專利名稱：一種小型化的超寬帶天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有較小尺寸的超寬帶天線，特別是一種用于無線通信設備的天線，例如在U盤大小的便攜式移動電子設備上使用的超寬帶天線。本發明的天線主要針對 3. IGHz 10. 6GHz頻段，設計滿足應用需求的超寬帶天線。
背景技術：
超寬帶(ultra-wide band UffB)無線電技術是無線領域的新興技術，它具有高速率、低成本、低功耗等特點，是下一代短距離高速率無線通信的最佳候選技術之一。同時它與其它現存的傳統無線技術共享頻帶，這為解決目前日趨緊張的頻譜資源提供了一個很好的解決方案。超寬帶無線電技術在無線通信、雷達、跟蹤、精確定位、武器控制等眾多領域都具有廣闊的應用前景。超寬帶的概念由美國國防高級研究計劃局(DARPA)于1989年首次做出了明確的定義，即絕對帶寬大于1. 5GHz或相對帶寬大于20%，但超寬帶技術僅在雷達遙感和軍事通信中應用。直到2002年4月，美國聯邦通信委員會(FCC)通過了 UWB技術的商用許可，同時對民用領域超寬帶的涵義進行調整，開放了三個UWB應用頻段低于960MHz、 3. IGHz 10. 6GHz和22GHz ^GHz,在通信技術方面的應用當前集中在3. IGHz 10. 6GHz 頻段內，超寬帶無線通信在民用領域開始受到普遍關注。天線作為超寬帶通信系統的關鍵部件，已經逐漸成為當前世界天線研究領域的熱點之一，全球許多國家已經陸續啟動了超寬帶天線研究計劃。
超寬帶天線的設計比傳統窄帶天線的設計面臨更多的挑戰。超寬帶終端設備多為便攜式移動設備，所以要求天線具有平面結構，并且體積要小，同時還要有較好的輸入匹配和輻射特性。常規的描述窄帶天線性能的參數，諸如阻抗匹配、增益、極化等已經不足以對超寬帶天線做出充分的描述，超寬帶天線在滿足其阻抗帶寬涵蓋FCC規定的頻帶范圍的同時，還要對脈沖波形有很好的保真度、有較高的輻射效率等新的技術要求。
現有的超寬帶天線能夠實現所需頻段內的技術要求，但是體積都偏大，參見 H.Schantz.，A brief history of UWB antennas[J]. Aerospace and eIectronicSystems Magazine, 2004，19 (4) :22_26。現有技術的這一不足使得超寬帶技術在小體積設備，例如要用在像U盤大小的設備時，受到一定的限制。發明內容
本發明提供一種具有較小尺寸的超寬帶天線，在保持天線良好的電性能要求下， 本發明可極大的減小天線的幾何尺寸，使其能夠用在像U盤大小，甚至更小的便攜式移動電子設備上。
本發明的一種小型化的超寬帶天線，包括介質板、設置于介質板上的由導電體構成的輻射單元、接地單元和饋電單元，以及與同軸電纜相接的微波接頭。本發明所用的介質板由低介電常數的物質構成，介質板的正面設置有其半圓形直邊與介質板的一個邊緣重合的半圓形輻射單元，輻射單元與饋電單元相連，介質板的背面設置有帶有半圓鞍形內凹形狀的接地單元，位于介質板正面的饋電單元和位于介質板背面的接地單元分別通過微波接頭與同軸電纜的屏敝導線、中芯導線相接，其具體的接線方法為連接輻射單元的饋電單元通過微波接頭與同軸電纜的中芯導線相接，而接地單元通過微波接頭與同軸電纜的屏敝導線相接；或者連接輻射單元的饋電單元通過微波接頭與同軸電纜的屏敝導線相接，而接地單元通過微波接頭與同軸電纜的中芯導線相接。這里的饋電單元最簡單的方式是分別與輻射單元和微波接頭相連的導線。本發明的天線中，接地單元的半圓鞍形內凹形狀的直邊與介質板的正面設置的半圓形輻射單元的直邊重合；介質板背面的接地單元的半圓鞍形內凹形狀在介質板正面的投影內含介質板正面的半圓形輻射單元，也就是說介質板正面的輻射單元的單元其在介質板背面的投影位置是位于介質板背面的接地單元之內，且不內切；輻射單元半圓的半徑R1與接地單元的半圓鞍形內凹的半徑&之比等于5 9 7 17;介質板為長度彡(2R2+1毫米)、寬度彡(R2+l/2毫米)的矩形。
本發明的小型化的超寬帶天線的最佳結構為所用的介質板為矩形的雙面敷銅的印刷電路板，其正面的半圓形輻射單元內及饋電單元處的銅箔保留；其背面的接地單元半圓鞍形內凹形狀的半圓內的銅箔去除，保留其余部分的銅箔。
本發明實施實施例的介質板寬為10毫米，長為20毫米，R1為4. 5毫米，&為7. 5 毫米，輻射單元的半圓圓心與接地單元的半圓圓心距離為2. 8毫米。
本發明可以看作是圓形縫隙天線沿其中心軸線對稱剪切一半得到的。分析電流分布可知是對稱的，因此可以在保持天線電特性變化不大的情況下，使得天線的體積減小到原來的一半。由于天線的輻射單元和接地單元的圓弧形結構在同一方向，半徑大小不一，從而實現了電磁波從微帶線到自由空間的光滑過度，使得天線獲得良好的匹配特性。
本發明的優點在于
1.寬帶特性。輻射單元和接地單元均采用半圓形弧線邊界，實現了阻抗漸變結構， 在展寬天線頻帶寬度的同時，減小了其體積。頻率范圍覆蓋3. IGHz 10.6GHz的超寬帶工作頻段，滿足了超寬帶無線通信系統的要求。
2.天線體積很小。和相同性能的圓環縫隙天線相比，體積減小近一半，能夠集成在 U盤大小的移動設備上。
3.結構簡單，可以印刷制作，性能一致性好，適合批量生產。整個天線為平面結構， 適合與系統的其它部件集成，簡單實用。
4.傳輸函數幅度平坦，相位呈線性分布，有利于超寬帶信號的傳輸。


圖1是本發明的一個實施例的正面結構示意圖2是本發明的的一個實施例的背面結構示意圖，圖中的虛線部分為介質板正面的輻射單元2邊緣的投影位置；
圖3是本發明側面結構示意圖，即圖1的右視圖(圖2的左視圖)；
圖4是本發明的仿真和實測的電壓駐波比；
圖5是本發明的實測傳輸函數幅度；
圖6是本發明的實測傳輸函數相位。
在圖1至圖3中1為介質板，2為輻射單元，3為饋電單元，4為接地單元，5為微波接頭。其中的輻射單元2與微帶饋電單元3相連位于介質板1正面同一表面上，接地單元4則位于介質板1的背面。
具體實施方式
附圖為本發明的一個實施例的示意圖，以下結合

附圖給出的本發明的實施例是用一塊雙面敷銅中間夾有絕緣板的材料，即通常所述的印刷電路板制成，輻射單元2及微帶饋電單元3位于印刷電路板的一面，而接地單元4 則位于印刷電路板的另一面。本發明所述輻射單元2是一個由銅箔構成的半圓盤，其直邊的方向與微帶饋電單元3的軸線相平行，直邊的延長線和微帶饋電單元3的一條寬邊重合， 參見附圖1。接地單元4為修正的矩形結構，即將矩形介質板長邊的一個邊用向內凹陷的圓弧代替，圓弧的中心位于矩形介質板長邊的中點上，且輻射單元2的導體半圓弧的內凹方向與接地單元4非導電介質半圓弧內凹方向一致，參見附圖2，且圖2中圓弧左邊淺色區域內的銅箔被去除，僅保留圓弧右側深色區域內的銅箔。附圖所示的實施例的饋電方式為微帶饋電單元3通過微波接頭5與同軸電纜的中心導線相接；接地單元4通過微波接頭5與同軸電纜的屏敝導線相接。饋電方式也可以是將微帶饋電單元3通過微波接頭5與同軸電纜的的屏敝導線相接；接地單元4通過微波接頭5與同軸電纜的中心導線相接。
本發明的一個具體實施例中，采用的介質板為印刷電路板，其介質板的介電常數為4. 4的玻璃纖維，介質板所對應矩形的長度和寬度分別為20mm和10mm，通過印刷制版和腐蝕的方式分別在其正面形成輻射單元2與微帶饋電單元3，在其背面形成接地單元4，其中輻射單元2的半圓半徑為4. 5mm，接地單元4中的半圓半徑為7. 5mm，輻射單元的半圓圓心與接地單元的半圓圓心距離為2. 8毫米。
圖4是仿真和實測的前述具體實施例的天線電壓駐波比曲線，實測中采用 Agilent Ε835!3Β矢量網絡分析儀。由圖4可以看出，實測的工作頻率范圍(VSWR < 2 1) 為3. OGHz 10. 8GHz，仿真的工作頻率范圍大于實測的范圍，仿真和實測數據表面本發明的天線確實實現了超寬帶特性，天線在3. IGHz 10. 6GHz的超寬帶工作頻段內獲得良好的阻抗匹配效果。
圖5是實測的前述具體實施例的傳輸函數幅度隨頻率變化的曲線，由圖5可以看出，在3. 4GHz 10. 4GHz范圍內，傳輸函數幅度值得變化在IOdB以內。說明天線的整體幅度比較平坦，同時工作頻段內增益的變化較小。非常有利于超寬帶信號的傳輸。圖6是實測的傳輸函數相位隨頻率變化的曲線，可以看出傳輸函數的相位特性近似地呈線性分布， 天線對脈沖信號的干擾較小。
綜上所述，本發明的天線在超寬帶范圍內具有良好的電壓駐波比、平坦的增益和線性傳輸函數相位，非常適合超寬帶信號的傳輸。該天線采用印刷結構，體積小，平面化，有利于加工制作以及系統集成，適合用于超寬帶無線通信領域。
權利要求
1.種小型化的超寬帶天線，包括介質板、設置于介質板上的由導電體構成的輻射單元、接地單元和饋電單元，以及與同軸電纜相接的微波接頭，其特征在于所用的介質板 (1)由低介電常數的物質構成，介質板(1)的正面設置有其半圓形直邊與介質板的一個邊緣重合的半圓形輻射單元O)，輻射單元O)與饋電單元C3)相連，介質板(1)的背面設置有帶有半圓鞍形內凹形狀的接地單元G)，位于介質板正面的饋電單元C3)和位于介質板背面的接地單元(4)分別通過微波接頭(5)與同軸電纜的屏敝導線、中芯導線相接，且接地單元(4)的半圓鞍形內凹形狀的直邊與介質板(1)的正面設置的半圓形輻射單元O)的直邊重合；介質板背面的接地單元的半圓鞍形內凹形狀在介質板正面的投影內含介質板正面的半圓形輻射單元O)；輻射單元( 半圓的半徑R1與接地單元的半圓鞍形內凹的半徑&之比等于5 9 7 17;介質板為長度彡毫米)、寬度彡(R2+l/2毫米)的矩形。
2.根據權利要求1所述的一種小型化的超寬帶天線，其特征在于所述的介質板(1)為矩形的雙面敷銅的印刷電路板，其正面的半圓形輻射單元O)內及饋電單元C3)處的銅箔保留；其背面的接地單元(4)半圓鞍形內凹形狀的半圓內的銅箔去除，保留其余部分的銅箔。
3.根據權利要求2所述的一種小型化的超寬帶天線，其特征在于介質板寬為10毫米， 長為20毫米，R1為4. 5毫米，&為7. 5毫米，輻射單元的半圓圓心與接地單元的半圓圓心距離為2. 8毫米。
全文摘要
本發明公開一種具有較小尺寸的超寬帶天線。本發明的超寬帶天線，包括介質板、設置于介質板上的由導電體構成的輻射單元、接地單元和饋電單元，以及與同軸電纜相接的微波接頭。本發明所用的介質板由低介電常數的物質構成，介質板的正面設置有其半圓形直邊與介質板的一個邊緣重合的半圓形輻射單元，輻射單元與饋電單元相連，介質板的背面設置有帶有半圓鞍形內凹形狀的接地單元，位于介質板正面的饋電單元和位于介質板背面的接地單元分別通過微波接頭與同軸電纜的屏敝導線、中芯導線相接。
文檔編號H01Q1/38GK102509877SQ20111036618
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者張金生, 楊明堃, 高國平 申請人:蘭州大學