专利名称：一种低剖面双层印刷超宽带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于超宽带系统的小型化天线，更具体地说，是指ー种工作于S波段和C波段的高増益、定向性、低剖面的双层印刷天线。
背景技术：
20世纪80年代，随着电子科学技术的进步，通信、雷达等无线电系统的频带越来越宽，信号脉冲越来越窄，电磁频谱越来越拥挤，人们开始重视和研究超宽带(UWB)电磁学。1990年前后，人们用各种时域数值方法得到了 Maxwell方程的严格瞬态解，从而为超宽 带电磁学奠定了坚实的理论基础。超宽带脉冲源、超宽带天线和超宽带接收技术都有了突破，极大地促进了超宽带电磁学的研究，超宽带通信、超宽带雷达等应运而生，超宽带电磁学在成像、目标特性、反隐身技术、微波时域测量技木、微波定向传输等方面都得到了广泛的应用。天线作为UWB无线通信的关键部件，其性能直接影响到通信质量。由于UWB通信的特殊要求，对天线理论与实现技术提出了新的挑战。近年来，随着通讯技术的迅猛发展，超宽带天线广泛应用于无线通信，超宽带雷达，卫星通信等领域，在家庭网络及移动通信等方面也有广泛的需求，因此设计ー种结构简单，性能良好的超宽带天线具有重要的现实意义。超宽带天线具有很宽工作频带。在此频段内，天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、増益、极化等都在允许的范围内。传统的超宽带天线形式有螺旋天线，对数周期天线，加脊喇叭天线和渐变槽线天线等，但是它们大部分的尺寸都比较大，剖面较高，因而应用受到很大限制。其中渐变槽线天线具有易加工，成本低，高増益和良好的定向辐射特性，但是这种天线在高频段辐射效率较低，远场辐射方向图会出现裂瓣，且容易产生交叉极化问题。随着移动通信技术，空间技术和超宽带电子技术的发展，各种电子设备均向小型化与微型化发展，天线作为无线电子系统必不可少的部件也必然向小型化方向发展。在过去的十年中，人们开始注意到UWB技术在未来高速无线通信方面的巨大潜力。随着这项技术的快速发展，高性能UWB天线成为UWB系统中非常关键的部分，很多研究围绕着UWB天线展开。ー些新型的超宽带天线，如带有反射器的振子天线等，它们虽都具有良好的性能，但是剖面普遍较高，而且加工复杂，特别是ー些有非平面反射器的天线，它们的应用不够灵活。在超宽带天线中，印刷单极子天线由于其体积小，宽阻带，低造价的优点，被认为非常有前景。与此同时，ー些具有相同优点的印刷偶极子天线也被设计出来。基于此，本发明设计了ー种工作于S波段和C波段的高増益、定向性、新型的双层印刷振子天线，不但实现了小型化，而且具有很宽的频带和很高的増益。
发明内容
本发明的目的是提供ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线采用巴伦馈电，既有小的尺寸，又有极低的剖面，而且在整个带宽范围内有很高的増益和很好的方向性，因而在超宽带通信领域有很好的应用前景。本发明的一种低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板(I)、纵向介质板(2)、反射板(3)、基板(4)和支撑柱(5);横向介质板(I)的底部与反射板(3)的上部之间的间距18mm;横向介质板⑴与反射板(3)之间安装有四根支撑柱(5),纵向介质板
(2)置于横向介质板(I)与反射板(3)之间的中部，反射板(3)置于基板(4)的上方；所述横向介质板(I)的上板面上设有第一背条(101)、第二背条(102),第一背条(101)和第ニ背条(102)为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板 (I)上形成；所述横向介质板(I)的下板面上安装有A振子(103)、B振子(104);横向介质板(I)、第一背条(101)、第二背条(102)、A振子(103)和B振子(104)构成第一天线单元；所述纵向介质板(2)的一板面上安装有A梯形微带线(201)，所述纵向介质板(2)的另ー板面上安装有B梯形微带线(202);所述纵向介质板(2)的下部焊接在同轴线缆接头(6)上；纵向介质板(2)、A梯形微带线(201)和B梯形微带线(202)构成巴伦，也是第二天线单元；反射板(3)和基板(4)形成第三天线单元。所述双层印刷超宽带天线能够工作于S波段和C波段。所述双层印刷超宽带天线在2. 8GHz 6. 2GHz的范围内，其驻波系数小于2。所述双层印刷超宽带天线在3GHz处增益达到9. 8dB,在频段2. 8GHz 6. 2GHz范围内，增益大于
6.7dB。本发明低剖面双层印刷超宽带天线的优点在于①背条与振子构成的双层印刷天线是折合振子的变种，因此该天线具有折合振子的很多优良特性。特别是小的结构尺寸和超宽的工作频带。该天线的尺寸为23_X32mm，带宽为 2. 8GHz 6. 2GHz。②在横向介质板下方设置巴伦，使得天线的馈电保持了平衡，当双层印刷天线的输入阻抗为120Ω时，保证了振子输入端ロ从50Ω ilj 120 Ω的阻抗变换。 ③本发明设计的巴伦构形对天线福射特性的影响较小，不会破坏天线的方向性。④纵向介质板高度hi即为低剖面双层印刷超宽带天线的高度,hi = 18mm,使本发明天线的体积大大縮小，不但有利于系统的集成，而且在移动通信中有很好的隐身性能。⑤纵向介质板的上方设置横向介质板，纵向介质板的下方设置反射板，所述反射板能够使本发明天线具有很高的増益(6. 7dB 9. 8dB)和定向辐射特性。在保密性高的超宽带通信系统中有很好的应用前景。
图I是本发明低剖面双层印刷超宽带天线的外部结构图。图IA是本发明低剖面双层印刷超宽带天线的另ー视角外部结构图。图IB是未装配反射板和基板的低剖面双层印刷超宽带天线仰视图。图2是本发明横向介质板的上板面的结构图。图2A是本发明横向介质板的上板面的两个弧形槽共形结构图。
图2B是本发明横向介质板的下板面的结构图。
图2C是本发明横向介质板的下板面的两个蝶形槽共形结构图。图3是本发明纵向介质板右板面的结构图。图3A是本发明纵向介质板左板面的结构图。
图3B是本发明纵向介质板右板面的正视图。图3C是本发明纵向介质板左板面的正视图。图4A是传统双导线折合偶极子天线。图4B是传统T型匹配天线。图4C是本发明设计的双层印刷的倒T型匹配天线。图5是本发明的驻波系数仿真結果。图6是本发明的增益仿真結果。图7A是本发明的E面辐射方向图仿真結果。图7B是本发明的H面辐射方向图仿真結果。图中编号1.横向介质板；1A.上板面；1B.下板面；1C.第一弧形槽；1D.第二弧形槽；1E.第一蝶形槽；IF.第二蝶形槽；1G. A通孔；1H. B通孔；IJ. C通孔；IK. D通孔；101.第一背条；102.第二背条；103. A振子；104. B振子；111.第一半圆；112.第一梯形；113.第二半圆；114.第二梯形；115.上底；116.上底；2.纵向介质板；2A.右板面；2B.左板面；2C.第一梯形槽；2D.第二梯形槽；201. A梯形微带线；202. B梯形微带线；3.反射板；4.基板；5.支撑柱；6.同轴线缆接头。
具体实施例方式參见图I、图1A、图IB所示，本发明的ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板I、纵向介质板2、反射板3、基板4和支撑柱5 ;下面将对各个模块进行详细的说明(一)横向介质板I參见图I、图1A、图2、图2A所示，横向介质板I为矩形结构，横向介质板I的长记为E，宽记为D，D = 4/5XE。横向介质板I的上板面IA上设有第一弧形槽1C、第二弧形槽1D，且第一弧形槽IC与第二弧形槽ID结构相同；第一弧形槽IC的两端设有A通孔1G、B通孔IH ;第二弧形槽ID的两端设有C通孔1J、D通孔IK ；A通孔1G、B通孔1H、C通孔IJ和D通孔IK用于实现振子与背条的短路连接。A通孔1G、B通孔1H、C通孔IJ和D通孔IK的直径为O. 6mm。第一弧形槽IC与第二弧形槽ID的布局为圆共形，且第一弧形槽IC的端部与第二弧形槽ID的端部相距记为h ;共形圆的外径记为R1，共形圆的内径记为R2 ;在本发明中，通孔的圆心与弧形槽端部的距离记为S。在本发明中，在第一弧形槽IC内采用覆铜技术覆上铜材料形成第ー背条101 ;在第二弧形槽ID内采用覆铜技术覆上铜材料形成第二背条102。在横向介质板I的上板面IA上设置两个弧形槽的结构，是有利于在槽内采用覆铜技术覆上铜材料形成双层印刷天线的上层，所述弧形槽的尺寸满足下列关系R1_R2 = lmm, s = lmm, h = 4mm。參见图IB、图2B、图2C所示，横向介质板I的下板面IB上设有第一蝶形槽1E、第ニ蝶形槽1F，且第一蝶形槽IE与第二蝶形槽IF的结构相同；所述第一蝶形槽IE是由第一半圆111和第一梯形112构成，第一半圆111的半径记为R (所述R也是第一梯形112的下底宽)，第一梯形112的高记为L，第一梯形112的上底115的宽记为w ;所述第二蝶形槽IF是由第二半圆113和第二梯形114构成，第二半圆113的半径、记为R (所述R也是第二梯形114的下底宽)，第二梯形114的高记为L，第二梯形114的上底116的宽记为w ；第一蝶形槽IE的上底115与第二蝶形槽IF的上底116之间相距记为g ;在本发明中，第一蝶形槽IE与第二蝶形槽IF之间的间隙用于安装纵向介质板2的上部(即纵向介质板2上部的厚度为g)。蝶形槽尺寸关系L = R/3, g = L/2, w = L/3 L/2。參见图I、图1A、图IB所示，本发明设计的所述横向介质板I的上板面上设有第一背条101、第二背条102，第一背条101和第二背条102为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板I上形成；所述横向介质板I的下板面上安装有A振子103、B振子104 ;在本发明中，横向介质板I、第一背条101、第二背条102、A振子103和B振子104构成第一天线单元；所述纵向介质板2的一板面上安装有A梯形微带线201，所述纵向介质板2的另ー板面上安装有B梯形微带线202 ;所述纵向介质板2的下部焊接 在同轴线缆接头6上。在本发明中，纵向介质板2、A梯形微带线201和B梯形微带线202构成巴伦，也是第二天线单元。在本发明中，反射板3和基板4形成第三天线单元。在本发明中，横向介质板I采用介电常数为2. 65的聚四氟こ烯玻璃纤维布加工。(ニ)纵向介质板2參见图I、图1A、图1B、图3、图3A、图3B、图3C所示，纵向介质板2为矩形结构，纵向介质板2的长记为hi,宽记为h2,厚记为h3,且hi = R(第一半圆111的半径)，h2
<hi ( 一般小 3 7mm), h3 = g。纵向介质板2的右板面2A上设有第一梯形槽2C ;所述第一梯形槽2C的上底宽记为dl，下底宽记为d2 ;所述第一梯形槽2C内采用覆铜技术覆上铜材料形成A梯形微带线
201;所述第一梯形槽2C的深度为O. Olmm ；dl = 3/4Xh3, d2 = g。纵向介质板2的左板面2B上设有第二梯形槽2D ;所述第二梯形槽2D的上底宽记为d3，下底宽记为d4 ;所述第二梯形槽2D内采用覆铜技术覆上铜材料形成B梯形微带线
202;所述第二梯形槽 2D 的深度为 O. Olmm ；d3 = 3/4Xh3, d4 = g, dl = d3, d2 = d4。在本发明中，纵向介质板2上设计梯形槽的结构，是有利于在槽内采用覆铜技术覆上铜材料形成梯形微带线。为了使设计的天线满足S波段和C波段的工作，纵向介质板2的长不短于18mm。在本发明中，纵向介质板2采用介电常数为2. 65的聚四氟こ烯玻璃纤维布加工。(三)反射板3參见图I、图IA所示,反射板3为采用覆铜技术将铜蚀刻在基板4上方形成,反射板3厚度为O. Olmm O. lmm。横向介质板I的底部与反射板3的上部之间的间距18mm,这个间距正好也是纵向介质板2的长hi。(四)基板4參见图I、图IA所示，基板4为矩形结构，基板4选用FR4(玻璃纤维环氧树脂覆铜板)材料加工。(五)支撑柱5參见图I、图IA所示，支撑柱5采用PVC、PC材料加工。支撑柱5的直径为2mm。本发明设计的ー种工作于S波段和C波段的高増益、定向性、新型的双层印刷振子天线，其结构装配为横向介质板I与反射板3之间安装有四根支撑柱5，纵向介质板2置于横向介质板I与反射板3之间的中部,反射板3置于基板4的上方。在横向介质板I的上板面IA上采用覆铜技术加工有两个背条(第一背条101、第二背条102)，在横向介质板I的下板面IB上采用覆铜技术加工有两个蝶形振子(A振子103、B振子104)。纵向介质板2的两个板面上采用覆铜技术加工有微带线(A梯形微带线201、B梯形微带线202)。基板4的上方采用覆铜技术加工有反射板3。在纵向介质板2上所述采用覆铜技术加工出的微带线，这样纵向介质板2与微带线也是天线中常称为的巴伦。本发明设计的低剖面双层印刷超宽带天线具有三个天线単元，即第一天线单元用于实现辐射电磁波，第二天线单元用于馈电的阻抗转换，第三天线单元用于实现天线的定向辐射。所述第一天线单元是由第一背条101、第二背条102、A振子103和B振子104构 成。所述第二天线单元由A梯形微带线201、B梯形微带线202和纵向介质板2构成。所述第三天线单元由反射板3和基板4构成。采用三个天线単元，有利于天线的加工和制作。不需要任何特殊的エ艺，就能制造出性能良好的天线。在本发明中，第一天线单元的性能为图4A所示为传统双导线折合偶极子，所述双导线折合偶极子的长度为λ/2 (λ表示天线的工作波长)，馈端阻抗近似为300 Ω。该偶极子经变种成为图4Β所示的一般化形式，就能获得在很宽范围内由传输线长度F所決定的馈端阻抗值，这种结构称为T型匹配天线。T型匹配天线可以看作是ー个短路传输线与具有很宽馈电间隙的振子并联。短路传输线的长度小于四分之一波长(即λ /4)，其阻抗是感性的。通过缩短振子长度或在两臂并联可变电容，可引入电容来调掉电感。随着传输线长度F的増加，输入阻抗也增加，其峰值大约出现在传输线长度F是振子长度的一半吋。当传输线长度F进ー步増加，阻抗减小，当传输线长度F等于振子长度吋，阻抗减小到等于折合振子的阻杭。所以通过调整传输线长度F，可以得到如图4C所示的倒T型匹配天线，其长度仅为O. 3 λ，并且有合适的馈端阻抗值。本发明的双层印刷天线就是ー种倒T型结构，其中传输线长度F的长度近似为2父町，振子长度为2 0 +し)+8，并且有120 Ω的馈端阻抗。參见图I、图2Α中背条的宽度(R1-R2，即弧形槽的槽宽)会直接影响天线的阻抗带宽。当背条宽度减小时，频带变宽。但从实际加工的角度考虑，背条宽度不可能无限小，基于此，在和其它參数综合优化后将背条宽度定为1.0mm。另外，背条的形式也会影响天线的带宽。仿真测试显示，弯的背条比直的背条有更好的性能，因此本发明设计了两个弧形背条共圆的构形。參见图2A中s是通孔的圆心与弧形槽端部的距离，即为过孔的位置。过孔的位置对天线的电流分布有影响，因此会间接的影响终端阻杭。为了获得合适的阻抗和带宽，s定为lmm。仿真测试过过孔数超过4个的情况，但是性能并无大的改善，因此从简化设计的角度，过孔数选为4。參见图3、图3A、图3B、图3C中振子的间隙g是O. 8mm，并且这个位置要与巴伦相连。振子的端ロ宽度W的改变会影响输入阻杭。当W增加时，输入阻抗会减小，但是W并不能无限增加，因为考虑到天线的尺寸限制，并且为了防止主波束的偏移，W定为O. 8mm。最后通过优化得到120 Ω的输入阻杭。在本发明中，第二天线单元的性能为巴伦是竖直立在反射板3上的，一面是A梯形微带线201，另一面是B梯形微带线202，如图I、图1A、图1B、图3、图3A、图3B、图3C所示，该巴伦要实现从50Ω到120Ω的阻抗变换。但是还要考虑巴伦对天线性能的影响。通过与不加巴伦时的天线进行对比，发现天线的方向图会受一定的影响，但只是在高频端稍微有些偏移和裂瓣。这主要是因为巴伦上的电流辐射造成増益和方向性的不稳定。在本发明中，第三天线单元的性能为反射板3的加入是为控制天线的方向性，并且可提高増益。由于增益和带宽的矛盾性，即剖面高时，虽有很宽的带宽，但增益却很小；剖面低吋，虽有很高的増益，但带宽却很窄。因此为了平衡这ー矛盾，反射板的位置，也就是剖面高度的选择要适中。经过优化后，剖面高度定为18_(纵向介质板2的长)，而选择平板反射板是因为结构简単，易于加工，并有利于共形安装。本发明的ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得驻波系数如图5所示，该天线在2. SGHz 6. 2GHz的范围内，其驻波系数小于2，这主要得益于天线形式的设计以及剖面高度的选择。本发明的ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得增益如图6所示，该天线在3GHz处增益达到9. 8dB,在频段2. 8GHz 6. 2GH z范围内，增益大于6. 7dB。本发明的ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，通过仿真测得辐射方向图如图7A、图7B所示，该天线在2. 8GHz 6. 2GHz范围内，有很好的定性辐射特性。虽然有巴伦结构进行平衡馈电，但未受大的影响，只是稍有偏移和裂瓣。本发明的ー种工作于S波段和C波段的新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线不但在2. SGHz 6. 2GHz内驻波系数小于2，高増益，方向性稳定，而且尺寸小，剖面低。不但有良好的抗干扰能力，而且有利于系统的集成化。在无线通信，卫星通信和移动通信中具有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在干该天线包括有横向介质板(I)、纵向介质板(2)、反射板(3)、基板(4)和支撑柱(5);横向介质板(I)的底部与反射板(3)的上部之间的间距18mm ;横向介质板⑴与反射板(3)之间安装有四根支撑柱(5)，纵向介质板(2)置于横向介质板⑴与反射板(3)之间的中部，反射板(3)置于基板⑷的上方； 所述横向介质板(I)的上板面上设有第一背条(101)、第二背条(102),第一背条(101)和第二背条(102)为结构相同圆弧形段，所述圆弧形段是采用覆铜技术将铜蚀刻在横向介质板(I)上形成；所述横向介质板(I)的下板面上安装有A振子(103)、B振子(104);横向介质板(I)、第一背条(101)、第二背条(102)、A振子(103)和B振子(104)构成第一天线単元；所述纵向介质板(2)的一板面上安装有A梯形微带线(201)，所述纵向介质板(2)的另ー板面上安装有B梯形微带线(202);所述纵向介质板(2) 的下部焊接在同轴线缆接头(6)上；纵向介质板(2)、A梯形微带线(201)和B梯形微带线(202)构成巴伦，也是第二天线单元；反射板(3)和基板(4)形成第三天线单元。
2.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在干横向介质板(I)的上板面(IA)上设有第一弧形槽(1C)、第二弧形槽(ID)，且第一弧形槽(IC)与第二弧形槽(ID)结构相同；第一弧形槽(IC)的两端设有A通孔(IG)、B通孔(IH);第二弧形槽(ID)的两端设有C通孔(IJ)、D通孔(IK);A通孔(IG)、B通孔(IH)、C通孔(IJ)和D通孔(IK)用于实现振子与背条的短路连接；横向介质板(I)的下板面(IB)上设有第一蝶形槽(IE)、第二蝶形槽(IF)，且第一蝶形槽(IE)与第二蝶形槽(IF)的结构相同；所述第一蝶形槽(IE)是由第一半圆(111)和第一梯形(112)构成，所述第二蝶形槽(IF)是由第二半圆(113)和第二梯形(114)构成。
3.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于纵向介质板(2)的右板面(2A)上设有第一梯形槽(2C);所述第一梯形槽(2C)内采用覆铜技术覆上铜材料形成A梯形微带线(201);纵向介质板(2)的左板面(2B)上设有第二梯形槽(2D);所述第ニ梯形槽(2D)内采用覆铜技术覆上铜材料形成B梯形微带线(202)。
4.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在干横向介质板(I)采用介电常数为2. 65的聚四氟こ烯玻璃纤维布加工。
5.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于纵向介质板(2)采用介电常数为2. 65的聚四氟こ烯玻璃纤维布加工。
6.根据权利要求I所述的工作于S波段和C波段的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于反射板(3)为采用覆铜技术将铜蚀刻在基板(4)上方形成，反射板(3)厚度为O.Olmm O. Imm0
7.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于基板(4)的上方采用覆铜技术加工有反射板(3)。
8.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于所述双层印刷超宽带天线能够工作于S波段和C波段。
9.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于所述双层印刷超宽带天线在2. 8GHz 6. 2GHz的范围内，其驻波系数小于2。
10.根据权利要求I所述的低剖面双层印刷超宽带天线，其特征在于所述双层印刷超宽带天线在3GHz处增益达到9. 8dB,在频段2. 8GHz 6. 2GHz范围内，增益大于6. 7dB。
全文摘要
本发明公开了一种新型的低剖面双层印刷超宽带天线，该天线包括有横向介质板、纵向介质板、反射板、基板和支撑柱；横向介质板与基板之间安装有4根支撑柱，纵向介质板置于横向介质板与基板之间的中部。在横向介质板的上板面上采用覆铜技术加工有两个背条，在横向介质板的下板面上采用覆铜技术加工有两个蝶形振子。纵向介质板的两个板面上采用覆铜技术加工有巴伦。基板的上方采用覆铜技术加工有反射板。本发明天线背条与振子构成的双层印刷天线是折合振子的变种，是能够工作于S波段和C波段的高增益、定向性、新型的双层印刷振子天线，不但实现了小型化，而且具有很宽的频带和很高的增益。因此该天线具有折合振子的很多优良特性。特别是小的结构尺寸和超宽的工作频带。
文档编号H01Q19/10GK102646859SQ201210050530
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者吴琦, 王诗然, 苏东林 申请人:北京航空航天大学