专利名称：超宽带梯形地板印刷单极天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超宽频带平面单极天线，该天线既可用于接收也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作电子侦察和电子干扰、电磁防护及探地雷达等超宽频带无线电设备的终端天线。在民用方面，可作为短程超宽带(UWB)通信的基站天线，以及家用无线通信超宽带天线等。
背景技术：
超宽带天线在军用领域和民用领域的应用越来越广泛。尤其在美国联邦通信委员会(FCC)批准将UWB(3.1～10.6GHz)用于短距离无线通信后，人们对超宽带天线提出了越来越高的要求，如频带宽、体积小、结构简单等等。
传统的超宽带单极天线主要有单圆锥天线和盘锥天线等(参见巴拉尼斯著，钟顺时、于志远等译，天线理论—分析与设计，电子工业出版社，北京，1988；王元坤、李玉权编，线天线的宽频带技术，西安电子科技大学出版社，1995)，但其体积比较庞大。为减小天线的体积，G.Dubost和S.Zisler于1976年首先提出了平面单极天线。随后，国内外的科技工作者对超宽带平面单极天线作了大量的研究。文献(N.P.Agrawall，G.Kumar，and K.P.Ray，“宽带平面单极天线”，IEEE Trans.AntennasPropagat.，vol.46，pp.294-295，Feb.1998)采用圆盘或椭圆盘形平板作为单极天线，其下面用同轴线馈电，最大阻抗带宽达到10.7∶1。文献(M.J.Ammann and Z.N.Chen，“一种宽带的短路切角平面单极天线”，IEEE Trans.Antennas Propagat.，vol.51，pp.901-903，April 2003)为平面方形单极天线的改进型结构，该天线的阻抗带宽也达到10个倍频。文献(S.-Y.Suh，W.L.Stutaman，and W.A.Davis，“一种新的超宽带印刷单极天线平面倒锥形天线(PICA)”，lEEE Trans.Antenna andPropagat.，Vol.52，pp.1361-1365，May 2004.)为另一种平面单极天线，其基本原理与单圆锥天线类似，也实现了超过10个倍频的阻抗带宽。但是以上几种天线下面都需要一个与之垂直的地板，增大了天线的结构，而且不便于与有源电路集成。最近，一种新型结构的平面印刷单极天线由一个倒三角形贴片和一个共面的“T”形地板构成，利用地板中央的共面波导对倒三角形贴片进行馈电(N.Fortino，G.Kossiavas，J.Y.Dauvignac and R.Staraj，“新颖超宽带通信天线”，Microwave Opt.Tech.Lett.，Vol.41，no.3，pp.166-169，May 2004.)。该天线不需要另加与之垂直的地板，但其阻抗带宽只有5个倍频左右。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型超宽带印刷单极天线，不但具有良好的超宽带特征，而且具有平面结构，加工简单，便于与有源电路集成。
本发明的构思如下本发明可以认为是立体盘锥天线的一种平面化。盘锥天线由一个导体圆锥上面加一个导体圆盘构成，采用同轴线馈电，同轴线的外导体与圆锥的锥顶相连接，而其内导体接到圆盘上。该天线具有良好的宽频带特性且结构简单，但体积太大，因而大大限制了其应用范围。本发明采用印刷天线结构，使得由盘锥天线的三维结构压缩成近似二维的平板天线结构(厚度很薄)，大大减小了天线的体积和重量，而且便于与有源电路集成。
为能采用单一平面印刷天线结构而又具有良好的超宽带特性，本设计采用了以下措施1.用一个单极天线板来代替盘锥天线的圆盘；2.用一个梯形的共面金属地板来代替盘锥天线的圆锥体；3.用共面波导馈电代替盘锥的同轴线馈电；4.共面波导采用渐变的形式，以便在超宽频带范围内与天线端口的同轴接头实现阻抗匹配。
采用共面波导馈电有几个优点a.共面金属地板刚好可以作为共面波导的地板；b.共面波导的损耗较小，有利于提高天线的效率；c.便于实现阻抗匹配；d.便于与有源电路集成。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种超宽带梯形地板印刷单极天线，由在介质基板上印刷单极天线板、共面梯形金属地板和内嵌式馈电线构成，其特征在于a.单极天线板为椭圆形贴片、或圆形贴片、或圆环形贴片；b.共面金属地板为梯形金属贴片，此金属贴片分割为左右两片而贴置于共面波导导带贴片的两旁；c.内嵌式馈电线为共面波导，由位于梯形金属地板中央的导带贴片和金属地板的左石两片形成。
上述的共面波导导带贴片的宽度为上小下大的渐变形带形贴片。
上述的单极天线板为椭圆形贴片时，其椭圆形长轴a小于或等于金属地板的梯形下底宽度Dmax，而椭圆轴比一般范围为a/b＝0.3～6(对于带宽要求不是很宽时，a/b的取值范围可更大)。
上述的金属地板的高度H由下式确定H＝0.2λl，λl＝c/fl，式中c为自由空间光速，fl为最低工作频率。
梯形金属地板的下底宽度Dmax为其高度H的0.8～1.5倍；而顶部宽度Dmin由下式确定Dmin/λh＝0.2～0.4，λh＝c/fh，式中fh为最高工作频率。
上述的椭圆形贴片与金属地板贴片之间的距离t由下式确定t/λh＝0.05～0.08。
上述的介质板的相对介电常数为2～11，其介质损耗角正切不大于10-3。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著优点本发明可实现超过15个倍频的阻抗带宽(电压驻波比VSWR≤2∶1)；本发明是在单片介质基板同一面上印制共面单极天线贴片、梯形金属地板和共面波导导带，结构简单，便于与有源电路集成；采用渐变式共面波导馈电，便于实现超宽带阻抗匹配，而且损耗小，有利于提高天线的效率。本天线在其超宽带范围上的增益约为-2～5dB。本天线结构简单、紧凑、体积小、加工方便、成本低。
图1天线结构正视2天线实物照片3天线的实测驻波比41.0GHz频点上的实测方向53.0GHz频点上的实测方向66.0GHz频点上的实测方向78.0GHz频点上的实测方向图具体实施方式
本发明的一个优选实施例参见图1和图2。天线的结构如图1所示，它由印制在介质基板上的椭圆形贴片1和梯形金属地板3组成，用金属地板3中部的共面波导2馈电。该共面波导2下端接同轴接头5，同轴接头内导体与共面波导导带相接，而接头外导体与金属地板相连接。图2是根据某一频段而设计、加工的实物图。椭圆形贴片1也可以用圆形贴片和圆环形贴片来代替；图1所示的天线的设计参数为Dmax、Dmin、H、b、a、t及介质板厚度h、相对介电常数εr。采用图1结构，只要合理选择参数，就可以保持整个天线的输入阻抗随频率变化较小，从而实现超宽带的单极天线特性。
通常要求给出一定的指标来设计天线，一般的超宽带单极天线的指标为阻抗带宽、方向图和增益，下面将叙述如何根据指标要求来设计该形式的天线。假设给定的频率范围为fl～fh，对应的波长分别为λl，λh。
1.参数的确定根据理论分析和实验测试经验来确定设计参数Dmax、Dmin、H、b、a、t的值。本发明天线的辐射机理主要由椭圆形贴片1和梯形金属地板3来实现，并且地板3也是辐射的重要部分，设计时首先应确定参数H的值。由于梯形金属地板3靠两个斜边来辐射，高度H最佳选取值为H≈0.2λl。其次确定参数Dmax。Dmax的变化对天线低频端的输入阻抗影响比较大，增大Dmax可以适当降低天线的工作频率，但是Dmax值的增大使得天线的交叉极化电平抬高，影响天线的方向图，所以一般取Dmax为Dmax/H＝0.8～1.5。接下来确定参数a和b，参数a会影响天线的低端阻抗，增大a通常也可以适当降低天线的工作频率，但是为使天线结构紧凑，a不能取得太大，一般取a≤Dmax，而参数b主要根据a来确定，a与b之间的比值主要影响椭圆形贴片的输入阻抗，一般a/b取0.3～6比较合适(若所要求的带宽范围不大，则a/b的取值范围可更大)。然后确定参数Dmin，Dmin的选取主要由天线的最高频率来决定，一般取Dmin/λh≈0.2～0.4。最后确定参数t的值，t主要影响椭圆形贴片与金属地板贴片之间的耦合。整个天线在共面波导2的上端口处的输入阻抗可以认为是由椭圆形贴片的输入阻抗，椭圆形贴片与金属地板之间的耦合阻抗，以及金属地板的自阻抗三者构成，所以t的变化对整个天线的阻抗带宽影响比较明显，t的最佳取值范围为t/λh＝0.05～0.08(若所要求的带宽范围不大，则t/λh的取值范围可更大)。
2.共面波导2的设计整个天线在共面波导2的上端口处的输入阻抗约为100多欧姆，而共面波导的下端口接同轴接头，其特性阻抗通常为50欧姆。因此，共面波导特性阻抗需要从100多欧姆渐变到50欧姆。共面波导的特性阻抗与导带宽度w，导带2与金属地板3的间隔g以及介质板4的介电常数和厚度有关，只要改变一项参数，而保持其它参数不变，即可改变其特性阻抗。为此，对共面波导导带2的宽度w采用渐变的形式。当然，也可保持w不变，而改变间隔g来实现。同时，为了保证低频端的阻抗渐变特性好，H需取0.2λl或更大些。
3.介质板4的选择介质板4的相对介电常数一般的选择范围为εr＝3～6之间，若所要求的带宽范围不大，则可取εr＝2～11。同时，介质损耗角正切应尽量小，一般取tgδ≤10-3；若对效率要求不高，则更大的tgδ值也可以。介质板厚度h的选择可主要从保证天线强度来考虑，如取h≥0.8mm。
4.接头5的选取天线端口的接头5可采用N型同轴接头、SMA接头或其它接头等。
图3为用Agilent 8720ES矢量网络分析仪测得的本发明实施例(图2)驻波随频率变化曲线。实测的阻抗带宽(VSWR≤2∶1)为0.41到8.8GHz，即比带宽为21.6∶1(约22个倍频)。
图4～图7给出了天线四个频率点上的实测方向图。比较这几组曲线，不难发现，该天线在非常宽的频带上实现了单极子的辐射特性，在方位面(xy面)上，其主极化具有很稳定的全向辐射特性。
权利要求
1.一种超宽带梯形地板印刷单极天线，由在介质基板(4)上印刷单极天线板(1)、共面金属地板(3)和内嵌式馈电线(2)构成，其特征在于a.单极天线板为椭圆形贴片、或圆形贴片、或圆环形贴片；b.共面金属地板为梯形金属贴片，此金属贴片分割为左右两片而贴置于共面波导导带贴片的两旁；c.内嵌式馈电线为共面波导，由位于梯形金属地板中央的导带贴片和金属地板的左右两片形成。
2.根据权利要求1所述的超宽带梯形地板印刷单极天线，其特征在于共面波导(2)采用渐变的形式，如将其导带取为上小下大的渐变形带形贴片。
3.根据权利要求1所述的超宽带梯形地板印刷单极天线，其特征在于单极天线板为椭圆形贴片(1)时，其椭圆形长轴(a)小于或等于金属地板(3)的梯形下底宽度(Dmax)，而椭圆形长轴(a)与短轴(b)之比为0.3～6。
4.根据权利要求1所述的超宽带梯形地板印刷单极天线，其特征在于金属地板(3)的梯形形状尺寸为其高度(H)约为最长工作波长的0.2倍，其下底宽度(Dmax)为其高度(H)的0.8～1.5倍；而顶部宽度(Dmin)为最短工作波长的0.2～0.4倍。
5.根据权利要求3或4所述的超宽带梯形地板印刷单极天线，其特征在于椭圆形贴片(1)与金属地板(3)之间的距离t约为最短工作波长的0.05～0.08倍。
6.根据权利要求1所述的超宽带梯形地板印刷单极天线，其特征在于介质板(4)的相对介电常数(εr)为2～11，其介电损耗角正切(tgδ)不大于10-3。
全文摘要
本发明涉及一种超宽频带平面单极天线，它是由介质板上印刷单极天线板、共面金属地板和内嵌式馈电线构成，单极天线板为椭圆形贴片、或圆形贴片、或圆环形贴片；内嵌式馈电线为共面波导导带贴片；共面金属地板为梯形金属贴片，此金属贴片分割为左右两片而贴置于共面波导导带贴片的两旁；本天线有良好的宽带特征，可实现超过15个倍频的驻波带宽，超宽带范围的增益约为－2－5db。本天线结构简单、紧凑、体积小、加工方便、成本低。
文档编号H01Q9/04GK1684302SQ200510024288
公开日2005年10月19日 申请日期2005年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者钟顺时, 梁仙灵, 汪伟 申请人:上海大学