[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810202309.3
[51]Int.CI.
H01Q 13/00 (2006.01)H01Q 13/10 (2006.01)
[43]公开日2009年3月25日[22]申请日2008.11.06[21]申请号200810202309.3
[71]申请人上海交通大学
地址200240上海市闵行区东川路800号[72]发明人金荣洪 耿军平 劳佳 李忞詝 叶声
[11]公开号CN 101394024A
[74]专利代理机构上海交达专利事务所
代理人王锡麟 王桂忠
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页
[54]发明名称
带背腔的超宽带椭圆缝隙天线
[57]摘要
本发明涉及的是一种通信技术领域的带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，包括一块印刷介质板和一个金属反射腔。介质板一侧为带有宽缝的金属地，另一侧为微带馈源，金属反射腔内加入调谐片。其中：所述宽缝为椭圆缝隙，并且有一个旋转角度；所述微带馈源由与一段渐变微带线相连的圆形贴片构成；所述金属反射腔内一侧安装若干平行的三角形调谐片，另一侧加入弧形金属底面。其VSWR＜2的阻抗带宽为3.5～9.65GHz，各取样频点增益在8dB以上，具有高增益、低剖面等特点以及较好的方向图一致性，可用于雷达、定位、通信系统以及一些需要高增益、超宽带、定向辐射的应用场合。
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权 利 要 求 书
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1、一种带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，其特征在于，包括一块印刷介质板和一个金属反射腔，介质板一侧为带有宽缝的金属地，另一侧为微带馈源，金属反射腔内加入调谐片，其中：所述宽缝为椭圆缝隙，并且有一个旋转角度；所述微带馈源由与一段渐变微带馈线相连的圆形贴片构成；所述金属反射腔内一侧安装若干平行的三角形调谐片，另一侧加入弧形金属底面。
2、根据权利要求1所述的带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，其特征是，所述金属反射腔主体为一面开口的金属盒，盒内一侧平行放置四片三角形调谐片，另一侧加入弧形金属底面。
3、根据权利要求1所述的带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，其特征是，所述金属盒一侧正对微带馈线的位置设置SMA同轴接头，SMA同轴接头的内导体连接至微带馈线的末端，外导体连接金属地。
4、根据权利要求1所述的带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，其特征是，所述椭圆缝隙，其长轴、短轴长度在带宽最低频点波长的0.4～0.6倍。 5、根据权利要求1或4所述的带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，其特征是，所述椭圆缝隙以长轴垂直于微带馈线为起始位置旋转α角度，旋转角度α在30°～60°范围。
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说 明 书
带背腔的超宽带椭圆缝隙天线
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技术领域
本发明涉及的是一种通信技术领域的超宽带天线，特别是一种带背腔的超宽带椭圆缝隙天线。背景技术
超宽带天线作为新兴民用超宽带通信系统和军用电子对抗设备、脉冲雷达等中的关键部件，多年来受到研究界的广泛关注。超宽带(UWB)技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。2002年美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将技术应用于民用的议案，且批准将3.1～10.6GHz频段划作超宽带技术的商业应用，同时规定对中心频率大于2.5GHz的UWB系统需要拥有至少-10dB的500MHz带宽，而对中心频率低于2.5GHz的UWB系统，带宽至少应达到20％。超宽带通信系统的优势主要体现在数据率高、安全性好、成本低、功耗小以及抗多径衰落上，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和复杂环境下的可靠通信应用。 随着高速电子集成电路和移动通信设备的快速发展，超宽带天线的平面化、小型化已成为近年来的一个研究热点。印刷缝隙天线因其结构简单、低轮廓、易生产而得到广泛应用，主要包括渐变印刷缝隙天线、宽缝印刷天线等形式。前者典型结构有指数渐变槽、线性渐变槽、等宽槽天线等；后者典型结构是在接地板上刻蚀矩形槽，背面(对应微带馈电)或中间(对应共面波导馈电)采用各种形状的贴片(如矩形、圆形、扇形等)或枝节线(如十字、T形、U形、三叉形等)进行激励。通过论文检索可以发现，采用这些结构，阻抗带宽可达52％～114％，又如用共面波导加圆形贴片激励圆形缝隙，可获得143.2％的带宽。 经对现有技术的文献检索发现，中国专利名称：小型超宽带渐变单极缝隙天线，申请号：200610038670.8，公开号：CN 1835282A，该天线由介质板一侧金属层上的渐变结构单极缝隙作为辐射单元，由另一侧的微带馈线加叉状枝节进行激励，以较小的尺寸满足了3.1～10.6GHz的工作频段上的匹配要求，实测频带
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上限高于12GHz，并获得了3.2～4.8dB的增益。但是这类天线双向辐射的性质给其应用带来很大局限性。很多情况下，天线必须要安装在靠近地面或导体的地方，此时必须设法将天线的双向辐射改为单向辐射。另外，由于双向辐射波束范围很大，其增益也难以得到明显的提升。
检索中还发现，中国专利名称：超宽带高增益印刷缝隙天线，申请号：200510111336.6，公开号：CN 1776963A，该天线由介质基板一侧接地板上的矩形宽缝作为主辐射源，用一圆形贴片加以调谐，并在另一侧用扇形终端和水平枝节构成的微带馈源进行激励，最后在整个介质板下方附加金属反射板，实现了单向辐射并提高了增益。其实测阻抗带宽为1.97～6.05GHz，增益在5.5～8dB左右。该天线通过在背面增加一块简单的平面反射板，使增益得到了一定提高，但其直接引入的一个反射谐振长度导致了阻抗带宽的明显下降，且单纯的反射板毕竟导致了四周能量一定程度的耗散，天线增益仍有进一步提升的空间。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带背腔的超宽带椭圆缝隙天线，不仅因为增加了背腔而获得了更高的增益，而且通过插入调谐片、调整背腔内部结构，减小了反射腔对带宽特性的影响，使之仍然满足超宽带要求，并且进一步提高了增益，同时改善了方向图的一致性，可用于雷达、定位、通信系统以及一些需要高增益、超宽带、定向辐射的应用场合。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括一块印刷介质板和一个金属反射腔。介质板一侧为带有宽缝的金属地，另一侧为微带馈源，金属反射腔内加入调谐片。其中：
所述宽缝为椭圆缝隙，并且有一个旋转角度；
所述微带馈源由与一段渐变微带馈线相连的圆形贴片构成； 所述金属反射腔内一侧安装若干平行的三角形调谐片，另一侧加入弧形金属底面。
所述金属反射腔主体为一面开口的金属盒，盒内一侧平行放置四片三角形调谐片，另一侧加入弧形金属底面。
为了在引入反射腔实现单向辐射的同时，尽量减小其对宽带特性的影响，在实际应用中，很多时候仍然会采用在腔内填充吸波材料的方法，吸收掉一个方
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向的辐射，但这样的方法显然会造成很大的能量浪费。现有平面超宽带天线大多为双向辐射，这类天线往往可以实现多个倍频的阻抗带宽，但双向辐射特性在很多近地场合了其应用，且增益难以得到明显的提升。也有少数通过增加反射器件实现单向辐射并提高增益的天线，但该天线仅仅在背面加了一块简单的平面反射板，虽然增益得到了一定提高，但其直接引入的一个反射谐振长度导致了阻抗带宽的明显下降，且单纯的反射板毕竟导致了四周能量一定程度的耗散，天线增益仍有进一步提升的空间。
本发明首先对已有的超宽带宽缝天线进行改进，引入椭圆缝隙并加以旋转，用渐变微带线连接圆形贴片进行激励，实现了比国内外文献中同类天线更宽的阻抗带宽(实测VSWR<2的阻抗带宽为2.57～26.6GHz，达到1％，10.3:1倍频)，然后通过加装纯金属反射腔，在确保单向辐射和增益提高的同时，降低了因材料而引起的增益损失，同时在腔内引入多谐振结构以提升谐振腔的可匹配带宽，也进一步提高了增益，改善了方向图的一致性(仿真阻抗带宽为3.5～9.65GHz，各取样频点增益在8dB以上)。附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明中椭圆缝隙天线的平面结构示意图； 其中：(a)为正面，(b)为背面。
图3是本发明中金属反射腔的平面结构示意图； 其中(a)为俯视图，(b)为侧视图。
图4是本发明天线整体的仿真驻波比曲线随调谐片高度变化的情况； 图5是本发明天线整体在3个频点上的仿真方向图； 其中：(a)为E面方向图，(b)为H面方向图。
图6是本发明中椭圆缝隙天线仿真和实测驻波比曲线的比较。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在本发明技术方案前提下进行实施，给出了具体的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-2所示，本实施例包括一块印刷介质板1和一个金属反射腔。印刷
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介质板1一侧为带有宽缝的金属地2，另一侧为微带馈源，金属反射腔内加入调谐片。
所述宽缝为椭圆缝隙，并且有一个旋转角度；
所述微带馈源由与一段渐变微带馈线4相连的圆形贴片3构成。 其中印刷介质板为一块低介电常数的介质板1。
如图3所示，金属反射腔主体为一面开口的金属盒5，盒内一侧平行放置四片三角形调谐片6，另一侧加入弧形金属底面7。
以上部件固定好之后，在金属盒5一侧正对微带馈线4的位置设置SMA同轴接头8，SMA同轴接头8的内导体连接至微带馈线4的末端，外导体连接金属地2。
下面对照图2和图3对其结构进行具体描述。
图2中，带有旋转椭圆缝隙的金属地2长度为L，宽度为W，椭圆缝隙长半轴为A，短半轴为B，微带贴片半径Rc，圆形贴片3中心与椭圆缝隙中心距离为D，椭圆缝隙以长轴垂直于微带馈线4为起始位置旋转α角度。 椭圆缝隙长轴、短轴长度选择一般在带宽最低频点波长的0.4～0.6倍，Rc与D的选择一般以使圆形贴片与椭圆缝隙接近相切为宜。通过旋转椭圆缝隙，可以进一步拓展带宽，旋转角度α一般在30°～60°范围。
介质板1的相对介电常数为2.65，厚度为1mm，选择较低的介电常数和较小的厚度以减小其对天线带宽和增益的不利影响。
图3中，调谐片6高度hs在20mm以下，弧形金属底面7截面为四分之一椭圆，也可为类似弧线，高度与调谐片6相同，用以增加谐振模式，拓展带宽，提高增益并改善方向图的指向和一致性。
图4给出了天线整体的仿真驻波比曲线随调谐片高度hs变化的情况，可以看出天线在3.5～9.65GHz范围内有良好的匹配特性。
图5为hs＝17mm时天线整体在4G、6G、8G这三个频点上的仿真方向图，其中(a)为E面方向图，(b)为H面方向图，增益均在8dB以上。
图6为单独的椭圆缝隙天线原型(不带背腔)的驻波比曲线，可以看到仿
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真基本没有反映频率上限，即理论上限频率超过40GHz，实际焊接时由于SMA接头的影响导致了上限频率的出现。对于VSWR<2，其阻抗带宽为2.57～26.6GHz，达到1％，10.3:1倍频。
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说 明 书 附 图
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图6
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