一种低频超宽带平面全向天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微带天线领域，涉及一种新型的平面超宽带天线设计，该天线频率覆 盖VHF和UHF频段，具有很好的全向特性。
【背景技术】
[0002] 在现代通信系统中，天线作为系统的重要组成部分，人们提出了越来越高的宽带 化和小型化的要求。天线的设计必须综合考虑工作带宽，系统增益等电性能参数以及结构 紧凑、小型化等各方面因素。现阶段工作在VHF和UHF频段内的宽带全向天线主要是倒锥天 线、盘锥天线、套筒天线等。这几类天线若工作在VHF频段则空间尺寸较大。而在众多天线 中，平面单极子天线具有增益高、尺寸小的特点被人们广泛研宄和应用于UWB领域。因此， 将平面微带单极子天线应用于VHF和UHF频段具有重要意义。
[0003] 在平面单极子天线中，通过对天线切角，使用圆形或椭圆形单极子以及渐变的馈 电线等方法，能够有效的拓宽天线的带宽。另外，不同的馈电方式也可以增加天线的工作频 带。在此期间，共面波导（CPW)馈电的馈电方式被提出并应用于UWB领域，取得的比较理想 的结果。通过共面波导（CPW)馈电的馈电方式，有人设计了一款超宽带平面天线，该天线 是基于盘锥天线的平面化这一思路来形成的，天线由椭圆形的单极贴片，渐变微带馈线和 梯形地组成。天线制作在1. 524mm，介电常数3. 48的基板上，尺寸为0. 19A*〇. 16A，人为 天线在0.41GHz时的波长。优化尺寸后，该天线的测试阻抗带宽超过21:1，覆盖频率范围 0.41-8. 86GHz，且具有良好的全向辐射特性。另外，有人设计出了一种新型舰载超短波宽 带天线，改天先采用平面非对称偶极子形式，上辐射面为椭圆拟合结构，下辐射面为指数渐 变梯形结构。该天线工作频率范围为30- 400MHz，在13. 3:1的频带内，天线的电压驻波比 小于2. 9,水品面方向图失真度小于3. 8dB，而天线的高度为0. 326A，A为天线30MHz时的 波长。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是：为了克服现有VHF/UHF天线带宽范围窄的问题，提供了 一种带 宽范围宽，全向性能较好的平面微带天线设计。通过加载电阻，天线回波损耗低于-l〇db的 最低频率达到了 30MHz，同时做到了尺寸尽可能的小。
[0005] 本发明的技术方案是：一种低频超宽带平面全向天线，包括：一块介质基板、金属 福射贴片、金属接地板和加载电阻；介质基板材料为FR-4,包括第一表面和与第一表面相 对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基板的第一表面，金属接地板和加载电阻设置于 介质基板的第二表面上；
[0006] 所述金属辐射贴片由一个U形贴片和圆盘组成；在U形贴片末端与渐变微带馈线 顶端之间，通过一个倒三角形金属贴片1相连；
[0007] 所述金属接地板为一矩形框金属贴片，在金属矩形框内部则加入了一梯形贴片和 两个长条形贴片2、3,并在金属矩形框的两个下端与梯形贴片底脚处分别加载了一个相同 的电阻loadresistance;馈电点feedpoint位于天线底端。
[0008] 所述的介质基板尺寸为0. 12X X0. 1 A，厚度h<<X，A为天线工作带宽最低 点的波长。
[0009] 所述的在U形贴片末端与渐变微带馈线顶端之间，加倒三角形金属贴片1，可以有 效地拓宽天线高频部分的带宽。
[0010] 所述的在金属接地板上加载电阻loadresistance，可以有效降地低天线的最低 频点。
[0011] 所述的在金属矩形框内部加入两个长条形贴片2、3，可以降低天线最低频点。
[0012] 本发明天线为平面单极子天线，A为天线工作带宽最低点的波长，最低频率为 30MHz〇
[0013] 有益效果
[0014] 本发明设计了一个工作在VHF和UHF频段的平面微带天线。该天线极化方式为垂 直极化，通过加载电阻其工作带宽为30-lOOOMHz。通过实验测得结果显示，天线具有很好的 全向性。当天线工作在100MHz时，天线具有最大增益2. 8dBi。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明结构示意图。
[0016] 图2(a)是本发明实物图，（b)是本发明馈电位置实物图，（c)是本发明加载电阻位 置实物图。
[0017] 图3是本发明的有无倒三角结构时回波损耗S11的仿真参数图。
[0018] 图4是本发明未加载和加载不同电阻的仿真回波损耗S11图。
[0019] 图5是本发明的金属地板矩形框内部加入两个长条形贴片不同长度下的仿真回 波损耗S11图。
[0020] 图6是本发明仿真与实测的回波损耗S11图。
[0021] 图7是本发明的实测增益图。
[0022] 图 8 是本发明在（a) 30MHz、（b) 500MHz和（c) 900MHz时H-plane和E-plane的仿 真与实测方向图。
【具体实施方式】
[0023] 如图1和图2所示，为本发明提供的一种低频超宽带平面全向天线，其包括：一 块介质基板、金属辐射贴片、金属接地板和加载电阻。介质基板材料为FR-4,包括第一表 面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基板的第一表面，金属接地板 和加载电阻设置于介质基板的第二表面上；天线通过50Q同轴线进行馈电，馈电点（feed point)位于天线底端0. 5cm处，如图2 (b)。
[0024] 所述金属辐射贴片由一个U形贴片和圆盘组成；在U形贴片末端与渐变微带馈线 顶端之间，通过一个倒三角形金属贴片1相连；
[0025] 所述金属接地板为一矩形框金属贴片，在金属矩形框内部则加入了一梯形贴片和 两个长条形贴片2、3,并在金属矩形框的两端加载了相同的电阻（loadresistance)，如图 2(c)；
[0026] 如图3所示，为本发明提供的一种低频超宽带平面全向天线在U形贴片末端与渐 变微带馈线顶端之间有无倒三角结构1时回波损耗S11的仿真参数图，从该图可以看出在 有倒三角结构时，天线在500MHz以后回波损耗S11均在-10dB以下。
[0027] 如图4所示，为本发明提供的一种低频超宽带平面全向天线在金属接地板上未加 载和加载不同电阻（loadresistance)的仿真回波损耗S11图，从该图可以看出天线最低 频点从未加载电阻时的70MHz，下降到了加载150Q后的30MHz，天线带宽明显拓宽。
[0028] 如图5所示，为本发明提供的一种低频超宽带平面全向天线在天线金属地板矩形 框内部加入两个长条形贴片2、3不同长度下的仿真回波损耗S11图，从该图可以看出贴片 长度不同，天线的最低频点将有所改变。
[0029] 如图6所示，为本发明的仿真和实测回波损耗S11图，从该图可以看出本低频超宽 带平面全向天线的服务频段为从30MHz至1000MHz范围。
[0030] 如图7所示，为本发明的实测增益图，从该图可以看出天线在30MHz时增益最低 为-19. 3dBi;在100MHz时增益最高为2. 8dBi。
[0031] 如图8所示，为本发明天线的方向图，每个同心圆的宽度代表5dB，从该图可以看 出天线在低频时有很好的全向性。
[0032] 在测量天线的方向图与增益时，则通过双天线法，运用弗里斯传输公式得到，具体 步骤如下：
[0033]
(1)
[0034] PT为发射功率，PK为接收功率，GT为发射天线增益，GK为接收天线增益，d为两天 线之间的距离。化简后得到公式：
[0035] (Pr, dB_lR，dB)_ (Pt, (Ib+It，dB) -GT，dB+GR，亚-201 og1(lf-201 og1(ld+147. 56 (2)
[0036] 1.设置信号发生器发出频率f，发射功率PT;
[0037] 2.通过矢网测得发射天线与信号源之间传输线的损耗，接收天线与矢网之间 传输线的损耗lR，dB;
[0038] 3.将2个一样的天线正对，保证天线之间的距离d在远场。测出矢网接收到的功 率PK;
[0039] 4.根据公式（2)，令6:^=G^得到2个相同天线正对时的增益G;
[0040] 5.保持接收天线不动，将发射天线旋转0角度，测出矢网接收到的功率PK0; [0041] 6.根据公式（2)，把G，PT，PK0，k#，lK，dB代入，算出接收天线旋转0角度后天线 的增益G0;
[0042] 7.重复步骤4,算出不同角度0下的增益60，得到天线的方向图。找出最大值 9 max *
[0043] 8.改变发出频率f，重复步骤3-8,得到不同频率下增益的最大值G0_，得到天线 的增益图。
[0044] 本低频超宽带平面全向天线可以作为一个超宽带天线应用于车载和舰载上，同 时，由于其结构的平面性，使得天线在隐蔽方面有很好的作为。此外，该天线也可用于各种 无线通信设备。
【主权项】
1. 一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于，包括：一块介质基板、金属辐射贴片、 金属接地板和加载电阻；介质基板材料为FR-4,包括第一表面和与第一表面相对的第二表 面；金属辐射贴片设置于介质基板的第一表面，金属接地板和加载电阻设置于介质基板的 第二表面上； 所述金属辐射贴片由一个U形贴片和圆盘组成；在U形贴片末端与渐变微带馈线顶端 之间，通过一个倒三角形金属贴片（1)相连； 所述金属接地板为一矩形框金属贴片，在金属矩形框内部则加入了一梯形贴片和两个 长条形贴片（2、3)，并在金属矩形框的两个下端与梯形贴片底脚处分别加载了一个相同的 电阻（load resistance);馈电点（feed point)位于天线底端。2. 根据权利要求1所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：所述的介质基 板尺寸为〇. 12 X XO. 1A，厚度h<< X，A为天线工作带宽最低点的波长。3. 根据权利要求2所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：在U形贴片末 端与渐变微带馈线顶端之间，加倒三角形金属贴片（1)，有效拓宽了天线高频部分的带宽。4. 根据权利要求3所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：在金属接地板 上加载电阻（load resistance)，有效降低了天线的最低频点。5. 根据权利要求4所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：在金属矩形框 内部加入两个长条形贴片（2、3)，可以降低天线最低频点。6. 根据权利要求5所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：天线为平面单 极子天线。7. 根据权利要求6所述的一种低频超宽带平面全向天线，其特征在于：X为天线工作 带宽最低点的波长，最低频率为30MHz。
【专利摘要】本发明公开了一种低频超宽带平面全向天线。其包括:一块介质基板、金属辐射贴片、金属接地板和加载电阻。介质基板材料为FR-4，包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基板的第一表面，金属接地板和加载电阻设置于介质基板的第二表面上；金属辐射贴片由一个U形贴片和圆盘组成；在U形贴片末端与渐变微带馈线顶端之间，通过一个倒三角形金属贴片相连；金属接地板为一矩形框金属贴片，在金属矩形框内部则加入了一梯形贴片和两个长条形贴片，并在金属矩形框的两端加载了相同的电阻；整个天线通过50 同轴线进行馈电。本发明提供的一种低频超宽带平面全向天线，结构紧凑、带宽范围大、低频全向性好。
【IPC分类】H01Q5/28
【公开号】CN104882676
【申请号】CN201510222461
【发明人】文舸一, 杨凌升, 冷涛
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月4日