CN102509868A

CN102509868A - 基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法

Info

Publication number: CN102509868A
Application number: CN2011103671536A
Authority: CN
Inventors: 张晓霞; 文玥; 熊煜; 崔德勇; 钱硕
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-06-20

Abstract

基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，属于无线通信技术领域，涉及超宽带平面天线技术和微波技术。通过对矩形微带贴片天线电流强度分布的状况改进，设计了一种特殊贴片形状天线结构，这种形状是椭圆形与圆形相交割的部分，并且通过改变椭圆形长短半轴以及圆形半径等一系列参数来设计，设计结果可以达到美国联邦通信委员会(FCC)制定的超宽带频段范围3.1GHz～10.6GHz，天线的回波损耗小于2并且天线具有全向性。

Description

基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法

技术领域

基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计，属于无线通信技术领域，涉及超宽带平面天线技术和微波技术。

背景技术

美联邦通信委员会(FCC)于2002年2月通过了允许超宽带通信技术(UWB：Ultra-wideband)民用化的规定，之前UWB技术的应用领域仅仅局限在于雷达、传感、军事通信等方面，随着民用化限制的取消，UWB技术将广泛的应用于车载雷达***、数字通信与测试***以及成像***等商用、民用领域，成为未来短距离高速无线通信***实现的有力竞争方案。

新兴的UWB无线通信技术在实现层面上有诸多的挑战，UWB天线的设计实现就是其中之一。无线通信***中，信息的传输载体为电磁波，传输媒质为空气介质，天线实现导行电磁波和空间电磁波的相互转换，IEEE将天线定义为***中设计用于辐射和接收电磁波的部分。天线作为无线通信***中不可缺少的部件，其结构类型、性能要求与***自身技术特点和应用场合密切相关。UWB采用FCC开放的3.1-10.6GHz频段，带宽高达7.5GHz，是陆地商业通信***中最大的带宽分配，因此，UWB信号具有超宽带的特性。另外，UWB***必须具有高数据速率、低功耗和低成本的特性，这就要求提高了UWB天线的要求，必须具有相对于窄带***天线更高的性能。

超宽带天线的发展大致可分为三个阶段，早期发展阶段处于上世纪50年代以前，主要应用领域是广播电视***；上世纪50年代至90年代是超宽带天线的蓬勃发展时期，该时期提出了多种宽带和非频变天线的设计理论，并广泛应用在各类通信***和雷达探测***中；上世纪90年代至今，随着FCC解除对民用UWB设备的使用频段的限制，超宽带天线技术得到极大的推动和发展。

上世纪90年代开始，不断涌现了一些新兴的超宽带平面天线技术，包括超宽带平板单极子天线、超宽带印刷单极子天线、超宽带印刷缝隙天线和超宽带平面天线。1976年，G.Dubost等人提出了平板天线结构，成为早期的超宽带平面单极子天线的主要结构形式。1992年，Honda等人在球形单极子天线的基础上提出了圆盘单极子天线，获得了大于8∶1的阻抗带宽。之后研究人员主要以天线的阻抗带宽为研究方向，相继提出了椭圆形、环形、圆形、水滴形等多种变形的平板型单极子天线，极大的增加了宽带平板单极子天线的种类。为使天线结构紧凑同时不失全向辐射特性，出现了以接地面为镜像的平面偶极子天线，Thoms等人提出了圆盘偶极子天线。偶极子天线一般在实际应用中需要作镜像处理，从而出现了单极子天线，天线尺寸变得更小。早期单极子天线的辐射面虽然是印刷式平面结构，但接地面与金属辐射面垂直，其馈电方式是由SMA接口的探针经由接地面上的导通孔连接到天线的辐射体上，而辐射体与接地面间的距离成为影响阻抗带宽的重要因素之一，整个天线仍然是三维结构。

二维的单极子天线采用印制板技术，不需要在接地面设计一个导通孔，大多采用微带线或共面导体馈电结构。早期的平面单极子天线是带状线馈电的平面三角形单极子天线，为进一步减小体积，又改为为微带线馈电方式。随后相继出现了各种形状的天线结构。辐射体为圆形的单极子天线设计较为简单，天线的最低工作频率可通过改变圆形半径进行调整，天线的阻抗带宽可通过改变辐射体形状进行优化。若将辐射体改为漏斗形，阻抗带宽可达2∶1，改为领结形、十字形、u形、心形，阻抗带宽可增加到3∶1～3.4∶1不等；若将辐射体变为圆形、扇形和椭圆形等可进一步增加天线的阻抗带宽。调节辐射体和地板之间的距离，可使圆形单极子天线的阻抗带宽达到5∶1。平面单极子天线具有结构简单、全向辐射、体积小、制作容易等特性，成为目前较多机构的研究对象。

发明内容

本发明要解决的主要问题是通过对矩形微带贴片天线电流强度分布的状况改进，设计了一种特殊贴片形状天线结构，这种形状是椭圆形与圆形相交割的部分，并且通过改变椭圆形长短半轴以及圆形半径等一系列参数来设计，设计结果可以达到美国联邦通信委员会(FCC)制定的超宽带频段范围3.1～10.6GHz并且天线的回波损耗小于2。

本方法结合了传输线设计法和有限元算法，先运用传输线理论的设计方法对微带馈电部分进行设计，使得微带线馈电的阻抗值为50Ω，以达到阻抗匹配；再运用有限元法计算矩形辐射贴片天线的电流分布，将矩形辐射贴片电流分布较弱的部分切除掉，设计的天线辐射贴片形状为椭圆形与圆形相交割形状，其结构见图1；最后将优化的贴片结构与微带馈电结构相结合，组成基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线，其结构见图2。采用的基板型号为4350B型号，介电常数为3.48，厚度为1.52mm；辐射贴片和接地板材料为镀金层。

辐射贴片和微带馈电结构的设计过程如下：

1.利用有限元算法，将矩形辐射贴片电流分布较弱的部分切除掉形成椭圆形与圆形相交割形状，在不同椭圆长短半轴比率和圆形半径条件下，计算超宽带天线的带宽以及回波损耗。

2.微带馈电结构与微带线宽度W和微带线与接地板间距h有关，在不同W/h下，计算微带线的特征阻抗使之可以达到50Ω的特征阻抗匹配。

3.结合步骤1和2的结果，得到基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的结构参数。

本发明的有益效果：

1.天线的频段范围为3.1～10.6GHz，达到超宽带标准。

2.天线的回波损耗小于2，能够达到使用标准。

3.微带馈电阻抗可以达到50Ω，能够与负载匹配。

本文的应用价值：高速宽带无线通信民用及军事领域有着广泛的应用。

附图说明

图1：椭圆形与圆形相交割的辐射贴片形状，1为椭圆，2为圆，3为椭圆形与圆形相交割的辐射贴片。

图2：基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线结构图，1辐射贴片，4为微带馈电，5为基板，6为接地板，7为SMA接头。

具体实施方式

通过对矩形微带贴片天线电流强度分布的状况改进，提出了一种特殊贴片形状天线结构，这种形状是椭圆形与圆形相交割的部分，并且通过改变椭圆形长短半轴以及圆形半径等一系列参数来设计并且制作一种超宽带贴片天线。

矩形微带贴片天线主要由贴片金属辐射体、微带馈线、接地板以及较薄的介质板组成，如图所示，贴片辐射体的宽度W_p和长度L_p，矩形贴片金属辐射体的结构是由圆柱形辐射体的表面积等效而来的如图，r为圆柱的半径，L_p为圆柱体的长度，等效公式为：2πr×L_p＝W_P×L_p，

λ_L天线的最低截止频率对应的波长，f_l为天线最低点的谐振频率，贴片辐射体的宽度和长度对f_l起到决定性的作用。辐射体的宽度W_p、长度L_p以及圆柱的半径r单位均为mm，f_l的单位为GHz，通过上述的等效变换公式可以粗略的计算出矩形贴片天线的尺寸。天线的工作原理同常用其电流分布来表示，使用HFSS12软件对矩形微带贴片天线进行仿真，仿真结果显示在低频的情况下，强电流主要分布在贴片的边缘、地板的顶部以及馈线；在高频的情况下，电流沿金属地板长度方向分布的边缘电流更大，因此根据上述原因对矩形微带贴片天线的原型进行改进。根据对在不同频率下矩形贴片的电流强度分布情况的分析，将贴片改进为一种半椭圆形与圆形相交割的一种特殊形状，这种形状的上半圆形可以有效的优化了贴片边缘的电流分布，椭圆形结构优化了贴片的下半部分结构的电流分布。通过对椭圆参数和圆的参数的调整和优化设计，使天线可以达到超宽带的标准(3.1GHz～10.6GHz)。

Claims

1.基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，包括辐射贴片的结构，微带馈电的结构，接地板的结构，其特征在于满足超宽带标准要求，微带馈电与负载相匹配和天线辐射的全向性。

2.根据权利要求1所述的基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，其特征在于辐射贴片的结构满足超宽带标准要求。

3.根据权利要求1所述的基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，其特征在于微带馈电的结构满足特征阻抗为50Ω。

4.根据权利要求1所述的基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，其特征在于接地板的结构满足天线辐射的全向性。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于微带馈电的改进型椭圆贴片超宽带天线的设计方法，其特征在于满足超宽带标准要求下，微带馈电阻抗与负载相匹配为50Ω并且天线辐射具有全向性。