一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有分形結構的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，本發明是在介電常數為2-20范圍內的介質基板上分別設計結構相同、反對稱布置的頂層輻射單元與底層輻射單元，頂層、底層輻射單元均由對跖半環路輻射單元、多邊形振子單元組成；通過金屬化過孔將頂層對跖半環路輻射單元和底層對跖半環路輻射單元連接起來、形成一個對稱環，與對稱振子組合成完整的天線單元。本發明具有結構新穎、體積小、制作成本低廉等優點，并且對安裝場合不敏感，可以直接與差分結構的射頻電路集成在一起，與未加分形的對稱環-振子組合天線對比，所用分形結構縮小了天線的尺寸。
【專利說明】一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線，屬于微波【技術領域】。【背景技術】
[0002]近年來，隨著無線通信技術的發展，超寬帶通信技術備受重視。一般認為，相對帶寬超過25%的天線屬于超寬帶天線，超寬帶通信技術具有傳輸速率高、抗干擾性能強、帶寬極寬、保密性好、成本低廉等特點，在無線通信、微波成像等諸多領域具有廣闊的應用前景。另一方面，針對超寬帶通信而言，不僅要求超寬帶天線在其工作頻帶內具有良好的阻抗匹配特性、穩定的輻射方向性、相對平坦的增益特性和極化特性，而且希望天線體積足夠小、成本低廉、便于加工與安裝。
[0003]傳統的超寬帶天線，如螺旋天線、對數周期天線和圓錐天線等，雖然都具有超寬帶特性，但是，它們有的是立體結構，不利于小型應用。為了實現天線的小型化，在保證天線在工作頻帶內具有良好的阻抗匹配特性、穩定的輻射方向性、相對平坦的增益特性和極化特性條件下，為了提高天線的增益，使得其最大輻射波束指向平行于天線所在平面的方向上(即:端射特性)、以滿足“點對點”應用(如:短距離的高速文件讀寫系統)的需要，本發明將提出一種新的小型化分形超寬帶天線結構。
【發明內容】
[0004]本發明的所要解決的技術問題在于針對【背景技術】存在的問題，提出一種由分形構成的對稱振子和對跖槽線輻射單元的組合天線，該組合天線對比未加分形結構天線，具有更好的低頻特性，其結構新穎、體積小、剖面尺寸極低且便于制作實現，能夠直接與前端射頻電路集成在一起。
[0005]本發明為解決以上技術問題采用如下技術方案:
一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線，包括介質基板(1)、頂層對跖槽線輻射單元(2)、底層對跖槽線輻射單元(3)、頂層振子單元(4)、底層振子單元(5);所述頂層對跖槽線輻射單元(2)與頂層振子單元(4)構成頂層輻射單元印刷設置在介質基板(1)的頂層，所述底層對跖槽線輻射單元(3)與底層振子單元(5)構成底層輻射單元印刷設置在介質基板(1)的底層，其中頂層輻射單元與底層輻射單元結構與尺寸相同，并且相對于介質基板
(1)反對稱排布；所述頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)都具有分形結構(7);所述分形結構(7)包括上邊沿水平分形結構(8)、下邊沿水平分形結構(9)、垂直分形結構(10);所述上邊沿水平分形結構(8)與下邊沿水平分形結構(9)沿振子單元中線對稱；所述上邊沿水平分形結構(8)包括:在底層振子單元(4)與頂層振子單元(5)的上邊沿各挖三個長方形分別形成第一凹形區(11)、第二凹形區(12)、第三凹形區(13)，在第二凹形區(12)的三條邊上各加設一個正方形區域(15)，在第一凹形區(11)通往第二凹形區(12)的邊沿上，第二凹形區(12)通往第三凹形區(13)的邊沿上，以及第三凹形區(13)通往振子單元垂直側邊的邊沿上各加設一個正方形區域(15);所述垂直分形結構(10)包括:在頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)的垂直邊處各加設兩個正方形區域(14)，在兩個正方形區域(14)的中間沿垂直線上加設一個正方形區域(15);在兩個正方形區域(14)的上下邊各加設一個正方形區域(15);所述頂層對跖槽線輻射單元(2)與底層對跖槽線輻射單元(3)均為對跖半環路輻射單元，通過金屬化過孔(6)上下連通，形成一個對稱環；所述頂層對跖槽線輻射單元
(2)與底層對跖槽線輻射單元(3)各具有一個上斜邊，在上斜邊的中點處挖去一個長方形區域(16)。
[0006]作為本發明的小型超寬帶對稱環-振子組合天線進一步的優化:所述介質基板
(1)的介電常數范圍為2-20。
[0007]所述第一凹形區(11)、第三凹形區(13)的尺寸為:長:1-1.5謹，寬:0.3-0.5謹；所述第二凹形區(12)的長:l-2mm,寬:0.5-lmm ;垂直分形結構(10)中正方形區域(14)的邊長:0.8-1.2mm ;正方形(15)邊長:0.2-0.5mm ;長方形區域(16)的長:2.5-3.5mm,寬:0.5-1.5mm。
[0008]作為本發明的小型超寬帶對稱環-振子組合天線進一步的優化:所述底層對跖半環路輻射單元(3)的漸變結構與頂層對跖半環路輻射單元(2)的漸變結構之間均分別具有下傾角(17)和上傾角(18);其中所述下傾角(17)的范圍為:86°到90°，所述上傾角
(18)的范圍為:21°到31° ;所述頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)均具有饋電點傾角(19);其中所述饋電點傾角(19)的范圍為:13°到81°。
[0009]作為本發明的小型超寬帶對稱環-振子組合天線進一步的優化:所述金屬化過孔的個數為1-5個。
[0010]作為本發明的小型超寬帶對稱環-振子組合天線進一步的優化:所述頂層振子單元(4 )與底層振子單元(5 )采用對稱的雙線饋電結構進行饋電。
[0011]本發明采用上述技術方案，具有以下技術效果:
本發明通過采用分形結構，有效地增加了天線的電長度，天線的阻抗帶寬為
2.8GHz-ll.69GHz (按回波損耗低于_10dB計)，比值達到4.17:1，而具有相同體積、未加分形結構的對比天線，最低工作頻率為3.28GHz,帶寬比值為3.7:1，且工作頻帶內分形結構比未加分形結構的增益平坦度提高1.5dBi。本天線實現寬帶工作特性的同時，還采用完全對稱的結構，尺寸小，結構新穎，制作工藝簡單，制作成本低廉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是天線的正面結構與參考坐標示意圖。
[0013]圖2是天線的側面結構與參考坐標示意圖。
[0014]圖3是利用IE3D軟件計算的天線回波損耗特性曲線。
[0015]圖4是采用IE3D軟件計算的天線方向圖。
[0016]圖5是采用IE3D軟件計算的天線增益曲線。
[0017]圖中標號:1是介質基板，2是頂層對跖半環路輻射單元，3是底層對跖半環路輻射單元，4是頂層振子單元，5是底層振子單元，6是金屬化過孔，7是振子單元整體的分形結構，8是上邊沿水平分形結構，9是下邊沿水平分形結構，10是垂直分形結構，11、12、13分別是上邊沿與下邊沿所挖去的三個長方形，14是垂直邊上所加正方形，15是多個邊上所加正方形，16是在對跖半環路輻射單元上斜邊所挖長方形，17、18是頂層對跖半環路輻射單元2和底層對跖半環路輻射單元3的下傾角、上傾角，19是頂層振子單元4和底層振子單元5的饋電點傾角。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
對照附圖1、圖2，本發明提出一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線，其結構是:天線制作在介質基板1上，輻射單元由頂層輻射單元與底層輻射單元構成，兩者結構、尺寸完全相同；頂層輻射單元分別由頂層對跖半環路輻射單元2和頂層振子單元4構成，底層輻射單元分別由底層對跖半環路輻射單元3和底層振子單元5構成；頂層輻射單元與底層輻射單元通過金屬化過孔6連接起來。
[0019]頂層對跖半環路輻射單元2和底層對跖半環路輻射單元3在其上斜邊沿的中心處切去長方形區域16 ;此結構采用一次迭代，在天線尺寸不變的情況下，使對跖半環路內側槽線長度對應的7.5GHz附近頻段回波損耗小于-10dB，達到寬帶化的特性。
[0020]頂層振子單元4和底層振子單元5都有分形結構7 ;此結構采用兩次迭代，凹形區域11、12、13和正方形區域14構成一次迭代，所加正方形區域15構成二次迭代，更有效的占據空間，使得它在很小的空間內能有效的耦合從饋電傳輸線到自由空間的能量。分形的空間填充性使天線的尺寸得到減縮，有效地增加了天線的電長度，使得下限工作頻率較常規天線降低10%以上，保持了小型寬帶的特性。
[0021]所述分形結構7包括上邊沿水平分形結構8、下邊沿水平分形結構9、垂直分形結構10 ;所述上邊沿水平分形結構8與下邊沿水平分形結構9沿振子單元中線對稱。
[0022]所述上邊沿水平分形結構8包括:在底層振子單元4與頂層振子單元5的上邊沿各挖去三個長方形分別形成第一凹形區11、第二凹形區12、第三凹形區13，在第二凹形區12的三條邊上各加設一個正方形區域15，在第一凹形區11通往第二凹形區12的邊沿上，第二凹形區12通往第三凹形區13的邊沿上，以及第三凹形區13通往振子單元垂直側邊的邊沿上各加設一個正方形區域15。
[0023]所述垂直分形結構10包括:在頂層振子單元4與底層振子單元5的垂直邊處各加設兩個正方形區域14，在兩個正方形區域14的中間沿垂直線上加設一個正方形區域15 ;在兩個正方形區域14的上下邊各加設一個正方形區域15 ；
頂層對跖半環路輻射單元2和底層對跖半環路輻射單元3均采用近似的倒L形漸變結構且都含有下傾角結構17和上傾角結構18，其范圍分別為86° -90°、21° -31° ;頂層振子單元4和底層振子單元5是在普通的印刷振子上切去部分頂角而形成，它們都含有饋電點傾角19，其范圍為13° -81°。
[0024]對照附圖3，附圖3是介質基板1按照相對介電常數為2.2、厚為1毫米，金屬化過孔6的個數按照4個、過孔的半徑為0.2毫米設計，分形結構7中長方形11和13的長:1mm,寬:0.5mm ;長方形12長:2mm,寬:1_ ;正方形14邊長:1_ ;正方形15邊長:0.5mm ;長方形16長:3mm,寬:1mm ;頂層和底層對妬半環路福射單元中下傾角17按照86.5°、上傾角18按照26.4°，頂層和底層振子單元中的饋電點傾角19按照80°實施時，利用IE3D軟件仿真計算得到的天線回波損耗特性。根據圖3的結果可見，該天線具有較寬的阻抗帶寬。
[0025]對照附圖1中的參考坐標系與附圖4、5，附圖4(a)_(f)分別給出了 3.875GHz、6.125GHz、和9.875GHz的兩個主工作面方向圖(xy-平面與zy-平面)，圖中的實線為主極化分量，點劃線為交叉極化分量；附圖5給出了工作頻段內的增益特性。由圖4和圖5可見，在整個工作頻段內，天線具有相對穩定的定向輻射特性(其主波束指向+y方向)，主波束內的交叉極化電平低于主極化20dB以上，而且具有相對平坦的增益頻率特性，故可以認為該天線的方向圖帶寬、增益帶寬與阻抗帶寬是基本一致的。
[0026]本發明利用印刷電路板工藝或集成電路工藝，在介質基板上設計頂層輻射單元和底層輻射單元，并利用金屬化過孔將它們連接起來。
[0027]所述頂層振子單元4與底層振子單元5采用對稱的雙線饋電結構進行饋電。該天線的結構對稱，能實現天線與差分/對稱驅動微波電路的集成化設計。
[0028]綜上所述，小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線，利用金屬化過孔將反對稱的輻射單元連接起來形成一個對稱環狀的結構。采用的分形結構，有效地增加了天線的電長度，使得下限工作頻率較常規天線降低10%以上，保持了小型寬帶的特性；對稱環-振子組合的平衡結構，消除了天線對其他射頻電路接地板的依賴特性，使其天線適用于不同的安裝場合、提高了通用性。除此之外，該天線體積輕巧、結構新穎、成本低廉，也適合做成小型設備中的標簽式天線。
【權利要求】
1.一種小型化分形超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:包括介質基板(1)、頂層對跖槽線輻射單元(2)、底層對跖槽線輻射單元(3)、頂層振子單元(4)、底層振子單元(5);所述頂層對跖槽線輻射單元(2)與頂層振子單元(4)構成頂層輻射單元印刷設置在介質基板(1)的頂層，所述底層對跖槽線輻射單元(3 )與底層振子單元(5 )構成底層輻射單元印刷設置在介質基板(1)的底層，其中頂層輻射單元與底層輻射單元結構與尺寸相同，并且相對于介質基板(1)反對稱排布；所述頂層振子單元(4 )與底層振子單元(5 )都具有分形結構(7)；所述分形結構(7)包括上邊沿水平分形結構(8)、下邊沿水平分形結構(9)、垂直分形結構(10);所述上邊沿水平分形結構(8)與下邊沿水平分形結構(9)沿振子單元中線對稱；所述上邊沿水平分形結構(8)包括:在底層振子單元(4)與頂層振子單元(5)的上邊沿各挖三個長方形分別形成第一凹形區(11)、第二凹形區(12)、第三凹形區(13)，在第二凹形區(12)的三條邊上各加設一個正方形區域(15)，在第一凹形區(11)通往第二凹形區(12)的邊沿上，第二凹形區(12)通往第三凹形區(13)的邊沿上，以及第三凹形區(13)通往振子單元垂直側邊的邊沿上各加設一個正方形區域(15);所述垂直分形結構(10)包括:在頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)的垂直邊處各加設兩個正方形區域(14)，在兩個正方形區域(14)的中間沿垂直線上加設一個正方形區域(15);在兩個正方形區域(14)的上下邊各加設一個正方形區域(15)；所述頂層對跖槽線輻射單元(2)與底層對跖槽線輻射單元(3)均為對跖半環路輻射單元，通過金屬化過孔(6)上下連通，形成一個對稱環；所述頂層對跖槽線輻射單元(2)與底層對跖槽線輻射單元(3)各具有一個上斜邊，在上斜邊的中點處挖去一個長方形區域(16)。
2.根據權利要求1所述的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:所述介質基板(1)的介電常數范圍為2-20。
3.根據權利要求1所述的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:所述第一凹形區(11)、第三凹形區(13)的尺寸為:長:1-1.5_，寬:0.3-0.5mm;所述第二凹形區(12)的長:l-2mm,寬:0.5-lmm ;垂直分形結構(10)中正方形區域(14)的邊長:0.8-1.2mm ;正方形(15)邊長:0.2-0.5mm ;長方形區域(16)的長:2.5-3.5mm,寬:0.5-1.5mm。
4.根據權利要求1所述的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:頂層對跖槽線輻射單元(2)和底層對跖槽線輻射單元(3)的漸變結構之間均分別具有下傾角(17)和上傾角(18);其中所述下傾角(17)的范圍為:86°到90°，所述上傾角(18)的范圍為:21°到31° ;所述頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)均具有饋電點傾角(19);其中所述饋電點傾角(19)的范圍為:13°到81。。
5.根據權利要求1所述的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:所述金屬化過孔的個數為1-5個。
6.根據權利要求1所述的小型超寬帶對稱環-振子組合天線，其特征在于:所述頂層振子單元(4)與底層振子單元(5)采用對稱的雙線饋電結構進行饋電。
【文檔編號】H01Q7/00GK103746185SQ201410035461
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】呂文俊, 馬壯, 菅寶龍, 吳西彤, 朱洪波 申請人:南京郵電大學