本發(fā)明涉及無線通信天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙超寬帶平面縫隙天線，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著近年來無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對天線體積和性能的要求也不斷提升，超寬帶天線具有帶寬高、功耗低、傳輸速率快、抗干擾能力強等特點而被大量應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。在超寬帶平面天線的研究與設(shè)計中，縫隙天線具備體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易集成等優(yōu)點，與貼片天線相比，縫隙天線能夠?qū)崿F(xiàn)較大的帶寬，并且對加工精度要求較低，因此，能夠滿足現(xiàn)代超寬帶無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求?？p隙天線主要包括窄縫天線和寬縫天線兩類，其饋電方式主要為微帶饋電和共面波導(dǎo)饋電。窄縫天線的縫寬遠(yuǎn)小于縫長，一般通過調(diào)整饋電位置補償縫隙電抗，使輸入阻抗與特性阻抗相匹配，達(dá)到展寬頻帶的目的，但窄縫天線由于受到縫隙自身電抗的影響，阻抗帶寬一般限制在32％左右。寬縫天線的設(shè)計一般在地板上開一個較寬的縫隙，縫隙結(jié)構(gòu)一般采用近似矩形或近似橢圓形縫隙，輻射與饋電部分與超寬帶單極子天線的設(shè)計相似，采用特殊的幾何組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超寬帶范圍內(nèi)的阻抗匹配。近年來，對于寬縫天線的研究主要通過采用不同的縫隙形狀和調(diào)整天線饋源結(jié)構(gòu)不斷提高天線的阻抗帶寬?？p隙形狀的大小與天線的帶寬有著密切的關(guān)系，例如，采用近似矩形縫隙時，縫隙的長寬比對天線的帶寬影響較大，采用近似橢圓形縫隙時，橢圓形的軸比對天線帶寬影響較大，同時，對饋電結(jié)構(gòu)的改進(jìn)同樣能夠獲得很大的阻抗帶寬。非專利文獻(xiàn)1公開了矩形縫隙圓形饋電超寬帶天線、矩形縫隙梯形饋電超寬帶天線和多邊形縫隙方形饋電超寬帶天線，縫隙結(jié)構(gòu)采用矩形或多邊形縫隙結(jié)構(gòu)，饋電單元采用圓形或梯形，通過共面波導(dǎo)饋電，三種天線都能夠滿足超寬帶系統(tǒng)的需求，但三種天線的設(shè)計尺寸較大。非專利文獻(xiàn)2公開了一種新穎的微帶饋電橢圓縫隙超寬帶天線，介質(zhì)基板地面接地板上采用橢圓縫隙，介質(zhì)基板的另一面采用漸變微帶饋電，饋線末端有一個橫向窄長貼片并接一個扇形終端，在橢圓縫隙正中加了一個垂直矩形貼片，增強天線的匹配特性，但該天線的設(shè)計尺寸較大，而且阻抗帶寬相對較窄，僅達(dá)到3.8～9.2ghz。專利文獻(xiàn)1公開了一種低駐波比超寬帶平面縫隙天線，寬縫隙為多邊形外加半橢圓形組合形狀，微帶饋線導(dǎo)帶由漸變微帶線和三叉微帶線導(dǎo)帶組成，采用橢圓環(huán)形饋源終端，駐波比不大于1.5的阻抗帶寬覆蓋0.8～3.0ghz，可見該天線可用帶寬有限，而且采用微帶饋電地板與饋源位于介質(zhì)基板兩側(cè)，會導(dǎo)致天線剖面較大，不利于集成或共形，因此，輻射單元與地板共面的天線是目前研究的熱點。

引用文獻(xiàn)列表

非專利文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1：樂永波，印制縫隙天線的設(shè)計與研究，哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012：21-33.

非專利文獻(xiàn)2：蘭敏等，一種新穎的微帶饋電橢圓縫隙超寬帶天線研究，電子元件與材料，2013，32(10)：49-51.

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：中國專利授權(quán)公告號cn102110892b

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙超寬帶平面縫隙天線，能夠覆蓋多個無線通信頻段，尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低廉，便于集成在射頻電路中滿足超寬帶通信系統(tǒng)需求。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙超寬帶平面縫隙天線，由印制在介質(zhì)基板上的拱形饋源終端(1)、矩形共面波導(dǎo)饋線(2)、地板(3)和外接的同軸接頭(4)構(gòu)成，其特征在于：所述的拱形饋源終端(1)為半圓形與矩形組合而成的金屬貼片，上半部分為半圓形，下半部分為矩形，位于介質(zhì)基板的中心，所述的矩形共面波導(dǎo)饋線(2)位于天線中軸上，上端與拱形饋源底部中心對接，下端與地板下邊緣平齊，所述的地板(3)為具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙(5)的金屬貼片，具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙(5)上半部分為半橢圓形，下半部分對下半橢圓對稱進(jìn)行切角處理形成階梯結(jié)構(gòu)，階梯結(jié)構(gòu)的下轉(zhuǎn)折點位于橢圓圓周上，所述的同軸接頭(4)位于介質(zhì)基板下端中軸上，與矩形共面波導(dǎo)饋線(2)和地板(3)的下邊緣相連接。

本發(fā)明的效果在于：本天線采用了具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙地板和拱形饋源終端的組合，形成一個漸變結(jié)構(gòu)縫隙，通過調(diào)整橢圓的軸比和饋源終端的大小實現(xiàn)天線的超寬帶特性，饋源終端采用拱形結(jié)構(gòu)位于介質(zhì)基板的中心位置，能夠激勵出多個諧振頻率，降低最低諧振頻率并增加最高諧振頻率，擴展天線的工作帶寬，地板上開有的具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙，能夠調(diào)整拱形饋源終端、矩形共面波導(dǎo)饋線和地板之間的耦合電容，使諧振頻率相互重疊并產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步展寬天線的工作帶寬，拱形饋源終端與具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙位于介質(zhì)基板同側(cè)，使天線整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，天線的整體尺寸為35×30mm，工作頻帶覆蓋2.4～14ghz，相對帶寬達(dá)到141％，具有尺寸小、低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的結(jié)構(gòu)特點，在工作頻段內(nèi)輻射特性和增益特性良好，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明實例實測回波損耗s11曲線與仿真結(jié)果比較。

圖3是本發(fā)明實例在頻率為3ghz時的xoz面輻射方向圖。

圖4是本發(fā)明實例在頻率為3ghz時的xoy面輻射方向圖。

圖5是本發(fā)明實例在頻率為5ghz時的xoz面輻射方向圖。

圖6是本發(fā)明實例在頻率為5ghz時的xoy面輻射方向圖。

圖7是本發(fā)明實例在頻率為9ghz時的xoz面輻射方向圖。

圖8是本發(fā)明實例在頻率為9ghz時的xoy面輻射方向圖。

圖9是本發(fā)明實例在頻率為13ghz時的xoz面輻射方向圖。

圖10是本發(fā)明實例在頻率為13ghz時的xoy面輻射方向圖。

圖11是本發(fā)明實例在不同頻率點的峰值增益圖。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式是：如圖1所示，一種具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙超寬帶平面縫隙天線，由印制在介質(zhì)基板上的拱形饋源終端(1)、矩形共面波導(dǎo)饋線(2)、地板(3)和外接的同軸接頭(4)構(gòu)成，其特征在于：所述的拱形饋源終端(1)為半圓形與矩形組合而成的金屬貼片，上半部分為半圓形，下半部分為矩形，位于介質(zhì)基板的中心，饋源終端采用拱形結(jié)構(gòu)能夠激勵出多個諧振頻率，降低最低諧振頻率并增加最高諧振頻率，擴展天線的工作帶寬，所述的矩形共面波導(dǎo)饋線(2)位于天線中軸上，上端與拱形饋源底部中心對接，下端與地板下邊緣平齊，所述的地板(3)為具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙(5)的金屬貼片，具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙(5)上半部分為半橢圓形，下半部分對下半橢圓對稱進(jìn)行切角處理形成階梯結(jié)構(gòu)，階梯結(jié)構(gòu)的下轉(zhuǎn)折點位于橢圓圓周上，地板上開有的具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙，能夠調(diào)整拱形饋源終端、矩形共面波導(dǎo)饋線和地板之間的耦合電容，使諧振頻率相互重疊并產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步展寬天線的工作帶寬，具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙(5)和拱形饋源終端(1)的組合，形成的縫隙為一個漸變結(jié)構(gòu)，使多個頻點產(chǎn)生諧振，通過調(diào)整橢圓的軸比和饋源終端的大小實現(xiàn)天線的超寬帶特性，所述的同軸接頭(4)位于介質(zhì)基板下端中軸上，與矩形共面波導(dǎo)饋線(2)和地板(3)的下邊緣相連接。

選擇fr4環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板，介電常數(shù)εr＝4.4，厚度h＝1.4mm。介質(zhì)基板高l＝30mm、寬w＝35mm，拱形饋源終端為半圓形與矩形組合而成的金屬貼片，半圓形的半徑為r1，矩形的尺寸為2r1×l1，圓心位于介質(zhì)基板的中心位置，采用共面波導(dǎo)方式進(jìn)行饋電，使天線整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，共面波導(dǎo)寬度為w1，與地板之間的縫隙寬度為g，在地板上開有的具有階梯結(jié)構(gòu)的橢圓形縫隙，橢圓形的半徑為r2和r3，橢圓的圓心位于拱形饋源終端半圓形圓心的上方，兩個圓心的距離為l6-l1-l2，使用切割法對下半橢圓對稱進(jìn)行切角處理形成階梯漸變結(jié)構(gòu)。由于橢圓形縫隙和拱形饋源終端的尺寸對天線的阻抗帶寬影響很大，拱形饋源終端的影響更為明顯，在設(shè)計過程中首先把橢圓形縫隙的尺寸大致確定下來，然后再對拱形饋源終端的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到最佳的阻抗匹配。使用電磁仿真軟件ansofthfss進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，確定天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的具體結(jié)構(gòu)尺寸為：w1＝3.2mm，w2＝15.0mm，w3＝9.5mm，w4＝6.1mm，w5＝3.7mm，l1＝5.0mm，l2＝10.0mm，l3＝8.7mm，l4＝10.8mm，l5＝13.2mm，l6＝17.3mm，r1＝4.3mm，r2＝15.0mm，r3＝10.1mm，g＝0.9mm。

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，實測天線回波損耗s11曲線與ansofthfss仿真結(jié)果對比如圖2所示，從對比結(jié)果可以看出，回波損耗小于-10db的工作頻帶為2.4ghz～14ghz，相對帶寬達(dá)到141％，實際測量的回波損耗曲線與仿真結(jié)果對比，實測曲線比仿真曲線深度略有加深，天線的諧振頻率向高頻出現(xiàn)一定的偏移，造成偏移的原因主要是制作與測量誤差所導(dǎo)致，實測結(jié)果與仿真結(jié)果在整體趨勢上吻合度較高，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。

對天線在3ghz、5ghz、9ghz、13ghz四個頻率點處的xoz面和xoy面輻射方向圖進(jìn)行測試，檢驗天線的輻射特性，實測和仿真結(jié)果如圖3、4、5、6、7、8、9、10所示。從圖中可以看出，實測結(jié)果與仿真結(jié)果形狀上基本保持一致，但數(shù)值上略有減小，主要原因是天線整體尺寸較小，相對的增益也較小，且受到測試環(huán)境的影響。天線在各頻率點處具有較好的方向性，在xoz面近似偶極子天線，在xoy面輻射曲線近似全向，在3ghz時近似圓形，在5ghz時變成橢圓形，在13ghz時橢圓率變得更高。由此可知，在低頻段，天線輻射方向圖比較圓滑，隨著頻率的升高，輻射方向圖發(fā)生了一定的形變，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是天線在高頻段輻射波長較短，縫隙對應(yīng)的電尺寸增加，使表面電流分布不均勻，出現(xiàn)較大的反向電流，在輻射表面出現(xiàn)了抵消的現(xiàn)象，從而影響了天線的輻射方向圖。然而，這種形變對輻射方向的主體沒有造成很大的影響，因此，不影響天線的輻射特性。

天線在頻帶內(nèi)不同頻率點的峰值增益曲線如圖11所示，測試結(jié)果表明，天線在2.4ghz以上增益均大于0db，峰值增益隨頻率的變化趨勢較為平穩(wěn)，整體呈上升趨勢，峰值增益在10ghz達(dá)到最大值8.1db，之后變化趨勢有所下降，但在14ghz時的峰值增益仍保持在6db以上。峰值增益下降的原因是由天線方向圖在高頻段出現(xiàn)形變現(xiàn)象所導(dǎo)致，峰值增益的變化范圍為2.2db～8.1db，說明天線在工作頻段內(nèi)具有良好的增益性能，滿足超寬帶天線的設(shè)計要求。