專利名稱：基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及超寬帶平面天線技術(shù)和微波技術(shù)。
背景技術(shù)：
美聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于2002年2月通過(guò)了允許超寬帶通信技術(shù)(UWB Ultra-wideband)民用化的規(guī)定，之前UWB技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限在于雷達(dá)、傳感、軍事通信等方面，隨著民用化限制的取消，UffB技術(shù)將廣泛的應(yīng)用于車載雷達(dá)系統(tǒng)、數(shù)字通信與測(cè)試系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)等商用、民用領(lǐng)域，成為未來(lái)短距離高速無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有力
競(jìng)爭(zhēng)方案。新興的UWB無(wú)線通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)層面上有諸多的挑戰(zhàn)，UffB天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)就是其中之一。無(wú)線通信系統(tǒng)中，信息的傳輸載體為電磁波，傳輸媒質(zhì)為空氣介質(zhì)，天線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行電磁波和空間電磁波的相互轉(zhuǎn)換，IEEE將天線定義為系統(tǒng)中設(shè)計(jì)用于輻射和接收電磁波的部分。天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中不可缺少的部件，其結(jié)構(gòu)類型、性能要求與系統(tǒng)自身技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合密切相關(guān)。UWB采用FCC開放的3. 1-10. 6GHz頻段，帶寬高達(dá)7. 5GHz，是陸地商業(yè)通信系統(tǒng)中最大的帶寬分配，因此，UWB信號(hào)具有超寬帶的特性。另外，UWB系統(tǒng)必須具有高數(shù)據(jù)速率、低功耗和低成本的特性，這就要求提高了 UWB天線的要求，必須具有相對(duì)于窄帶系統(tǒng)天線更高的性能。超寬帶天線的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段，早期發(fā)展階段處于上世紀(jì)50年代以前， 主要應(yīng)用領(lǐng)域是廣播電視系統(tǒng)；上世紀(jì)50年代至90年代是超寬帶天線的蓬勃發(fā)展時(shí)期，該時(shí)期提出了多種寬帶和非頻變天線的設(shè)計(jì)理論，并廣泛應(yīng)用在各類通信系統(tǒng)和雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中；上世紀(jì)90年代至今，隨著FCC解除對(duì)民用UWB設(shè)備的使用頻段的限制，超寬帶天線技術(shù)得到極大的推動(dòng)和發(fā)展。上世紀(jì)90年代開始，不斷涌現(xiàn)了一些新興的超寬帶平面天線技術(shù)，包括超寬帶平板單極子天線、超寬帶印刷單極子天線、超寬帶印刷縫隙天線和超寬帶平面天線。1976 年，G. Dubost等人提出了平板天線結(jié)構(gòu)，成為早期的超寬帶平面單極子天線的主要結(jié)構(gòu)形式。1992年，Honda等人在球形單極子天線的基礎(chǔ)上提出了圓盤單極子天線，獲得了大于 8 1的阻抗帶寬。之后研究人員主要以天線的阻抗帶寬為研究方向，相繼提出了橢圓形、 環(huán)形、圓形、水滴形等多種變形的平板型單極子天線，極大的增加了寬帶平板單極子天線的種類。為使天線結(jié)構(gòu)緊湊同時(shí)不失全向輻射特性，出現(xiàn)了以接地面為鏡像的平面偶極子天線，Thoms等人提出了圓盤偶極子天線。偶極子天線一般在實(shí)際應(yīng)用中需要作鏡像處理，從而出現(xiàn)了單極子天線，天線尺寸變得更小。早期單極子天線的輻射面雖然是印刷式平面結(jié)構(gòu)，但接地面與金屬輻射面垂直，其饋電方式是由SMA接口的探針經(jīng)由接地面上的導(dǎo)通孔連接到天線的輻射體上，而輻射體與接地面間的距離成為影響阻抗帶寬的重要因素之一， 整個(gè)天線仍然是三維結(jié)構(gòu)。二維的單極子天線采用印制板技術(shù)，不需要在接地面設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)通孔，大多采用微帶線或共面導(dǎo)體饋電結(jié)構(gòu)。早期的平面單極子天線是帶狀線饋電的平面三角形單極子天線，為進(jìn)一步減小體積，又改為為微帶線饋電方式。隨后相繼出現(xiàn)了各種形狀的天線結(jié)構(gòu)。 輻射體為圓形的單極子天線設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，天線的最低工作頻率可通過(guò)改變圓形半徑進(jìn)行調(diào)整，天線的阻抗帶寬可通過(guò)改變輻射體形狀進(jìn)行優(yōu)化。若將輻射體改為漏斗形，阻抗帶寬可達(dá)2 1，改為領(lǐng)結(jié)形、十字形、u形、心形，阻抗帶寬可增加到3 1 3.4 1不等；若將輻射體變?yōu)閳A形、扇形和橢圓形等可進(jìn)一步增加天線的阻抗帶寬。調(diào)節(jié)輻射體和地板之間的距離，可使圓形單極子天線的阻抗帶寬達(dá)到5 1。平面單極子天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全向輻射、體積小、制作容易等特性，成為目前較多機(jī)構(gòu)的研究對(duì)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的主要問(wèn)題是通過(guò)對(duì)矩形微帶貼片天線電流強(qiáng)度分布的狀況改進(jìn)， 設(shè)計(jì)了一種特殊貼片形狀天線結(jié)構(gòu)，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過(guò)改變橢圓形長(zhǎng)短半軸以及圓形半徑等一系列參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果可以達(dá)到美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)制定的超寬帶頻段范圍3. 1 10. 6GHz并且天線的回波損耗小于2。本方法結(jié)合了傳輸線設(shè)計(jì)法和有限元算法，先運(yùn)用傳輸線理論的設(shè)計(jì)方法對(duì)微帶饋電部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得微帶線饋電的阻抗值為50 Ω，以達(dá)到阻抗匹配；再運(yùn)用有限元法計(jì)算矩形輻射貼片天線的電流分布，將矩形輻射貼片電流分布較弱的部分切除掉，設(shè)計(jì)的天線輻射貼片形狀為橢圓形與圓形相交割形狀，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 ；最后將優(yōu)化的貼片結(jié)構(gòu)與微帶饋電結(jié)構(gòu)相結(jié)合，組成基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。采用的基板型號(hào)為4350Β型號(hào)，介電常數(shù)為3. 48，厚度為1. 52mm ；輻射貼片和接地板材料為鍍金層ο輻射貼片和微帶饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下1.利用有限元算法，將矩形輻射貼片電流分布較弱的部分切除掉形成橢圓形與圓形相交割形狀，在不同橢圓長(zhǎng)短半軸比率和圓形半徑條件下，計(jì)算超寬帶天線的帶寬以及回波損耗。 2.微帶饋電結(jié)構(gòu)與微帶線寬度W和微帶線與接地板間距h有關(guān)，在不同W/h下，計(jì)算微帶線的特征阻抗使之可以達(dá)到50 Ω的特征阻抗匹配。3.結(jié)合步驟1和2的結(jié)果，得到基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明的有益效果1.天線的頻段范圍為3. 1 10. 6GHz，達(dá)到超寬帶標(biāo)準(zhǔn)。2.天線的回波損耗小于2，能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。3.微帶饋電阻抗可以達(dá)到50 Ω，能夠與負(fù)載匹配。本文的應(yīng)用價(jià)值高速寬帶無(wú)線通信民用及軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。


圖1 橢圓形與圓形相交割的輻射貼片形狀，1為橢圓，2為圓，3為橢圓形與圓形相交割的輻射貼片。圖2 基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖，1輻射貼片，4為微帶饋電，5為基板，6為接地板，7為SMA接頭。
具體實(shí)施例方式通過(guò)對(duì)矩形微帶貼片天線電流強(qiáng)度分布的狀況改進(jìn)，提出了一種特殊貼片形狀天 線結(jié)構(gòu)，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過(guò)改變橢圓形長(zhǎng)短半軸以及圓形 半徑等一系列參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)并且制作一種超寬帶貼片天線。矩形微帶貼片天線主要由貼片金屬輻射體、微帶饋線、接地板以及較薄的介質(zhì)板 組成，如圖所示，貼片輻射體的寬度Wp和長(zhǎng)度Lp，矩形貼片金屬輻射體的結(jié)構(gòu)是由圓柱形輻 射體的表面積等效而來(lái)的如圖，r為圓柱的半徑，Lp為圓柱體的長(zhǎng)度，等效公式為
權(quán)利要求
1.基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，包括輻射貼片的結(jié)構(gòu)，微帶饋電的結(jié)構(gòu)，接地板的結(jié)構(gòu)，其特征在于滿足超寬帶標(biāo)準(zhǔn)要求，微帶饋電與負(fù)載相匹配和天線輻射的全向性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于輻射貼片的結(jié)構(gòu)滿足超寬帶標(biāo)準(zhǔn)要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于微帶饋電的結(jié)構(gòu)滿足特征阻抗為50 Ω。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于接地板的結(jié)構(gòu)滿足天線輻射的全向性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于滿足超寬帶標(biāo)準(zhǔn)要求下，微帶饋電阻抗與負(fù)載相匹配為50Ω并且天線輻射具有全向性。
全文摘要
基于微帶饋電的改進(jìn)型橢圓貼片超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及超寬帶平面天線技術(shù)和微波技術(shù)。通過(guò)對(duì)矩形微帶貼片天線電流強(qiáng)度分布的狀況改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種特殊貼片形狀天線結(jié)構(gòu)，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過(guò)改變橢圓形長(zhǎng)短半軸以及圓形半徑等一系列參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果可以達(dá)到美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)制定的超寬帶頻段范圍3.1GHz～10.6GHz，天線的回波損耗小于2并且天線具有全向性。
文檔編號(hào)H01Q1/48GK102509868SQ20111036715
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者崔德勇, 張曉霞, 文玥, 熊煜, 錢碩 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)