本實(shí)用新型涉及超寬帶無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電雙頻段平面單極天線，適用于遠(yuǎn)距離射頻識別和超寬帶無線通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源不斷被開發(fā)利用，對天線在功能、性能、低成本、小型化等方面也提出了更高的要求。遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)是利用電磁空間耦合技術(shù)進(jìn)行自動射頻識別，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的物流管理、交通管理、生產(chǎn)管理、資源開采等領(lǐng)域，遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)主要使用的頻率為2.45GHz和5.8GHz，作為便攜式射頻識別系統(tǒng)中的小型平面天線是其關(guān)鍵組成部分。超寬帶通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、信號穿透性好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在高速無線通信系統(tǒng)中具有重要地位，應(yīng)用頻段主要為3.1～10.6GHz。無線通信系統(tǒng)需要兼容多個(gè)頻段時(shí)，需要設(shè)計(jì)一種具有體積小、低剖面、易于集成等特點(diǎn)的多頻段平面天線，滿足多頻段通信需求。平面單極子天線一般具有較寬的帶寬和水平全向輻射特性，輻射體與地板共面，是最基本的天線形式，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中。三角形、方形、圓形、橢圓形平面印刷天線具有一定的超寬帶特性，原因在于輻射單元和地板等效于TEM均勻漸變傳輸線，輻射單元的整體尺寸決定天線的最低工作頻率。印刷超寬帶天線主要通過改變輻射單元尺寸、結(jié)構(gòu)和地板位置、形狀等方法提高輻射能力，使其具有超寬帶特性。一種水滴形結(jié)構(gòu)超寬帶單極天線，將輻射單元設(shè)計(jì)成水滴形狀，帶寬提升至117％以上，但天線尺寸較大，不便于加工。一種半橢圓結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電的平面超寬帶天線，輻射單元類似于高腳杯形狀，利用電磁對稱原理，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，阻抗帶寬達(dá)到121％，尺寸縮小至41.2％，缺點(diǎn)是低頻段天線性能較弱。輻射單元采用漸變結(jié)構(gòu)可以引起在不同頻率上產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步展寬天線的阻抗帶寬。采用共面波導(dǎo)饋電形式具有超寬帶、低色散、易于共形等優(yōu)點(diǎn)，改變輻射單元與地板間的縫隙可以有效的改善天線的阻抗帶寬特性。一種階梯漸變結(jié)構(gòu)平面超寬帶天線，采用不同比例的矩形組合輻射單元，通過漸變組合使相鄰的不同頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，有效的擴(kuò)展天線的工作帶寬，使其達(dá)到2.63～13.55GHz；一種倒梯形漸變結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)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(diǎn)互相疊加，有效的展寬天線的阻抗帶寬，帶寬為2.9～13.5GHz，缺點(diǎn)是這兩種天線都不能滿足遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)的頻段需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電雙頻段平面單極天線，同時(shí)滿足遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)和超寬帶無線通信系統(tǒng)對頻段的需求，具有雙頻段特性和小型化、低剖面的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電雙頻段平面單極天線，由對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)、共面波導(dǎo)饋電線(2)、漸變結(jié)構(gòu)地板(3)和同軸接頭(4)構(gòu)成，所述的對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)由兩個(gè)圓環(huán)組合而成，圓心對稱于天線的中軸線，兩個(gè)圓環(huán)上端由圓弧過渡連接，下端連接梯形結(jié)構(gòu)，所述的共面波導(dǎo)饋電線(2)為矩形融合結(jié)構(gòu)，由長寬比呈一定比例的矩形融合而成，所述的漸變結(jié)構(gòu)地板(3)將矩形地板內(nèi)側(cè)切除兩個(gè)矩形形成階梯形狀，地板外側(cè)切除一個(gè)三角形，其特征在于：對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)、共面波導(dǎo)饋電線(2)、漸變結(jié)構(gòu)地板(3)位于介質(zhì)基板同側(cè)，共面波導(dǎo)饋電線(2)上端與對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)下端梯形結(jié)構(gòu)相連接，共面波導(dǎo)饋電線(2)下端外接同軸接頭(4)，漸變結(jié)構(gòu)地板(3)左右對稱于天線中軸線兩側(cè)，同共面波導(dǎo)饋電線之間存在一定縫隙。

本實(shí)用新型的效果在于：本天線采用對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元，將圓形與梯形進(jìn)行巧妙的融合，在增加輻射單元面積的同時(shí)使其具有寬度漸變特性，實(shí)現(xiàn)各諧振點(diǎn)的相互疊加，有效的提高天線的帶寬，調(diào)節(jié)輻射單元形成的兩個(gè)匹配孔徑，可以有效改善天線在低頻段的頻率響應(yīng)，使阻抗帶寬向低頻段延伸，天線的工作頻率有效的覆蓋遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，采用矩形融合結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)饋電線可以調(diào)節(jié)輸入阻抗，降低輻射損耗，切割處理后的矩形地板與饋電線之間形成縫隙，連接不同頻率的諧振點(diǎn)，有效輻射不同頻率的電磁波，進(jìn)一步擴(kuò)展天線的阻抗帶寬，工作頻段為2.1～12.2GHz，覆蓋兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，滿足遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)和超寬帶通信系統(tǒng)對工作頻段的需求，在增益和方向性等方面滿足使用要求，具有超寬帶、高增益、全向輻射等特點(diǎn)，是一款應(yīng)用前景良好的小型雙頻段平面單極天線。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本實(shí)用新型實(shí)例實(shí)測天線駐波比曲線與仿真結(jié)果比較。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為2.5GHz時(shí)的xoz面輻射方向圖。

圖4是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為2.5GHz時(shí)的xoy面輻射方向圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為5.8GHz時(shí)的xoz面輻射方向圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為5.8GHz時(shí)的xoy面輻射方向圖。

圖7是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為8.5GHz時(shí)的xoz面輻射方向圖。

圖8是本實(shí)用新型實(shí)例在頻率為8.5GHz時(shí)的xoy面輻射方向圖。

圖9是本實(shí)用新型實(shí)例的峰值增益曲線。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式是：如圖1所示，一種對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電雙頻段平面單極天線，由對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)、共面波導(dǎo)饋電線(2)、漸變結(jié)構(gòu)地板(3)和同軸接頭(4)構(gòu)成，所述的對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)由兩個(gè)圓環(huán)組合而成，圓心對稱于天線的中軸線，兩個(gè)圓環(huán)上端由圓弧過渡連接，下端連接梯形結(jié)構(gòu)，將圓形與梯形進(jìn)行巧妙的融合，在增加輻射單元面積的同時(shí)使其具有寬度漸變特性，實(shí)現(xiàn)各諧振點(diǎn)的相互疊加，有效的提高天線的帶寬，調(diào)節(jié)輻射單元形成的兩個(gè)匹配孔徑，可以有效改善天線在低頻段的頻率響應(yīng)，使阻抗帶寬向低頻段延伸，天線的工作頻率有效的覆蓋遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，所述的共面波導(dǎo)饋電線(2)為矩形融合結(jié)構(gòu)，由長寬比呈一定比例的矩形融合而成，可以調(diào)節(jié)輸入阻抗，降低輻射損耗，所述的漸變結(jié)構(gòu)地板(3)將矩形地板內(nèi)側(cè)切除兩個(gè)矩形形成階梯形狀，地板外側(cè)切除一個(gè)三角形，切割處理后的矩形地板與饋電線之間形成縫隙，連接不同頻率的諧振點(diǎn)，有效輻射不同頻率的電磁波，進(jìn)一步擴(kuò)展天線的阻抗帶寬，其特征在于：對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)、共面波導(dǎo)饋電線(2)、漸變結(jié)構(gòu)地板(3)位于介質(zhì)基板同側(cè)，共面波導(dǎo)饋電線(2)上端與對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元(1)下端梯形結(jié)構(gòu)相連接，共面波導(dǎo)饋電線(2)下端外接同軸接頭(4)，漸變結(jié)構(gòu)地板(3)左右對稱于天線中軸線兩側(cè)，同共面波導(dǎo)饋電線之間存在一定縫隙。

選擇介電常數(shù)ε_r＝2.65，厚度h＝1mm的介質(zhì)基板，介質(zhì)損耗為0.001。介質(zhì)基板高l＝45mm、寬w＝45mm，對稱雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)輻射單元、共面波導(dǎo)饋電線、漸變結(jié)構(gòu)地板印制在介質(zhì)基板同一平面上，天線為左右軸對稱，輻射單元由兩個(gè)圓心距離為w₄、半徑為r₁、r₂的圓環(huán)組合而成，圓心對稱于天線的中軸線，兩個(gè)圓環(huán)上端由半徑為r₃圓弧過渡連接，下端連接梯形結(jié)構(gòu)，采用矩形融合共面波導(dǎo)饋電線饋電，饋電線由尺寸為l₁、w₁和l₆、w₂的矩形融合而成，調(diào)節(jié)輸入阻抗，輻射單元與地板之間的縫隙寬度為g，兩塊矩形地板對稱于天線的左右兩側(cè)，將矩形地板內(nèi)側(cè)切除兩個(gè)尺寸為w₅、l₃-l₂和w₆、l₄-l₃矩形形成階梯形狀，地板外側(cè)切除一個(gè)三角形。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，得出天線的結(jié)構(gòu)尺寸：r₁＝8.1mm，r₂＝3.0mm，r₃＝6.3mm，w₁＝3.4mm，w₂＝11.1mm，w₃＝18.8mm，w₄＝18.8mm，w₅＝5.2mm，w₆＝3.7mm，w₇＝4.6mm，w₈＝18.8mm，l₁＝18.1mm，l₂＝15.6mm，l₃＝17.9mm，l₄＝20.1mm，l₅＝14.8mm，l₆＝3.1mm，l₇＝3.8mm，l₈＝7.5mm，g＝1.8mm，如圖1所示。

使用微波矢量分析儀對天線模型進(jìn)行測試，實(shí)測天線駐波比曲線與Ansoft HFSS仿真結(jié)果對比如圖2所示，從測試對比結(jié)果能夠得出，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果在整體趨勢上具有良好的一致性，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性，天線駐波比VSWR≤2的有效帶寬為2.1～12.2GHz，有效覆蓋遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)和超寬帶通信系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，實(shí)測曲線與仿真曲線對比在低頻段有一定的差別，主要是加工誤差所致。

對天線在2.5GHz、5.8GHz、8.5GHz三個(gè)頻率點(diǎn)處的xoz面和xoy面輻射方向圖進(jìn)行測試，實(shí)測和仿真結(jié)果如圖3、4、5、6、7、8所示。從圖中可以看出，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致，天線在xoz面為不規(guī)則扇瓣，在xoy面輻射曲線近似圓形，滿足遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)在應(yīng)用頻率2.45GHz和5.8GHz對全向輻射的需求，在超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用頻帶內(nèi)也滿足全向輻射需求，天線在頻率點(diǎn)處具有良好的方向性。隨著頻率的升高，天線的輻射方向圖出現(xiàn)略微的畸變，但不影響天線的整體輻射特性。

天線在不同頻率點(diǎn)的峰值增益曲線如圖9所示，在頻帶范圍內(nèi)選取一定的采樣點(diǎn)，峰值增益在8GHz以下變化比較平穩(wěn)，最低峰值增益為3.5dB，最高峰值增益為8.3dB，具有穩(wěn)定的峰值增益。在8GHz以上變化較大，峰值增益曲線整體呈上升趨勢，高頻段出現(xiàn)下降現(xiàn)象，原因是介質(zhì)基板的介電損耗隨頻率的升高而增大，對天線在高頻段的增益方向性和穩(wěn)定性造成一定的損失，但不影響天線的整體性能，是一款性能優(yōu)良的雙頻段平面超寬帶天線。