本實用新型涉及超寬帶無線通信技術領域的印刷天線，特別是一種超寬帶拱門形平面印刷單極子天線，適用于低功率短距無線通信終端。

背景技術：

在信息通信領域中無線通信技術發(fā)展最為迅猛，通信系統(tǒng)的信息傳輸容量和速率不斷升級，單一天線需要同時覆蓋多個頻帶，要求天線具有小型化、超寬帶特性。美國聯(lián)邦通信委員會將3.1～10.6GHz作為適用于超寬帶通信系統(tǒng)的頻譜范圍，具有平面結(jié)構(gòu)和全向輻射特性的新型超寬帶天線成為廣泛應用的天線形式。平面印刷單極子天線具有體積小、低剖面、易于共形等優(yōu)點，被廣泛應用于無線通信系統(tǒng)中，選擇合適的介質(zhì)基板利用介電常數(shù)可以有效的改善天線的尺寸，采用網(wǎng)絡匹配、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術可以實現(xiàn)天線的寬頻帶特性。諧振交疊技術將單諧振單元進行匹配優(yōu)化，產(chǎn)生足夠?qū)挼膸?，廣泛應用于移動終端天線上，但多個諧振單元會導致結(jié)構(gòu)復雜和阻抗匹配困難，因此，在超寬帶天線上的應用受到一定限制。增加輻射單元面積同樣會有效的展寬帶寬，如矩形、三角形、圓形、菱形、梯形等結(jié)構(gòu)的平面印刷天線主要應用于全向超寬帶通信，原因是這類平面單極子天線的輻射單元和地板近似于傳輸電磁波的均勻漸變傳輸線，因此具有超寬帶特性。螺旋天線、對數(shù)周期天線主要用于定向超寬帶天線，但此類天線需要在天線的背面添加吸波材料，保證天線的超寬帶特性。共面波導饋電與微帶饋電相比有超寬帶、低色散等優(yōu)點，由于輻射單元、地板、饋電導帶在同側(cè)，所以加工方便、易于共形。采用共面波導饋電的印刷天線，可以將輻射單元的結(jié)構(gòu)設計成圓形、菱形、方形、梯形或者幾何形狀的組合結(jié)構(gòu)，進一步增加天線的增益和頻帶帶寬，也可以通過調(diào)節(jié)地板幾何尺寸、地板與輻射單元的縫隙結(jié)構(gòu)，增加天線的阻抗帶寬。一種階梯型漸變結(jié)構(gòu)共面波導饋電的超寬帶平面單極子天線，將矩形輻射單元改進為不同長寬比矩形組合的漸變結(jié)構(gòu)，阻抗帶寬為2.61～13.53GHz，有效的展寬了天線的阻抗帶寬，相對帶寬達到135％，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對帶寬指標的需求。一種倒梯形漸變結(jié)構(gòu)共面波導饋電平面超寬帶天線，采用倒梯形輻射單元，使不同頻率諧振點互相疊加，有效的展寬天線的阻抗帶寬，將地板進行切角處理，通過延長表面輻射電流路徑有效的擴展了天線的阻抗帶寬，帶寬為2.9～13.5GHz。由此可以看出，改變天線輻射單元的幾何形狀，如圓形、橢圓形、U形等，或者改變地板的結(jié)構(gòu)和饋電方式，可以有效提高天線的空間輻射能力，改變表面電流流向，實現(xiàn)超寬帶通信的目標。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種超寬帶拱門形平面印刷單極子天線，適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)終端，加工方便，結(jié)構(gòu)簡單，具有較寬的阻抗帶寬和良好的全向輻射特性。

本實用新型的技術方案是：一種超寬帶拱門形平面印刷單極子天線，由拱門形輻射單元(1)、共面波導(2)、階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)和同軸接頭(4)構(gòu)成，所述的拱門形輻射單元(1)的上端為同心且半徑不同的半圓環(huán)，中部為與之對接的矩形結(jié)構(gòu)，下端為連接輻射單元與共面波導的Y形漸變結(jié)構(gòu)，拱門形輻射單元(1)的內(nèi)部輪廓與外部輪廓呈一定比例，所述的階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)是采用切割方法將矩形地板兩側(cè)進行切角處理而形成，其特征在于：天線整體結(jié)構(gòu)左右軸對稱，拱門形輻射單元(1)、共面波導(2)、階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)位于介質(zhì)基板同側(cè)，采用共面波導方式進行饋電，共面波導(2)上端與拱門形輻射單元(1)相連接，下端外接同軸接頭(4)，切割后的階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)對稱于天線兩側(cè)，同共面波導(2)之間形成一定縫隙。

本實用新型的效果在于：本天線采用拱門形為主體的輻射單元，在中高頻具有良好的阻抗匹配特性，在輻射單元下端采用Y形漸變結(jié)構(gòu)連接共面波導，可以耦合來自拱門形輻射單元的能量，改善低頻段的頻率響應，從而有效的展寬天線的阻抗帶寬，采用共面波導對天線饋電，使天線易與載體共形，采用切割方法將矩形地板進行切角處理，形成階梯漸變結(jié)構(gòu)，可以延長表面輻射電流路徑，增加諧振頻率點并使之相互疊加，在不同頻率產(chǎn)生諧振，優(yōu)化天線的主要性能指標，有效工作帶寬覆蓋2.25～13.16GHz，天線的尺寸為40×40mm，具有低剖面、低損耗、加工方便、易于共形的結(jié)構(gòu)特性，滿足小型化、超寬帶的設計目標，在工作頻段內(nèi)具有高且平坦的增益特性和全向輻射特性，適用于低功率短距無線通信終端。

附圖說明

圖1是本實用新型實例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本實用新型實例實測回波損耗S₁₁曲線與仿真結(jié)果比較。

圖3是本實用新型實例在頻率為4.5GHz時的xoz面增益方向圖。

圖4是本實用新型實例在頻率為4.5GHz時的xoy面增益方向圖。

圖5是本實用新型實例在頻率為7.8GHz時的xoz面增益方向圖。

圖6是本實用新型實例在頻率為7.8GHz時的xoy面增益方向圖。

圖7是本實用新型實例在頻率為10.2GHz時的xoz面增益方向圖。

圖8是本實用新型實例在頻率為10.2GHz時的xoy面增益方向圖。

圖9是本實用新型實例在不同頻率點的峰值增益圖。

具體實施方式

本實用新型的具體實施方式是：如圖1所示，一種超寬帶拱門形平面印刷單極子天線，由拱門形輻射單元(1)、共面波導(2)、階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)和同軸接頭(4)構(gòu)成，所述的拱門形輻射單元(1)的上端為同心且半徑不同的半圓環(huán)，中部為與之對接的矩形結(jié)構(gòu)，下端為連接輻射單元與共面波導的Y形漸變結(jié)構(gòu)，拱門形輻射單元(1)的內(nèi)部輪廓與外部輪廓呈一定比例，采用拱門形為主體的輻射單元，在中高頻具有良好的阻抗匹配特性，在輻射單元下端采用Y形漸變結(jié)構(gòu)連接共面波導，可以耦合來自拱門形輻射單元的能量，改善低頻段的頻率響應，從而有效的展寬天線的阻抗帶寬，所述的階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)是采用切割方法將矩形地板兩側(cè)進行切角處理而形成，形成階梯漸變結(jié)構(gòu)，使電流分布更加集中，可以延長表面輻射電流路徑，增加諧振頻率點并使之相互疊加，優(yōu)化天線的主要性能指標，地板(3)與共面波導(2)之間形成縫隙，可以改變表面電流流向，調(diào)整天線的工作帶寬，其特征在于：天線整體結(jié)構(gòu)左右軸對稱，拱門形輻射單元(1)、共面波導(2)、階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)位于介質(zhì)基板同側(cè)，采用共面波導方式進行饋電，共面波導(2)上端與拱門形輻射單元(1)相連接，下端外接同軸接頭(4)，切割后的階梯漸變結(jié)構(gòu)地板(3)對稱于共面波導兩側(cè)，同共面波導(2)之間形成一定縫隙。

選擇介電常數(shù)ε_r＝4.4、厚度h＝1.6mm的FR-4介質(zhì)基板，介質(zhì)損耗為0.001。介質(zhì)基板高l＝40mm、寬w＝40mm，采用共面波導方式進行饋電，共面波導寬度為w₁，與地板之間的縫隙寬度為g，輻射單元為拱門形結(jié)構(gòu)，輻射單元上部半圓環(huán)的圓心點位于對稱軸上，半徑分別為r₁和r₂，輻射單元中部兩個矩形的尺寸為l₇、r₁-r₂，調(diào)整輻射單元內(nèi)部形成的匹配條帶尺寸可以調(diào)整天線的阻抗匹配，使用切割法將矩形地板兩側(cè)分別切除兩個矩形和一個三角形，形成階梯漸變結(jié)構(gòu)。使用Ansoft HFSS電磁仿真軟件進行優(yōu)化設計，得出天線的結(jié)構(gòu)尺寸：r₁＝11.4mm，r₂＝3.9mm，l₁＝13.9mm，l₂＝15.1mm，l₃＝14.2mm，l₄＝12.7mm，l₅＝20.2mm，l₆＝10.8mm，l₇＝6.5mm，w₁＝4.6mm，w₂＝8.1mm，w₃＝3.6mm，w₄＝4.3mm，w₅＝3.1mm，w₆＝6.5mm，w₇＝16.8mm，g＝0.9mm，如圖1所示。

使用矢量網(wǎng)絡分析儀Agilent對天線模型進行測試，實測S₁₁曲線與Ansoft HFSS仿真結(jié)果對比如圖2所示，實測結(jié)果表明，回波損耗小于-10dB的工作頻帶為2.25GHz～13.16GHz，諧振點分別為4.5GHz、7.8GHz和10.2GHz，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有所加深，在低頻段基本保持一致，在高頻段諧振頻率略向右側(cè)偏移，造成偏移的主要原因是測量環(huán)境及同軸接頭手工焊接誤差所致，實測回波損耗曲線與仿真結(jié)果基本吻合，天線具有超寬帶特性，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對帶寬性能的基本要求。

對天線在4.5GHz、7.8GHz和10.2GHz諧振點處的增益方向圖進行測試，選取xoz和xoy面，測量天線的輻射特性，測試和仿真結(jié)果如圖3、4、5、6、7、8所示。從圖中可以看出，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致，xoz面近似對稱的“∞”形，形狀略微不規(guī)則，xoy面輻射方向圖近似全向，在低頻時天線輻射面較為圓滑，隨著頻率的升高，因介質(zhì)基板損耗增加，天線的輻射出現(xiàn)輕微的分裂現(xiàn)象，但不影響天線的輻射特性。

圖9為天線在不同頻率點的峰值增益圖，在工作頻段內(nèi)，隨著頻率的升高，峰值增益隨頻率的變化比較平穩(wěn)，整體呈上升趨勢，高頻段略有下降，原因是天線方向圖在高頻段出現(xiàn)輕微分裂現(xiàn)象所致，最低峰值增益為3.2dB，最高峰值增益為7.8dB，具有穩(wěn)定的峰值增益，是一款性能良好的超寬帶天線。