专利名称：微带超宽带天线的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通讯中天线的应用领域，具体涉及应用于3.1-10.6GHz频带的超宽带天线的设计。
背景技术：
超宽带(UWB)通讯技术起源于20世纪50年代末期，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着当代无线通信技术的飞速发展，人们对高速无线互连提出了更高的要求，超宽带技术的民用化又被重新提出，并受到人们的关注。超宽带通常是指信号绝对带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25％的脉冲信号。超宽带与常见的通信方式使用的连续载波不同，它采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽可高达几个GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps至Gbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，这对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽而不干扰现有的其它通讯系统。当前，Intel、Freescale、Sony等知名大公司正在进行UWB无线收发机的研制和开发，并且超宽带在高速无线互连的应用也引起了学术界的极大关注。
UWB无线通信除了带宽大，通信速率高之外，还有更多的优点。首先，UWB通信的保密性强。UWB系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应用前景。其次，UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是我们所期望的无线通信方式。
UWB的用途有很多，主要分为军事和民用两个方面。在军事上UWB可以用于低截获率(LPI/D)的内部无线通信系统、LPI/D地波通信、LPI/D高度计、战场手持和网络LPI/D电台、UWB雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地址目标等等。在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位、无线标签和工业射频监控等。
2002年联邦通讯委员会(FCC，Federal Communication Commission)允许超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术进入商用，为了不免对其它现有的通讯系统造成干扰，在3.1-10.6GHz的频带范围内，发射功率的频谱限制在-41.3dBm以内，这为UWB技术能够真正的商用奠定了前提条件，使得UWB技术引起了工业界和学术界的极大兴趣。超宽带以其低成本、低功耗、高速率、高精度和抗干扰能力强的特点，成为WiMax架构的核心技术，为解决“最后一英里”无线宽带互联在物理层上提供了解决方案。由于应用前景巨大，工作在3.1-10.6GHz的超宽带系统成为当前最可能进入我们生活的UWB产品。
在UWB收发机系统中，天线作为收发信号的关键部件之一，直接影响UWB系统的性能与成本。研究和开发可应用于3.1-10.6GHz接收机天线成为当务之急。从超宽带系统本身出发，超宽带天线需要满足高工作带宽，低造价，小体积和高性能。自UWB允许商用以来，超宽带天线的设计与实现成为UWB技术的挑战之一。最近Kiminami，K.等报道了双边印制蝴蝶结形(Bow-Tie)超宽带天线Kiminami，K.，Hirata，A，Shiozawa，T，“Double-sided printed bow-tie antenna for UWB communications，”IEEE，Antennas andWireless Propagation Letters，Volume 3，Issue 1，2004 Page(s)152-153，在3.1-10.6GHz的工作频率范围内，回波损耗(Return Loss)小于-10dB，宽带增益平整度的变化约为1.5dB(2-3.5dB).2005年，Z.N.Low等报道了应用于超宽带接收机头盔形(Knight’s helm shape)双边印制天线Z.N.Low，J.H.Cheong，C.L.Law，“Low-cost PCB antenna for UWBapplications，”IEEE，Antennas and Wireless Propagation Letters.Volume 4，2005 Page(s)237-239，在工作带宽内满足回波损耗的前提下，其宽带增益平整度的变化约为4dB(1-5dB)。另外C.-C.Lin也报道了所设计的平面三角形(Planar triangular)单极天线C.-C.Lin，Y.-C.Kan，L.-C.Kuo，H.-R.Chuang，“A Planar Triangular Monopole Antenna for UWB Communication，”IEEE，Microwave and wireless components letters，vol.15，No.10，October 2005.。美国2005年专利(Electrically Small Planer UWB Antenna Apparatus and Related System，US6,914,573B1)提出了平面超宽带天线的概念。
但目前为止，超宽带天线还存在着诸多挑战。第一，成本高，比如使用贵重的金属材料和基板，这样增加了超宽带产品的成本，使产品难于大规模推广，使普通消费者难以接受。第二，加工工艺复杂，一方面成品率低，另一方面提高了产品的成本。第三，体积较大，当前的超宽带天线方案的一个共同特点是，天线产品体积过大，很多表面面积大于30cm×30cm，难于集成，并且过大的体积增加了成本。第四，天线的性能还有待于近一步提高。所以，要使超宽带天线能够真正的进入实用低造价，小尺寸和高性能是最重要的衡量指标。所以寻求低成本，高性能的UWB天线仍然是超宽带无线通讯系统中的挑战之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种新型的微带超宽带天线(UWB微带天线)，该天线具有低成本、易加工、体积小和高性能的优点，可应用于3.1-10.6GHz超宽带无线收发机之中。
根据本发明的目的，所述的天线包括印刷电路板(PCB板)和固定在其上的平面金属。其中，平面金属部分包括信号金属和地平面金属，整个金属平面的总面积在1～6cm2之间，仅为现有技术中同类天线的十分之一左右。
其中，地平面金属至少有两块，和信号金属一起构成“地-信号-地”共面波导结构。信号由正面底端通过常规SMA头接入或接出，用CPW在输入端进行阻抗匹配，保证信号的无损耗传输。
信号金属和地平面金属既可以是在PCB板的同一板面上，也可以是在PCB板的不同板面上。根据具体的需求或工艺的需要，地平面金属还可以分别印制在PCB板的多层板面上。
其中，所述的信号金属的形状为酒杯形或酒杯形的变形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形状类似倒三角形或梯形，上部的形状包括矩形、三角形、梯形、扇形，以及上述形状任意结合形成的形状。杯身下端与柄部顶端形成的角度为20～65°，杯身下部与上部的过渡处形成的角度为50～160°，这两个角度分别决定了天线的回波损耗有效工作频率的上限和下限。
进一步地，所述的金属选自铝、铁、锡、铜、银、金、铂，以及上述金属的合金。所述的PCB板的材料选自FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布、共烧陶瓷。
本发明的技术效果在于采用最为成熟和简单的PCB加工工艺，实现了低成本，高成品率的要求。该平面天线的发射面积最小可达1.5cm×2cm，实现了小面积的要求，易于集成。从电磁仿真的结果证明，该天线具有高性能的优点并且具有很强的实用性。
下面结合附图，对本发明做出详细描述图1-a表示本发明实施例1的正面结构示意图；
图1-b是图1-a的截面结构示意图，图中上部所见的代表图1-a的正面，下部所见的代表背面；图2表示实施例2的正面结构示意图；图3表示实施例3的正面结构示意图；图4表示实施例4的正面结构示意图；图5表示实施例5的的正面结构示意图；图6表示实施例6的正面结构示意图；图7表示实施例1在2-12GHz频率范围内的输入回波损耗(S11)；图8表示实施例1在2-12GHz频率范围内的电压驻波比(VSWR)；图9表示实施例1在3GHz，6GHz和9GHz的场强辐射极化圆图，其中，图9-a是天线在Z-X(E)平面的极化圆图；图5-b是天线在Y-Z(H)平面的极化圆图。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例进一步描述本发明，但不构成对本发明的限制。
实施例1如图1中所示，结合图1-a的微带超宽带天线的正面俯视图和图1-b的截面图，其中，信号金属和地平面金属分别印制在PCB板的正反两面，正面金属包括一块信号金属和两块地平面金属，组成了天线的主要部分，自下向上为天线的信号输入或输出端和信号发射或接收部，信号的输入或输出端为G-S-G结构的共面波导，以保证信号的有效传输，天线信号发射或接收部为酒杯形状，通过变化图形的尺寸和馈点角度，可以满足超宽带脉冲信号的发射和接收。PCB板的背面只在下端铺有金属来提供良好信号地，该部分与正面的地平面相连(通过外接的SMA接头)，形成法拉第笼(Faraday cage)的结构，减少高频信号在基材的损耗。信号由正面底端通过SMA头接入或接出，通过50欧姆共面波导实现阻抗匹配。
该天线是以有效介电常数4.7的FR-4为基材，其厚度为1.6mm，其有效介电常数4.7，该基材是PCB加工业中最为常用的基材，加工工艺成熟，成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足UWB天线低造价的要求。
天线各部分的设计参数直接影响和最终决定天线的总体效果和性能。如图1中的参数W1，W2，H，θ1，θ2，θ3，S，T1，T2均对天线的性能有影响。其中，θ1，和θ2是十分重要的参数，直接决定了回波损耗有效工作频率的上限和下限。在本实施例中，杯身下部为倒置的梯形(或倒置的类三角形)结构，上部为矩形和梯形组成的组合结构。在本实施例中，杯身下部底端与杯柄。其中，杯身下部底端与柄部顶端形成的角度θ1为50。，其可用范围为35～60°；杯身下部和上部的过渡处形成的角度θ2为90°，其可用90～145°。在信号接入的共面波导部分，信号线的金属宽度和信号线金属与地平面金属的宽度是通过优化和计算从而达到与共面波导50欧姆阻抗匹配的目的。
通过计算和电磁场仿真，对上述的微带超宽带天线天线进行了验证仿真。图7给出了该天线在2-12GHz频率范围内的输入回波损耗，S11在2.2GHz-12GHz频段范围内，其值均小于-10dB，满足UWB系统对收发机天线的要求。与图7相对应，图8给出了该天线的在2-12GHz频率范围电压驻波比(VSWR)，整个曲线在整个UWB频段内均满足VSWR＜2.0。
图9为该天线在3GHz，6GHz和9GHz的场强辐射极化圆图。图9-a和图9-b分别是场强辐射极化圆图在Z-X(E)平面与Y-Z(H)平面的归一化极坐标对数比例图。在3GHz、6GHz、9GHz三个UWB工作频段内的典型工作频点下，Z-X(E)平面与Y-Z(H)平面场强辐射均呈较好的全向性。极化圆图说明该天线可以满足3.1-10.6GHz的超宽带无线通讯的应用。
实施例2如图2所示，为本实施例的微带超宽带天线的正面结构示意图。信号金属的形状类似酒杯状，其中，杯身的下部形状与实施例类似，上部则是由三角形和矩形组合而成的形状，其关键参数θ1为20°，θ2为135°。地平面金属有两块，均处于正面；本领域的技术人员可以理解，本实施例中的地平面金属也可以如实施例1中一样在背面再设置一块。
实施例3如图3所示，为本实施例的微带超宽带天线的正面结构示意图。信号金属的形状类似酒杯状，其中，杯身的下部形状与上述的实施例类似，上部形状为三角形，其关键参数θ1为65°，θ2为50°。地平面金既可以如实施例1一样地设置，也可以如实施例2一样地设置。
实施例4如图4所示，为本实施例的微带超宽带天线的正面结构示意图。信号金属的形状类似酒杯状，其中，杯身的下部形状与实施例类似，上部形状为三角形，整个杯身的形状为菱形。其关键参数θ1为40°，θ2为100°。
实施例5如图5所示，为本实施例的微带超宽带天线的正面结构示意图。信号金属的形状类似酒杯状，其中，杯身的下部形状与上述的实施例类似，上部形状为扇形和梯形的结合，其关键参数θ1为65°，θ2为120°。
实施例6如图6所示，为本实施例的微带超宽带天线的正面结构示意图。信号金属的形状类似酒杯状，其中，杯身的下部形状与上述的实施例类似，上部形状为矩形，其关键参数θ1为50°，θ2为160°。地平面金既可以如实施例1一样地设置，也可以如实施例2一样地设置。
通过电磁计算进行优化和仿真，并最终制造出了上述实施例中的超宽带微带天线，其中优化所得的PCB板的面积最大者3cm×3cm，最小者为1.5cm×2cm。正面金属面积为1～6cm2。通过对输入馈点的优化，使得该类天线在2.2-12GHz范围内的回波损耗S11＜-10dB，电压驻波比(VSWR)的变化小于1dB(1-2dB)，3GHz，6GHz，9GHz的频点的场强辐射极化圆图接近全向分布。所有的仿真结果说明，所设计的六种形状的天线能够满足FCC对3.1-10.6GHz的超宽带高速无线通讯系统的要求。
本文发明提出了一种可应用于UWB高速无线通讯系统的酒杯状平面微带天线。该天线具有低成本，易加工，小体积和高性能的特点。天线采用1.6mm的FR4基底材料，可用双面PCB加工工艺事项。通过尺寸优化，该酒杯状平面微带天线在2.2-12GHz全频段内均能够达到回波损耗S11＜-10dB的要求，满足VSWR＜2.0，3、6、9GHz频点的场强辐射极化圆图接近全向分布，满足FCC规定的要求。
权利要求
1.一种微带超宽带天线，包括印刷电路板和固定在其上的平面金属，所述的金属包括信号金属和地平面金属，其特征在于，所述的金属的面积为1～6cm2。
2.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的地平面金属至少为两块，与信号金属一起构成“地-信号-地”共面波导结构。
3.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的信号金属和地平面金属可以是在印刷电路板的同一板面上，也可以是在印刷电路板的不同板面上。
4.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的信号金属的形状为酒杯形或酒杯形的变形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形状为类似倒三角形或梯形。
5.如权利要求4所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的杯身下端与所述的柄部顶端形成的角度为20～65°，杯身下部与上部的过渡处形成的角度为50～160°。
6.如权利要求5所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的杯身上部的形状包括矩形、三角形、梯形、扇形，以及上述形状任意结合形成的形状。
7.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的金属选自铝、铁、锡、铜、银、金、铂，以及上述金属的合金。
8.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，所述的印刷电路板的材料选自FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布、共烧陶瓷。
9.如权利要求1所述的微带超宽带天线，其特征在于，其用途是作为3.1-10.6GHz的UWB无线通讯收发机的天线。
全文摘要
一种可应用于超宽带(UWB)高速无线通讯系统的微带天线，包括印刷电路板和固定在其上的平面金属，所述的金属包括信号金属和地平面金属，其特征在于，其中，地平面金属至少为两块，与信号金属一起构成“地－信号－地”共面波导结构。信号金属和地平面金属可以是在印刷电路板的同一板面上，也可以是在印刷电路板的不同板面上。所述的信号金属的形状为酒杯形或酒杯形的变形，包括柄部和杯身，其中，杯身下部的形状为类似倒三角形或梯形。该天线具有低成本，易加工，小体积和高性能的特点。
文档编号H01Q1/38GK1787286SQ20051013066
公开日2006年6月14日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者杨利, 廖怀林, 邓志新, 黄如, 张兴 申请人:北京大学