超寬帶橢圓單極子柱面共形天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)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(diǎn)而備受關(guān)注。國內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用。矩形、圓形、橢圓形以及改進(jìn)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(jìn)行饋電，在3?4倍頻的帶寬內(nèi)具有良好的電性能。相對于微帶線而言，共面波導(dǎo)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(diǎn)。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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計至關(guān)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(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種剖面低、體積小、結(jié)構(gòu)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(shí)用新型的技術(shù)方案是，在F4B介質(zhì)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(dǎo)(2)和邊緣漸變結(jié)構(gòu)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(shí)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(dǎo)方式對其進(jìn)行饋電，調(diào)節(jié)天線輸入阻抗，降低輻射損耗，共面波導(dǎo)的下端與同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體相連，以便外接同軸線，使用邊緣漸變結(jié)構(gòu)地板，實(shí)現(xiàn)超寬帶阻抗帶寬和良好的全向性輻射，介質(zhì)基板下端的接地面與共面波導(dǎo)之間設(shè)有0.25mm的間隙，與圓柱體共形，便于天線的集成。
[0005]本實(shí)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(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易與載體共形等特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)圓孔直徑、地板邊緣和槽口尺寸，實(shí)現(xiàn)帶寬匹配，利用雙梯形組合共面波導(dǎo)導(dǎo)帶作為饋源對縫隙進(jìn)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(xì)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(shí)用新型實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0007]圖2是本實(shí)用新型實(shí)例與柱面共形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖3是本實(shí)用新型實(shí)例駐波比隨槽口半徑A的變化特性。
[0009]圖4是本實(shí)用新型實(shí)例駐波比隨匹配孔徑r2的變化特性。
[0010]圖5是本實(shí)用新型實(shí)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(shí)用新型實(shí)例反射系數(shù)的影響。
[0012]圖7是本實(shí)用新型實(shí)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(shí)用新型實(shí)例E面輻射特性隨柱體半徑R的變化。
[0014]圖9是本實(shí)用新型實(shí)例H面輻射特性隨柱體半徑R的變化。
[0015]圖10是本實(shí)用新型實(shí)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(shí)用新型實(shí)例E面輻射特性隨柱體半徑L的變化。
[0017]圖12是本實(shí)用新型實(shí)例H面輻射特性隨柱體半徑L的變化。
[0018]圖13是本實(shí)用新型實(shí)例實(shí)測反射系數(shù)S11曲線與仿真值比較。
[0019]圖14是本實(shí)用新型實(shí)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(shí)用新型實(shí)例在頻率為5.8,14.1,18.6GHz時的H面增益方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本實(shí)用新型的【具體實(shí)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(zhì)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(dǎo)(2)、邊緣漸變結(jié)構(gòu)地板⑶和外接的同軸接頭⑷構(gòu)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(shí)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(dǎo)(2)導(dǎo)帶作為饋源對縫隙進(jìn)行激勵，調(diào)節(jié)天線輸入阻抗，共面波導(dǎo)的下端與同軸接頭⑷內(nèi)導(dǎo)體相連，以便外接同軸線，介質(zhì)基板下端的接地面與共面波導(dǎo)之間的間隙g = 0.25_，使用邊緣漸變結(jié)構(gòu)地板，實(shí)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(jié)構(gòu)，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(zhì)損耗為0.001。由于介質(zhì)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(diào)節(jié)輸入阻抗，導(dǎo)帶與地板的間隙初始值為g=0.2mm。使用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出天線的初始結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行分析，通過調(diào)節(jié)這三個參數(shù)來改善阻抗匹配特性。
[0024]圖3為本實(shí)用新型實(shí)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(dāng)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