专利名称：一种小型化的超宽带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有较小尺寸的超宽带天线，特别是一种用于无线通信设备的天线，例如在U盘大小的便携式移动电子设备上使用的超宽带天线。本发明的天线主要针对 3. IGHz 10. 6GHz频段，设计满足应用需求的超宽带天线。
背景技术：
超宽带(ultra-wide band UffB)无线电技术是无线领域的新兴技术，它具有高速率、低成本、低功耗等特点，是下一代短距离高速率无线通信的最佳候选技术之一。同时它与其它现存的传统无线技术共享频带，这为解决目前日趋紧张的频谱资源提供了一个很好的解决方案。超宽带无线电技术在无线通信、雷达、跟踪、精确定位、武器控制等众多领域都具有广阔的应用前景。超宽带的概念由美国国防高级研究计划局(DARPA)于1989年首次做出了明确的定义，即绝对带宽大于1. 5GHz或相对带宽大于20%，但超宽带技术仅在雷达遥感和军事通信中应用。直到2002年4月，美国联邦通信委员会(FCC)通过了 UWB技术的商用许可，同时对民用领域超宽带的涵义进行调整，开放了三个UWB应用频段低于960MHz、 3. IGHz 10. 6GHz和22GHz ^GHz,在通信技术方面的应用当前集中在3. IGHz 10. 6GHz 频段内，超宽带无线通信在民用领域开始受到普遍关注。天线作为超宽带通信系统的关键部件，已经逐渐成为当前世界天线研究领域的热点之一，全球许多国家已经陆续启动了超宽带天线研究计划。
超宽带天线的设计比传统窄带天线的设计面临更多的挑战。超宽带终端设备多为便携式移动设备，所以要求天线具有平面结构，并且体积要小，同时还要有较好的输入匹配和辐射特性。常规的描述窄带天线性能的参数，诸如阻抗匹配、增益、极化等已经不足以对超宽带天线做出充分的描述，超宽带天线在满足其阻抗带宽涵盖FCC规定的频带范围的同时，还要对脉冲波形有很好的保真度、有较高的辐射效率等新的技术要求。
现有的超宽带天线能够实现所需频段内的技术要求，但是体积都偏大，参见 H.Schantz.，A brief history of UWB antennas[J]. Aerospace and eIectronicSystems Magazine, 2004，19 (4) :22_26。现有技术的这一不足使得超宽带技术在小体积设备，例如要用在像U盘大小的设备时，受到一定的限制。发明内容
本发明提供一种具有较小尺寸的超宽带天线，在保持天线良好的电性能要求下， 本发明可极大的减小天线的几何尺寸，使其能够用在像U盘大小，甚至更小的便携式移动电子设备上。
本发明的一种小型化的超宽带天线，包括介质板、设置于介质板上的由导电体构成的辐射单元、接地单元和馈电单元，以及与同轴电缆相接的微波接头。本发明所用的介质板由低介电常数的物质构成，介质板的正面设置有其半圆形直边与介质板的一个边缘重合的半圆形辐射单元，辐射单元与馈电单元相连，介质板的背面设置有带有半圆鞍形内凹形状的接地单元，位于介质板正面的馈电单元和位于介质板背面的接地单元分别通过微波接头与同轴电缆的屏敝导线、中芯导线相接，其具体的接线方法为连接辐射单元的馈电单元通过微波接头与同轴电缆的中芯导线相接，而接地单元通过微波接头与同轴电缆的屏敝导线相接；或者连接辐射单元的馈电单元通过微波接头与同轴电缆的屏敝导线相接，而接地单元通过微波接头与同轴电缆的中芯导线相接。这里的馈电单元最简单的方式是分别与辐射单元和微波接头相连的导线。本发明的天线中，接地单元的半圆鞍形内凹形状的直边与介质板的正面设置的半圆形辐射单元的直边重合；介质板背面的接地单元的半圆鞍形内凹形状在介质板正面的投影内含介质板正面的半圆形辐射单元，也就是说介质板正面的辐射单元的单元其在介质板背面的投影位置是位于介质板背面的接地单元之内，且不内切；辐射单元半圆的半径R1与接地单元的半圆鞍形内凹的半径&之比等于5 9 7 17;介质板为长度彡(2R2+1毫米)、宽度彡(R2+l/2毫米)的矩形。
本发明的小型化的超宽带天线的最佳结构为所用的介质板为矩形的双面敷铜的印刷电路板，其正面的半圆形辐射单元内及馈电单元处的铜箔保留；其背面的接地单元半圆鞍形内凹形状的半圆内的铜箔去除，保留其余部分的铜箔。
本发明实施实施例的介质板宽为10毫米，长为20毫米，R1为4. 5毫米，&为7. 5 毫米，辐射单元的半圆圆心与接地单元的半圆圆心距离为2. 8毫米。
本发明可以看作是圆形缝隙天线沿其中心轴线对称剪切一半得到的。分析电流分布可知是对称的，因此可以在保持天线电特性变化不大的情况下，使得天线的体积减小到原来的一半。由于天线的辐射单元和接地单元的圆弧形结构在同一方向，半径大小不一，从而实现了电磁波从微带线到自由空间的光滑过度，使得天线获得良好的匹配特性。
本发明的优点在于
1.宽带特性。辐射单元和接地单元均采用半圆形弧线边界，实现了阻抗渐变结构， 在展宽天线频带宽度的同时，减小了其体积。频率范围覆盖3. IGHz 10.6GHz的超宽带工作频段，满足了超宽带无线通信系统的要求。
2.天线体积很小。和相同性能的圆环缝隙天线相比，体积减小近一半，能够集成在 U盘大小的移动设备上。
3.结构简单，可以印刷制作，性能一致性好，适合批量生产。整个天线为平面结构， 适合与系统的其它部件集成，简单实用。
4.传输函数幅度平坦，相位呈线性分布，有利于超宽带信号的传输。
图1是本发明的一个实施例的正面结构示意图2是本发明的的一个实施例的背面结构示意图，图中的虚线部分为介质板正面的辐射单元2边缘的投影位置；
图3是本发明侧面结构示意图，即图1的右视图(图2的左视图)；
图4是本发明的仿真和实测的电压驻波比；
图5是本发明的实测传输函数幅度；
图6是本发明的实测传输函数相位。
在图1至图3中1为介质板，2为辐射单元，3为馈电单元，4为接地单元，5为微波接头。其中的辐射单元2与微带馈电单元3相连位于介质板1正面同一表面上，接地单元4则位于介质板1的背面。
具体实施方式
附图为本发明的一个实施例的示意图，以下结合
附图给出的本发明的实施例是用一块双面敷铜中间夹有绝缘板的材料，即通常所述的印刷电路板制成，辐射单元2及微带馈电单元3位于印刷电路板的一面，而接地单元4 则位于印刷电路板的另一面。本发明所述辐射单元2是一个由铜箔构成的半圆盘，其直边的方向与微带馈电单元3的轴线相平行，直边的延长线和微带馈电单元3的一条宽边重合， 参见附图1。接地单元4为修正的矩形结构，即将矩形介质板长边的一个边用向内凹陷的圆弧代替，圆弧的中心位于矩形介质板长边的中点上，且辐射单元2的导体半圆弧的内凹方向与接地单元4非导电介质半圆弧内凹方向一致，参见附图2，且图2中圆弧左边浅色区域内的铜箔被去除，仅保留圆弧右侧深色区域内的铜箔。附图所示的实施例的馈电方式为微带馈电单元3通过微波接头5与同轴电缆的中心导线相接；接地单元4通过微波接头5与同轴电缆的屏敝导线相接。馈电方式也可以是将微带馈电单元3通过微波接头5与同轴电缆的的屏敝导线相接；接地单元4通过微波接头5与同轴电缆的中心导线相接。
本发明的一个具体实施例中，采用的介质板为印刷电路板，其介质板的介电常数为4. 4的玻璃纤维，介质板所对应矩形的长度和宽度分别为20mm和10mm，通过印刷制版和腐蚀的方式分别在其正面形成辐射单元2与微带馈电单元3，在其背面形成接地单元4，其中辐射单元2的半圆半径为4. 5mm，接地单元4中的半圆半径为7. 5mm，辐射单元的半圆圆心与接地单元的半圆圆心距离为2. 8毫米。
图4是仿真和实测的前述具体实施例的天线电压驻波比曲线，实测中采用 Agilent Ε835!3Β矢量网络分析仪。由图4可以看出，实测的工作频率范围(VSWR < 2 1) 为3. OGHz 10. 8GHz，仿真的工作频率范围大于实测的范围，仿真和实测数据表面本发明的天线确实实现了超宽带特性，天线在3. IGHz 10. 6GHz的超宽带工作频段内获得良好的阻抗匹配效果。
图5是实测的前述具体实施例的传输函数幅度随频率变化的曲线，由图5可以看出，在3. 4GHz 10. 4GHz范围内，传输函数幅度值得变化在IOdB以内。说明天线的整体幅度比较平坦，同时工作频段内增益的变化较小。非常有利于超宽带信号的传输。图6是实测的传输函数相位随频率变化的曲线，可以看出传输函数的相位特性近似地呈线性分布， 天线对脉冲信号的干扰较小。
综上所述，本发明的天线在超宽带范围内具有良好的电压驻波比、平坦的增益和线性传输函数相位，非常适合超宽带信号的传输。该天线采用印刷结构，体积小，平面化，有利于加工制作以及系统集成，适合用于超宽带无线通信领域。
权利要求
1.种小型化的超宽带天线，包括介质板、设置于介质板上的由导电体构成的辐射单元、接地单元和馈电单元，以及与同轴电缆相接的微波接头，其特征在于所用的介质板 (1)由低介电常数的物质构成，介质板(1)的正面设置有其半圆形直边与介质板的一个边缘重合的半圆形辐射单元O)，辐射单元O)与馈电单元C3)相连，介质板(1)的背面设置有带有半圆鞍形内凹形状的接地单元G)，位于介质板正面的馈电单元C3)和位于介质板背面的接地单元(4)分别通过微波接头(5)与同轴电缆的屏敝导线、中芯导线相接，且接地单元(4)的半圆鞍形内凹形状的直边与介质板(1)的正面设置的半圆形辐射单元O)的直边重合；介质板背面的接地单元的半圆鞍形内凹形状在介质板正面的投影内含介质板正面的半圆形辐射单元O)；辐射单元( 半圆的半径R1与接地单元的半圆鞍形内凹的半径&之比等于5 9 7 17;介质板为长度彡毫米)、宽度彡(R2+l/2毫米)的矩形。
2.根据权利要求1所述的一种小型化的超宽带天线，其特征在于所述的介质板(1)为矩形的双面敷铜的印刷电路板，其正面的半圆形辐射单元O)内及馈电单元C3)处的铜箔保留；其背面的接地单元(4)半圆鞍形内凹形状的半圆内的铜箔去除，保留其余部分的铜箔。
3.根据权利要求2所述的一种小型化的超宽带天线，其特征在于介质板宽为10毫米， 长为20毫米，R1为4. 5毫米，&为7. 5毫米，辐射单元的半圆圆心与接地单元的半圆圆心距离为2. 8毫米。
全文摘要
本发明公开一种具有较小尺寸的超宽带天线。本发明的超宽带天线，包括介质板、设置于介质板上的由导电体构成的辐射单元、接地单元和馈电单元，以及与同轴电缆相接的微波接头。本发明所用的介质板由低介电常数的物质构成，介质板的正面设置有其半圆形直边与介质板的一个边缘重合的半圆形辐射单元，辐射单元与馈电单元相连，介质板的背面设置有带有半圆鞍形内凹形状的接地单元，位于介质板正面的馈电单元和位于介质板背面的接地单元分别通过微波接头与同轴电缆的屏敝导线、中芯导线相接。
文档编号H01Q1/38GK102509877SQ20111036618
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者张金生, 杨明堃, 高国平 申请人:兰州大学