專利名稱：基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種應(yīng)用于無線通信技術(shù)領(lǐng)域的天線，尤其是一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線。
背景技術(shù)：
近幾年來，超寬帶(UWB)短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶(Ultra-wideband，UWB)技術(shù)與其它通信技術(shù)相比，超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、有利于多功能一體化等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。同時(shí)超寬帶技術(shù)具有信號(hào)功率譜密度低、高保密性、不易檢測(cè)、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入和軍事通信?，F(xiàn)有技術(shù)中的超寬帶天線結(jié)構(gòu)，如行波天線、對(duì)數(shù)周期天線、等角螺線天線、脊波導(dǎo)喇叭天線等，這些天線都可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)倍頻程的工作頻帶。但這些經(jīng)典的超寬帶天線結(jié)構(gòu)都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即比同類型的窄帶天線的幾何尺寸要大不少，滿足不了UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小的要求。針對(duì)超寬帶通信技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，需研制新型的超寬帶天線，如駐波比小、增益高、體積小、成本低、剖面低和便于集成等?；刹▽?dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一種新型的高品質(zhì)因數(shù)、低損耗集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，易于設(shè)計(jì)和加工，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波集成電路中。因此利用基片集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的饋電結(jié)構(gòu)的貼片天線成為首選天線形式之一。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，南京郵電大學(xué)呂文俊等人在微波學(xué)報(bào)，22卷第四期發(fā)表了“共面波導(dǎo)饋電小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究”，該天線采用了叉狀結(jié)構(gòu)的調(diào)諧支節(jié)，并將其輻射縫隙設(shè)計(jì)為多邊形。該天線具有寬帶阻抗變換的特性，能夠有效覆蓋3.1～10.6GHz工作頻段。但是該天線的高頻段的輸入反射系數(shù)比較大、且工作頻帶略向高端偏移。并且由于該天線需要一塊很大的共面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)來饋電，因此使得天線的尺寸較大，不利于天線的小型化設(shè)計(jì)。
檢索中還發(fā)現(xiàn)專利申請(qǐng)?zhí)?00510130662.1，專利名稱為微帶超寬帶天線，專利公開號(hào)CN 1787286，該超寬帶天線的信號(hào)金屬和地平面金屬分別印制在PCB板的正反兩面，天線的主要部分是由一塊酒杯形狀信號(hào)金屬和兩塊地平面金屬組成。雖然該天線可以滿足超寬帶脈沖信號(hào)的發(fā)射和接收以覆蓋3.1-10.6GHz工作頻段。但是該天線的頻率特性的諧振點(diǎn)分布不均勻，不易實(shí)現(xiàn)線性相位，在設(shè)計(jì)中需要通過改變酒杯形狀金屬的尺寸和饋電角度來實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配，不利于天線的小型化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，使其能夠?qū)崿F(xiàn)利用基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的單極子微帶貼片天線實(shí)現(xiàn)IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)的頻段要求，同時(shí)該微帶超寬帶天線具有體積相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡明、成本低、剖面低和便于集成、易共形的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括輸入\輸出端口、微帶饋電單元、接地單元、漸變線單元、均勻傳輸線單元、天線單元、介質(zhì)板、共面波導(dǎo)單元和過孔單元，天線單元通過漸變線單元和均勻傳輸線單元相連，微帶饋電單元分別連接輸入\輸出端口和天線單元，位于介質(zhì)板的正面，輸入\輸出端口的芯和微帶饋電單元相接，共面波導(dǎo)單元位于介質(zhì)板正面部分，過孔單元與共面波導(dǎo)單元、接地單元連接，接地單元位于介質(zhì)板背面，天線單元、共面波導(dǎo)單元、傳輸線單元和漸變線單元均為導(dǎo)體，過孔單元都是空氣孔，兩個(gè)共面波導(dǎo)單元和輸入\輸出端口的外導(dǎo)體相連接。
所述的天線單元，共有四個(gè)，天線單元兩兩之間通過漸變線單元和均勻傳輸線單元相連；天線單元都位于介質(zhì)板正面，且都呈現(xiàn)圓環(huán)形；從外面向中心推進(jìn)其尺寸依次減小，并形成分形結(jié)構(gòu)。
所述的共面波導(dǎo)單元，共二個(gè)，兩個(gè)共面波導(dǎo)單元都是1/4圓形微帶貼片，共面波導(dǎo)單元與微帶饋電單元平行實(shí)現(xiàn)信號(hào)地的作用。
所述的過孔單元，共有十個(gè)，分別對(duì)稱分布連接共面波導(dǎo)單元和接地單元之間。
所述的接地單元，呈半圓形，外形和兩個(gè)共面波導(dǎo)單元一致，并且對(duì)稱分布于二個(gè)共面波導(dǎo)單元和接地單元之間；每個(gè)過孔單元中過孔的數(shù)目由靠近微帶饋電單元的六個(gè)依次遞減到兩邊的二個(gè)，呈等差數(shù)列排列。
所述的微帶饋電單元，其左端連接輸入\輸出端口，右端連接第一天線單元，微帶饋電單元與二個(gè)共面波導(dǎo)單元都有縫隙，并且實(shí)現(xiàn)50Ω的特性阻抗。
所述的漸變線單元，在第一天線單元和第二天線單元之間的寬度比所述的微帶饋電單元窄0.2mm，兩兩天線單元之間分別依次遞減0.2mm，實(shí)現(xiàn)毫米波天線的寬帶頻率特性。
所述的均勻傳輸線單元與漸變線單元是相垂直的，并分別和四個(gè)天線單元相連。
所述的輸入\輸出端口外接信號(hào)源，外加的激勵(lì)信號(hào)通過微帶饋電單元傳輸?shù)剿膫€(gè)天線單元、漸變線單元和均勻傳輸線單元，然后通過四個(gè)天線單元向周圍空間輻射出去，實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的發(fā)射和接收。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)照具有以下明顯效果本發(fā)明通過由分形的天線單元實(shí)現(xiàn)寬帶頻率特性，在各個(gè)分形天線單元之間并采用漸變線連接能夠?qū)崿F(xiàn)很好的阻抗匹配，增加其帶寬特性，同時(shí)在各個(gè)分形天線單元之間采用均勻傳輸線相連接來實(shí)現(xiàn)天線的全向輻射。本發(fā)明基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線的工作頻率是2GHz-22GHz，能夠有效實(shí)現(xiàn)200％相對(duì)的帶寬。本發(fā)明在工作頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-10dB，在2GHz-22GHz范圍內(nèi)天線的增益大于2dBi，并且該天線的尺寸為40mm×40mm，具有相對(duì)體積小、成本低、剖面低和便于集成等優(yōu)點(diǎn)。由于本發(fā)明天線采用的是基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，可以在單片上實(shí)現(xiàn)和射頻電路的集成。


圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明的反面結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖其中1為輸入\輸出端口、2為微帶饋電單元、3為第一共面波導(dǎo)單元、4為第二共面波導(dǎo)單元、5-14為第一過孔單元至第十過孔單元、15為第一天線單元、16為漸變線單元、17為第二天線單元、18為均勻傳輸線單元、19為第三天線單元、20為介質(zhì)板、21為第四天線單元、22為接地單元。
圖5是本發(fā)明仿真的頻率特性示意6是本發(fā)明仿真的2.6GHz方向示意7是本發(fā)明仿真的5.4GHz方向示意8是本發(fā)明仿真的8.6GHz方向示意9是本發(fā)明仿真的12GHz方向示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1-4所示，本實(shí)施例包括輸入\輸出端口1、微帶饋電單元2、第一共面波導(dǎo)單元3、第二共面波導(dǎo)單元4、第一過孔單元5、第二過孔單元6、第三過孔單元7、第四過孔單元8、第五過孔單元9、第六過孔單元10、第七過孔單元11、第八過孔單元12、第九過孔單元13、第十過孔單元14、第一天線單元15、漸變線單元16、第二天線單元17、均勻傳輸線單元18、第三天線單元19、介質(zhì)板20、第四天線單元21和接地單元22，本實(shí)施例第一天線單元15、第二天線單元17、第三天線單元19和第四天線單元21兩兩之間通過漸變線單元10和均勻傳輸線單元18相連，四個(gè)天線單元15、17、19、21都位于介質(zhì)板20正面，且都呈現(xiàn)圓環(huán)形，從外面向中心推進(jìn)其尺寸依次減小，并形成分形結(jié)構(gòu)；所述的兩個(gè)共面波導(dǎo)單元3、4都是1/4圓形微帶貼片，位于介質(zhì)板20正面部分，與微帶饋電單元平行實(shí)現(xiàn)信號(hào)地的作用；所述的十個(gè)過孔單元5、6、7、8、9、10、11、12、13、14對(duì)稱分布于兩個(gè)共面波導(dǎo)單元3、4和接地單元22之間；所述的接地單元22呈半圓形，外形和兩個(gè)共面波導(dǎo)單元3、4一致，每個(gè)過孔單元中過孔的數(shù)目由靠近微帶饋電單元2的6個(gè)依次遞減到兩邊的2個(gè)，呈等差數(shù)列排列，所述的均勻傳輸線單元18與漸變線單元16是相垂直的，并分別和四個(gè)天線單元15、17、19、21相連；
所述的微帶饋電單元2是均勻的微帶線，微帶饋電單元2位于介質(zhì)板20的正面，左端連接輸入\輸出端口1，右端連接第一天線單元15，微帶饋電單元2與第一共面波導(dǎo)單元3和第一共面波導(dǎo)單元4之間都有縫隙，并且實(shí)現(xiàn)50Ω的特性阻抗；所述的漸變線單元16是非均勻的微帶線，在第一天線單元15和第二天線單元17之間的寬度比微帶饋電單元窄0.2mm，兩兩天線單元之間分別依次遞減0.2mm，實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的寬帶頻率特性；所述的第一天線單元15、第二天線單元17、第三天線單元19、第四天線單元21、微帶饋電單元2、第一共面波導(dǎo)單元3、第二共面波導(dǎo)單元4、接地單元22、均勻傳輸線單元18和漸變線單元16均為導(dǎo)體，十個(gè)過孔單元5、6、7、8、9、10、11、12、13、14都是空氣孔，兩個(gè)共面波導(dǎo)單元3、4和輸入\輸出端口1的外導(dǎo)體相連接。
如圖5所示，本實(shí)施例的頻率特性是回波損耗參數(shù)。其中橫坐標(biāo)代表頻率變量，單位為GHz；縱坐標(biāo)代表幅度變量，單位為dB。本實(shí)施例一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線的工作頻帶是2GHz-22GHz，回波損耗參數(shù)在通帶內(nèi)小于-10dB。
如圖6所示，本實(shí)施例的增益特性是方向圖參數(shù)。其中極坐標(biāo)的角度變化代表該平面的角度變化，單位為度；幅度變量的單位為dBi。本實(shí)施例一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線在工作頻率為2.6GHz時(shí)的最大增益是2.0dBi。
如圖7所示，本實(shí)施例一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線在工作頻率為5.4GHz時(shí)的最大增益是2.7dBi。
如圖8所示，本實(shí)施例一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線在工作頻率為8.6GHz時(shí)的最大增益是4.9dBi。
如圖9所示，本實(shí)施例一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線在工作頻率為12GHz時(shí)的最大增益是4.5dBi。
權(quán)利要求
1.一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，包括輸入\輸出端口、微帶饋電單元、接地單元、漸變線單元、均勻傳輸線單元、天線單元、介質(zhì)板、共面波導(dǎo)單元和過孔單元，其特征在于，天線單元通過漸變線單元和均勻傳輸線單元相連，微帶饋電單元分別連接輸入\輸出端口和天線單元，位于介質(zhì)板的正面，輸入\輸出端口的芯和微帶饋電單元相接，共面波導(dǎo)單元位于介質(zhì)板正面部分，過孔單元與共面波導(dǎo)單元、接地單元連接，接地單元位于介質(zhì)板背面，天線單元、共面波導(dǎo)單元、傳輸線單元和漸變線單元均為導(dǎo)體，過孔單元都是空氣孔，兩個(gè)共面波導(dǎo)單元和輸入\輸出端口的外導(dǎo)體相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的天線單元，共有四個(gè)，天線單元兩兩之間通過漸變線單元和均勻傳輸線單元相連。
3.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的天線單元都位于介質(zhì)板正面，且都呈現(xiàn)圓環(huán)形，從外面向中心推進(jìn)其尺寸依次減小，并形成分形結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的共面波導(dǎo)單元，共兩個(gè)，兩個(gè)共面波導(dǎo)單元都是1/4圓形微帶貼片。
5.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的過孔單元，共有十個(gè)，分別對(duì)稱分布連接共面波導(dǎo)單元和接地單元之間。
6.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的接地單元，呈半圓形，外形和兩個(gè)共面波導(dǎo)單元一致，并且對(duì)稱分布于二個(gè)共面波導(dǎo)單元和接地單元之間；每個(gè)過孔單元中過孔的數(shù)目由靠近微帶饋電單元的六個(gè)依次遞減到兩邊的二個(gè)，呈等差數(shù)列排列。
7.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的微帶饋電單元，其左端連接輸入\輸出端口，右端連接第一天線單元，微帶饋電單元與二個(gè)共面波導(dǎo)單元都有縫隙，并且實(shí)現(xiàn)50Ω的特性阻抗。
8.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的漸變線單元，在第一天線單元和第二天線單元之間的寬度比所述的微帶饋電單元窄0.2mm，兩兩天線單元之間分別依次遞減0.2mm，實(shí)現(xiàn)毫米波天線的寬帶頻率特性。
9.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的均勻傳輸線單元與漸變線單元是相垂直的，并分別和四個(gè)天線單元相連。
10.如權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，其特征是，所述的輸入\輸出端口外接信號(hào)源，外加的激勵(lì)信號(hào)通過微帶饋電單元傳輸?shù)剿膫€(gè)天線單元、漸變線單元和均勻傳輸線單元，然后通過四個(gè)天線單元向周圍空間輻射出去，實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的發(fā)射和接收。
全文摘要
一種應(yīng)用于無線通信天線領(lǐng)域，尤其是一種基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)超寬帶天線，具體包括輸入\輸出端口、微帶饋電單元、天線單元、漸變線單元、均勻傳輸線單元、過孔單元、共面波導(dǎo)單元和接地單元。4個(gè)天線單元都呈現(xiàn)圓環(huán)形，兩兩之間通過漸變線單元和均勻傳輸線單元相連，從外面向中心推進(jìn)其尺寸依次減小形成分形結(jié)構(gòu)。微帶饋電單元位于介質(zhì)板的正面，分別連接輸入\輸出端口和第一天線單元。共面波導(dǎo)單元、過孔單元和接地單元形成基片集成波導(dǎo)的饋電結(jié)構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下很好的阻抗匹配，增加其帶寬特性，在各個(gè)分形天線單元之間采用均勻傳輸線相連接來實(shí)現(xiàn)天線的全向輻射，相對(duì)體積小、成本低、剖面低，可以在單片上實(shí)現(xiàn)和射頻電路的集成。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK1996662SQ20061014820
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者楊國敏, 金榮洪, 耿軍平, 史麗, 練成棟 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)