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申请/专利权人：合肥职业技术学院

摘要：一种背对背放置的U型单极子天线，可解决传统天线的带宽太窄不太适用于宽带无线通信系统的技术问题。包括种背对背放置的U型单极子天线，包括两个U形贴片和馈电线，所述两个U形贴片对称印刷在单个基板的两侧，所述U形贴片和馈电线连接；所述馈电线为具有50Ω特征阻抗的接地共面波导馈电的天线；所述单个基板设置在基片集成波导腔中。本发明是由接地的共面波导馈电，测试时在共面波导的接口处直接焊接一个50欧姆的同轴连接器就可以实现天线的测试工作。本发明测试结果表明天线具有95.8％的工作带宽，且在2.8GHz处能够实现3.75dBi的最大增益。在整个工作带宽内天线的辐射方向图很稳定，交叉极化很小。本发明使其非常适合用在室内的无线网络连接中。

主权项：1.一种背对背放置的U型单极子天线，其特征在于：包括两个U形贴片1和馈电线2，所述两个U形贴片1对称印刷在单个基板3的两侧，所述U形贴片1和馈电线2连接；所述馈电线2为具有50Ω特征阻抗的接地共面波导馈电的天线；所述单个基板3设置在基片集成波导腔4中；所述基片集成波导腔采用PCB、LTCC或者薄膜工艺在介质板上实现两排金属过孔，将电磁波限制在两排金属孔和上下两个金属界面形成的矩形腔体内部；所述基片集成波导腔的短路通孔满足DDS≥0.5和Dλ0≤0.1；其中，D表示每个短路通孔的直径，DS表示两个相邻短路过孔的间距,λ0表示自由空间中波长；所述介质板是单层的FR4板子，厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0024；还包括同轴探头，所述同轴探头半径为0.64mm，所述同轴探头连接到馈电线2的边缘；U型单极子天线参数如下： Parameters GW GL WD LD WS LS LF D Valuemm 50 66 41.6 41.6 39 39 14.5 1 Parameters W1 W2 L1 Gap S1 WF DS L2 Valuemm 3 6 28 0.3 2.5 1.7 1.2 23 其中，GW为FR4介质板的宽度；GL为FR4介质板的长度；WD表示基片集成波导腔体的宽度；LD表示基片集成波导腔体的长度；WS表示在基片集成波导腔体的上表面挖去的缝隙的宽度；LS表示在基片集成波导腔体的上表面挖去的缝隙的长度；LF表示基片集成波导的一侧腔体到馈电端口的长度；D表示每个短路通孔的直径；DS表示两个相邻短路过孔的间距；W1表示U型单极子天线一分支的宽度；W2表示U型单极子天线水平部分的宽度；L1表示U型单极子天线一分支的长度；Gap表示接地共面波导馈电线离水平地面的距离；S1表示U型单极子天线的水平部分离馈电端的距离；WF表示接地共面波导馈电线的宽度；L2表示U型单极子天线的两分支之间的间距。

全文数据：一种背对背放置的U型单极子天线技术领域本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种背对背放置的U型单极子天线。背景技术随着当前无线通信的快速发展，无论在学术界还是在工业界，设计具有垂直极化的宽带单极子天线都吸引了很多关注。在整个水平平面内具有全向辐射图案和垂直平面内的具有锥形波束的天线已广泛应用于室内无线通信中，诸如无线局域网或无线网络连接等。然而，几乎所有无线设备都要求天线具有紧凑性和小型化。传统的垂直单极子天线的高度约为0.25λ0λ0指的是10dB输入阻抗带宽的中心频率，这将阻碍一些低剖面设备的使用。最近，已经提出了一些降低天线轮廓高度的技术，主要包括平面倒F天线PIFA，以TM01模式操作的圆形贴片天线和单极线贴片天线。然而，这些天线的带宽太窄则不太适用于宽带无线通信系统。发明内容本发明提出的一种背对背放置的U型单极子天线，可解决传统天线的带宽太窄不太适用于宽带无线通信系统的技术问题。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种背对背放置的U型单极子天线，包括种背对背放置的U型单极子天线，包括两个U形贴片和馈电线，所述两个U形贴片对称印刷在单个基板的两侧，所述U形贴片和馈电线连接；所述馈电线为具有50Ω特征阻抗的接地共面波导馈电的天线；所述单个基板设置在基片集成波导腔中。进一步的，所述基片集成波导腔采用PCB、LTCC或者薄膜工艺在介质板上实现两排金属过孔，将电磁波限制在两排金属孔和上下两个金属界面形成的矩形腔体内部；所述基片集成波导腔的短路通孔满足DDS≥0.5和Dλ0≤0.1；其中，D表示每个短路通孔的直径，DS表示两个相邻短路过孔的间距,λ0表示自由空间中波长。进一步的，所述介质板是单层的FR4板子，厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0024。进一步的，还包括同轴探头，所述同轴探头半径为0.64mm，所述同轴探头连接到馈电线的边缘。由上述技术方案可知，本发明提出了一种背对背放置的U型单极子天线，这种结构具有宽带特性，而且结构简单紧凑，易于加工。本发明的天线是由接地的共面波导馈电，测试时在共面波导的接口处直接焊接一个50欧姆的同轴连接器就可以实现天线的测试工作。天线的性能经由精心制作的模型验证，仿真和实际测试的结果十分吻合，也证实了所设计的天线的可靠性和稳定性。测试结果表明天线具有95.8％的工作带宽，且在2.8GHz处能够实现3.75dBi的最大增益。同时在整个工作带宽内天线的辐射方向图很稳定，交叉极化很小。该天线的这些特性使其非常适合用在室内的无线网络连接中。本发明的有益效果如下：本发明改变传统的方形单极子贴片的形状，有利于产生高性能的天线；整体结构更加简单，且易于加工形成；本发明的天线具有更低的剖面高度，且实现了近95％的工作带宽。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2a是本发明1.6GHz时的谐振表面电流分布；图2b是本发明3GHz时的谐振表面电流分布；图2c是本发明1.6GHz时的三维立体辐射方向图；图2d是本发明3GHz时的三维立体辐射方向图；图3是本发明天线的仿真反射系数在不同W1时的变化图线；图4是本发明天线的仿真反射系数在不同S1时的变化图线；图5是本发明模拟和测量的天线的反射系数；图6是本发明模拟和测量的实际增益和辐射效率；图7是本发明在2GHz，2.5GHz和3GHz的三个不同频率下的模拟和测量的辐射图的比较；图8是本发明的结构参数表示示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明实施例的一种背对背放置的U型单极子天线，为一种具有低剖面宽带背靠背U形单极子天线。引入的两个U形贴片对称地印刷在基板的上下两侧。该天线用一个接地的共面波导结果馈电，馈电端口与天线结构是一体化的，因此并没有增加天线的复杂度。本发明的天线已成功加工成实物并测量了结果。仿真和测试的结果非常吻合，说明了所提出的具有非常紧凑结构的宽带单极子天线的有效性。本实施例具体如下：图1是本实施例提出的具有锥形辐射的背对背单极子天线的示意图，详细参数列于表1中。可以看出，天线主要由两个U形贴片和一个具有50Ω的接地共面波导馈电线组成。两个U形贴片对称印刷在单个基板的两侧。所有天线结构被放置在一个基片集成波导SIW腔中，这种类型的波导通常采用PCB,LTCC或者薄膜工艺在介质板上实现两排金属过孔，这样做能够将电磁波限制在两排金属孔和上下两个金属界面形成的矩形腔体内部，该腔体结构需要短路通孔满足DDS≥0.5和Dλ0≤0.1的条件。所用的介质板是单片的FR4板子，厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0024。天线由具有50Ω特征阻抗的接地共面波导馈电，该馈电线与U型贴片直接相连，都是通过PCB工艺印刷制备。然后将半径为0.64mm的同轴探头连接到接地共面波导的边缘。天线轮廓高度约为自由空间中最低工作频率所对应波长的0.007倍，其整体结构尺寸为50×66mm2。本实施例是一种非常简单紧凑的U形单极天线，具有宽带化和稳定的辐射方向图特性，同时还具有稳定且适中的增益值。参数表示参照图8ParametersGWGLWDLDWSLSLFDValuemm506641.641.6393914.51ParametersW1W2L1GapS1WFDSL2Valuemm36280.32.51.71.223表1其中，GW为FR4介质板的宽度；GL为FR4介质板的长度；WD表示基片集成波导腔体的宽度；LD表示基片集成波导腔体的长度；WS表示在基片集成波导腔体的上表面挖去的缝隙的宽度；LS表示在基片集成波导腔体的上表面挖去的缝隙的长度；LF表示基片集成波导的一侧腔体到馈电端口的长度；D表示每个短路通孔的直径；DS表示两个相邻短路过孔的间距；W1表示U型单极子天线一分支的宽度；W2表示U型单极子天线水平部分的宽度；L1表示U型单极子天线一分支的长度；Gap表示接地共面波导馈电线离水平地面的距离；S1表示U型单极子天线的水平部分离馈电端的距离；WF表示接地共面波导馈电线的宽度；L2表示U型单极子天线的两分支之间的间距。本实施例的工作原理如下：图2是本实施例背靠背U形贴片的表面电流分布和三维立体辐射图案，具体的，图2a展示出了在1.6GHz下谐振的表面电流分布，并且其对应的三维立体辐射图案在图2c中给出，其表示辐射图案是360°全向辐射的。可以观察到±y方向的振幅低于±x方向的振幅，这是由于地平面沿着U形贴片的两个分支的影响。在3GHz的频率中也可以发现类似的现象。本实施例的参数分析：图3示出了对于不同宽度W1随工作频率变化的反射系数图，其中当W1＝14mm时代表完整的贴片。参考图3，可以观察到随着W1增加，天线的谐振频率转移到较低频率。这是由于贴片的较大尺寸导致电流路径延长导致谐振频率下降的。然而，当W1从5变化到14mm时，所提出的天线的反射系数在3GHz到3.25GHz的频率范围内高于-10dB。当W1＝1mm时，在较低的频带也发生类似的现象。它表明W1是调整阻抗匹配的敏感参数。因此，为了实现良好的阻抗匹配和更宽的带宽，选择W1＝3mm。图4给出了反射系数相对于U形贴片长度S1的频率特性。从图4中可以看出，当S1＝0.5mm时，在较低频带处实现了更好的阻抗匹配，但是当S1从4.5变化到6.5mm时，阻抗匹配显著变化。最后，选择S1的值为2.5mm以实现宽阻抗带宽。图5给出了所提出的天线的模拟和测量的反射系数。如图6所示，天线具有宽阻抗带宽。可以观察到模拟和测量结果非常一致。测得的阻抗带宽反射系数＜-10dB为1.25至3.55GHz，相应的模拟结果为1.35至3.55GHz。模拟和测量结果之间的微小差异主要归因于测试连接器和测试安装误差引起的。在测量中，一个特征良好的双脊喇叭天线被用作校准近场系统的参考，用于天线增益和辐射效率测量。所提出的天线的实际增益和测试效率如图6所示。测得的峰值增益高达3.75dBi，频率在2.8GHz处。此外，还使用相同的多探头近场系统测量天线的总效率，并且通过从测量的总效率中取出阻抗失配的影响来提取其辐射效率。因此，测得的辐射效率约为85％。然而，与模拟增益和模拟效率相比，所提出的天线的测量增益和效率略微降低。这种增益和效率的降低主要是由于FR4衬底的介电损耗和天线制造过程中不可避免的误差造成的。图7示出了在2GHz，2.5GHz和3GHz的三个不同频率下的模拟和测量的辐射图的比较。模拟和测量结果之间具有良好的一致性。水平平面内的这些频率的辐射图在左侧示出是稳定的全向方向图，具有低的交叉极化水平。因此，所提出的天线的信号接收保真度非常高，并且能够检测处在不同方位角平面中以任何角度出现的信号。另一方面，在垂直平面右侧所示内，可以清楚地看到在宽边方向上存在零点，最大增益大约出现在水平方向，这非常适合室内无线链路，例如WLAN。可以看出所提出的天线的模拟和测量的交叉极化之间的微小差异，这主要是由于制造误差和不完美的测量引起的。由上可知，本发明实施例的一种非常简单的背靠背U形单极天线。通过在FR4层压板的两侧放置两个U形贴片，天线可以展现出超过95％的频率带宽。本发明实施例所提出的单极子天线具有显著的优点，例如结构上非常紧凑，制造成本低，并且能够在不使用阻抗变压器或馈电巴伦的情况下通过50同轴电缆直接馈电。模拟和测量结果显示出良好的一致性。在2.8GHz的频率下实现了3.8dBi的测量峰值增益。因此，本发明实施例所提出的设计在共形，且需要低成本和和宽带化的室内通信中有广泛的用途。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

权利要求：1.一种背对背放置的U型单极子天线，其特征在于：包括两个U形贴片1和馈电线2，所述两个U形贴片1对称印刷在单个基板3的两侧，所述U形贴片1和馈电线2连接；所述馈电线2为具有50Ω特征阻抗的接地共面波导馈电的天线；所述单个基板3设置在基片集成波导腔4中。2.根据权利要求1所述的背对背放置的U型单极子天线，其特征在于：所述基片集成波导腔采用PCB、LTCC或者薄膜工艺在介质板上实现两排金属过孔，将电磁波限制在两排金属孔和上下两个金属界面形成的矩形腔体内部；所述基片集成波导腔的短路通孔满足DDS≥0.5和Dλ0≤0.1；其中，D表示每个短路通孔的直径，DS表示两个相邻短路过孔的间距,λ0表示自由空间中波长。3.根据权利要求2所述的背对背放置的U型单极子天线，其特征在于：所述介质板是单层的FR4板子，厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0024。4.根据权利要求3所述的背对背放置的U型单极子天线，其特征在于：还包括同轴探头，所述同轴探头半径为0.64mm，所述同轴探头连接到馈电线2的边缘。

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