专利名称：一种小型超宽带对称环-振子组合天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型超宽带对称环-振子组合天线，属于微波技术领域。
背景技术：
超宽带通信技术具有传输速率高、抗干扰性能强、带宽极宽、保密性好、成本低廉等特点，在无线通信、微波成像等诸多领域具有广阔的应用前景。然而，在超宽带通信系统设计中，超宽带小型化天线的设计与实现对超宽带通信系统性能好坏起着至关重要的作用。一般意义上认为具有超过25%相对带宽的天线就是超宽带天线，并且在其工作频带内，天线的特性如输人阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、增益、极化等要在允许的范围之内。针对超宽带通信而言，不仅要求超宽带天线在其工作频带内，具有良好的阻抗匹配特性、稳定的辐射方向性、相对平坦的增益特性和极化特性，而且希望天线体积足够小、成本低廉、便于加工与安装。超宽带天线以其特点不仅可以应用在高速无线通信，还能用于移动通信室内分布系统等宽带应用场合。传统的超宽带天线，如螺旋天线、对数周期天线和圆锥天线等，虽然都具有超宽带特性，但是，它们有的是立体结构，有的具有大而复杂的平面结构，不利于小型应用。而且，常见的小型超宽带天线多为非平衡馈电结构，通常为全向辐射、其辐射最大方向垂直于天线所在的平面(即:边射特性)，且具有较差的交叉极化特性。为了提高天线的增益，使得其最大辐射波束指向平行于天线所在平面的方向上(即:端射特性)、以满足“点对点”应用(如:短距离的高速文件读写系统)的需要，同时还为了改善天线的交叉极化特性和安装通用性，本发明将提出一种新的小型超宽带天线结构。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于针对背景技术存在的问题，提出一种由对称振子和渐变对跖对称环的组合天线，该组合天线具有近似的端射特性和良好的交叉极化性能，结构新颖简单、体积小、剖面尺寸极低且便于制作实现，能够直接与前端射频电路集成
在一起。本发明为解决上述技术问题而采用如下技术方案:
一种小型超宽带对称环-振子组合天线，包括介质基板、分别印刷设置在介质基板正反两面的底层辐射单元、顶层辐射单元；所述底层辐射单元由底层对跖半环路辐射单元与底层多边形振子单元相互连接构成，所述顶层辐射单元由与底层辐射单元的结构、尺寸相同的顶层对跖半环路辐射单元、顶层多边形振子单元相互连接构成；其中，所述底层辐射单元、顶层辐射单元相对于介质基板反对称排布，所述顶层对跖半环路辐射单元与底层对跖半环路辐射单元通过金属化过孔上下连通，形成一个对称环。作为本发明的小型超宽带对称环-振子组合天线的进一步优化方案:所述金属化过孔的个数为1-5个。作为本发明的小型超宽带对称环-振子组合天线的进一步优化方案:所述底层对跖半环路辐射单元的渐变结构与顶层对跖半环路辐射单元的渐变结构之间均分别具有下倾角和上倾角；其中所述下倾角的范围为:86°到90°，所述上倾角的范围为:21°到31。。作为本发明的小型超宽带对称环-振子组合天线的进一步优化方案:所述顶层多边形振子单元与底层多边形振子单元均分别具有馈电点倾角和振子末端倾角；其中所述馈电点倾角的范围为:13°到81°，所述振子末端倾角的范围为:0°到94°。作为本发明的小型超宽带对称环-振子组合天线的进一步优化方案:所述介质基板的介电常数范围为2-20。本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果:
本发明能够实现宽带工作特性，并且尺寸小，采用完全对称的结构，制作工艺简单，制作成本低廉，能有效地实现与差分驱动微波电路的集成化设计。
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。图2是天线的侧面结构与参考坐标示意图。图3是利用IE3D软件计算的天线反射系数特性。图4是采用IE3D软件计算的天线方向图。图5是采用IE3D软件计算的天线增益曲线。图中标号:I是介质基板，2是顶层对跖半环路辐射单元，3是底层对跖半环路辐射单元，4是顶层多边形振子单元，5是底层多边形振子单元，6是金属化过孔，7、8是顶层对跖半环路辐射单元2和底层对跖半环路辐射单元3的下倾角、上倾角，9、10是顶层多边形振子单元4和底层多边形振子单元5的馈电点倾角、振子末端倾角。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
对照附图1、图2，其结构是:天线制作在介质基板I上，辐射单元由顶层辐射单元与底层辐射单元构成，两者结构、尺寸完全相同；顶层辐射单元分别由顶层对跖半环路辐射单元2和顶层多边形振子单元4构成，底层辐射单元分别由底层对跖半环路辐射单元3和底层多边形振子单元5构成；顶层辐射单元与底层辐射单元通过金属化过孔6连接起来；顶层对跖半环路辐射单元2和底层对跖半环路辐射单元3中含有下倾角结构7和上倾角结构8，其范围分别为86°至90°、21°至31° ;顶层多边形振子单元4和底层多边形振子单元5中含有馈电点倾角9和振子末端倾角10，其范围分别为13°至81°、0°至94°。对照附图3，附图3是介质基板I按照相对介电常数为2.2、厚为I毫米，金属化过孔6的个数按照4个、过孔的半径为0.2毫米，顶层和底层对跖半环路辐射单元中下倾角7按照86°、上倾角8按照26°，顶层多边形振子单元和底层多边形振子单元中的馈电点倾角9按照42°、振子末端倾角10按照28°实施时，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图3的结果可见，该天线具有较宽的阻抗带宽。对照附图1中的参考坐标系与附图4、5，附图4 (a) - (f)分别给出了 3.68GHz、
5.75GHz、和10.96GHz的两个主工作面方向图(xy-平面与zy-平面)，图中的实线为主极化分量，点划线为交叉极化分量；附图5给出了工作频段内的增益特性。由图4和图5可见，在整个工作频段内，天线具有相对稳定的定向辐射特性(其主波束指向+y方向)，主波束内的交叉极化电平低于主极化20dB以上，而且具有相对平坦的增益频率特性，故可以认为该天线的方向图带宽、增益带宽与阻抗带宽是基本一致的。本发明利用印刷电路板工艺或集成电路工艺，在介质基板上设计顶层辐射单元和底层辐射单元，并利用金属化过孔将它们连接起来。该天线的结构对称，能实现天线与差分驱动微波电路的集成化设计。综上所述，小型超宽带对称环-振子组合天线，利用金属化过孔将反对称的辐射单元连接起来形成一个对称环状的结构。其平衡的结构，无需引入额外的“接地板”结构，消除了接地板的乱真辐射特性，使其天线能用于任意的安装场合、更具有通用性；对称振子与对称环的组合使其具有宽带特性。除此之外，该天线结构简单、体积轻巧、易于制作、成本低廉，并且由于其面积小、剖面极低，适合做成小型设备中的标签式天线。
权利要求
1.一种小型超宽带对称环-振子组合天线，包括介质基板(I)、分别印刷设置在介质基板(I)正反两面的底层辐射单元、顶层辐射单元；其特征在于: 所述底层辐射单元由底层对跖半环路辐射单元(3)与底层多边形振子单元(5)相互连接构成，所述顶层辐射单元由与底层辐射单元的结构、尺寸相同的顶层对跖半环路辐射单元(2)、顶层多边形振子单元(4)相互连接构成；其中，所述底层辐射单元、顶层辐射单元相对于介质基板(I)反对称排布，所述顶层对跖半环路辐射单元(2)与底层对跖半环路辐射单元(3 )通过金属化过孔(6 )上下连通，形成一个对称环。
2.根据权利要求1所述的小型超宽带对称环-振子组合天线，其特征在于:所述金属化过孔的个数为1-5个。
3.根据权利要求1所述的小型超宽带对称环-振子组合天线，其特征在于:所述底层对跖半环路辐射单元(3)的渐变结构与顶层对跖半环路辐射单元(2)的渐变结构之间均分别具有下倾角(7)和上倾角(8);其中所述下倾角(7)的范围为:86°到90°，所述上倾角(8)的范围为:21°到31°。
4.根据权利要求1所述的小型超宽带对称环-振子组合天线，其特征在于:所述顶层多边形振子单元(4)与底层多边形振子单元(5)均分别具有馈电点倾角(9)和振子末端倾角(10);其中所述馈电点倾角(9)的范围为:13°到81°，所述振子末端倾角(10)的范围为:0° 到 94。。
5.根据权利要求1所述的小型超宽带对称环-振子组合天线，其特征在于:所述介质基板的介电常数范围为2-20。
全文摘要
本发明公开了一种小型超宽带对称环-振子组合天线，属于微波技术领域。本发明是在介电常数为2-20范围内的介质基板上分别设计结构相同、反对称布置的顶层辐射单元与底层辐射单元，顶层、底层辐射单元均由对跖半环路辐射单元、多边形振子单元组成；通过金属化过孔将顶层对跖半环路辐射单元和底层对跖半环路辐射单元连接起来、形成一个对称环，与对称振子组合成完整的天线单元。本发明的组合天线采用平衡馈电方式，有近似的单向端射波束，适用于“点对点”的宽带通信系统，具有结构简单、体积小、制作成本低廉等优点，并且对安装场合不敏感，可以直接与差分结构的射频电路集成在一起。
文档编号H01Q7/00GK103107420SQ20131003411
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者吕文俊, 张文海, 张凯, 朱洪波 申请人:南京邮电大学