超寬帶橢圓單極子柱面共形天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種橢圓單極子天線，特別是一種具有超寬帶特性的柱面共形天線，有效工作帶寬為2.2?14.1GHz，輻射特性穩(wěn)定，適用于短距超寬帶通信，屬于無線通信技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，超寬帶通信系統(tǒng)以其低功耗、低成本、高安全性、高數(shù)據(jù)率以及抗干擾等優(yōu)點而備受關注。國內外近期報道了一些新穎的印刷單極子天線，在縮小天線體積的同時拓展了應用領域。方形單極子、圓盤單極子、五邊形和六邊形單極子都具有較寬的工作頻帶，較好的輻射方向圖，但由于其非平面結構，地平面與輻射單元垂直，不能方便地與印刷電路集成起來，限制了其應用。矩形、圓形、橢圓形以及改進的圓形、半橢圓形的單極子天線具有不同程度的超寬帶特性，可以與球面或者柱面共形，獲得超寬帶共形天線。采用微帶線對圓盤或方形單極子天線進行饋電，在3?4倍頻的帶寬內具有良好的電性能。相對于微帶線而言，共面波導相對于微帶線，具有輻射色散低、損耗小、電路易集成、與其他元器件能夠串并連接等優(yōu)點。目前，基站天線和便攜式天線都需要共形天線，共形天線其結構容易與載體共形，從而節(jié)省空間，在軍事和民用上具有廣泛的應用空間。因此，對超寬帶共形天線的研宄具有重要意義。共形載體的選取對超寬帶天線的設計至關重要，已有載體特性的變化對窄帶共形天線性能影響方面的報道，但對于超寬帶共形天線的研宄相對較少。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的是提供一種剖面低、體積小、結構簡單、加工方便、易與載體共形的橢圓單極子柱面共形天線，其輻射特性穩(wěn)定，可用于天線的共形單元。
[0004]本實用新型的技術方案是，在F4B介質基板上印有一個中間開孔且兩邊開槽的橢圓輻射單元(I)、雙梯形組合共面波導(2)和邊緣漸變結構地板(3)，單極子為軸比等于1.3的橢圓，將橢圓貼片中間開一圓孔，實現(xiàn)帶寬匹配，在橢圓貼片兩邊各開一橢圓槽，增加天線低頻時有效電流路徑長度，改善天線的全向性，通過雙梯形組合共面波導方式對其進行饋電，調節(jié)天線輸入阻抗，降低輻射損耗，共面波導的下端與同軸接頭內導體相連，以便外接同軸線，使用邊緣漸變結構地板，實現(xiàn)超寬帶阻抗帶寬和良好的全向性輻射，介質基板下端的接地面與共面波導之間設有0.25mm的間隙，與圓柱體共形，便于天線的集成。
[0005]本實用新型的效果在于:本天線與圓柱體共形，具有剖面低、體積小、結構簡單、加工方便、易與載體共形等特點，通過調節(jié)圓孔直徑、地板邊緣和槽口尺寸，實現(xiàn)帶寬匹配，利用雙梯形組合共面波導導帶作為饋源對縫隙進行激勵，可以獲得很寬的阻抗帶寬，降低輻射損耗，提高電路集成度。將該天線作為輻射單元與柱體共形，詳細分析了柱體半徑和長度變化對共形天線性能的影響，為超寬帶共形天線共形載體的選取提供可靠依據(jù)。該天線具有超寬帶性能，有效工作帶寬為2.2?14.1GHz，適用于短距超寬帶通信。
【附圖說明】
[0006]圖1是本實用新型實例的結構示意圖。
[0007]圖2是本實用新型實例與柱面共形后的結構示意圖。
[0008]圖3是本實用新型實例駐波比隨槽口半徑A的變化特性。
[0009]圖4是本實用新型實例駐波比隨匹配孔徑r2的變化特性。
[0010]圖5是本實用新型實例駐波比隨橢圓半徑r3的變化特性。
[0011]圖6是不同漸變常數(shù)a對本實用新型實例反射系數(shù)的影響。
[0012]圖7是本實用新型實例反射系數(shù)S11隨柱體半徑R變化的特性曲線。
[0013]圖8是本實用新型實例E面輻射特性隨柱體半徑R的變化。
[0014]圖9是本實用新型實例H面輻射特性隨柱體半徑R的變化。
[0015]圖10是本實用新型實例反射系數(shù)S11隨柱體半徑L變化的特性曲線。
[0016]圖11是本實用新型實例E面輻射特性隨柱體半徑L的變化。
[0017]圖12是本實用新型實例H面輻射特性隨柱體半徑L的變化。
[0018]圖13是本實用新型實例實測反射系數(shù)S11曲線與仿真值比較。
[0019]圖14是本實用新型實例在頻率為5.8、14.l、18.6GHz時的E面增益方向圖。
[0020]圖15是本實用新型實例在頻率為5.8,14.1,18.6GHz時的H面增益方向圖。
【具體實施方式】
[0021]本實用新型的【具體實施方式】是:如圖1所示，本超寬帶橢圓單極子天線是由印制在介質基板上的一個中間開孔且兩邊開槽的橢圓輻射單元(I)、共面波導(2)、邊緣漸變結構地板⑶和外接的同軸接頭⑷構成。單極子為軸比等于1.3的橢圓，將橢圓貼片中間開一圓孔，實現(xiàn)帶寬匹配，在橢圓貼片兩邊各開一橢圓槽，增加天線低頻時有效電流路徑長度，改善天線的全向性，利用雙梯形組合共面波導(2)導帶作為饋源對縫隙進行激勵，調節(jié)天線輸入阻抗，共面波導的下端與同軸接頭⑷內導體相連，以便外接同軸線，介質基板下端的接地面與共面波導之間的間隙g = 0.25_，使用邊緣漸變結構地板，實現(xiàn)超寬帶阻抗帶寬和良好的全向性輻射，邊緣為指數(shù)漸變結構，漸變形式為I = eax+b，其中a為漸變常數(shù)，與圓柱體共形，便于天線的集成。
[0022]天線印刷在長I = 50mm、寬w = 50mm、基板厚度h = 0.2mm的F4B基板上，其介電常數(shù)為2.55，介質損耗為0.001。由于介質材料的厚度較薄，采用微帶饋電不容易獲得50 Ω的輸入阻抗，因此采用雙梯形組合形式調節(jié)輸入阻抗，導帶與地板的間隙初始值為g=0.2mm。使用HFSS仿真軟件進行優(yōu)化設計，得出天線的初始結構尺寸J1= 3mm，r 2 =5mm, r3= 9mm, I r= 9mm, 12= 16mm, c = 8mm, w r= 6mm, w 2= 3mm, w 3= 5mm,如圖1 所不。選取圓柱作為共形載體，長度L = 60mm，半徑R = 30mm，如圖2所示。
[0023]利用HFSS軟件對天線模型進行分析，對主要參數(shù)槽口半徑A、匹配孔徑r2、橢圓半徑r3和漸變常數(shù)a進行分析，通過調節(jié)這三個參數(shù)來改善阻抗匹配特性。
[0024]圖3為本實用新型實例駐波比隨槽口半徑1^的變化特性。從圖中可以看出，槽口大小對天線駐波比的平緩程度影響較大，隨著槽口半徑的增加，駐波比變得更加平緩，！^的選取對低頻段的影響比高頻段更加顯著，當A= 2.8mm時，低頻截止頻率最佳。
[0025]圖4為平面橢圓單極子天線匹配孔徑1*2改變時，天線輸入駐波比隨頻率