本發(fā)明屬于超寬帶天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三陷波共形全向微帶陣列天線。

背景技術(shù)：

隨著高速無線數(shù)據(jù)接入技術(shù)的發(fā)展，要求無線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。特別是ieee802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出分配3.1～10.6ghz頻段給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來越受到重視。超寬帶天線不僅要求天線具有體積小、良好的輻射效率、全向覆蓋特性，但同時應(yīng)避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾?，F(xiàn)階段超寬帶天線有以下幾種形式，在性能上雖各有特點，但均存在某種不足。

1.超寬帶單極子天線，由于具有帶寬性能好、全向性好、增益較大、結(jié)構(gòu)也較為簡單的優(yōu)點格外受到重視。但超寬帶單極子天線工作在不同的頻段時具有不同的物理口徑，在不同的頻率下天線的電尺寸存在明顯差異，因此天線的輻射方向圖往往隨著工作頻率的升高而顯著變化。此外，現(xiàn)有研究表明印刷傳統(tǒng)單極子天線的時域特性仍不理想，具有諸如收發(fā)脈沖信號容易失真、振鈴現(xiàn)象明顯以及脈沖寬度擴(kuò)展嚴(yán)重等缺陷，極大限制了超寬帶通信系統(tǒng)的整體性能。所以在進(jìn)行天線優(yōu)化的時候，兼顧其中若干項重要的技術(shù)指標(biāo)是重點和難點。

2.對數(shù)周期天線，由一系列具有自相似的離散結(jié)構(gòu)組合而成，可以在很寬的頻帶工作，并具有較高的增益，機(jī)械強(qiáng)度好。這一類天線是非頻變天線，利用輻射有效區(qū)的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)超寬帶。當(dāng)工作頻率的提高，天線的相位會發(fā)生改變，而導(dǎo)致發(fā)射脈沖的波形失真，因此難以達(dá)到超寬帶系統(tǒng)性能對天線輻射的穩(wěn)定性的要求。

3.片上天線，一般采用成熟的集成電路工藝在半導(dǎo)體芯片上直接加工，可以與芯片上的其他功能電路集成或者一體化設(shè)計，一經(jīng)提出就受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。同時，在射頻集成電路中加入片上天線后便形成了一套完整的無線系統(tǒng)，不再需要額外的外圍天線設(shè)計，節(jié)省了設(shè)計成本和時間，非常適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。但是，集成電路芯片單位面積成本很高，片上天線的面積必須充分小，而寬頻帶片上天線尺寸仍太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了無線互連系統(tǒng)對天線尺寸的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷與不足之處，提供一種具有良好的陷波效果、小型化、全向覆蓋、安裝簡單、造價低廉的三陷波共形全向微帶陣列天線，以期能產(chǎn)生三阻帶，并實現(xiàn)全向360°掃描，從而使得天線掃描范圍更廣，避免與其他通信系統(tǒng)發(fā)生干擾。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明一種三陷波共形全向微帶陣列天線的特點包括：空心金屬反射圓柱、空心載體圓柱和n個印刷單極子天線單元；

在所述空心載體圓柱內(nèi)部嵌套有所述空心金屬反射圓柱；在所述空心載體圓柱上周期排列有所述n個印刷單極子天線單元；

任意一個印刷單極子天線單元包括：橢圓形貼片、階梯型饋線、金屬反射類凹形貼片和金屬反射橢圓形開口環(huán)貼片；

所述橢圓形貼片設(shè)置在所述空心載體圓柱的外表面上，在所述橢圓形貼片的中上方開設(shè)有大橢圓形開口環(huán)槽；在所述大橢圓形開口環(huán)槽的兩側(cè)下方對稱開設(shè)有中橢圓形開口環(huán)槽；在所述中橢圓形開口環(huán)槽的下方外側(cè)對稱開設(shè)有小橢圓形開口環(huán)槽，從而形成凸圓弧排列結(jié)構(gòu)；在所述大橢圓形開口環(huán)槽的正下方開設(shè)有卵形環(huán)槽；所述卵形環(huán)槽的底部與所述橢圓形貼片相連接；

在所述橢圓形貼片的正下方連通有所述階梯型饋線，并位于所述空心載體圓柱的外表面上；所述階梯型饋線分別與外部的同軸饋電傳輸線相連通；

在所述空心載體圓柱的內(nèi)表面上，與所述大橢圓形開口環(huán)槽相對應(yīng)的位置上設(shè)置有所述橢圓形開口環(huán)貼片；

在所述空心載體圓柱的內(nèi)表面上，并位于所述橢圓形貼片的下方設(shè)置有所述金屬反射類凹形貼片；所述金屬反射類凹形貼片的凹槽正對于所述橢圓形貼片的底部；在所述金屬反射類凹形貼片上，并位于所述階梯型饋線的兩側(cè)分別開設(shè)有矩形槽；所有開口環(huán)槽和開口環(huán)貼片的開口均向上；

所述三陷波共形全向微帶陣列天線單元是以所述橢圓形貼片為輻射區(qū)，以所述階梯型饋線為傳輸區(qū)，以所述同軸饋電傳輸線為饋電區(qū)，并以所述空心金屬反射圓柱為反射區(qū)，從而實現(xiàn)能量的接收和發(fā)送。

本發(fā)明所述的三陷波共形全向微帶陣列天線單元的特點也在于：

所述大橢圓形開口環(huán)槽、中橢圓形開口環(huán)槽和小橢圓形開口環(huán)槽之間的半徑尺寸比例為：3:2.72:1.80。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的印刷單極子天線單元采用微帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了陣列的整體小型化，質(zhì)量輕的指標(biāo)。同時，微帶天線采用pcb技術(shù)，易于加工，造價低廉。

2、本發(fā)明為解決單極子天線單元間的電磁耦合過高的問題，根據(jù)屬反射類凹形貼片和金屬反射橢圓形開口環(huán)貼片表面電流分布的不同，對反射貼片進(jìn)行了開槽裁剪，降低了天線單元間的隔離度。

3、本發(fā)明通過對天線輻射面刻蝕五個不同大小的帶缺口橢圓形開口環(huán)槽和一個卵形環(huán)槽，實現(xiàn)了三陷波特性，并且在輻射面上激勵新的電流起到諧振作用。

4、本發(fā)明除了共形載體采用了空心載體圓柱，其余的結(jié)構(gòu)均采用金屬材料，易加工，低損耗、更易實現(xiàn)小型化，易實現(xiàn)寬角度掃描。

5、由于微帶天線具有良好的延展性，非常適合同載體形成共形。本發(fā)明以空心金屬反射圓柱為載體，實現(xiàn)了360°掃描。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的正視圖；

圖中標(biāo)號：1大橢圓形開口環(huán)槽；2中橢圓形開口環(huán)槽；3小橢圓形開口環(huán)槽；4卵形環(huán)槽；5橢圓形貼片；6凹槽；7矩形槽；8階梯型饋線；9金屬反射類凹形貼片；10金屬反射橢圓形開口環(huán)貼片；11空心載體圓柱；12空心金屬反射圓柱。

具體實施方式

本實施例中，如圖1所示，一種三陷波共形全向微帶陣列天線，是由空心金屬反射圓柱12、空心載體圓柱11和n個印刷單極子天線單元組成。

空心載體圓柱11內(nèi)部嵌套有空心金屬反射圓柱12，通過反射圓柱將天線背向的能量進(jìn)行反射，從而提高了天線的增益，提高接收靈敏度，并阻擋及屏蔽來自反方向的電波，增強(qiáng)天線的接收能力。在空心載體圓柱11上周期排列有n個印刷單極子天線單元，本例中采用五個印刷單極子天線單元，由于天線單元沿空心載體圓柱13對稱分布，因結(jié)構(gòu)的對稱性，在相同饋電的前提下，每個天線單元上的電流分布相同，但相位相差72°；五個天線單元之間的距離較小，空心載體圓柱13的厚度也較小，所以形成環(huán)形電流分布，從而輻射出一個水平極化波，使陣列天線得以覆蓋360°方向。

如圖1、圖2所示，任意一個印刷單極子天線單元由橢圓形貼片5、階梯型饋線8、金屬反射類凹形貼片9和金屬反射橢圓形開口環(huán)貼片10組成。所用印刷單極子天線的材料均為金屬，可以直接印刷在空心載體圓柱11上，在保證了結(jié)構(gòu)所必要的支撐強(qiáng)度下大大降低了天線加工的難度和成本，對于大規(guī)模生產(chǎn)來說具有很大的便利，同時，也極大的減輕了天線的重量，對于便攜式通信系統(tǒng)十分友好。

橢圓形貼片5設(shè)置在空心載體圓柱11的外表面上，在橢圓形貼片5的中上方開設(shè)有大橢圓形開口環(huán)槽1，在大橢圓形開口環(huán)槽1的兩側(cè)下方對稱開設(shè)有中橢圓形開口環(huán)槽2，在中橢圓形開口環(huán)槽2的下方外側(cè)對稱開設(shè)有小橢圓形開口環(huán)槽3，從而形成凸圓弧排列結(jié)構(gòu)；在大橢圓形開口環(huán)槽1的正下方開設(shè)有卵形環(huán)槽4，卵形環(huán)槽4的底部與橢圓形貼片5相連接。在輻射面上開槽，等效于在天線上加載縫隙諧振器，當(dāng)開槽總長為特定頻率的處1/2介質(zhì)波長時，在開槽處會發(fā)生諧振，對天線輻射面上的電流產(chǎn)生阻斷作用，從而實現(xiàn)了阻帶作用。基于這個思想，該天線在輻射面上一共開了六個槽。常見的印刷單極子天線通常開u型槽，為了得到更好的天線增益效果和陷波頻段，我們采用了新型的開槽結(jié)構(gòu)，可以在兼顧效率等指標(biāo)下得到更大的帶寬。其中不同的槽對應(yīng)不同的阻帶頻率，但由于開槽數(shù)量較多，槽與槽之間會相互影響，從而導(dǎo)致對阻帶頻率的不可控，只有通過合理的位置安排，才能達(dá)到最好的效果。同時通過調(diào)節(jié)槽的尺寸大小，也可以實現(xiàn)對抑制頻帶的調(diào)控，滿足不同系統(tǒng)的需要。

如圖1、圖2所示，橢圓形貼片5的正下方連通有階梯型饋線8，并位于空心載體圓柱11的外表面上。對于微帶天線來說，饋線是一個重要環(huán)節(jié)，其性能很大程度上決定了天線性能。采用多節(jié)阻抗匹配方式，將普通微帶饋線的較大阻抗突變分散成若干個較小的突變，便于設(shè)計，并且使在一定頻段范圍內(nèi)產(chǎn)生的反射互抵以致變得很小，改善阻抗匹配，進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬。通過仿真，得到最佳長度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電磁波更好傳輸，提高穩(wěn)定性，同時也沒有增加天線的表面積，對天線的其他電性能不會產(chǎn)生明顯影響。

梯型饋線8分別與外部的同軸饋電傳輸線相連通，采用同軸饋電的方式，即為在同軸外導(dǎo)體內(nèi)套裝有同軸內(nèi)導(dǎo)體，同軸內(nèi)導(dǎo)體與階梯型饋線8下方相切，避免天線輻射對其產(chǎn)生較大影響。采用同軸饋電，減少了微帶線或者帶狀線饋電結(jié)構(gòu)中特性阻抗容易隨頻率的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象，易于匹配，也減少了產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，而且加工也更加方便，同時寄生輻射也比較低。

如圖1、圖2所示，空心載體圓柱11的內(nèi)表面上，與大橢圓形開口環(huán)槽1相對應(yīng)的位置上設(shè)置有橢圓形開口環(huán)貼片10。該貼片將天線輻射的能量進(jìn)行反射，加強(qiáng)了同形橢圓形開口環(huán)槽1對阻帶產(chǎn)生的影響?？招妮d體圓柱11的內(nèi)表面上，并位于橢圓形貼片5的下方設(shè)置有金屬反射類凹形貼片9。金屬反射類凹形貼片9的凹槽6正對于橢圓形貼片5的底部。在金屬反射類凹形貼片9上，并位于階梯型饋線8的兩側(cè)分別開設(shè)有矩形槽7，通過在金屬反射貼片上開槽，改變原來的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過從而使電流路徑變長，這樣也就相當(dāng)于增大了貼片面積，增大了輻射范圍，更加有利于小型化，同時也使阻抗更加匹配。

三陷波共形全向微帶陣列天線單元中所有開口環(huán)槽和開口環(huán)貼片的開口均向上，且是以橢圓形貼片5為輻射區(qū)，以階梯型饋線8為傳輸區(qū)，以同軸傳輸線進(jìn)行饋電，金屬反射類凹形貼片9和金屬反射橢圓形開口環(huán)貼片10為反射區(qū)，從而利用輻射區(qū)、傳輸區(qū)、饋電區(qū)和反射區(qū)實現(xiàn)能量的接收和發(fā)送。

具體實施中，從三陷波共形全向微帶陣列天線單元中的正面看，通過引入三個大小不同的橢圓形開口環(huán)槽具有了三陷波特性。從原理上說，橢圓形開口環(huán)槽相當(dāng)于是在天線單元中引入一個半波長諧振結(jié)構(gòu)，其總長度可用式(1)近似計算。

式(1)中，fnotch為陷波處的中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)板的相對介電常數(shù)。由式(1)可以看出參數(shù)l，陷波的中心頻率明顯發(fā)生變化，而且隨著橢圓開口環(huán)槽半徑的增加，陷波將向低頻位置移動，這與式(1)吻合。本實施例中，經(jīng)過仿真測得，大橢圓形開口環(huán)槽1、中橢圓形開口環(huán)槽2和小橢圓形開口環(huán)槽3之間的最佳半徑尺寸比例為：3:2.72:1.80。