專利名稱：微帶超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通訊中天線的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用于3.1-10.6GHz頻帶的超寬帶天線的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
超寬帶(UWB)通訊技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末期，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著當(dāng)代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)高速無線互連提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)的民用化又被重新提出，并受到人們的關(guān)注。超寬帶通常是指信號(hào)絕對(duì)帶寬大于500MHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25％的脈沖信號(hào)。超寬帶與常見的通信方式使用的連續(xù)載波不同，它采用極短的脈沖信號(hào)來傳送信息，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。這些脈沖所占用的帶寬可高達(dá)幾個(gè)GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps至Gbps。在高速通信的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一，這對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來說近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無線電設(shè)備共享帶寬而不干擾現(xiàn)有的其它通訊系統(tǒng)。當(dāng)前，Intel、Freescale、Sony等知名大公司正在進(jìn)行UWB無線收發(fā)機(jī)的研制和開發(fā)，并且超寬帶在高速無線互連的應(yīng)用也引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。
UWB無線通信除了帶寬大，通信速率高之外，還有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先，UWB通信的保密性強(qiáng)。UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測(cè)的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。其次，UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落。多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動(dòng)環(huán)境下使用。更重要的是，UWB通信是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。可以說，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是我們所期望的無線通信方式。
UWB的用途有很多，主要分為軍事和民用兩個(gè)方面。在軍事上UWB可以用于低截獲率(LPI/D)的內(nèi)部無線通信系統(tǒng)、LPI/D地波通信、LPI/D高度計(jì)、戰(zhàn)場(chǎng)手持和網(wǎng)絡(luò)LPI/D電臺(tái)、UWB雷達(dá)、防撞雷達(dá)、警戒雷達(dá)、無線標(biāo)簽、接近引信、高精度定位系統(tǒng)、無人駕駛飛行器和地面戰(zhàn)車及其通信鏈路、探測(cè)地雷、檢測(cè)地址目標(biāo)等等。在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速無線局域網(wǎng)、高度計(jì)、民航防撞雷達(dá)、汽車防撞感應(yīng)器、高精度定位、無線標(biāo)簽和工業(yè)射頻監(jiān)控等。
2002年聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC，F(xiàn)ederal Communication Commission)允許超寬帶(Ultra-wideband，UWB)技術(shù)進(jìn)入商用，為了不免對(duì)其它現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)造成干擾，在3.1-10.6GHz的頻帶范圍內(nèi)，發(fā)射功率的頻譜限制在-41.3dBm以內(nèi)，這為UWB技術(shù)能夠真正的商用奠定了前提條件，使得UWB技術(shù)引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大興趣。超寬帶以其低成本、低功耗、高速率、高精度和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成為WiMax架構(gòu)的核心技術(shù)，為解決“最后一英里”無線寬帶互聯(lián)在物理層上提供了解決方案。由于應(yīng)用前景巨大，工作在3.1-10.6GHz的超寬帶系統(tǒng)成為當(dāng)前最可能進(jìn)入我們生活的UWB產(chǎn)品。
在UWB收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中，天線作為收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵部件之一，直接影響UWB系統(tǒng)的性能與成本。研究和開發(fā)可應(yīng)用于3.1-10.6GHz接收機(jī)天線成為當(dāng)務(wù)之急。從超寬帶系統(tǒng)本身出發(fā)，超寬帶天線需要滿足高工作帶寬，低造價(jià)，小體積和高性能。自UWB允許商用以來，超寬帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成為UWB技術(shù)的挑戰(zhàn)之一。最近Kiminami，K.等報(bào)道了雙邊印制蝴蝶結(jié)形(Bow-Tie)超寬帶天線Kiminami，K.，Hirata，A，Shiozawa，T，“Double-sided printed bow-tie antenna for UWB communications，”IEEE，Antennas andWireless Propagation Letters，Volume 3，Issue 1，2004 Page(s)152-153，在3.1-10.6GHz的工作頻率范圍內(nèi)，回波損耗(Return Loss)小于-10dB，寬帶增益平整度的變化約為1.5dB(2-3.5dB).2005年，Z.N.Low等報(bào)道了應(yīng)用于超寬帶接收機(jī)頭盔形(Knight’s helm shape)雙邊印制天線Z.N.Low，J.H.Cheong，C.L.Law，“Low-cost PCB antenna for UWBapplications，”IEEE，Antennas and Wireless Propagation Letters.Volume 4，2005 Page(s)237-239，在工作帶寬內(nèi)滿足回波損耗的前提下，其寬帶增益平整度的變化約為4dB(1-5dB)。另外C.-C.Lin也報(bào)道了所設(shè)計(jì)的平面三角形(Planar triangular)單極天線C.-C.Lin，Y.-C.Kan，L.-C.Kuo，H.-R.Chuang，“A Planar Triangular Monopole Antenna for UWB Communication，”IEEE，Microwave and wireless components letters，vol.15，No.10，October 2005.。美國2005年專利(Electrically Small Planer UWB Antenna Apparatus and Related System，US6,914,573B1)提出了平面超寬帶天線的概念。
但目前為止，超寬帶天線還存在著諸多挑戰(zhàn)。第一，成本高，比如使用貴重的金屬材料和基板，這樣增加了超寬帶產(chǎn)品的成本，使產(chǎn)品難于大規(guī)模推廣，使普通消費(fèi)者難以接受。第二，加工工藝復(fù)雜，一方面成品率低，另一方面提高了產(chǎn)品的成本。第三，體積較大，當(dāng)前的超寬帶天線方案的一個(gè)共同特點(diǎn)是，天線產(chǎn)品體積過大，很多表面面積大于30cm×30cm，難于集成，并且過大的體積增加了成本。第四，天線的性能還有待于近一步提高。所以，要使超寬帶天線能夠真正的進(jìn)入實(shí)用低造價(jià)，小尺寸和高性能是最重要的衡量指標(biāo)。所以尋求低成本，高性能的UWB天線仍然是超寬帶無線通訊系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種新型的微帶超寬帶天線(UWB微帶天線)，該天線具有低成本、易加工、體積小和高性能的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于3.1-10.6GHz超寬帶無線收發(fā)機(jī)之中。
根據(jù)本發(fā)明的目的，所述的天線包括印刷電路板(PCB板)和固定在其上的平面金屬。其中，平面金屬部分包括信號(hào)金屬和地平面金屬，整個(gè)金屬平面的總面積在1～6cm2之間，僅為現(xiàn)有技術(shù)中同類天線的十分之一左右。
其中，地平面金屬至少有兩塊，和信號(hào)金屬一起構(gòu)成“地-信號(hào)-地”共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。信號(hào)由正面底端通過常規(guī)SMA頭接入或接出，用CPW在輸入端進(jìn)行阻抗匹配，保證信號(hào)的無損耗傳輸。
信號(hào)金屬和地平面金屬既可以是在PCB板的同一板面上，也可以是在PCB板的不同板面上。根據(jù)具體的需求或工藝的需要，地平面金屬還可以分別印制在PCB板的多層板面上。
其中，所述的信號(hào)金屬的形狀為酒杯形或酒杯形的變形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形狀類似倒三角形或梯形，上部的形狀包括矩形、三角形、梯形、扇形，以及上述形狀任意結(jié)合形成的形狀。杯身下端與柄部頂端形成的角度為20～65°，杯身下部與上部的過渡處形成的角度為50～160°，這兩個(gè)角度分別決定了天線的回波損耗有效工作頻率的上限和下限。
進(jìn)一步地，所述的金屬選自鋁、鐵、錫、銅、銀、金、鉑，以及上述金屬的合金。所述的PCB板的材料選自FR-4、聚酰亞胺、聚四氟乙烯玻璃布、共燒陶瓷。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于采用最為成熟和簡單的PCB加工工藝，實(shí)現(xiàn)了低成本，高成品率的要求。該平面天線的發(fā)射面積最小可達(dá)1.5cm×2cm，實(shí)現(xiàn)了小面積的要求，易于集成。從電磁仿真的結(jié)果證明，該天線具有高性能的優(yōu)點(diǎn)并且具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)描述圖1-a表示本發(fā)明實(shí)施例1的正面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖1-b是圖1-a的截面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中上部所見的代表圖1-a的正面，下部所見的代表背面；圖2表示實(shí)施例2的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3表示實(shí)施例3的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4表示實(shí)施例4的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5表示實(shí)施例5的的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6表示實(shí)施例6的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7表示實(shí)施例1在2-12GHz頻率范圍內(nèi)的輸入回波損耗(S11)；圖8表示實(shí)施例1在2-12GHz頻率范圍內(nèi)的電壓駐波比(VSWR)；圖9表示實(shí)施例1在3GHz，6GHz和9GHz的場(chǎng)強(qiáng)輻射極化圓圖，其中，圖9-a是天線在Z-X(E)平面的極化圓圖；圖5-b是天線在Y-Z(H)平面的極化圓圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
實(shí)施例1如圖1中所示，結(jié)合圖1-a的微帶超寬帶天線的正面俯視圖和圖1-b的截面圖，其中，信號(hào)金屬和地平面金屬分別印制在PCB板的正反兩面，正面金屬包括一塊信號(hào)金屬和兩塊地平面金屬，組成了天線的主要部分，自下向上為天線的信號(hào)輸入或輸出端和信號(hào)發(fā)射或接收部，信號(hào)的輸入或輸出端為G-S-G結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)，以保證信號(hào)的有效傳輸，天線信號(hào)發(fā)射或接收部為酒杯形狀，通過變化圖形的尺寸和饋點(diǎn)角度，可以滿足超寬帶脈沖信號(hào)的發(fā)射和接收。PCB板的背面只在下端鋪有金屬來提供良好信號(hào)地，該部分與正面的地平面相連(通過外接的SMA接頭)，形成法拉第籠(Faraday cage)的結(jié)構(gòu)，減少高頻信號(hào)在基材的損耗。信號(hào)由正面底端通過SMA頭接入或接出，通過50歐姆共面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
該天線是以有效介電常數(shù)4.7的FR-4為基材，其厚度為1.6mm，其有效介電常數(shù)4.7，該基材是PCB加工業(yè)中最為常用的基材，加工工藝成熟，成本低，成品率高，制作過程簡單，可以滿足UWB天線低造價(jià)的要求。
天線各部分的設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響和最終決定天線的總體效果和性能。如圖1中的參數(shù)W1，W2，H，θ1，θ2，θ3，S，T1，T2均對(duì)天線的性能有影響。其中，θ1，和θ2是十分重要的參數(shù)，直接決定了回波損耗有效工作頻率的上限和下限。在本實(shí)施例中，杯身下部為倒置的梯形(或倒置的類三角形)結(jié)構(gòu)，上部為矩形和梯形組成的組合結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，杯身下部底端與杯柄。其中，杯身下部底端與柄部頂端形成的角度θ1為50。，其可用范圍為35～60°；杯身下部和上部的過渡處形成的角度θ2為90°，其可用90～145°。在信號(hào)接入的共面波導(dǎo)部分，信號(hào)線的金屬寬度和信號(hào)線金屬與地平面金屬的寬度是通過優(yōu)化和計(jì)算從而達(dá)到與共面波導(dǎo)50歐姆阻抗匹配的目的。
通過計(jì)算和電磁場(chǎng)仿真，對(duì)上述的微帶超寬帶天線天線進(jìn)行了驗(yàn)證仿真。圖7給出了該天線在2-12GHz頻率范圍內(nèi)的輸入回波損耗，S11在2.2GHz-12GHz頻段范圍內(nèi)，其值均小于-10dB，滿足UWB系統(tǒng)對(duì)收發(fā)機(jī)天線的要求。與圖7相對(duì)應(yīng)，圖8給出了該天線的在2-12GHz頻率范圍電壓駐波比(VSWR)，整個(gè)曲線在整個(gè)UWB頻段內(nèi)均滿足VSWR＜2.0。
圖9為該天線在3GHz，6GHz和9GHz的場(chǎng)強(qiáng)輻射極化圓圖。圖9-a和圖9-b分別是場(chǎng)強(qiáng)輻射極化圓圖在Z-X(E)平面與Y-Z(H)平面的歸一化極坐標(biāo)對(duì)數(shù)比例圖。在3GHz、6GHz、9GHz三個(gè)UWB工作頻段內(nèi)的典型工作頻點(diǎn)下，Z-X(E)平面與Y-Z(H)平面場(chǎng)強(qiáng)輻射均呈較好的全向性。極化圓圖說明該天線可以滿足3.1-10.6GHz的超寬帶無線通訊的應(yīng)用。
實(shí)施例2如圖2所示，為本實(shí)施例的微帶超寬帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。信號(hào)金屬的形狀類似酒杯狀，其中，杯身的下部形狀與實(shí)施例類似，上部則是由三角形和矩形組合而成的形狀，其關(guān)鍵參數(shù)θ1為20°，θ2為135°。地平面金屬有兩塊，均處于正面；本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本實(shí)施例中的地平面金屬也可以如實(shí)施例1中一樣在背面再設(shè)置一塊。
實(shí)施例3如圖3所示，為本實(shí)施例的微帶超寬帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。信號(hào)金屬的形狀類似酒杯狀，其中，杯身的下部形狀與上述的實(shí)施例類似，上部形狀為三角形，其關(guān)鍵參數(shù)θ1為65°，θ2為50°。地平面金既可以如實(shí)施例1一樣地設(shè)置，也可以如實(shí)施例2一樣地設(shè)置。
實(shí)施例4如圖4所示，為本實(shí)施例的微帶超寬帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。信號(hào)金屬的形狀類似酒杯狀，其中，杯身的下部形狀與實(shí)施例類似，上部形狀為三角形，整個(gè)杯身的形狀為菱形。其關(guān)鍵參數(shù)θ1為40°，θ2為100°。
實(shí)施例5如圖5所示，為本實(shí)施例的微帶超寬帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。信號(hào)金屬的形狀類似酒杯狀，其中，杯身的下部形狀與上述的實(shí)施例類似，上部形狀為扇形和梯形的結(jié)合，其關(guān)鍵參數(shù)θ1為65°，θ2為120°。
實(shí)施例6如圖6所示，為本實(shí)施例的微帶超寬帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。信號(hào)金屬的形狀類似酒杯狀，其中，杯身的下部形狀與上述的實(shí)施例類似，上部形狀為矩形，其關(guān)鍵參數(shù)θ1為50°，θ2為160°。地平面金既可以如實(shí)施例1一樣地設(shè)置，也可以如實(shí)施例2一樣地設(shè)置。
通過電磁計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化和仿真，并最終制造出了上述實(shí)施例中的超寬帶微帶天線，其中優(yōu)化所得的PCB板的面積最大者3cm×3cm，最小者為1.5cm×2cm。正面金屬面積為1～6cm2。通過對(duì)輸入饋點(diǎn)的優(yōu)化，使得該類天線在2.2-12GHz范圍內(nèi)的回波損耗S11＜-10dB，電壓駐波比(VSWR)的變化小于1dB(1-2dB)，3GHz，6GHz，9GHz的頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)輻射極化圓圖接近全向分布。所有的仿真結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)的六種形狀的天線能夠滿足FCC對(duì)3.1-10.6GHz的超寬帶高速無線通訊系統(tǒng)的要求。
本文發(fā)明提出了一種可應(yīng)用于UWB高速無線通訊系統(tǒng)的酒杯狀平面微帶天線。該天線具有低成本，易加工，小體積和高性能的特點(diǎn)。天線采用1.6mm的FR4基底材料，可用雙面PCB加工工藝事項(xiàng)。通過尺寸優(yōu)化，該酒杯狀平面微帶天線在2.2-12GHz全頻段內(nèi)均能夠達(dá)到回波損耗S11＜-10dB的要求，滿足VSWR＜2.0，3、6、9GHz頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)輻射極化圓圖接近全向分布，滿足FCC規(guī)定的要求。
權(quán)利要求
1.一種微帶超寬帶天線，包括印刷電路板和固定在其上的平面金屬，所述的金屬包括信號(hào)金屬和地平面金屬，其特征在于，所述的金屬的面積為1～6cm2。
2.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的地平面金屬至少為兩塊，與信號(hào)金屬一起構(gòu)成“地-信號(hào)-地”共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的信號(hào)金屬和地平面金屬可以是在印刷電路板的同一板面上，也可以是在印刷電路板的不同板面上。
4.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的信號(hào)金屬的形狀為酒杯形或酒杯形的變形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形狀為類似倒三角形或梯形。
5.如權(quán)利要求4所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的杯身下端與所述的柄部頂端形成的角度為20～65°，杯身下部與上部的過渡處形成的角度為50～160°。
6.如權(quán)利要求5所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的杯身上部的形狀包括矩形、三角形、梯形、扇形，以及上述形狀任意結(jié)合形成的形狀。
7.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的金屬選自鋁、鐵、錫、銅、銀、金、鉑，以及上述金屬的合金。
8.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，所述的印刷電路板的材料選自FR-4、聚酰亞胺、聚四氟乙烯玻璃布、共燒陶瓷。
9.如權(quán)利要求1所述的微帶超寬帶天線，其特征在于，其用途是作為3.1-10.6GHz的UWB無線通訊收發(fā)機(jī)的天線。
全文摘要
一種可應(yīng)用于超寬帶(UWB)高速無線通訊系統(tǒng)的微帶天線，包括印刷電路板和固定在其上的平面金屬，所述的金屬包括信號(hào)金屬和地平面金屬，其特征在于，其中，地平面金屬至少為兩塊，與信號(hào)金屬一起構(gòu)成“地－信號(hào)－地”共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。信號(hào)金屬和地平面金屬可以是在印刷電路板的同一板面上，也可以是在印刷電路板的不同板面上。所述的信號(hào)金屬的形狀為酒杯形或酒杯形的變形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形狀為類似倒三角形或梯形。該天線具有低成本，易加工，小體積和高性能的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1787286SQ20051013066
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者楊利, 廖懷林, 鄧志新, 黃如, 張興 申請(qǐng)人:北京大學(xué)