專利名稱：：共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種具有超寬頻帶工作特性的折合環(huán)天線及其制作方法。該天線具有良好的輻射特性和簡單的結(jié)構(gòu)，可用于作為小型超寬帶(UWB)通信設(shè)備收發(fā)天線或移動(dòng)通信室內(nèi)分布天線，屬于微波
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景超寬帶通信技術(shù)以其數(shù)據(jù)速率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，成為目前無線通信技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。超寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其中一項(xiàng)重要工作就是超寬帶小型天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，天線性能好壞將直接關(guān)系到整機(jī)性能的優(yōu)劣。超寬帶天線就是指具有寬頻帶工作特性的天線，一般意義上認(rèn)為具有超過25%相對(duì)帶寬的天線就是超寬帶天線。在其工作頻帶內(nèi)，超寬帶天線具有良好的阻抗匹配特性、穩(wěn)定的輻射方向性和相對(duì)平坦的增益特性和極化特性。除此以外，特別針對(duì)超寬帶通信而言，還要求天線具有體積小、全向輻射、成本低廉、便于加工與安裝等特點(diǎn)。超寬帶天線除了可以應(yīng)用在高速無線通信以外，由于其頻帶極寬、能覆蓋多種無線通信的頻帶，因此還能用于移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)等寬帶應(yīng)用場合。常規(guī)的超寬帶天線主要包括頻率無關(guān)天線(雙錐天線、對(duì)數(shù)周期天線等)、漸變槽線天線、TEM角錐喇叭天線等，它們都具有很寬的工作頻帶，但由于它們多屬于行波天線，因此受到最低工作頻率的限制、體積相當(dāng)龐大；另-一方面，這類天線多屬于非平面結(jié)構(gòu)、難以完成與小型通信系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，這樣就使得這類天線難以應(yīng)用在小型通信設(shè)備特別是手持設(shè)備中；加之這類天線中有不少是端射特性的定向天線，不能滿足超寬帶通信全向覆蓋的要求，因此無法直接應(yīng)用在超寬帶通信中?，F(xiàn)有的小型超寬帶天線包括單/偶極子天線和縫隙天線等類型。除此以外，折合環(huán)天線也是一類具有寬帶特性的天線，但是常規(guī)折合環(huán)形天線的工作帶寬一般最多只有50%左右，因此限制了這類天線的應(yīng)用場合；另一方面，折合環(huán)天線通常都是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，也就是說，其饋電需要釆用平衡器。對(duì)于L波段及以下的頻帶，可以采用雙線平衡器或者鐵氧體材料平衡器，但是隨著頻率繼續(xù)上升至S波段以上，雙線平衡器的性能將會(huì)變得很差、漏射嚴(yán)重，鐵氧體平衡器的損耗也會(huì)急劇增加、甚至出現(xiàn)諧振現(xiàn)象而失去平衡器的功能。況且，平衡器的引入，有時(shí)候并不利于降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，也不便于與前端電路的集成。為了擴(kuò)展折合環(huán)天線的工作帶寬，降低這類天線的饋電復(fù)雜度，本發(fā)明將提出新的設(shè)計(jì)方案。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在克服折合環(huán)天線帶寬窄、饋電復(fù)雜的問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單新穎、工作頻帶寬、便于制作實(shí)現(xiàn)和集成的超寬帶折合環(huán)天線，為陸地移動(dòng)通信、超寬帶無線通信天線的開發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。具有較小的體積、簡單的結(jié)構(gòu)和極低的剖面尺寸，能夠有效地實(shí)現(xiàn)與前端射頻電路的集成。本發(fā)明的技術(shù)解決方案共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線，其特征是頂層子環(huán)和底層子環(huán)分別位于介質(zhì)基板的兩側(cè)，頂層子環(huán)和底層子環(huán)通過兩列金屬化過孔連接在--起，構(gòu)成完整的折合環(huán)；漸變線與水平線的夾角范圍為25—35度；共面波導(dǎo)饋線、矩形調(diào)諧枝節(jié)之間通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)相連，共面波導(dǎo)饋線、矩形調(diào)諧枝節(jié)和階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)構(gòu)成天線的寬帶饋電結(jié)構(gòu)，并與頂層子環(huán)共同位于介質(zhì)基板的同一側(cè)。共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線的制作方法，其特征是利用印刷電路板工藝，在低介電常數(shù)介質(zhì)板上設(shè)計(jì)折合環(huán)，采用漸變環(huán)結(jié)構(gòu)降低最低工作頻率、增加工作帶寬，另一方面采用共面波導(dǎo)和貼片狀調(diào)諧枝節(jié)作為饋線；同時(shí)在枝節(jié)與饋線之間引入多節(jié)階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有效的寬帶阻抗調(diào)配。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，無需附加饋電部件；制作工藝簡單；便于集成；成本低廉。附圖1是天線的結(jié)構(gòu)(正面、剖面)與參考坐標(biāo)示意圖。附圖2是天線的實(shí)測輸入駐波比示意圖。附圖3是天線的兩個(gè)工作平面的實(shí)測方向圖。其中圖3(a)是E面(zy平面)方向圖，圖3(b)是H面(zx平面)方向圖，圖中的實(shí)線表示900MHz的方向圖，點(diǎn)狀線表示1800MHz的方向圖，點(diǎn)劃線表示3600MHz的方向圖。圖中的1是介質(zhì)基板，2是頂層子環(huán)，3是底層子環(huán)，4是共面波導(dǎo)饋線，5是矩形貼片調(diào)諧枝節(jié)，6是階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)，7是金屬化過孔，8是漸變線與水平線的夾角。具體實(shí)施方式對(duì)照附圖1，其結(jié)構(gòu)是折合環(huán)由頂層子環(huán)2和底層子環(huán)3構(gòu)成，頂層子環(huán)和底層子環(huán)分別印刷在介質(zhì)基板l的正面和底面，結(jié)構(gòu)完全一致，兩者通過兩列金屬化過孔(每列l(wèi)l個(gè))連接成一個(gè)完整的折合環(huán)；每列金屬化過孔11個(gè)。所述的折合環(huán)的結(jié)構(gòu)呈五邊形，漸變線與水平線的夾角8角度控制在25-35度；饋電采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)的特性阻抗為50歐姆，饋線末端帶有矩形貼片狀的調(diào)諧枝節(jié)，共面波導(dǎo)饋線與矩形貼片調(diào)諧枝節(jié)之間通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)相連，三者與頂層子環(huán)位于介質(zhì)基板的同一側(cè)；階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)的節(jié)數(shù)為2-3節(jié)。對(duì)照附圖2，它給出了介質(zhì)基板1按照相對(duì)介電常數(shù)為2.65、厚度為2毫米時(shí)制作的天線樣品的反射系數(shù)。天線在0.8-3.85GHz頻帶內(nèi)，反射系數(shù)低于-9.54dB，即駐波比低于2。也就是說，天線具有良好的阻抗匹配特性，阻抗帶寬超過4.7:1。參照圖1給出的參考坐標(biāo)系，并對(duì)照附圖3與表1，它們給出的是上述天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的實(shí)測增益特性，以及工作頻率為900MHz、1800MHz、3600MHz時(shí)的實(shí)測遠(yuǎn)場輻射特性。附圖3(a)是E面(zy平面)方向圖，附圖3(b)是H面(zx平面)方向圖，圖中的實(shí)線表示900MHz的方向圖，點(diǎn)狀線表不1800MHz的方向圖，點(diǎn)劃線表示3600MHz的方向圖。表l計(jì)算與測量的視軸增益(dBi)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由天線的實(shí)測增益圖表1可見，天線具有近似的全向想^j"特性和波動(dòng)不超過3dBi的增益特性，全頻段內(nèi)視軸(+z軸)方向平均增益約為3.5dBi。因此可認(rèn)為天線的方向圖帶寬、增益帶寬與阻抗帶寬是基本一致的、即均具有寬帶特性。共面波導(dǎo)饋電的折合環(huán)天線具有超寬帶工作特性、結(jié)構(gòu)簡單、體積輕巧、剖面尺寸低、易于制作、成本低廉的特點(diǎn)。這種天線能覆蓋CDMA800、GSM900、DCS1800、PHS1900、IMT2000、WLAN2400、WiMax3300等不同制式無線通信(特別是陸地移動(dòng)通信)的頻段，西此可用于移動(dòng)通信室內(nèi)分布等場合；根據(jù)工作頻率，按比例縮小尺寸后，可用作小型超寬帶通信設(shè)備的收發(fā)天線。因此，本發(fā)明在移動(dòng)通信、超寬帶無線通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。權(quán)利要求1、共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線，其特征是頂層子環(huán)和底層子環(huán)分別位于介質(zhì)基板的兩側(cè)，頂層子環(huán)和底層子環(huán)通過兩列金屬化過孔連接在一起，構(gòu)成完整的折合環(huán)；漸變線與水平線的夾角為25-35度；共面波導(dǎo)饋線、矩形調(diào)諧枝節(jié)之間通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)相連，共面波導(dǎo)饋線、矩形調(diào)諧枝節(jié)和階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)構(gòu)成天線的寬帶饋電結(jié)構(gòu)，并與頂層子環(huán)共同位于介質(zhì)基板的同一側(cè)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線，其特征是所述的頂層子環(huán)與底層子環(huán)之間通過兩列金屬化過孔連接在一起，其每列金屬化過孔的數(shù)目為11-12個(gè)；折合環(huán)的結(jié)構(gòu)呈五邊形，漸變線與水平線的夾角在25-35度左右；共面波導(dǎo)饋線的特性阻抗為50歐姆，通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)與矩形調(diào)諧枝節(jié)連接起來，階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)的節(jié)數(shù)為2-3節(jié)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線，其特征是所述的介質(zhì)基板按照相對(duì)介電常數(shù)為2.65、厚度為2毫米時(shí)制作的天線樣品的反射系數(shù)，天線在0.8-3.85GHz頻帶內(nèi)，反射系數(shù)低于一9.54dB，駐波比低于2,阻抗帶寬超過4.7:1。4、共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線的制作方法，其特征是利用印刷電路板工藝，在低介電常數(shù)介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)折合環(huán)，采用漸變環(huán)結(jié)構(gòu)降低最低工作頻率、增加工作帶寬，另一方面采用共面波導(dǎo)和貼片狀調(diào)諧枝節(jié)作為饋線；同時(shí)在枝節(jié)與饋線之間引入多節(jié)階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有效的寬帶阻抗調(diào)配。全文摘要本發(fā)明是共面波導(dǎo)饋電的超寬帶折合環(huán)天線及其制作方法，其結(jié)構(gòu)是頂層子環(huán)和底層子環(huán)分別位于介質(zhì)基板的兩側(cè)，頂層子環(huán)和底層子環(huán)通過兩列金屬化過孔連接在一起，構(gòu)成完整的折合環(huán)；漸變線與水平線的夾角范圍為25-35度；共面波導(dǎo)饋線、矩形調(diào)諧枝節(jié)之間通過階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)相連，三者構(gòu)成天線的寬帶饋電結(jié)構(gòu)，并與頂層子環(huán)共同位于介質(zhì)基板的同一側(cè)。制作方法是利用印刷電路板工藝，在低介電常數(shù)介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)折合環(huán)，采用漸變環(huán)結(jié)構(gòu)降低最低工作頻率、增加工作帶寬，另一方面采用共面波導(dǎo)和貼片狀調(diào)諧枝節(jié)作為饋線；同時(shí)在枝節(jié)與饋線之間引入多節(jié)階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，無需附加饋電部件；制作工藝簡單；便于集成；成本低廉。文檔編號(hào)H01Q13/08GK101404353SQ20081019576公開日2009年4月8日申請日期2008年9月9日優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日發(fā)明者呂文俊,朱洪波申請人:南京郵電大學(xué)