单极子超宽带天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种单极子超宽带天线。

背景技术：

超宽带(Ultra-wide band，UWB)技术距今已有五十多年的发展历史，是一种利用频谱极宽的超短脉冲进行通信的脉冲通信技术，又称为基带通信，在雷达、传感与军事通信系统中有较多的应用。2002年2月，美国联邦通信委员会颁布的规定中，将3.1GHz～10.6GHz作为超宽带天线的工作频谱范围，并允许其用于民用领域。

天线在无线通信系统中发挥着至关重要的作用，其功能是辐射或者接收空间电磁波。超宽带(Ultra-wide band，UWB)天线在超宽带系统中有着十分重要的作用，直接制约着超宽带系统的性能。作为收发信号的前端，对UWB天线有诸多的要求。例如在保证超宽带工作频段的前提下，要保证天线的结构紧凑以便于集成；由于工作频段宽，如何避免与其他天线的相互干扰。因此，超宽带天线的设计面临更大的挑战。

其中，工作频率满足如下条件之一的系统，都可以被称作超宽带系统。这两种条件分别是：

1、规定系统带宽的表达式如下：

其中，f_H和f_L分别是系统工作的-10dB带宽的最高频率和最低频率。当B_f>0.2时，这个系统可以称作超宽带系统。

2、当信号的绝对带宽f_H-f_L≧500MHz时，这个系统也可以称作是超宽带系统。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于公开一种单极子超宽带天线，以改善超宽带系统的性能。

为达上述目的，本发明公开的单极子超宽带天线，包括：辐射单元、地板及同轴馈线；所述同轴馈线内导体穿过地板接在辐射单元上，外导体接地；所述辐射单元采用边缘渐变的椭圆形结构。

优选地，上述椭圆形辐射单元上挖有一内切的圆形槽，所述圆心槽的圆心位于该椭圆形辐射单元的上半短轴上。

本发明公开的椭圆形结构辐射单元相比于传统的矩形辐射平面，天线阻抗带宽改善明显，进而可改善超宽带系统的性能；而在进一步开设圆形槽后，天线H面辐射强度显著增加。同时，开设圆形槽后，方便在圆形槽内加载寄生结构而不影响天线尺寸，以减少系统间存在的相互干扰，实现对某些频带的陷波功能。

基于上述单极子超宽带天线，可使得在电压驻波比VSWR<2时，工作频带覆盖了3.1GHz-15GHz，反射系数小于0.3162。

优选地，上述单极子超宽带天线的圆形槽上加载有陷波结构单元，且该陷波结构单元的电流流向与带阻频带内辐射单元电流流向相反。可选的，该陷波结构单元可为所述圆形槽底部寄生的T形或针对WLAN频段的十字形开路结构。

进一步的，当采用十字形开路结构时，优选地，椭圆形辐射单元的半长轴长度：椭圆形辐射单元的半短轴长度：圆心槽的半径长度：十字形开路结构的竖轴长度：十字形开路结构的横轴长度：十字形开路结构横轴及纵轴的宽度＝15：10：8：12.5：7：1，且十字形结构的横轴左右分布对称，竖轴交点上下的分布比例为＝7：5.5。基于该十字形开路结构，可使得在VSWR<2时，工作频带为3.1-5.16GHz和5.9-15GHz；当VSWR>2时，天线的阻带频段为5.16-5.9GHz。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种单极子超宽带天线的结构示意图；

图2为对应图1单极子超宽带天线的实际天线模型示意图；

图3为本发明所提供的带陷波的单极子超宽带天线的结构示意图；

图4为图3的一种优选结构的尺寸示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种单极子超宽带天线。在本发明实施例中，天线的输入阻抗是反映天线电路特性的参数，在天线输入端的阻抗就是天线的输入阻抗，定义为：

其中，Pin是天线的输入功率，Vin是天线的输入电压，Iin是天线输入电流，Rin是天线的输入电阻，包括输入电流的损耗电阻Rl和辐射电阻Rrad。Xin是天线的输入电抗，它将一部分输入功率转换成能量，存储在天线表面附近，而不是向自由空间发射。

阻抗带宽是当天线与传输线之间的阻抗相匹配时反射功率小于10％的带宽。阻抗带宽主要是有两个特征参数：电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)和回波损耗(Return Loss，RL)。这两个特征参数都同终端电压的反射系数Γ有关，Γ的定义是反射波和入射波电压之间的比值；其中，电压驻波比(VSWR)的定义是电压驻波的最大值和最小值的比值：

回波损耗(RL)是阻抗匹配的另一特征参数，定义是：

RL＝-20log(|Γ|) 公式(4)

此外，天线的辐射方向图是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。一般情况下，在远场区测定天线的辐射方向图，并将它转化为空间方向上坐标的方向图函数。工程上定义天线的方向性通常是用天线在最大辐射方向上两个相互垂直平面内的方向图来表示，它们分别称为E面方向图和H面方向图。E面是与电场矢量平行的平面，H面是与磁场矢量平行的平面，方向图能最直观地反映电磁场在空间分布的大小。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

本发明实施例首先公开一种单极子超宽带天线，如图1及图2所示，包括：辐射单元(1)、地板(2)及同轴馈线(3)。其中，同轴馈线内导体穿过地板接在辐射单元上，外导体接地；该辐射单元采用边缘渐变的椭圆形结构，该椭圆形辐射单元上挖有一内切的圆形槽，该圆心槽的圆心位于该椭圆形辐射单元的上半短轴上。

本实施例中，圆形槽选在适当的范围内选用不同的圆半径对回波损耗影响不大，且均符合超宽带要求。基于该结构的单极子超宽带天线，在VSWR<2时，工作频带覆盖了3.1GHz-15GHz，反射系数小于0.3162。

【对比实施例】：与图1的不同之处在于辐射单元，在不增减天线尺寸的情况下，采用传统的矩形面作为替换，用CST软件对该天线进行仿真，得到其工作频段内的回波损耗均大于-10dB；而且通过该天线表面图可以看出天线在频点(5.3GHz)的表面电流分布，馈电端口附近产生了大量电流，这些电流形成驻波，或反射回端口，致使发射能量得到了大量损耗，不能被辐射出去。造成反射损耗增大的原因可能是由于矩形的辐射平面在边缘突变。故该天线不能工作在超宽带频段。

而在本实施例中，在同一频点，椭圆形天线表面电流密度明显小于矩形天线，说明经馈线馈送的大部分能量都已经辐射到空间，仅有小部分电流形成驻波。而且，在本发明中，即使不开设上述圆形槽，当回波损耗小于-10dB时，天线的工作带宽为3.1-15GHz，覆盖了超宽带频率范围，工作频段内VSWR小于2，且天线的辐射方向并没有明显变化；但开设圆形槽后，通过直角坐标系下H面方向图可见，结构优化后天线H面辐射强度较优化前增加了0.3dB。因此，即使辐射单元采用本实施例中的椭圆渐变结构而不开设圆形槽，也符合超宽带天线的设计要求，进而可改善超宽带系统的性能。

本发明公开的椭圆形结构辐射单元相比于传统的矩形辐射平面，天线阻抗带宽改善明显，进而可改善超宽带系统的性能；而在进一步开设圆形槽后，天线H面辐射强度显著增加。同时，开设圆形槽后，方便在圆形槽内加载寄生结构而不影响天线尺寸，以减少系统间存在的相互干扰，实现对某些频带的陷波功能。

进一步的，本实施例还在上述圆形槽上加载有陷波结构单元，该陷波结构单元的电流流向与带阻频带内辐射单元电流流向相反，以实现对某些频带的陷波功能。可选的，该陷波结构单元为该圆形槽底部寄生的T形开路结构。

针对WLAN频段，优选地，如图3所示，本实施例公开的陷波结构单元为该圆形槽底部寄生的十字形开路结构(4)。用CST软件对十字型结构不同参数进行扫描，可得：由于十字型结构的加入，会在频带上产生一个阻带，对于5个add参数的扫描，在5.16-7.24GHz的频带范围内产生了5陷波带宽，其中最大带宽为add＝1mm时，阻带宽度1.24GHz，阻带中心频率为6.5GHz，回波反射增益为-3.22dB；最小带宽为add＝5mm时，阻带宽度0.74GHz，阻带中心频率为5.49GHz，回波反射增益为-1.74dB。藉此，十字型结构在高频带宽较宽，低频带宽较窄，回波损耗增益在高频较低，低频较高。说明其在较低频带具有良好的阻带性能，而且频带宽度也能覆盖WLAN频段宽度。故选用该十字型结构来实现UWB天线带陷性能可以满足设计要求。

基于图3的结构，寄生结构的尺寸、形状对天线的带阻性能影响至关重要。进一步的，如图4所示，针对WLAN频段一种优化的超宽带天线的参数及数值如表1：

表1：

其中，e_LR为半长轴，e_SR为半短轴，c_r为圆形槽半径，add为十字架竖轴的横轴以上部分，h1为十字架竖轴的横轴以下部分，w为十字架横轴与竖轴的宽度，t为十字架横轴对称于竖轴的右半部分。

换言之，即该椭圆形辐射单元的半长轴长度：该椭圆形辐射单元的半短轴长度：该圆心槽的半径长度：该十字形开路结构的竖轴长度：该十字形开路结构的横轴长度：该十字形开路结构横轴及纵轴的宽度＝15：10：8：12.5：7：1，且该十字形结构的横轴左右分布对称，竖轴交点上下的分布比例为＝7：5.5。

依托图4所示的结构及相应参数值，可使得该单极子超宽带天线具有稳定的辐射特性和陷波特性，具体包括：在VSWR<2时，工作频带为3.1-5.16GHz和5.9-15GHz；当VSWR>2时，天线的阻带频段为5.16-5.9GHz。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。