一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线制造技术

本实用新型专利技术公开了一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，它由扇形渐变结构辐射单元、共面波导、地板和同轴接头构成。扇形渐变结构辐射单元由两个圆心相同、扇面宽度和角度不同的扇形组合而成，引起不同频率的电磁波产生谐振，增加谐振频率点，使不同频率谐振点互相叠加，有效的展宽天线的阻抗带宽，将矩形地板进行切角处理后与共面波导之间形成缝隙，可以改变表面电流走向，延长表面电流路径，进一步调节天线的带宽特性。本天线具有制作简单、加工方便、易于集成的结构特性，满足超宽带、小型化的设计要求，有效工作带宽覆盖2.55～13.68GHz，相对带宽达到139％，在工作频段内具有良好的全向辐射特性，适用于低功率近距离无线通信系统。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及超宽带无线通信
的印刷天线，特别是一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，适用于低功率近距离无线通信系统。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，通信系统在信息传输容量和速率不断升级，对天线的功能、性能、低成本、小型化等方面都提出了更高的要求。由于超宽带通信技术具有抗干扰能力强、穿透性好、分辨率高、低功耗、高速率等优点，美国联邦通信委员会将3.1～10.6GHz作为适用于超宽带通信系统的频谱范围，具有全向辐射特性和平面结构的新型超宽带天线成为广泛使用的天线形式。早期的单极子天线辐射单元与地板垂直，不便于小型化设计，无法与载体共形，而平面印刷单极子天线辐射单元与地面共面，便于小型化和载体共形。研究表明，印刷圆盘、椭圆形、多边形、梯形单极子天线近似于双锥天线的渐变结构，这类天线具备超宽带性能的原因是它的辐射单元和地板相当于均匀渐变传输线，辐射单元的整体尺寸决定了天线的最低工作频率。通过调整辐射单元的形状与尺寸或者调整地板的位置与形状，可以改变天线的表面电流、提升辐射能力，使之满足超宽带特性。一种水滴形结构的超宽带单极子天线通过将辐射单元结构设计为水滴形状，采用微带作为馈源，有效的增加了谐振点，但该天线相对带宽较小、尺寸较大，地板与辐射单元位于介质基板的两侧，不便于加工。共面波导馈电的天线与微带天线相比有超宽带、低色散等优点，因辐射单元、馈电导带、地板在介质基板同侧，所以加工方便、易于共形。采用共面波导馈电的印刷天线，可以将辐射单元的结构设计成圆形、菱形、方形、梯形，或者几何形状的组合结构，从而提高天线的阻抗带宽和增益，也可以通过调节地板形状、地板与辐射单元的缝隙结构，提高天线的相对带宽。一种漏斗形平面超宽带印刷天线辐射单元采用漏斗形状，通过共面波导结构馈电，阻抗带宽达到2∶1。一种杯形平面单极子超宽带天线，将辐射单元设计成类似于高脚杯的形状，采用共面波导结构的馈电方式，设计结构新颖、尺寸较小，相对带宽达到121％，但带宽较窄。渐变结构是天线辐射单元由不同比例的几何形状组合而成，如组合椭圆、圆形、矩形、梯形等，不同比例的几何形状组合辐射单元会引起在不同频率上产生谐振，将相邻谐振频率点相连接能够展宽天线的阻抗带宽，满足超宽带天线的全向辐射、高稳定增益以及小型化的需求。一种阶梯型渐变结构共面波导馈电的超宽带平面单极子天线，将矩形天线改进为不同长宽比矩形组合的渐变结构辐射单元，有效的展宽了天线的阻抗带宽，使其带宽达到2.62～13.54GHz，相对带宽可达134％，满足超宽带通信系统对带宽指标的需求。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，满足超宽带无线通信系统的要求，结构简单，加工方便，辐射特性稳定，具有良好的全向辐射特性和较宽的阻抗带宽。本技术的技术方案是：一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，由扇形渐变结构辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的扇形渐变结构辐射单元(1)由两个圆心相同、扇面宽度和角度不同的扇形组合而成，所述的共面波导(2)由不同长宽比的矩形组合而成，所述的地板(3)将矩形地板两侧进行切角处理而形成，其特征在于：天线整体为左右轴对称结构，辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)位于同一平面上，采用共面波导方式进行馈电，共面波导(2)上端与渐变结构辐射单元(1)相连接，下端与同轴接头(4)相连接，切角处理后的矩形地板位于共面波导两侧，与共面波导之间形成一定缝隙。本技术的效果在于：本天线采用扇形渐变结构辐射单元，引起不同频率的电磁波产生谐振，增加谐振频率点，使不同频率谐振点互相叠加，有效的展宽天线的阻抗带宽，将矩形地板进行切角处理后与共面波导之间形成缝隙，可以改变表面电流走向，延长表面电流路径，进一步调节天线的带宽特性，降低辐射损耗，具有制作简单、加工方便、易于集成的结构特性，满足超宽带、小型化的设计要求，有效工作带宽覆盖2.55～13.68GHz，相对带宽达到139％，在工作频段内具有良好的全向辐射特性，增益变化平稳，适用于低功率近距离无线通信系统。附图说明图1是本技术实例的结构示意图。图2本技术实例实测回波损耗S11曲线与仿真结果比较。图3是本技术实例在频率为3.8GHz时的xoz面增益方向图。图4是本技术实例在频率为3.8GHz时的xoy面增益方向图。图5是本技术实例在频率为6.2GHz时的xoz面增益方向图。图6是本技术实例在频率为6.2GHz时的xoy面增益方向图。图7是本技术实例在频率为9.8GHz时的xoz面增益方向图。图8是本技术实例在频率为9.8GHz时的xoy面增益方向图。具体实施方式本技术的具体实施方式是：如图1所示，一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，由扇形渐变结构辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的扇形渐变结构辐射单元(1)由两个圆心相同、扇面宽度和角度不同的扇形组合而成，通过调整扇面宽度和角度激发不同频率的电磁波产生谐振，增加谐振频率点，使不同频率谐振点互相叠加，有效的展宽天线的阻抗带宽，所述的共面波导(2)由不同长宽比的矩形组合而成，调节输入阻抗，降低辐射损耗，所述的地板(3)采用切割方法将矩形地板两侧进行切角处理，切除地板上电流分布较弱的部分，使电流分布更加集中，进一步展宽阻抗带宽，地板(3)与共面波导(2)之间形成缝隙，可以改变表面电流流向，延长表面电流路径，进一步调节天线的带宽特性，其特征在于：天线整体为左右轴对称结构，辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)位于同一平面上，采用共面波导方式进行馈电，共面波导(2)上端与渐变结构辐射单元(1)相连接，下端与同轴接头相连接，切角处理后的矩形地板位于共面波导两侧，与共面波导之间形成一定缝隙。选择F4B-2型介质基板，介电常数εr＝2.55，厚度h＝0.2mm，介质损耗为0.001。介质基板高l＝45mm、宽w＝45mm，采用组合矩形共面波导方式进行馈电，共面波导宽度为w1、w2，与地板之间的缝隙宽度为g，辐射单元为扇形组合结构，圆心点位于对称轴上，两个扇形顶部相对于圆心点的距离分别为r1+r2和r2，扇面的角度分别为θ1和θ2，调整扇面宽度和角度可以激发不同频率的电磁波产生谐振，增加谐振频率点。使用Ansoft HFSS电磁仿真软件进行优化设计，得出天线的结构尺寸：r1＝17.5mm，r2＝15.5mm，θ1＝73°，θ2＝47°，l1＝11.5mm，l2＝22.7mm，l3＝21.4mm，l4＝18.1mm，l5＝16.3mm，l6＝3.4mm，w1＝4.8mm，w2＝8.1mm，w3＝22.5mm，w4＝3mm，w5＝2.5mm，g＝0.8mm，如图1所示。使用Agilent矢量网络分析仪对天线模型进行测试，实测S11曲线与Ansoft HFSS仿真结果对比如图2所示，实测结果表明，在2.55GHz～13.68GHz范围内回波损耗小于-10dB，谐振点分别为3.8GHz、6.2GHz和9.8GHz，实测的谐振点与仿真结果对比，实测的S11曲线比仿真曲线深度有所加深，在低频段略向左侧偏移，在高频段基本相符，造成偏移的主要原因是切角处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，由扇形渐变结构辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的扇形渐变结构辐射单元(1)由两个圆心相同、扇面宽度和角度不同的扇形组合而成，所述的共面波导(2)由不同长宽比的矩形组合而成，所述的地板(3)将矩形地板两侧进行切角处理而形成，其特征在于：天线整体为左右轴对称结构，辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)位于同一平面上，采用共面波导方式进行馈电，共面波导(2)上端与渐变结构辐射单元(1)相连接，下端与同轴接头(4)相连接，切角处理后的矩形地板位于共面波导两侧，与共面波导之间形成一定缝隙。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带扇形渐变结构平面单极子天线，由扇形渐变结构辐射单元(1)、共面波导(2)、地板(3)和同轴接头(4)构成，所述的扇形渐变结构辐射单元(1)由两个圆心相同、扇面宽度和角度不同的扇形组合而成，所述的共面波导(2)由不同长宽比的矩形组合而成，所述的地板(3)将矩形地板两侧进...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧仁侠，张华磊，陈洪斌，霍旭阳，鲍捷，齐秋菊，
申请(专利权)人：吉林医药学院，
类型：新型
国别省市：吉林;22