圖，以改善輻射特性。本天線采用微帶饋線，接口為同軸接頭，設(shè)計精巧，容易加工，便于與有源電路集成。
圖1是本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為正視圖，圖(b)為介質(zhì)基板背面的反向視圖。
圖2是本發(fā)明天線實物照片圖。
圖3是天線的實測駐波比圖。
圖4是天線的實測阻抗軌跡圖。
圖5是2.0GHz頻點上的實測方向圖。
圖6是4.0GHz頻點上的實測方向圖。
圖7是6.0GHz頻點上的實測方向圖。
圖8是天線的實測增益圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例參見圖1和圖2。圖2是根據(jù)某一頻段而設(shè)計加工的實物圖。天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由印制在介質(zhì)基板1一側(cè)銅箔接地板2上的矩形縫隙3、圓形金屬貼片4以及另一側(cè)的微帶饋源5及一單面覆銅反射板6組成。該微帶饋源5下端與同軸接頭7內(nèi)導(dǎo)體相接，而接頭外導(dǎo)體與另一側(cè)銅箔接地板2相連。(圖中標號8為作尺寸對照用的一元硬幣。)天線的設(shè)計參數(shù)為ls、ws、rp、α、r、d、ld及介質(zhì)板長度l、厚度h、相對介電常數(shù)εr。采用圖1結(jié)構(gòu)，只要合理選擇參數(shù)，就可以保持整個天線的輸入阻抗隨頻率變化較小，從而實現(xiàn)超寬帶縫隙天線的特性。
通常要給出一定的指標來設(shè)計天線，一般的寬帶縫隙天線的指標為阻抗帶寬、方向圖和增益。下面將敘述如何根據(jù)要求來設(shè)計該形式的天線，假定給定的頻率范圍為fl～fh，對應(yīng)的波長分別為λl～λh。
1.參數(shù)的確定根據(jù)理論分析和實驗測試經(jīng)驗來確定ls、ws、rp、α、r、d、d0、ld的值。本發(fā)明天線的輻射主要由矩形縫隙來實現(xiàn)。首先確定縫隙的長度ls和寬度ws。ls的變化對天線低頻端影響較大，增大ls可以適當降低天線的工作頻率，一般取ls＝(0.6±0.1)λl。ws主要決定縫隙阻抗的大小，從而影響與饋源的匹配程度，從另一方面來說，Ws還會影響交叉極化的大小，一般選取Ws=23ls]]>。圓形貼片主要起到調(diào)節(jié)縫隙與饋源阻抗匹配的作用，優(yōu)化值rp＝(0.07±0.01)λl。其次確定扇形終端與水平枝節(jié)參數(shù)α、r、d、d0、ld。扇形的半徑r決定工作頻帶的最高頻率，適當?shù)臏p小半徑r可以增加帶寬，最佳值為工作頻帶最低波長λh的0.4倍。α取值在110°～140°之間時，隨著扇形張角的增大，諧振頻率逐漸變高，使天線帶寬有所提高。超過這個角度范圍，工作頻帶內(nèi)出現(xiàn)失配、駐波值升高的現(xiàn)象。水平枝節(jié)的長度為中心工作波長的1/2。另外扇形終端與水平枝節(jié)之間的位置關(guān)系及與縫隙的匹配程度同樣也決定整個天線的頻帶寬度，扇形圓心與水平枝節(jié)中心的距離最佳選擇值為d＝(0.06±0.01)λh；水平枝節(jié)中心與矩形縫隙中心距離d0為(0.5±0.05)λh。
2.介質(zhì)基板1的延伸為了展寬天線yz面波束寬度，本天線延伸了±y向的介質(zhì)基板長度，而±x向保持不變。未作改變前的縫隙天線在低仰角(仰角30°)的增益為-0.5dB左右，我們希望其大于2dB?？砂呀橘|(zhì)基板近似看成為一個介質(zhì)天線，現(xiàn)要求介質(zhì)天線方向性系數(shù)大于2.5dB。由介質(zhì)天線方向性系數(shù)公式G＝(7-8)l/λ0(λ0為空氣中波長)，取中心頻率計算出l＝20mm。為使介質(zhì)天線在頻帶低端仍處于良好的工作狀態(tài)，在優(yōu)化過程中最終選擇l＝25mm。
3.反射板6的設(shè)計一般縫隙天線呈現(xiàn)雙向邊射特性，這對于空-地電子對抗與衛(wèi)星接收等需要單向輻射的應(yīng)用來說勢必是一種能量的浪費或者甚至是一種妨礙，所以在本設(shè)計中添加了天線反射板，減小了背向輻射，提高了增益。反射板與天線介質(zhì)板大小相同，與天線的距離為1/4中心波長。為減輕重量而又有足夠強度，采用單面覆銅的薄介質(zhì)板作反射板。反射板與天線主板間用四個梢釘或硬塑料泡沫支撐。
4.介質(zhì)基板1的選擇介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)一般的選擇范圍為εr＝2～5，同時，損耗角正切應(yīng)盡量小，一般取tgδ≤10-3；若對效率要求不高，則更大的tgδ值也可以。介質(zhì)板厚度h的選擇主要從保證天線強度來考慮，取h≥0.8mm。
5.接頭7的選取天線端口的接頭可用SMA接頭、N型同軸接頭或其它接頭等，其特性阻抗為50Q。
圖3為用Agilent 8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的本發(fā)明實施例(圖2)電壓駐波比VSWR隨頻率的變化曲線。實測的阻抗帶寬(VSWR≤2)為1.97GHz到6.05GHz，即比帶寬為3.08∶1，以4GHz為中心頻率的相對帶寬達102％。
圖5～圖7給出了天線五個頻率點上的實測方向圖。比較這幾組曲線不難看出，該天線在寬頻段上輻射基本穩(wěn)定。圖9給出了在其工作頻帶上的增益圖，由圖可見，天線增益在5.5dB～8dB左右，明顯高于常規(guī)半波振子的增益2.15dB。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶高增益印刷縫隙天線，包括一塊介質(zhì)基板(1)，介質(zhì)基板(1)的一側(cè)有印制的金屬接地板(2)，金屬接地板(2)上開有縫隙(3)，而另一側(cè)貼有微帶饋源(5)，其特征在于a.所述的縫隙(3)為矩形縫隙，其內(nèi)有一個圓形金屬貼片(4)；b.所述的微帶饋源(5)由扇形終端(9)與水平枝節(jié)(10)相連接構(gòu)成；c.所述的介質(zhì)基板(1)沿縫隙(3)長度方向兩側(cè)各延長一段有效長度(l)；d.在所述的介質(zhì)基板(1)背后附加一塊銅箔反射板(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的矩形縫隙的長度ls＝(0.6±0.05)λl，式中λl為最低工作頻率的波長，而矩形縫隙的寬度Ws為矩形縫隙長度ls的2/3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的圓形金屬貼片(4)的半徑rp＝(0.07±0.01)λl，圓心(p)與矩形縫隙邊緣的距離為sx＝(0.3±0.05)λh，sy＝(0.5±0.05)λh，式中λl為最低工作頻率的波長，λh為最高工作頻率的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的微帶饋源(5)的扇形終端(9)的扇形半徑r為最高工作頻率的波長λh的0.4±0.05倍；其扇形張角范圍為110°～140°；所述的微帶饋源(5)的水平枝節(jié)(10)的長度為工作頻段中心頻率波長λ0的1/2，即ld=λ02=λl+λh4.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的介質(zhì)基板(1)的相對介電常數(shù)為2～5，其損耗角正切不大于10-3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的介質(zhì)基板(1)沿縫隙(3)長度方向兩側(cè)各延長一段有效長度(l)為(0.25±0.05)λl，式中λl為最低工作頻率的波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶高增益印刷縫隙天線，其特征在于所述的銅箔反射極(6)置于介質(zhì)基板(1)背后距離為1/4工作頻段中心頻率波長處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超寬帶高增益印刷縫隙天線，它由印制在介質(zhì)基板一側(cè)金屬接地板上的矩形縫隙、圓形貼片及另一側(cè)的微帶饋源和背后的金屬反射板構(gòu)成。用寬縫隙作為主要輻射源，由微帶饋線的扇形終端與水平枝節(jié)相連接組成微帶饋源并引入圓形貼片以獲得超寬帶阻抗特性；并將介質(zhì)基板適當延伸以改善輻射特性；在其背后附加金屬反射板來提高增益。本天線能獲得超過3個倍頻程的阻抗帶寬(電壓駐波比VSWR≤2)，在帶寬范圍內(nèi)增益可達5.5～8dB。本天線采用微帶饋線，接口為同軸接頭，具有平面結(jié)構(gòu)，容易加工，便于與有源電路集成，是結(jié)構(gòu)簡單的低成本設(shè)計。
文檔編號H01Q13/10GK1776963SQ20051011133
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者鐘順時, 姚鳳薇, 梁仙靈 申請人:上海大學(xué)