CN1996662B - 基片集成波导馈电结构超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
一种应用于无线通信天线领域，尤其是一种基片集成波导馈电结构超宽带天线，具体包括：输入\输出端口、微带馈电单元、天线单元、渐变线单元、均匀传输线单元、过孔单元、共面波导单元和接地单元。4个天线单元都呈现圆环形，两两之间通过渐变线单元和均匀传输线单元相连，从外面向中心推进其尺寸依次减小形成分形结构。微带馈电单元位于介质板的正面，分别连接输入\输出端口和第一天线单元。共面波导单元、过孔单元和接地单元形成基片集成波导的馈电结构。本发明优点如下：很好的阻抗匹配，增加其带宽特性，在各个分形天线单元之间采用均匀传输线相连接来实现天线的全向辐射，相对体积小、成本低、剖面低，可以在单片上实现和射频电路的集成。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种应用于无线通信技术领域的天线，尤其是一种基片集成波导馈电结构超宽带天线。
背景技术
近几年来，超宽带(UWB)短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术与其它通信技术相比，超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强、有利于多功能一体化等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。同时超宽带技术具有信号功率谱密度低、高保密性、不易检测、***复杂度低等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信。现有技术中的超宽带天线结构，如行波天线、对数周期天线、等角螺线天线、脊波导喇叭天线等，这些天线都可以实现几个倍频程的工作频带。但这些经典的超宽带天线结构都有一个共同的缺点，即比同类型的窄带天线的几何尺寸要大不少，满足不了UWB***结构小的要求。针对超宽带通信技术***的发展和应用，需研制新型的超宽带天线，如：驻波比小、增益高、体积小、成本低、剖面低和便于集成等。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一种新型的高品质因数、低损耗集成波导结构，易于设计和加工，可以广泛应用于微波毫米波集成电路中。因此利用基片集成波导实现的馈电结构的贴片天线成为首选天线形式之一。
经对现有技术的文献检索发现，南京邮电大学：吕文俊等人在微波学报，22卷第四期发表了“共面波导馈电小型平面超宽带天线的设计与研究”，该天线采用了叉状结构的调谐支节，并将其辐射缝隙设计为多边形。该天线具有宽带阻抗变换的特性，能够有效覆盖3.1～10.6GHz工作频段。但是该天线的高频段的输入反射系数比较大、且工作频带略向高端偏移。并且由于该天线需要一块很大的共面波导实现来馈电，因此使得天线的尺寸较大，不利于天线的小型化 设计。
检索中还发现专利申请号200510130662.1，专利名称为：微带超宽带天线，专利公开号CN 1787286，该超宽带天线的信号金属和地平面金属分别印制在PCB板的正反两面，天线的主要部分是由一块酒杯形状信号金属和两块地平面金属组成。虽然该天线可以满足超宽带脉冲信号的发射和接收以覆盖3.1-10.6GHz工作频段。但是该天线的频率特性的谐振点分布不均匀，不易实现线性相位，在设计中需要通过改变酒杯形状金属的尺寸和馈电角度来实现天线的阻抗匹配，不利于天线的小型化设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种基片集成波导馈电结构超宽带天线，使其能够实现利用基片集成波导馈电结构的单极子微带贴片天线实现IEEE 802.15.3a标准的频段要求，同时该微带超宽带天线具有体积相对较小、结构简明、成本低、剖面低和便于集成、易共形的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：输入\输出端口、微带馈电单元、接地单元、渐变线单元、均匀传输线单元、天线单元、介质板、共面波导单元和过孔单元，天线单元通过渐变线单元和均匀传输线单元相连，微带馈电单元分别连接输入\输出端口和天线单元，位于介质板的正面，输入\输出端口的芯和微带馈电单元相接，共面波导单元位于介质板正面部分，过孔单元与共面波导单元、接地单元连接，接地单元位于介质板背面，天线单元、共面波导单元、传输线单元和渐变线单元均为导体，过孔单元都是空气孔，两个共面波导单元和输入\输出端口的外导体相连接。
所述的天线单元，共有四个，天线单元两两之间通过渐变线单元和均匀传输线单元相连；天线单元都位于介质板正面，且都呈现圆环形；从外面向中心推进其尺寸依次减小，并形成分形结构。
所述的共面波导单元，共二个，两个共面波导单元都是1/4圆形微带贴片，共面波导单元与微带馈电单元平行实现信号地的作用。
所述的过孔单元，共有十个，分别对称分布连接共面波导单元和接地单元之间。
所述的接地单元，呈半圆形，外形和两个共面波导单元一致，并且对称分布于二个共面波导单元和接地单元之间；每个过孔单元中过孔的数目由靠近微带馈电单元的六个依次递减到两边的二个，呈等差数列排列。
所述的微带馈电单元，其左端连接输入\输出端口，右端连接第一天线单元，微带馈电单元与二个共面波导单元都有缝隙，并且实现50Ω的特性阻抗。
所述的渐变线单元，在第一天线单元和第二天线单元之间的宽度比所述的微带馈电单元窄0.2mm，两两天线单元之间分别依次递减0.2mm，实现毫米波天线的宽带频率特性。
所述的均匀传输线单元与渐变线单元是相垂直的，并分别和四个天线单元相连。
所述的输入\输出端口外接信号源，外加的激励信号通过微带馈电单元传输到四个天线单元、渐变线单元和均匀传输线单元，然后通过四个天线单元向周围空间辐射出去，实现超宽带信号的发射和接收。
本发明和现有技术相对照具有以下明显效果：本发明通过由分形的天线单元实现宽带频率特性，在各个分形天线单元之间并采用渐变线连接能够实现很好的阻抗匹配，增加其带宽特性，同时在各个分形天线单元之间采用均匀传输线相连接来实现天线的全向辐射。本发明基片集成波导馈电结构超宽带天线的工作频率是2GHz-22GHz，能够有效实现200％相对的带宽。本发明在工作频率范围内回波损耗小于-10dB，在2GHz-22GHz范围内天线的增益大于2dBi，并且该天线的尺寸为40mm×40mm，具有相对体积小、成本低、剖面低和便于集成等优点。由于本发明天线采用的是基片集成波导馈电结构，可以在单片上实现和射频电路的集成。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图
图2是本发明的正面结构示意图
图3是本发明的反面结构示意图
图4是本发明侧面结构示意图
其中：1为输入\输出端口、2为微带馈电单元、3为第一共面波导单元、4为第二共面波导单元、5-14为第一过孔单元至第十过孔单元、15为第一天线单元、16为渐变线单元、17为第二天线单元、18为均匀传输线单元、19为第三天线单元、20为介质板、21为第四天线单元、22为接地单元。
图5是本发明仿真的频率特性示意图
图6是本发明仿真的2.6GHz方向示意图
图7是本发明仿真的5.4GHz方向示意图
图8是本发明仿真的8.6GHz方向示意图
图9是本发明仿真的12GHz方向示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-4所示，本实施例包括：输入\输出端口1、微带馈电单元2、第一共面波导单元3、第二共面波导单元4、第一过孔单元5、第二过孔单元6、第三过孔单元7、第四过孔单元8、第五过孔单元9、第六过孔单元10、第七过孔单元11、第八过孔单元12、第九过孔单元13、第十过孔单元14、第一天线单元15、渐变线单元16、第二天线单元17、均匀传输线单元18、第三天线单元19、介质板20、第四天线单元21和接地单元22，本实施例第一天线单元15、第二天线单元17、第三天线单元19和第四天线单元21两两之间通过渐变线单元16和均匀传输线单元18相连，四个天线单元15、17、19、21都位于介质板20正面，且都呈现圆环形，从外面向中心推进其尺寸依次减小，并形成分形结构；
所述的两个共面波导单元3、4都是1/4圆形微带贴片，位于介质板20正面部分，与微带馈电单元平行实现信号地的作用；
所述的十个过孔单元5、6、7、8、9、10、11、12、13、14对称分布于两个共面波导单元3、4和接地单元22之间；
所述的接地单元22呈半圆形，外形和两个共面波导单元3、4一致，每个过孔单元中过孔的数目由靠近微带馈电单元2的6个依次递减到两边的2个，呈等差数列排列，所述的均匀传输线单元18与渐变线单元16是相垂直的，并分别和四个天线单元15、17、19、21相连；
所述的微带馈电单元2是均匀的微带线，微带馈电单元2位于介质板20的正面，左端连接输入\输出端口1，右端连接第一天线单元15，微带馈电单元2与第一共面波导单元3和第一共面波导单元4之间都有缝隙，并且实现50Ω的特性阻抗；
所述的渐变线单元16是非均匀的微带线，在第一天线单元15和第二天线单元17之间的宽度比微带馈电单元窄0.2mm，两两天线单元之间分别依次递减0.2mm，实现超宽带天线的宽带频率特性；
所述的第一天线单元15、第二天线单元17、第三天线单元19、第四天线单元21、微带馈电单元2、第一共面波导单元3、第二共面波导单元4、接地单元22、均匀传输线单元18和渐变线单元16均为导体，十个过孔单元5、6、7、8、9、10、11、12、13、14都是空气孔，两个共面波导单元3、4和输入\输出端口1的外导体相连接。
如图5所示，本实施例的频率特性是回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表幅度变量，单位为dB。本实施例一种基片集成波导馈电结构超宽带天线的工作频带是2GHz-22GHz，回波损耗参数在通带内小于-10dB。
如图6所示，本实施例的增益特性是方向图参数。其中极坐标的角度变化代表该平面的角度变化，单位为度；幅度变量的单位为dBi。本实施例一种基片集成波导馈电结构超宽带天线在工作频率为2.6GHz时的最大增益是2.0dBi。
如图7所示，本实施例一种基片集成波导馈电结构超宽带天线在工作频率为5.4GHz时的最大增益是2.7dBi。
如图8所示，本实施例一种基片集成波导馈电结构超宽带天线在工作频率为8.6GHz时的最大增益是4.9dBi。
如图9所示，本实施例一种基片集成波导馈电结构超宽带天线在工作频率为12GHz时的最大增益是4.5dBi。
Claims (6)
1.一种基片集成波导馈电结构超宽带天线，包括输入\输出端口、微带馈电单元、接地单元、渐变线单元、均匀传输线单元、天线单元、介质板、共面波导单元和过孔单元，其特征在于，天线单元通过渐变线单元和均匀传输线单元相连，微带馈电单元分别连接输入\输出端口和天线单元，天线单元和微带馈电单元位于介质板的正面，输入\输出端口的芯和微带馈电单元相接，共面波导单元位于介质板正面部分，过孔单元与共面波导单元、接地单元连接，接地单元位于介质板背面，天线单元、共面波导单元、传输线单元和渐变线单元均为导体，过孔单元都是空气孔，两个共面波导单元和输入\输出端口的外导体相连接；
所述的天线单元，共有四个，天线单元两两之间通过渐变线单元和均匀传输线单元相连；
所述的天线单元都位于介质板正面，且都呈现圆环形，从外面向中心推进其尺寸依次减小，并形成分形结构；
所述的渐变线单元，在第一天线单元和第二天线单元之间的宽度比所述的微带馈电单元窄0.2mm，两两天线单元之间分别依次递减0.2mm，实现毫米波天线的宽带频率特性；
所述的均匀传输线单元与渐变线单元是相垂直的，并分别和四个天线单元相连。
2.如权利要求1所述的基片集成波导馈电结构超宽带天线，其特征是，所述的共面波导单元，共两个，两个共面波导单元都是1/4圆形微带贴片。
3.如权利要求1所述的基片集成波导馈电结构超宽带天线，其特征是，所述的过孔单元，共有十个，分别对称分布于共面波导单元和接地单元之间。
4.如权利要求1所述的基片集成波导馈电结构超宽带天线，其特征是，所述的接地单元，呈半圆形，外形和两个共面波导单元一致，并且对称分布于二个共面波导单元和接地单元之间；每个过孔单元中过孔的数目由靠近微带馈电单元的六个依次递减到两边的二个，呈等差数列排列。
5.如权利要求1所述的基片集成波导馈电结构超宽带天线，其特征是，所述的微带馈电单元，其左端连接输入\输出端口，右端连接第一天线单元，微带馈电单元与二个共面波导单元都有缝隙，并且实现50Ω的特性阻抗。
6.如权利要求1所述的基片集成波导馈电结构超宽带天线，其特征是，所述的输入\输出端口外接信号源，外加的激励信号通过微带馈电单元传输到四个天线单元、渐变线单元和均匀传输线单元，然后通过四个天线单元向周围空间辐射出去，实现超宽带信号的发射和接收。
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