超宽带椭圆单极子柱面共形天线.pdf

本发明公开了一种椭圆单极子天线，涉及一种具有超宽带特性的柱面共形天线，它由一个中间开孔且两边开槽的椭圆辐射单元、双梯形组合共面波导和边缘渐变结构地板构成。单极子为轴比等于1.3的椭圆，将椭圆贴片中间开一圆孔，实现带宽匹配，在椭圆贴片两边各开一椭圆槽，改善天线的全向性，采用双梯形组合共面波导进行馈电，调节天线输入阻抗，使用边缘渐变结构地板，实现超宽带阻抗带宽和良好的全向性辐射，与圆柱体共形，便于天线的集成。本天线剖面低、体积小、结构简单，加工方便，易与载体共形，具有超宽带性能，有效工作带宽为2.2～14.1GHz，辐射特性稳定，适用于短距超宽带通信。

权利要求书1.  一种共面波导馈电的椭圆单极子柱面共形天线，由一个中间开孔且两边开槽的椭圆辐 射单元(1)、双梯形组合共面波导(2)和边缘渐变结构地板(3)构成，其特征在于：单极 子为轴比等于1.3的椭圆，将椭圆贴片中间开一圆孔，实现带宽匹配，在椭圆贴片两边各开一 椭圆槽，增加天线低频时有效电流路径长度，改善天线的全向性，通过双梯形组合共面波导 方式对其进行馈电，调节天线输入阻抗，降低辐射损耗，共面波导的下端与同轴接头内导体 相连，以便外接同轴线，使用边缘渐变结构地板，实现超宽带阻抗带宽和良好的全向性辐射， 介质基板下端的接地面与共面波导之间设有0.25mm的间隙，与圆柱体共形，便于天线的集成。

说明书超宽带椭圆单极子柱面共形天线
技术领域
本发明涉及一种椭圆单极子天线，特别是一种具有超宽带特性的柱面共形天线，有效工 作带宽为2.2～14.1GHz，辐射特性稳定，适用于短距超宽带通信，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，超宽带通信系统以其低功耗、低成本、高安全性、高数 据率以及抗干扰等优点而备受关注。国内外近期报道了一些新颖的印刷单极子天线，在缩小 天线体积的同时拓展了应用领域。方形单极子、圆盘单极子、五边形和六边形单极子都具有 较宽的工作频带，较好的辐射方向图，但由于其非平面结构，地平面与辐射单元垂直，不能 方便地与印刷电路集成起来，限制了其应用。矩形、圆形、椭圆形以及改进的圆形、半椭圆 形的单极子天线具有不同程度的超宽带特性，可以与球面或者柱面共形，获得超宽带共形天 线。采用微带线对圆盘或方形单极子天线进行馈电，在3～4倍频的带宽内具有良好的电性能。 相对于微带线而言，共面波导相对于微带线，具有辐射色散低、损耗小、电路易集成、与其 他元器件能够串并连接等优点。目前，基站天线和便携式天线都需要共形天线，共形天线其 结构容易与载体共形，从而节省空间，在军事和民用上具有广泛的应用空间。因此，对超宽 带共形天线的研究具有重要意义。共形载体的选取对超宽带天线的设计至关重要，已有载体 特性的变化对窄带共形天线性能影响方面的报道，但对于超宽带共形天线的研究相对较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种剖面低、体积小、结构简单、加工方便、易与载体共形的椭圆 单极子柱面共形天线，其辐射特性稳定，可用于天线的共形单元。
本发明的技术方案是，在F4B介质基板上印有一个中间开孔且两边开槽的椭圆辐射单元 (1)、双梯形组合共面波导(2)和边缘渐变结构地板(3)，单极子为轴比等于1.3的椭圆， 将椭圆贴片中间开一圆孔，实现带宽匹配，在椭圆贴片两边各开一椭圆槽，增加天线低频时 有效电流路径长度，改善天线的全向性，通过双梯形组合共面波导方式对其进行馈电，调节 天线输入阻抗，降低辐射损耗，共面波导的下端与同轴接头内导体相连，以便外接同轴线， 使用边缘渐变结构地板，实现超宽带阻抗带宽和良好的全向性辐射，介质基板下端的接地面 与共面波导之间设有0.25mm的间隙，与圆柱体共形，便于天线的集成。
本发明的效果在于：本天线与圆柱体共形，具有剖面低、体积小、结构简单、加工方便、 易与载体共形等特点，通过调节圆孔直径、地板边缘和槽口尺寸，实现带宽匹配，利用双梯 形组合共面波导导带作为馈源对缝隙进行激励，可以获得很宽的阻抗带宽，降低辐射损耗， 提高电路集成度。将该天线作为辐射单元与柱体共形，详细分析了柱体半径和长度变化对共 形天线性能的影响，为超宽带共形天线共形载体的选取提供可靠依据。该天线具有超宽带性 能，有效工作带宽为2.2～14.1GHz，适用于短距超宽带通信。
附图说明
图1是本发明实例的结构示意图。
图2是本发明实例与柱面共形后的结构示意图。
图3是本发明实例驻波比随槽口半径r1的变化特性。
图4是本发明实例驻波比随匹配孔径r2的变化特性。
图5是本发明实例驻波比随椭圆半径r3的变化特性。
图6是不同渐变常数a对本发明实例反射系数的影响。
图7是本发明实例反射系数S11随柱体半径R变化的特性曲线。
图8是本发明实例E面辐射特性随柱体半径R的变化。
图9是本发明实例H面辐射特性随柱体半径R的变化。
图10是本发明实例反射系数S11随柱体半径L变化的特性曲线。
图11是本发明实例E面辐射特性随柱体半径L的变化。
图12是本发明实例H面辐射特性随柱体半径L的变化。
图13是本发明实例实测反射系数S11曲线与仿真值比较。
图14是本发明实例在频率为5.8、14.1、18.6GHz时的E面增益方向图。
图15是本发明实例在频率为5.8、14.1、18.6GHz时的H面增益方向图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：如图1所示，本超宽带椭圆单极子天线是由印制在介质基板上 的一个中间开孔且两边开槽的椭圆辐射单元(1)、共面波导(2)、边缘渐变结构地板(3)和 外接的同轴接头(4)构成。单极子为轴比等于1.3的椭圆，将椭圆贴片中间开一圆孔，实现 带宽匹配，在椭圆贴片两边各开一椭圆槽，增加天线低频时有效电流路径长度，改善天线的 全向性，利用双梯形组合共面波导(2)导带作为馈源对缝隙进行激励，调节天线输入阻抗， 共面波导的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，介质基板下端的接地面与共 面波导之间的间隙g＝0.25mm，使用边缘渐变结构地板，实现超宽带阻抗带宽和良好的全向性 辐射，边缘为指数渐变结构，渐变形式为y＝eax+b，其中a为渐变常数，与圆柱体共形，便于天 线的集成。
天线印刷在长l＝50mm、宽w＝50mm、基板厚度h＝0.2mm的F4B基板上，其介电常数为2.55， 介质损耗为0.001。由于介质材料的厚度较薄，采用微带馈电不容易获得50Ω的输入阻抗，因 此采用双梯形组合形式调节输入阻抗，导带与地板的间隙初始值为g＝0.2mm。使用HFSS仿真 软件进行优化设计，得出天线的初始结构尺寸：r1＝3mm，r2＝5mm，r3＝9mm，l1＝9mm，l2＝16mm， c＝8mm，w1＝6mm，w2＝3mm，w3＝5mm，如图1所示。选取圆柱作为共形载体，长度L＝60mm， 半径R＝30mm，如图2所示。
利用HFSS软件对天线模型进行分析，对主要参数槽口半径r1、匹配孔径r2、椭圆半径r3和渐变常数a进行分析，通过调节这三个参数来改善阻抗匹配特性。
图3为本发明实例驻波比随槽口半径r1的变化特性。从图中可以看出，槽口大小对天线驻 波比的平缓程度影响较大，随着槽口半径的增加，驻波比变得更加平缓，r1的选取对低频段 的影响比高频段更加显著，当r1＝2.8mm时，低频截止频率最佳。
图4为平面椭圆单极子天线匹配孔径r2改变时，天线输入驻波比随频率的变化。从图中可 以看出，在辐射单元上合适的位置开孔可以改变金属表面电流流向，有效降低所需带宽内驻 波比，提高天线工作带宽，随着r2的增加，驻波比在频带范围内有较大的波动，引起阻抗周 期性的匹配与失配，在19GHz左右还出现的峰值，当r2＝5.2mm时匹配良好。
图5为驻波比随着椭圆半径r3的变化特性。从图中可以看出，r3的变化对天线的性能影响 较大，对高频段的截止频率影响也很大，当r3＝9mm时，在21.3～25.5GHz处出现了VSWR＞2， 当r3＝10mm时，在15.2～27GHz范围出现了VSWR＞2，由此说明对r3的选择直接影响到天线的 工作性能，当r3＝10.8mm时，可以使高频截止频率向右移，拓展高频段的带宽。
图6中给出了其它结构参数选取最优值的条件下不同渐变常数a所对应的反射系数随频率 变化曲线。从图中可以看出，a＝-0.2时，地板边缘渐变结构使天线在3.6GHz、12.4GHz、17.8GHz、 21.7GHz、24.3GHz、30.3GHz附近获得了良好的谐振特性。天线在2.5～32GHz的频带范围内 反射系数小于-10dB，且最高频率处没有出现截止现象。共面波导地板既起到了天线地面的作 用，又相当于一个分布式匹配网络，形成了天线的多谐振、超宽带特性。对各参数进行扫描， 同时取最优值，得到最优的驻波比特性。
通过以上分析，得出平面椭圆单极子天线的主要结构参数：r1＝2.8mm，r2＝5.2mm， r3＝10.8mm，l1＝8.8mm，l2＝16.6mm，c＝7.6mm，w1＝8.2mm，w2＝2.8mm，w3＝4.7mm，g＝0.25mm， a＝-0.2。
柱形载体为泡沫材料，介电常数为εr＝1.03。图7显示了柱体半径R变化时反射系数S11的变化曲线，选取3～25GHz作为参考频段。由图中可以看出，R的变化引起天线在高频段 谐振点向右偏移，引起阻抗匹配情况也发生了改变，但对总体的带宽影响不大。在R约为一 个介质波长20mm时反射系数曲线下陷最深。当R值增大时，共形天线的反射系数曲线与平 面天线越来越接近。因此，对于给定的天线结构，R值越大，共形天线越接近平面天线，其 驻波性能也越接近于平面性能，与理论吻合。因此，在设计共形天线时，可以参考平面天线 的性能参数。图8、图9显示天线在E面和H面辐射方向图随R的变化特性，选取工作频率 f＝7.5GHz。从图中可以看出，E面的方向图变化不大，H面方向图随着R的增大辐射轻微增 强，半径R越大，定向辐射特性越强，增益相对越高。
如图10所示天线S11随L的变化特性。从图中可以看出，L的变化也会引起谐振点向右 偏移，阻抗匹配情况也发生了改变，在L约为2.5倍的介质波长50mm时的反射系数曲线下 陷最深。在3～7GHz的低频段和17～25GHz的高频段，反射系数S11的变化较大，L为70mm 时，高频处出现失配现象，对可用带宽产生了一定影响。图11、图12显示天线在E面和H 面辐射方向图随L的变化特性，柱体长短对共形天线的输入阻抗影响较小，柱体越长，方向 图的起伏越小，反之越大。天线的辐射特性随L的改变发生波动，当L＝60mm时，天线的增 益相对较大，辐射特性较好，定向性明显增强。当L增大时，E面与H面的定向辐射也随之 减弱。
共形载体选择介电常数为2.08的泡沫材料，共形载体半径R＝20mm，高度L＝60mm。由矢 量网络分析仪对天线反射系数进行测量，并将实际测量与仿真结果对比，如图13所示，从图 中可以看出，回波损耗小于-10dB的频率范围实测结果为2.2GHz～21.8GHz，天线具有较宽的 阻抗特性，谐振点分别为5.6GHz、14.1GHz和18.8GHz，与仿真结果对比，向右偏移，频率偏 移的原因为介质板相对介电常数存在误差，手工焊接馈电部分引入了损耗，以及测试环境对 测量结果产生一定影响。谐振点的增益方向图如图14、图15所示，天线的辐射方向图较好， 由于高频时辐射贴片与地板的电流分布发生变化，天线的E面方向图会出现副瓣，H面方向图 的全向性相对于低频有明显的恶化，由于高频时的波瓣恶化严重，总体上看还是全向的，可 用频段覆盖2.2～14.1GHz。
实验表明r1、r2、r3、a等参数对天线阻抗带宽和谐振频率均会产生显著的影响。共形之后 天线的阻抗特性和辐射特性发生变化，柱体半径R的变化会引起天线高频段谐振点偏移，选取 较小的半径R，可以改善天线的辐射特性，L较小时，天线的辐射增益相对较大，定向性增强。 因此，共形载体的选择对天线的性能至关重要。该天线可用频段覆盖2.2～14.1GHz，实际测量 与仿真结果吻合良好，工作频段内辐射特性稳定，结构简单，加工方便。