一种对称双圆环结构共面波导馈电双频段平面单极天线的制作方法

本实用新型涉及超宽带无线通信技术领域，特别是一种对称双圆环结构共面波导馈电双频段平面单极天线，适用于远距离射频识别和超宽带无线通信系统。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源不断被开发利用，对天线在功能、性能、低成本、小型化等方面也提出了更高的要求。远距离射频识别系统是利用电磁空间耦合技术进行自动射频识别，广泛应用于物联网中的物流管理、交通管理、生产管理、资源开采等领域，远距离射频识别系统主要使用的频率为2.45GHz和5.8GHz，作为便携式射频识别系统中的小型平面天线是其关键组成部分。超宽带通信系统具有抗干扰能力强、信号穿透性好、分辨率高等优点，在高速无线通信系统中具有重要地位，应用频段主要为3.1～10.6GHz。无线通信系统需要兼容多个频段时，需要设计一种具有体积小、低剖面、易于集成等特点的多频段平面天线，满足多频段通信需求。平面单极子天线一般具有较宽的带宽和水平全向辐射特性，辐射体与地板共面，是最基本的天线形式，被广泛应用于现代无线通信系统中。三角形、方形、圆形、椭圆形平面印刷天线具有一定的超宽带特性，原因在于辐射单元和地板等效于TEM均匀渐变传输线，辐射单元的整体尺寸决定天线的最低工作频率。印刷超宽带天线主要通过改变辐射单元尺寸、结构和地板位置、形状等方法提高辐射能力，使其具有超宽带特性。一种水滴形结构超宽带单极天线，将辐射单元设计成水滴形状，带宽提升至117％以上，但天线尺寸较大，不便于加工。一种半椭圆结构共面波导馈电的平面超宽带天线，辐射单元类似于高脚杯形状，利用电磁对称原理，设计结构简单，阻抗带宽达到121％，尺寸缩小至41.2％，缺点是低频段天线性能较弱。辐射单元采用渐变结构可以引起在不同频率上产生谐振，进一步展宽天线的阻抗带宽。采用共面波导馈电形式具有超宽带、低色散、易于共形等优点，改变辐射单元与地板间的缝隙可以有效的改善天线的阻抗带宽特性。一种阶梯渐变结构平面超宽带天线，采用不同比例的矩形组合辐射单元，通过渐变组合使相邻的不同频率点产生谐振，有效的扩展天线的工作带宽，使其达到2.63～13.55GHz；一种倒梯形渐变结构共面波导馈电平面超宽带天线，采用倒梯形辐射单元，使不同频率谐振点互相叠加，有效的展宽天线的阻抗带宽，带宽为2.9～13.5GHz，缺点是这两种天线都不能满足远距离射频识别系统的频段需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种对称双圆环结构共面波导馈电双频段平面单极天线，同时满足远距离射频识别系统和超宽带无线通信系统对频段的需求，具有双频段特性和小型化、低剖面的机械结构特点。

本实用新型的技术方案是：一种对称双圆环结构共面波导馈电双频段平面单极天线，由对称双圆环结构辐射单元(1)、共面波导馈电线(2)、渐变结构地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的对称双圆环结构辐射单元(1)由两个圆环组合而成，圆心对称于天线的中轴线，两个圆环上端由圆弧过渡连接，下端连接梯形结构，所述的共面波导馈电线(2)为矩形融合结构，由长宽比呈一定比例的矩形融合而成，所述的渐变结构地板(3)将矩形地板内侧切除两个矩形形成阶梯形状，地板外侧切除一个三角形，其特征在于：对称双圆环结构辐射单元(1)、共面波导馈电线(2)、渐变结构地板(3)位于介质基板同侧，共面波导馈电线(2)上端与对称双圆环结构辐射单元(1)下端梯形结构相连接，共面波导馈电线(2)下端外接同轴接头(4)，渐变结构地板(3)左右对称于天线中轴线两侧，同共面波导馈电线之间存在一定缝隙。

本实用新型的效果在于：本天线采用对称双圆环结构辐射单元，将圆形与梯形进行巧妙的融合，在增加辐射单元面积的同时使其具有宽度渐变特性，实现各谐振点的相互叠加，有效的提高天线的带宽，调节辐射单元形成的两个匹配孔径，可以有效改善天线在低频段的频率响应，使阻抗带宽向低频段延伸，天线的工作频率有效的覆盖远距离射频识别系统的应用频段，采用矩形融合结构的共面波导馈电线可以调节输入阻抗，降低辐射损耗，切割处理后的矩形地板与馈电线之间形成缝隙，连接不同频率的谐振点，有效辐射不同频率的电磁波，进一步扩展天线的阻抗带宽，工作频段为2.1～12.2GHz，覆盖两个系统的应用频段，满足远距离射频识别系统和超宽带通信系统对工作频段的需求，在增益和方向性等方面满足使用要求，具有超宽带、高增益、全向辐射等特点，是一款应用前景良好的小型双频段平面单极天线。

附图说明

图1是本实用新型实例的结构示意图。

图2本实用新型实例实测天线驻波比曲线与仿真结果比较。

图3是本实用新型实例在频率为2.5GHz时的xoz面辐射方向图。

图4是本实用新型实例在频率为2.5GHz时的xoy面辐射方向图。

图5是本实用新型实例在频率为5.8GHz时的xoz面辐射方向图。

图6是本实用新型实例在频率为5.8GHz时的xoy面辐射方向图。

图7是本实用新型实例在频率为8.5GHz时的xoz面辐射方向图。

图8是本实用新型实例在频率为8.5GHz时的xoy面辐射方向图。

图9是本实用新型实例的峰值增益曲线。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式是：如图1所示，一种对称双圆环结构共面波导馈电双频段平面单极天线，由对称双圆环结构辐射单元(1)、共面波导馈电线(2)、渐变结构地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的对称双圆环结构辐射单元(1)由两个圆环组合而成，圆心对称于天线的中轴线，两个圆环上端由圆弧过渡连接，下端连接梯形结构，将圆形与梯形进行巧妙的融合，在增加辐射单元面积的同时使其具有宽度渐变特性，实现各谐振点的相互叠加，有效的提高天线的带宽，调节辐射单元形成的两个匹配孔径，可以有效改善天线在低频段的频率响应，使阻抗带宽向低频段延伸，天线的工作频率有效的覆盖远距离射频识别系统的应用频段，所述的共面波导馈电线(2)为矩形融合结构，由长宽比呈一定比例的矩形融合而成，可以调节输入阻抗，降低辐射损耗，所述的渐变结构地板(3)将矩形地板内侧切除两个矩形形成阶梯形状，地板外侧切除一个三角形，切割处理后的矩形地板与馈电线之间形成缝隙，连接不同频率的谐振点，有效辐射不同频率的电磁波，进一步扩展天线的阻抗带宽，其特征在于：对称双圆环结构辐射单元(1)、共面波导馈电线(2)、渐变结构地板(3)位于介质基板同侧，共面波导馈电线(2)上端与对称双圆环结构辐射单元(1)下端梯形结构相连接，共面波导馈电线(2)下端外接同轴接头(4)，渐变结构地板(3)左右对称于天线中轴线两侧，同共面波导馈电线之间存在一定缝隙。

选择介电常数ε_r＝2.65，厚度h＝1mm的介质基板，介质损耗为0.001。介质基板高l＝45mm、宽w＝45mm，对称双圆环结构辐射单元、共面波导馈电线、渐变结构地板印制在介质基板同一平面上，天线为左右轴对称，辐射单元由两个圆心距离为w₄、半径为r₁、r₂的圆环组合而成，圆心对称于天线的中轴线，两个圆环上端由半径为r₃圆弧过渡连接，下端连接梯形结构，采用矩形融合共面波导馈电线馈电，馈电线由尺寸为l₁、w₁和l₆、w₂的矩形融合而成，调节输入阻抗，辐射单元与地板之间的缝隙宽度为g，两块矩形地板对称于天线的左右两侧，将矩形地板内侧切除两个尺寸为w₅、l₃-l₂和w₆、l₄-l₃矩形形成阶梯形状，地板外侧切除一个三角形。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化分析，得出天线的结构尺寸：r₁＝8.1mm，r₂＝3.0mm，r₃＝6.3mm，w₁＝3.4mm，w₂＝11.1mm，w₃＝18.8mm，w₄＝18.8mm，w₅＝5.2mm，w₆＝3.7mm，w₇＝4.6mm，w₈＝18.8mm，l₁＝18.1mm，l₂＝15.6mm，l₃＝17.9mm，l₄＝20.1mm，l₅＝14.8mm，l₆＝3.1mm，l₇＝3.8mm，l₈＝7.5mm，g＝1.8mm，如图1所示。

使用微波矢量分析仪对天线模型进行测试，实测天线驻波比曲线与Ansoft HFSS仿真结果对比如图2所示，从测试对比结果能够得出，实测结果与仿真结果在整体趋势上具有良好的一致性，验证了仿真结果的有效性，天线驻波比VSWR≤2的有效带宽为2.1～12.2GHz，有效覆盖远距离射频识别系统和超宽带通信系统两个系统的应用频段，在很宽的频带内实现了阻抗匹配，实测曲线与仿真曲线对比在低频段有一定的差别，主要是加工误差所致。

对天线在2.5GHz、5.8GHz、8.5GHz三个频率点处的xoz面和xoy面辐射方向图进行测试，实测和仿真结果如图3、4、5、6、7、8所示。从图中可以看出，实测结果与仿真结果基本保持一致，天线在xoz面为不规则扇瓣，在xoy面辐射曲线近似圆形，满足远距离射频识别系统在应用频率2.45GHz和5.8GHz对全向辐射的需求，在超宽带系统的应用频带内也满足全向辐射需求，天线在频率点处具有良好的方向性。随着频率的升高，天线的辐射方向图出现略微的畸变，但不影响天线的整体辐射特性。

天线在不同频率点的峰值增益曲线如图9所示，在频带范围内选取一定的采样点，峰值增益在8GHz以下变化比较平稳，最低峰值增益为3.5dB，最高峰值增益为8.3dB，具有稳定的峰值增益。在8GHz以上变化较大，峰值增益曲线整体呈上升趋势，高频段出现下降现象，原因是介质基板的介电损耗随频率的升高而增大，对天线在高频段的增益方向性和稳定性造成一定的损失，但不影响天线的整体性能，是一款性能优良的双频段平面超宽带天线。