專利名稱：單向線極化超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域的天線，尤其是一種單向性線極化超寬帶天線。
背景技術(shù)：
超寬帶(Ultra-Wide Band, UWB)通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、 高保密性、有利于多功能一體化等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù) 之一。有鑒于此，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)于 2002年2月核定超寬帶通信技術(shù)為一般商業(yè)用通信系統(tǒng)，并規(guī)范超寬帶通信為高傳輸速率 (數(shù)據(jù)速率每秒大于100Mb)、低功率(功率小于-41dBm/MHz)以及短距離(通信半徑小于10 公尺)通信系統(tǒng)，工作頻率范圍在3. lGHz-10. 6GHz之間。目前，大多數(shù)的超寬帶天線的輻射方向圖成錐形，單向性輻射方向圖的超寬帶天 線設(shè)計(jì)很少，如文獻(xiàn) H. Schantz, The Art and Science of Ultrawideband Antennas. Norwood1MA: Artech House, 2005中所設(shè)計(jì)的具有單向性輻射方向圖的超寬帶天線，其輻 射方向圖不穩(wěn)定，增益較低，難以滿足應(yīng)用要求。微帶貼片天線可以實(shí)現(xiàn)單向性輻射方向 圖，但是帶寬較窄。通過采用一些改進(jìn)技術(shù)可以拓寬微帶貼片天線的帶寬，但是其輻射方向 圖和增益在工作頻段上仍然不穩(wěn)定。為了克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，急需提供一種具有單向性 輻射方向圖，輻射方向穩(wěn)定，增益與效益較高的超寬帶天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了用于超寬帶通信的單向線極化超寬帶天線。本發(fā)明采用微 帶貼片技術(shù)制作，工作頻率為超帶寬通信頻率，具有單向性輻射方向圖，輻射方向穩(wěn)定，增 益與效益較高。本發(fā)明可以應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
單向線極化超寬帶天線，包括上層的電偶極子輻射體、直立的匹配電路結(jié)構(gòu)和下層的 接地金屬反射板；上層的電偶極子輻射體包括上層介質(zhì)基板、位于上層介質(zhì)基板同一平面 上的第一扇形貼片、第二扇形貼片、第一弧形微帶線、第二弧形微帶線和圓環(huán)貼片；第一扇 形貼片、第二扇形貼片位于圓環(huán)貼片的內(nèi)圓中，第一扇形貼片和第二扇形貼片的弧形邊通 過第一弧形微帶線和第二弧形微帶線相連，第一扇形貼片的頂角和第二扇形貼片的頂角之 間有空隙；直立的匹配電路結(jié)構(gòu)包括直立介質(zhì)基板、漸變傳輸線、第一漸變貼片、第二漸變 貼片、第一饋電貼片和第二饋電貼片；漸變傳輸線、第一漸變貼片和第一饋電貼片附著在直 立介質(zhì)基板的前表面；第二漸變貼片和第二饋電貼片附著在直立介質(zhì)基板的后表面；漸變 傳輸線大的一端與同軸連接頭的芯線相連，另一端與第一漸變貼片的小端相連；第一漸變 貼片的大端與所述接地金屬反射板相連；第一饋電貼片的一端與第一扇形貼片的頂角相 連，另一端與第一漸變貼片的小端相連；第二漸變貼片的大端與接地金屬反射板相連，第二 饋電貼片的一端與第二扇形貼片的頂角相連，另一端與第二漸變貼片的小端相連；同軸連 接頭的銅套與下層的接地金屬反射板相連。
上述的單向線極化超寬帶天線，第一扇形貼片、第二扇形貼片的弧形邊、第一弧形 微帶線和第二弧形微帶線位于同一圓周上。上述的單向線極化超寬帶天線，第一扇形貼片的頂角和第二扇形貼片的頂角為對 頂角，第一扇形貼片的頂角和第二扇形貼片的頂角被切除一部分使該兩個(gè)頂角之間留有所 述空隙；所述圓環(huán)貼片的內(nèi)徑大于第一扇形貼片、第二扇形貼片的半徑。上述的單向線極化超寬帶天線，第一漸變貼片、第一饋電貼片在與直立介質(zhì)基板 平行的平面上的正投影與第二漸變貼片、第二饋電貼片在該平面上的正投影為軸對稱關(guān) 系，對稱軸為直立介質(zhì)基板的豎直中心線在該平面上的正投影。上述的單向線極化超寬帶天線，所述漸變傳輸線的大端到另一端的寬度是逐漸減 小的。上述的單向線極化超寬帶天線，所述第一漸變貼片、第二漸變貼片的大端到小端 的寬度是逐漸減小的。上述的單向線極化超寬帶天線，所述電偶極子輻射體的第一扇形貼片、第二扇形 貼片的半徑的電長度在中心頻率上為四分之一波長。上述的單向線極化超寬帶天線，所述直立的匹配電路結(jié)構(gòu)的第一漸變貼片、第二 漸變貼片的大端與小端之間的電長度在中心頻率上為四分之一波長，第一漸變貼片、第二 漸變貼片構(gòu)成偶極子形式的中心饋電電路。上述的單向線極化超寬帶天線，所述第一扇形貼片、第二扇形貼片構(gòu)成的碟形電 偶極子；圓環(huán)貼片拓寬天線的工作頻率，維持輻射方向圖穩(wěn)定。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果
1、本發(fā)明的阻抗帶寬可以達(dá)到110%以上，增益可以達(dá)到5dBi以上，輻射方向圖穩(wěn)
定；
2、本發(fā)明具有單向性輻射方向圖。目前，大多數(shù)超寬帶天線的輻射方向圖成錐形，只 有少數(shù)的超寬帶天線具有單向性輻射方向3、本發(fā)明的交叉極化比小于-IOdB；
4、本發(fā)明采用微帶貼片結(jié)構(gòu)，成本低廉，工藝簡單，易于大規(guī)模制造。


圖1是單向線極化超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖(X、Y、Z為坐標(biāo)軸方向)。圖2是本發(fā)明的上層的電偶極子輻射體的下表面貼片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的直立的匹配電路結(jié)構(gòu)的前視圖。圖4是本發(fā)明的直立的匹配電路結(jié)構(gòu)的后視圖。圖5是本發(fā)明的仿真與樣品測試的電壓駐波比和增益曲線圖。圖6至圖10是本發(fā)明的樣品測試的歸一化輻射方向圖。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的實(shí)施和要求保護(hù)的范圍 并不局限于下例表述的范圍。如圖1所示，單向線極化超寬帶天線包括上層的電偶極子輻射體1，直立的匹配電路結(jié)構(gòu)2和下層的接地金屬反射板3 ；如圖2所示，上層的電偶極子輻射體1包括上層介質(zhì) 基板4、位于上層介質(zhì)基板4同一平面上的第一扇形貼片5、第二扇形貼片6、第一弧形微帶 線7、第二弧形微帶線8和圓環(huán)貼片9 ；位于同一圓形上的第一扇形貼片5和第二扇形貼片 6的弧形邊通過第一弧形微帶線7和第二弧形微帶線8相連，且第一扇形貼片5和第二扇 形貼片6的弧形邊和所述第一弧形微帶線7和第二弧形微帶線8之間連接形成圓周，第一 扇形貼片5的頂角和第二扇形貼片6的頂角為對頂角，第一扇形貼片5的頂角和第二扇形 貼片6的頂角被切除一部分使該兩個(gè)頂角之間有空隙；第一扇形貼片5、第二扇形貼片6對 應(yīng)的圓心與圓環(huán)貼片9的圓心重疊，圓環(huán)貼片9的內(nèi)徑大于第一扇形貼片5、第二扇形貼6 的半徑；如圖3、圖4所示，直立的匹配電路結(jié)構(gòu)2包括直立介質(zhì)基板10、漸變傳輸線11、第 一漸變貼片12、第二漸變貼片15、第一饋電貼片13和第二饋電貼片16 ；漸變傳輸線11、第 一漸變貼片12和第一饋電貼13附著在直立介質(zhì)基板的前表面；第二漸變貼片15和第二饋 電貼片16附著在直立介質(zhì)基板的后表面；第一漸變貼片12、第一饋電貼片13在與直立介 質(zhì)基板10平行的平面上的正投影與第二漸變貼片15、第二饋電貼片16在該平面上的正投 影為軸對稱關(guān)系，對稱軸為直立介質(zhì)基板10的豎直中心線在該平面上的正投影；漸變傳輸 線11的大端與同軸連接頭14的芯線相連，另一端與第一漸變貼片12的小端相連；第一漸 變貼片12的大端與接地金屬反射板3相連；第一饋電貼片13的一端與第一扇形貼片5的 頂角相連，另一端與第一漸變貼片12的小端相連；第二漸變貼片15的大端與接地金屬反射 板3相連；第二饋電貼片16的一端與第二扇形貼片6的頂角相連，另一端與第二漸變貼片 15的小端相連；同軸連接頭14的銅套與下層的接地金屬反射板3相連。
實(shí)施例單向線極化超寬帶天線的各個(gè)參數(shù)經(jīng)過仿真優(yōu)化得到，單向線極化超寬帶天線的 工作頻率范圍為3. lGHz-10.6GHz。其中，上層的正方形介質(zhì)基板4的厚度為1.57mm，邊長 為42mm，介電常數(shù)等于2. 33 ；第一扇形貼片5、第二扇形貼片6的半徑等于25mm，張角等于 131° ；第一扇形貼片5的頂角和第二扇形貼片6的頂角之間的空隙寬度等于0. 79mm ；圓環(huán) 貼片9的內(nèi)徑等于38mm，寬度等于4mm ；第一弧形微帶線7、第二弧形微帶線8的寬度等于 0. 5mm ；直立的匹配電路結(jié)構(gòu)的直立介質(zhì)基板10的介電常數(shù)等于2. 33，厚度為0. 79 mm，長 度為42mm，高度等于13mm ；漸變傳輸線11的寬邊(位于大端處的直邊)寬度等于2mm，窄邊 (位于小端處的直邊)寬度等于0. 8mm ；第一漸變貼片12的寬邊(位于大端處的直邊)寬度等 于10mm，窄邊(位于小端處的直邊)寬度等于0. 8mm ；第一饋電貼片13的長度等于1mm，寬度 等于0. 5mm ；第二漸變貼片15的尺寸與第一漸變貼片12的尺寸相同，第二饋電貼片16的 尺寸與第一饋電貼片13的尺寸相同；正方形接地金屬反射板3的邊長等于140mm ；同軸連 接頭14的芯線穿過接地金屬反射板3與漸變傳輸線11相連，同軸連接頭14的銅套與接地 金屬反射板3相連；同軸連接頭14為SMA (Sub-Miniature-A)型。按照上述結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)單向線極化超寬帶天線，使用商業(yè)電磁仿真軟件HFSS進(jìn) 行仿真，同時(shí)采用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀和SATIMO近場測試系統(tǒng)進(jìn)行樣品測試。圖5是 仿真與樣品測試的駐波比及增益曲線圖，橫軸表示頻率，左縱軸表示電壓駐波比，右縱軸表 示增益；虛線表示仿真結(jié)果，實(shí)線表示樣品測試結(jié)果；在電駐波比SWR<2的情況下，仿真的 阻抗帶寬從3. 25GHz到11. 2GHz，達(dá)到113% ；樣品測試的阻抗帶寬從2. 6GHz到12. 0GHz，達(dá)到128. 7% ；天線增益的仿真結(jié)果在3. 25GHz到11. 2GHz內(nèi)達(dá)到5 — 10. SdBi ；天線樣品的測 試結(jié)果在2. 6GHz到9GHz內(nèi)為5 — 11. 3dBi。圖6至圖10是本發(fā)明的樣品測試在Wii=O°截 面和Η =90°截面的歸一化輻射方向圖，電場強(qiáng)度以dB為單位。圖6的工作頻率是3GHz， 圖7的工作頻率是5GHz，圖8的工作頻率是7GHz，圖9的工作頻率是9GHz，圖10的工作頻 率是IlGHz ；由圖6至圖10可知，本發(fā)明的在3GHz、5GHz、7GHz、9GHz、IlGHz頻點(diǎn)的交叉極 化小于-IOdB ；在3GHz、5GHz、9GHz、IlGHz頻點(diǎn)的后瓣輻射小于_20dB。
實(shí)施例的仿真和測試結(jié)果表明，單向線極化超寬帶天線具有單向性輻射方向圖， 輻射方向穩(wěn)定，增益與效益較高，滿足超寬帶通信系統(tǒng)要求，可以用于超寬帶通信。
權(quán)利要求
1.單向線極化超寬帶天線，其特征在于包括上層的電偶極子輻射體、直立的匹配電路 結(jié)構(gòu)和下層的接地金屬反射板；上層的電偶極子輻射體包括上層介質(zhì)基板、位于上層介質(zhì) 基板同一平面上的第一扇形貼片、第二扇形貼片、第一弧形微帶線、第二弧形微帶線和圓環(huán) 貼片；第一扇形貼片、第二扇形貼片位于圓環(huán)貼片的內(nèi)圓中，第一扇形貼片和第二扇形貼片 的弧形邊通過第一弧形微帶線和第二弧形微帶線相連，第一扇形貼片的頂角和第二扇形貼 片的頂角之間有空隙；直立的匹配電路結(jié)構(gòu)包括直立介質(zhì)基板、漸變傳輸線、第一漸變貼 片、第二漸變貼片、第一饋電貼片和第二饋電貼片；漸變傳輸線、第一漸變貼片和第一饋電 貼片附著在直立介質(zhì)基板的前表面；第二漸變貼片和第二饋電貼片附著在直立介質(zhì)基板的 后表面；漸變傳輸線大的一端與同軸連接頭的芯線相連，另一端與第一漸變貼片的小端相 連；第一漸變貼片的大端與所述接地金屬反射板相連；第一饋電貼片的一端與第一扇形貼 片的頂角相連，另一端與第一漸變貼片的小端相連；第二漸變貼片的大端與接地金屬反射 板相連，第二饋電貼片的一端與第二扇形貼片的頂角相連，另一端與第二漸變貼片的小端 相連；同軸連接頭的銅套與下層的接地金屬反射板相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于第一扇形貼片、第二扇 形貼片的弧形邊、第一弧形微帶線和第二弧形微帶線位于同一圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于第一扇形貼片的頂角和 第二扇形貼片的頂角為對頂角，第一扇形貼片的頂角和第二扇形貼片的頂角被切除一部分 使該兩個(gè)頂角之間留有所述空隙；所述圓環(huán)貼片的內(nèi)徑大于第一扇形貼片、第二扇形貼片 的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于第一漸變貼片、第一饋 電貼片在與直立介質(zhì)基板平行的平面上的正投影與第二漸變貼片、第二饋電貼片在該平面 上的正投影為軸對稱關(guān)系，對稱軸為直立介質(zhì)基板的豎直中心線在該平面上的正投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于所述漸變傳輸線的大端 到另一端的寬度是逐漸減小的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于所述第一漸變貼片、第 二漸變貼片的大端到小端的寬度是逐漸減小的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于所述電偶極子輻射體的 第一扇形貼片、第二扇形貼片的半徑的電長度在中心頻率上為四分之一波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7任一項(xiàng)所述的單向線極化超寬帶天線，其特征在于所述直立的 匹配電路結(jié)構(gòu)的第一漸變貼片、第二漸變貼片的大端與小端之間的電長度在中心頻率上為 四分之一波長，第一漸變貼片、第二漸變貼片構(gòu)成偶極子形式的中心饋電電路。
全文摘要
本發(fā)明公開單向線極化超寬帶天線，包括上層的電偶極子輻射體、直立的匹配電路結(jié)構(gòu)和下層的接地金屬反射板；上層的電偶極子輻射體包括上層介質(zhì)基板、第一扇形貼片、第二扇形貼片、第一弧形微帶線、第二弧形微帶線和圓環(huán)貼片，第一扇形貼片和第二扇形貼片的頂角之間有空隙；直立的匹配電路結(jié)構(gòu)包括直立介質(zhì)基板、漸變傳輸線、第一漸變貼片、第二漸變貼片、第一饋電貼片和第二饋電貼片；漸變傳輸線的大端與同軸連接頭的芯線相連，另一端與第一漸變貼片的小端相連；通過第一饋電貼片、第二饋電貼片將電磁能量輸入上層的電偶極子輻射體；本發(fā)明的天線具有單向性輻射方向圖，輻射方向穩(wěn)定，增益與效益較高，可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)。
文檔編號H01Q1/38GK102074796SQ201110028889
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者吳壁群 申請人:廣東博緯通信科技有限公司