專利名稱：基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法
技術領域：
基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計，屬于無線通信技術領域，涉及超寬帶平面天線技術和微波技術。
背景技術：
美聯邦通信委員會(FCC)于2002年2月通過了允許超寬帶通信技術(UWB Ultra-wideband)民用化的規定，之前UWB技術的應用領域僅僅局限在于雷達、傳感、軍事通信等方面，隨著民用化限制的取消，UffB技術將廣泛的應用于車載雷達系統、數字通信與測試系統以及成像系統等商用、民用領域，成為未來短距離高速無線通信系統實現的有力
競爭方案。新興的UWB無線通信技術在實現層面上有諸多的挑戰，UffB天線的設計實現就是其中之一。無線通信系統中，信息的傳輸載體為電磁波，傳輸媒質為空氣介質，天線實現導行電磁波和空間電磁波的相互轉換，IEEE將天線定義為系統中設計用于輻射和接收電磁波的部分。天線作為無線通信系統中不可缺少的部件，其結構類型、性能要求與系統自身技術特點和應用場合密切相關。UWB采用FCC開放的3. 1-10. 6GHz頻段，帶寬高達7. 5GHz，是陸地商業通信系統中最大的帶寬分配，因此，UWB信號具有超寬帶的特性。另外，UWB系統必須具有高數據速率、低功耗和低成本的特性，這就要求提高了 UWB天線的要求，必須具有相對于窄帶系統天線更高的性能。超寬帶天線的發展大致可分為三個階段，早期發展階段處于上世紀50年代以前， 主要應用領域是廣播電視系統；上世紀50年代至90年代是超寬帶天線的蓬勃發展時期，該時期提出了多種寬帶和非頻變天線的設計理論，并廣泛應用在各類通信系統和雷達探測系統中；上世紀90年代至今，隨著FCC解除對民用UWB設備的使用頻段的限制，超寬帶天線技術得到極大的推動和發展。上世紀90年代開始，不斷涌現了一些新興的超寬帶平面天線技術，包括超寬帶平板單極子天線、超寬帶印刷單極子天線、超寬帶印刷縫隙天線和超寬帶平面天線。1976 年，G. Dubost等人提出了平板天線結構，成為早期的超寬帶平面單極子天線的主要結構形式。1992年，Honda等人在球形單極子天線的基礎上提出了圓盤單極子天線，獲得了大于 8 1的阻抗帶寬。之后研究人員主要以天線的阻抗帶寬為研究方向，相繼提出了橢圓形、 環形、圓形、水滴形等多種變形的平板型單極子天線，極大的增加了寬帶平板單極子天線的種類。為使天線結構緊湊同時不失全向輻射特性，出現了以接地面為鏡像的平面偶極子天線，Thoms等人提出了圓盤偶極子天線。偶極子天線一般在實際應用中需要作鏡像處理，從而出現了單極子天線，天線尺寸變得更小。早期單極子天線的輻射面雖然是印刷式平面結構，但接地面與金屬輻射面垂直，其饋電方式是由SMA接口的探針經由接地面上的導通孔連接到天線的輻射體上，而輻射體與接地面間的距離成為影響阻抗帶寬的重要因素之一， 整個天線仍然是三維結構。二維的單極子天線采用印制板技術，不需要在接地面設計一個導通孔，大多采用微帶線或共面導體饋電結構。早期的平面單極子天線是帶狀線饋電的平面三角形單極子天線，為進一步減小體積，又改為為微帶線饋電方式。隨后相繼出現了各種形狀的天線結構。 輻射體為圓形的單極子天線設計較為簡單，天線的最低工作頻率可通過改變圓形半徑進行調整，天線的阻抗帶寬可通過改變輻射體形狀進行優化。若將輻射體改為漏斗形，阻抗帶寬可達2 1，改為領結形、十字形、u形、心形，阻抗帶寬可增加到3 1 3.4 1不等；若將輻射體變為圓形、扇形和橢圓形等可進一步增加天線的阻抗帶寬。調節輻射體和地板之間的距離，可使圓形單極子天線的阻抗帶寬達到5 1。平面單極子天線具有結構簡單、全向輻射、體積小、制作容易等特性，成為目前較多機構的研究對象。

發明內容
本發明要解決的主要問題是通過對矩形微帶貼片天線電流強度分布的狀況改進， 設計了一種特殊貼片形狀天線結構，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過改變橢圓形長短半軸以及圓形半徑等一系列參數來設計，設計結果可以達到美國聯邦通信委員會(FCC)制定的超寬帶頻段范圍3. 1 10. 6GHz并且天線的回波損耗小于2。本方法結合了傳輸線設計法和有限元算法，先運用傳輸線理論的設計方法對微帶饋電部分進行設計，使得微帶線饋電的阻抗值為50 Ω，以達到阻抗匹配；再運用有限元法計算矩形輻射貼片天線的電流分布，將矩形輻射貼片電流分布較弱的部分切除掉，設計的天線輻射貼片形狀為橢圓形與圓形相交割形狀，其結構見圖1 ；最后將優化的貼片結構與微帶饋電結構相結合，組成基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線，其結構見圖2。采用的基板型號為4350Β型號，介電常數為3. 48，厚度為1. 52mm ；輻射貼片和接地板材料為鍍金層ο輻射貼片和微帶饋電結構的設計過程如下1.利用有限元算法，將矩形輻射貼片電流分布較弱的部分切除掉形成橢圓形與圓形相交割形狀，在不同橢圓長短半軸比率和圓形半徑條件下，計算超寬帶天線的帶寬以及回波損耗。 2.微帶饋電結構與微帶線寬度W和微帶線與接地板間距h有關，在不同W/h下，計算微帶線的特征阻抗使之可以達到50 Ω的特征阻抗匹配。3.結合步驟1和2的結果，得到基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的結構參數。本發明的有益效果1.天線的頻段范圍為3. 1 10. 6GHz，達到超寬帶標準。2.天線的回波損耗小于2，能夠達到使用標準。3.微帶饋電阻抗可以達到50 Ω，能夠與負載匹配。本文的應用價值高速寬帶無線通信民用及軍事領域有著廣泛的應用。


圖1 橢圓形與圓形相交割的輻射貼片形狀，1為橢圓，2為圓，3為橢圓形與圓形相交割的輻射貼片。圖2 基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線結構圖，1輻射貼片，4為微帶饋電，5為基板，6為接地板，7為SMA接頭。
具體實施例方式通過對矩形微帶貼片天線電流強度分布的狀況改進，提出了一種特殊貼片形狀天 線結構，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過改變橢圓形長短半軸以及圓形 半徑等一系列參數來設計并且制作一種超寬帶貼片天線。矩形微帶貼片天線主要由貼片金屬輻射體、微帶饋線、接地板以及較薄的介質板 組成，如圖所示，貼片輻射體的寬度Wp和長度Lp，矩形貼片金屬輻射體的結構是由圓柱形輻 射體的表面積等效而來的如圖，r為圓柱的半徑，Lp為圓柱體的長度，等效公式為
權利要求
1.基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，包括輻射貼片的結構，微帶饋電的結構，接地板的結構，其特征在于滿足超寬帶標準要求，微帶饋電與負載相匹配和天線輻射的全向性。
2.根據權利要求1所述的基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，其特征在于輻射貼片的結構滿足超寬帶標準要求。
3.根據權利要求1所述的基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，其特征在于微帶饋電的結構滿足特征阻抗為50 Ω。
4.根據權利要求1所述的基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，其特征在于接地板的結構滿足天線輻射的全向性。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，其特征在于滿足超寬帶標準要求下，微帶饋電阻抗與負載相匹配為50Ω并且天線輻射具有全向性。
全文摘要
基于微帶饋電的改進型橢圓貼片超寬帶天線的設計方法，屬于無線通信技術領域，涉及超寬帶平面天線技術和微波技術。通過對矩形微帶貼片天線電流強度分布的狀況改進，設計了一種特殊貼片形狀天線結構，這種形狀是橢圓形與圓形相交割的部分，并且通過改變橢圓形長短半軸以及圓形半徑等一系列參數來設計，設計結果可以達到美國聯邦通信委員會(FCC)制定的超寬帶頻段范圍3.1GHz～10.6GHz，天線的回波損耗小于2并且天線具有全向性。
文檔編號H01Q1/48GK102509868SQ20111036715
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
發明者崔德勇, 張曉霞, 文玥, 熊煜, 錢碩 申請人:電子科技大學