專(zhuān)利名稱(chēng)：一種小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超寬頻帶天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線。
背景技術(shù)：
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission)于2002年定義超寬帶 (Ultra-Wide Band,冊(cè)B)信號(hào)的頻譜為3. 1GHz到10. 6GHz,而天線作為超寬頻帶無(wú)線通 信系統(tǒng)中輻射、接收能量的關(guān)鍵性部件，其性能要求包括極大阻抗帶寬、體積小且易共 形、低加工成本等多個(gè)方面。
國(guó)際電子電氣工程師學(xué)會(huì)《天線與傳播》雜志(IEEE Transaction on Antenna and Propagation, 2005年，11期，3500—3504頁(yè))所介紹的一種圓型結(jié)構(gòu)超寬帶天線(Study of a Printed Circular Disk Monopole Antenna for鵬systems), 能完全覆蓋超寬 帶無(wú)線通信所需的3. 1GHZ-10.6GHz頻段范圍，具有平面結(jié)構(gòu)特征，但其外觀尺寸較大， 因此在應(yīng)用上仍有不足。
國(guó)際電子電氣工程師學(xué)會(huì)《天線與傳播》雜志(IEEE Transaction on Antenna and Propagation, 2007年，第2期，383-387頁(yè))公開(kāi)了一種小型超寬帶天線結(jié)構(gòu)，但該天 線由于采用非平衡的矩形輻射單元，沒(méi)有較好的時(shí)域特性，故在實(shí)際應(yīng)用中有諸多不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，其阻抗帶寬可覆蓋
3.1GHz-10. 6GHz頻段，且易于饋電和制作，可有效應(yīng)用于小型超寬頻帶無(wú)線通信系統(tǒng)。
本發(fā)明小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，其特征在于包括分別敷設(shè)在矩形介質(zhì)基板正、 反兩個(gè)平面上的輻射金屬層和接地金屬層構(gòu)成；所述輻射金屬層由左右對(duì)稱(chēng)的矩形傳輸 條帶和圓環(huán)型輻射單元構(gòu)成；此矩形傳輸條帶作為天線單元的微帶饋電結(jié)構(gòu)，其下端邊 沿正對(duì)介質(zhì)基板邊沿的中心處，上端與圓環(huán)形輻射單元相連接；所述圓環(huán)形輻射單元在 其外環(huán)邊沿的左右兩端最遠(yuǎn)處往外設(shè)置有正對(duì)圓心的矩形突起，在其內(nèi)環(huán)邊沿的左、右、 上、下四端最遠(yuǎn)處正對(duì)圓心往外設(shè)置有矩形開(kāi)槽；所述接地金屬層左右對(duì)稱(chēng)，其上邊沿 與介質(zhì)基板下邊沿平行，左、下和右邊沿與介質(zhì)基板邊沿重合；在其上邊沿靠中間處設(shè) 置了左右對(duì)稱(chēng)的往下的矩形開(kāi)槽。
所述矩形介質(zhì)基板采用介電常數(shù)在2.0 8.0的材料，厚0.5 5.0mm;所述圓環(huán)形輻 射單元的外圓環(huán)半徑為6. 0 8. 5mm，內(nèi)圓環(huán)半徑為2. 0 3. Omrn;所述矩形突起和矩形開(kāi)槽長(zhǎng)1. 0 2. 0mm、寬0. 2 0. 8腿，其中下矩形開(kāi)槽的長(zhǎng)度優(yōu)選為0. 1 1. 0咖；所述矩形 傳輸條帶寬度為2.4 2.8mra;所述接地金屬層上的矩形開(kāi)槽長(zhǎng)0. 5 5. Omm，寬2. 0 4.0mm，為了使天線有較好帶寬，接地金屬層的上邊沿線在長(zhǎng)軸上的投影應(yīng)低于矩形傳輸 線條帶的上邊沿線在長(zhǎng)軸上的投影0. 1 0. 8mm。
由于本發(fā)明采取將輻射單元與介質(zhì)基板和接地單元平面平行的方式，使得該天線具有 平面結(jié)構(gòu)特征，有利于加工制作和共形；本發(fā)明采取中央開(kāi)槽的接地金屬層的方式，不 但展寬了天線的帶寬，而且優(yōu)化了天線在高頻端(8GHz 12GHz)的回波損耗特性；本發(fā) 明在輻射結(jié)構(gòu)上采取了對(duì)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)槽的方式，使天線實(shí)現(xiàn)了覆蓋3.1GHz 10.6GHz的超寬阻抗帶寬，具有較好的群延遲特性，還減小了天線的尺寸；此外，本發(fā)明 通過(guò)對(duì)圓環(huán)形輻射單元外側(cè)增加突起，在不增加天線尺寸的前提下增加了天線的增益。 因此，本發(fā)明天線可較好地滿(mǎn)足小型超寬頻帶通信系統(tǒng)的要求。


圖1為本發(fā)明小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線的結(jié)構(gòu)示意圖2是平面超寬帶天線的側(cè)視圖3是平面超寬帶天線的的后視圖4是平面超寬帶天線的正視圖。
圖5為端口回波損耗曲線；
圖6為端口群延遲測(cè)量結(jié)果。
圖7為頻率為6. 5GHz時(shí)E面內(nèi)的輻射方向圖8為頻率為6. 5GHz時(shí)H面內(nèi)的輻射方向圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
本實(shí)施例小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線的形狀、構(gòu)造和各零部件之間的配合、聯(lián)結(jié)
關(guān)系，可參見(jiàn)圖1給出的結(jié)構(gòu)示意圖以及圖2給出的側(cè)視圖、圖3給出的后視圖和圖4 給出的正視圖它由包括矩形介質(zhì)基板l，以及分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)的輻射金屬層2 和接地金屬層3三個(gè)部分構(gòu)成。
所述介質(zhì)基板1采用介電常數(shù)在2. 0 8. 0的材料，厚度為0. 5 5. Omm，長(zhǎng)度與寬度 的尺寸應(yīng)使介質(zhì)基板平面能覆蓋整個(gè)輻射金屬層，并且使接地金屬層的左、下和右邊沿 與介質(zhì)基板重合；其作用在于 一是在饋電傳輸線中傳遞能量，二是支撐輻射銅層以及 饋電金屬層。為降低介質(zhì)板對(duì)耦合結(jié)構(gòu)處場(chǎng)分布的影響，通常采用較低介電常數(shù)(2.0 5.0)的介質(zhì)基板，并在保證硬度合適情況下選用較薄(0.5 2.0mm)的厚度。本實(shí)施實(shí) 例中采用厚度為1. 5mm，寬度為20mffl，長(zhǎng)度為27mm的FR4介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為4. 98。 該天線的輻射金屬層3印刷在介質(zhì)基板1的正面，該輻射金屬層3包括左右對(duì)稱(chēng)的圓 環(huán)型輻射單元32和矩形傳輸線條帶31兩個(gè)單元構(gòu)成，兩個(gè)單元結(jié)構(gòu)具有相同的對(duì)稱(chēng)軸 線。該圓環(huán)形輻射單元32由圓環(huán)狀初始結(jié)構(gòu)裁剪而成，裁剪后輻射單元32的邊沿由外 圓環(huán)邊沿321、內(nèi)圓環(huán)邊沿322、垂直于對(duì)稱(chēng)軸線的矩形突起323和324與矩形開(kāi)槽325 和327、平行于對(duì)稱(chēng)軸線的矩形開(kāi)槽326和328構(gòu)成；矩形傳輸條帶31包括垂直于對(duì)稱(chēng) 軸線的上邊沿312和下邊沿311，以及平行于對(duì)稱(chēng)軸線的左邊沿313和右邊沿314共四條 邊沿。為使天線工作在設(shè)計(jì)頻段，要求將該圓環(huán)形輻射單元32的外圓環(huán)邊沿321的半徑 R選取在7.0 8.5ram之間，內(nèi)圓環(huán)邊沿322的半徑r選取在2. 0 3. Omm之間；為使天線 具有較好的增益和便于加工，左右兩個(gè)矩形突起323、 324和左、上、右三個(gè)矩形開(kāi)槽325、 326、 327的長(zhǎng)度選取在L0 2.0mra之間，寬度選取在0. 2 0. 8mm之間；為了使天線有 穩(wěn)定的群延遲，下矩形開(kāi)槽328的長(zhǎng)度選取在0. 1 1.0躍之間，寬度選取在0.2 0.8mm 之間；天線的能量由矩形傳輸條帶31饋入，為使其與50歐姆微帶線匹配，邊沿313與 邊沿314之間的距離應(yīng)在2.4 2.8mm之間。綜合以上考慮，在本實(shí)施例中，選取外圓環(huán) 半徑為8.2ram，內(nèi)圓環(huán)半徑為2. 5腦，左右兩個(gè)矩形突起323、 324以及左、上、右三個(gè) 矩形丌槽325、 326、 327均為長(zhǎng)1.5腿、寬0.4隱的矩形，下矩形開(kāi)槽328為長(zhǎng)0. 3隱、 寬0. 4隱的矩形；矩形傳輸條帶31的上邊312距離短軸線的距離為10. 3mm，下邊311 與短軸線重合，矩形傳輸條帶31的左邊313與右邊314之間的距離(即條帶的寬度)選 擇為2. 6咖。
介質(zhì)基板1的背面印刷有接地金屬層2。該接地金屬層2由在其上邊沿靠中間處設(shè)置 了一個(gè)關(guān)于長(zhǎng)軸線左右對(duì)稱(chēng)、并向下的矩形開(kāi)槽的矩形金屬層構(gòu)成；矩形金屬層的下、 左和右邊沿線21、 22、 23分別與介質(zhì)基板的相應(yīng)下、左和右邊沿重合；上邊沿線24和 25與接地矩形金屬層2的短軸線即邊沿線21平行且到邊沿線21的距離相等；矩形開(kāi)槽 兩側(cè)的邊沿線26和27與接地矩形金屬層2的長(zhǎng)軸線平行并且正對(duì)著天線正面的矩形傳 輸線條帶；矩形開(kāi)槽底部的邊沿線28與接地金屬層2的短軸線平行并與矩形開(kāi)槽兩側(cè)的 邊沿線26和27共同構(gòu)成矩形開(kāi)槽。為使本發(fā)明天線有較寬的阻抗帶寬，接地金屬層2 上邊沿線24和25在長(zhǎng)軸上投影應(yīng)低于矩形傳輸線條帶的上邊沿線312在長(zhǎng)軸上的投影 0. 1 0.8mm;為使本天線在高頻端(8GHz 12GHz)有較低的回波損耗，矩形開(kāi)槽底部的 邊沿線28的長(zhǎng)度(即開(kāi)槽寬度)應(yīng)選取為2. 0 4. Omm之間，矩形開(kāi)槽兩側(cè)的邊沿線26、27的長(zhǎng)度(即開(kāi)槽長(zhǎng)度)應(yīng)選取為0.5 5.0ram之間。本實(shí)施例中，選取接地金屬層2 的邊沿線22、 23的長(zhǎng)度為10mm，并選擇接地金屬層2上邊沿線24和25在長(zhǎng)軸上投影低 于矩形傳輸線條帶的上邊沿線312在長(zhǎng)軸上的投影0. 3mm;矩形開(kāi)槽長(zhǎng)度與寬度分別選取 為3. 6mm與2. 5mm以構(gòu)成合適的開(kāi)槽來(lái)獲得最佳阻抗帶寬。
天線的能量在條帶下邊沿311和接地單元的下直邊21之間饋入，可采用同軸饋電或 連接微帶傳輸線進(jìn)行饋電，該饋電結(jié)構(gòu)不僅制作簡(jiǎn)單，且與其他型式的傳輸線連接方便。 能量經(jīng)由50歐姆微帶線送至圓環(huán)形輻射單元32處，由圓環(huán)形輻射單元外半徑邊沿321 向接地單元2的邊沿線24、 25進(jìn)行能量耦合轉(zhuǎn)換，最終向自由空間輻射。
圖5給出了端口反射損耗測(cè)量結(jié)果,本實(shí)施例小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線的端口回 波損耗(Return losses)測(cè)量結(jié)果表明，在3. 0GHz-12. 0GHz范圍內(nèi)，絕大部分頻點(diǎn)反 射損耗低于-10dB的，可以覆蓋FCC所要求的3. 1GHz-10. 6GHz頻帶范圍。
圖6給出了本實(shí)施例小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線的群延遲特性的測(cè)量結(jié)果，在 3.0GHz-12.0GHz范圍內(nèi)，該天線的群延遲小于1納秒，具有非常好的群延遲特性。
圖7和圖8所示為該天線在頻率6.5GHz處H面和E面內(nèi)的輻射方向圖，其中，E面 是通過(guò)天線最大輻射方向并平行于電場(chǎng)向量的平面，H面是通過(guò)天線最大輻射方向并垂直 于E面的平面。結(jié)果表明本實(shí)施例小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線在該頻率下，與天線平 面垂直方向具有最大增益，在與天線平面平行的方向具有最小增益，因此具有指向性的 輻射場(chǎng)型。
權(quán)利要求
1、一種小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，其特征在于包括分別敷設(shè)在矩形介質(zhì)基板正、反兩個(gè)平面上的輻射金屬層和接地金屬層構(gòu)成；所述輻射金屬層由左右對(duì)稱(chēng)的矩形傳輸條帶和圓環(huán)型輻射單元構(gòu)成；此矩形傳輸條帶作為天線單元的微帶饋電結(jié)構(gòu)，其下端邊沿正對(duì)介質(zhì)基板邊沿的中心處，上端與圓環(huán)形輻射單元相連接；所述圓環(huán)形輻射單元在其外環(huán)邊沿的左右兩端最遠(yuǎn)處往外設(shè)置有正對(duì)圓心的矩形突起，在其內(nèi)環(huán)邊沿的左、右、上、下四端最遠(yuǎn)處正對(duì)圓心往外設(shè)置有矩形開(kāi)槽；所述接地金屬層左右對(duì)稱(chēng)，其上邊沿與介質(zhì)基板下邊沿平行，左、下和右邊沿與介質(zhì)基板邊沿重合；在其上邊沿靠中間處設(shè)置了左右對(duì)稱(chēng)的往下的矩形開(kāi)槽。
2、 如權(quán)利要求1所述的小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，特征在于所述矩形介質(zhì)基板采用 介電常數(shù)在2. 0 8. 0的材料，厚0. 5 5. 0mm;所述圓環(huán)形輻射單元的外圓環(huán)半徑為6. 0 8.5誦，內(nèi)圓環(huán)半徑為2.0 3.0mm;所述矩形突起和矩形開(kāi)槽的長(zhǎng)1. 0 2. Omra、寬0. 2 0. 8mm;所述矩形傳輸條帶寬度為2. 4 2. 8mm;所述接地金屬層的矩形開(kāi)槽長(zhǎng)0. 5 5. Oram、 寬2. 0 4. Omm;接地金屬層的上邊沿線在長(zhǎng)軸上的投影低于矩形傳輸線條帶的上邊沿線在長(zhǎng) 軸上的投影O. 1 0. 8mm。
3、 如權(quán)利要求1所述的小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，特征在于其中的下矩形開(kāi)槽長(zhǎng) 為0. 1 1. 0腿。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種小型化平面超寬頻帶時(shí)域天線，特征是由分別敷設(shè)在矩形介質(zhì)基板正、反兩個(gè)平面上的輻射金屬層和接地金屬層構(gòu)成；所述輻射金屬層由左右對(duì)稱(chēng)的矩形傳輸條帶和圓環(huán)型輻射單元構(gòu)成，其下端邊沿正對(duì)介質(zhì)基板邊沿的中心處，上端與圓環(huán)形輻射單元相連接；在輻射結(jié)構(gòu)上采取對(duì)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行矩形開(kāi)槽的方式，不但實(shí)現(xiàn)了覆蓋3.1GHz～10.6GHz的超寬阻抗帶寬，使天線具有較好的群延遲特性，還減小了天線的尺寸；通過(guò)對(duì)圓環(huán)形輻射單元外側(cè)增加矩形突起，在不增加天線尺寸的前提下增加了天線的增益；本發(fā)明天線可較好地滿(mǎn)足小型超寬頻帶無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK101304119SQ20081012343
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者嚴(yán)忠民, 尹華銳, 李岳洲, 俊 王, 王衛(wèi)東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)