一种小型叉形辐射单元开口环形共面波导全向超宽带天线

摘要

本发明公开了一种小型叉形辐射单元开口环形共面波导全向超宽带天线。通过曲流技术对矩形微带贴片表面电流强度分布状况进行改变，并对环形地导体进行开口设计，使开口环形共面波导结构的特性阻抗为50Ω。利用CST软件对天线结构进行仿真和优化，天线在3.1～10.6GHz范围内回波损耗均小于-10dB、驻波比小于2、增益为2.8～5.7dB且全向辐射特性好。本发明天线结构简单、体积小、剖面低，可广泛应用于便携式短距离通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于便携式短距离移动通信系 统的全向超宽带天线。

背景技术

超宽带（UWB）技术是无线领域的新兴技术，具有传输速率高、功率低、安 全性高、系统复杂度低、多径分辨率高等特点。UWB技术可提供高达1Gbit/S 的数据传输速率并且有较强的穿透能力，比现有的传统无线通信技术（蓝牙技术、 红外技术）更适合应用在高速、短距离无线通信领域，尤其适合于室内办公网络 或数字家庭网络的高速无线接入。自2002年2月美国联邦通讯委员会正式通过 UWB技术民用化的规定后，UWB技术越来越受到人们的关注，将在未来短距 离高速无线通信领域占有重要地位。天线是无线通信系统的主要组成部分，天线 的性能直接影响整个无线通信系统的性能。超宽带天线占有3.1GHz～10.6GHz的 极宽频带，要在整个频域范围内具有良好的性能，要比设计传统的窄带天线有更 大的难度。如环形共面波导超宽带天线，体积小、具有平面结构[1]，适合在便携 式移动通信系统中应用，但频带内的回波损耗在几个频点均处于临界值-10dB附 近，全向性随频率增高变差。

现有技术中，便携式短距离移动通信超宽带天线存在的问题为：在全频带内， 回波损耗较高，接近-10dB临界值；随频率增高全向性变差；共面波导馈电方式， 容易获得超宽带特性，但增益较低，一般不超过3。

对比文件

[1]郭庆新,李增瑞,居继龙.环形地共面波导馈电的超宽带天线设计[J].中国 传媒大学学报自然科学版,2010,17(2):59-62

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型叉形辐射单元开口环形共面波导全向超宽 带天线，降低回波损耗、提高全向辐射特性、加强增益。

为了解决以上技术问题，本发明采用叉形主辐射单元，结合环形共面波导结 构，构造出超宽带天线。采用叉形辐射单元、在环形地导体上开口，使全频带回 波损耗均降到-10dB以下，最低-32dB，驻波比均在2以下；全向性保持良好， H面方向图直到9.5GHz仍近似为圆形，具体技术方案如下：

一种小型叉形辐射单元开口环形共面波导全向超宽带天线，包括介质基板 (1)、环形地导体(4)、叉形主辐射单元(7)、阻抗变换器(8)和中心矩形馈线(9)；其 特征在于：所述环形地导体(4)、叉形主辐射单元(7)、阻抗变换器(8)、中心矩形 馈线(9)沿同一纵向中心轴对称分布且都印刷在介质基板(1)的同一面上，如图1所 示；所述介质基板(1)的长为l₁、宽为w₁；所述环形地导体(4)包含环形贴片(2)和 矩形馈线(3)两部分，环形贴片(2)外径为r₁、内径为r₂，且w₁=2r₁，环形贴片(2)外 径所在圆与介质基板(1)的顶边缘和左右两侧边缘分别相切；在环形贴片(2)的顶 端设有宽为w₇的上端矩形开口(5)，在近馈源端(10)的环形贴片(2)的底部位置设有 宽为w₂+2*s₁的下端矩形开口(6)；矩形馈线(3)的长为l₆、宽为w₅，矩形馈线(3)的 上端与环形贴片(2)的下端相接，矩形馈线(3)的下端与馈源端(10)相连；两矩形馈 线(3)沿所述纵向中心轴对称分布，且相距w₂+2*s₁；

在环形地导体(4)的中空部位设有沿所述纵向中心轴对称分布，且从上至下依 次相连的叉形主辐射单元(7)、阻抗变换器(8)和中心矩形馈线(9)；中心矩形馈线(9) 的长为l₂、宽为w₂，且底端与馈源端(10)相连、顶端与阻抗变换器(8)的底端相连； 所述中心矩形馈线(9)与两侧的矩形馈线(3)之间的间隙分别为s₁；所述阻抗变换器 (8)的长为l₃、宽为w₃；叉形主辐射单元(7)与阻抗变换器(8)的两侧相连、二者底部 齐平，叉形主辐射单元(7)底部宽为w₆、高度为l₄+l₃；叉形主辐射单元(7)外侧三 角突起结构离叉形主辐射单元(7)底部高度为l₅、宽度为w₄，如图所示，两侧三角 突起结构保持一致并沿所述纵向中心轴对称分布；

所述各参数的取值范围为l₂：7～9mm；l₃：3～4mm；l₄：11～13mm；l₅：4～5mm； l₆：5～6mm；w₂：3～3.5mm；w₃：5～7mm；w₄：4～7mm；w₅：4.9～5mm；w₆：2～3mm； w₇：7～9mm；r₂：12～14mm；s₁：0.2～0.4mm。

所述各参数的优选方案为：l₂=7.5mm；l₃=3.5mm；l₄=12mm；l₅=4.5mm； l₆=5.5mm；w₂=3.25mm；w₃=6mm；w₄=5mm；w₅=4.95mm；w₆=2.5mm；w₇=8mm； r₂=13mm；s₁=0.3mm。

所述介质基板(1)的材料为聚四氟乙烯，通过直接在印刷电路板上腐蚀来制 作所述天线。利用CST仿真软件进行天线结构优化，得出最优化天线结构。

本发明具有有益效果。本发明采用曲流技术和共面波导技术相结合，设计了 阻抗渐变的叉形主辐射单元和带有开口的环形地导体，仿真结果可看出本发明具 有以下有益效果：

（1）回波损耗小，全频带回波损耗小于-10dB，电压驻波比小于2；

（2）全向特性好，在7.5GHz的极宽带宽范围内，全向辐射特性保持一致， 在移动通信中有更好的收发性能；

（3）增益高，在全频带内增益3.1～5.7；

（4）体积小、结构简单，辐射贴片均在介质基板的一侧，50Ω的共面波导馈 电阻抗，便于与系统其他部件匹配和集成。

附图说明

图1为本发明的结构主视图；

图2为环形地导体结构优化仿真S11参数图；

图3为叉形主辐射单元结构优化仿真S11参数图；

图4为CST软件仿真优化后的S11参数图；

图5为CST软件仿真优化后的VSWR参数图；

图6为天线在f=6.5GHz处的仿真方向图；

图7为天线在f=6.5GHz处的仿真方向图；

图8为天线在f=9.5GHz处的仿真方向图。

图中：1为介质基板；2为环形贴片；3为矩形馈线；4为环形地导体；5为 上端矩形开口；6为下端矩形开口；7为叉形主辐射单元：8为阻抗变换器；9为 中心矩形馈线；10为馈源端。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步的详细说明。

天线俯视结构如图1所示，该结构包括介质基板(1)以及在介质基板(1)同一面 上的环形地导体(4)、叉形主辐射单元(7)、阻抗变换器(8)和中心矩形馈线(9)。介 质基板(1)是聚四氟乙烯材料，介电常数为2.65，面积为33mm×30mm。其中环形 地导体(4)由环形贴片(2)和矩形馈线(3)共同组成，环形贴片(2)的外径r₁固定为 15mm、内径r₂在12～14mm范围内可调，环形贴片(2)外径所在圆分别与介质基板 (1)的顶边缘和左右两侧边缘相切；该环形贴片(2)不是封闭的曲面，在馈源端(10) 和远离馈源端(10)处分别有下端矩形开口(6)和上端矩形开口(5)，上端矩形开口(5) 的宽为7～9mm，下端矩形开口(6)的宽为3.2～3.9mm，两个矩形开口将环形贴片(2) 一分为二，两部分按纵向中心轴对称；环形贴片(2)通过矩形馈线(3)连接到馈源 端(10)进行馈电，矩形馈线的长为5～6mm、宽为4.9～5mm；在环形地导体(4)中空 部位，中心矩形馈线(9)位于馈源端(10)纵向中心轴处底端，长为7～9mm、宽为 3～3.5mm，一端与馈源端(10)相连，另一端与阻抗变换器(8)底端相连，阻抗变换 器(8)长为3～4mm、宽为5～7mm；叉形主辐射单元(7)与阻抗变换器(8)的横向两侧 相连、底部齐平，底部宽为2～3mm，叉形主辐射单元(7)外侧三角突起结构离叉 形主辐射单元(7)底部高度为4～5mm、宽度为4～7mm；介质基板(1)、环形地导体 (4)、叉形主辐射单元(7)、阻抗变换器(8)、中心矩形馈线(9)沿同一纵向中心轴对 称分布且都印刷在介质基板(1)的同一面上。

采用附图1所示的装置实现天线的超宽带特性，通过CST软件对环形地导体(4) 结构进行优化，仿真结果如图2所示，在12～14mm范围内改变环形地导体(4)内径 r₂的大小，使天线达到超宽带性能，分别将r₂设定为12mm、13mm、14mm，其带 宽分别为6GHz、6.2GHz、4.6GHz。由此可知，改变r₂的大小，可以展宽天线带 宽。

采用附图1所示的装置实现天线的超宽带特性，通过CST软件对叉形主辐射单 元(7)结构进行优化，仿真结果如图3所示，在4～7mm范围内改变叉形主辐射单元 (7)宽度w₄的大小，使天线达到超宽带性能，分别将w₄设定为4mm、5mm、6mm、 7mm，其带宽分别为5.6GHz、5.8GHz、6.1GHz、3.5GHz。由此可知，改变w₄的 大小，可以展宽天线带宽。

利用CST仿真软件优化得到天线最佳尺寸，图4和图5是调试后得到最优天 线回波损耗和驻波比参数仿真图，由图可见，在3.1GHz～10.6GHz范围内天线回 波损耗参数均小于-10dB、驻波比均小于2，全频段范围内的阻抗特性都比较理 想。图6、图7和图8分别是天线在3.5GHz、6.5GHz和9.5GHz三个典型频率 点的仿真方向图。由图6、图7和图8可以看出，在取样点频率f=3.5GHz、f=6.5GHz 和f=9.5GHz处，天线的全向辐射特性仅有少许变化，说明在整个频域范围内天 线有良好的全向辐射特性。由图可知，天线的E面仿真方向图类似单极子天线， H面仿真方向图则是全向辐射，在频域范围内天线方向图近似圆形且变化不大， 具有较好的一致性。表1是天线在最大辐射方向上的增益仿真结果。从天线仿真 方向图和增益结果看来，本发明UWB天线满足便携式短距离移动通信系统的一 般要求。

表1天线增益仿真结果