本发明涉及一种共面波导馈电的单极微带天线，包括馈电部分，所述馈电部分采用共面波导馈电，所述共面波导包括介质基板和馈电线，所述介质基板中心设有传输导带单元，所述传输导带单元两边设有接地板单元，所述介质基板上贴有辐射单元，所述辐射单元为矩形框，所述矩形框的第一个内角上加载有1/4圆环单元，第二内角上加载有方形环单元，第三个内角和第四个内角上均加载有1/4圆形单元，其中两个1/4圆形单元中的一个与谐振枝节相连；所述馈电线位于矩形框底边的缺口处，并与拟L型单元相连。本发明突破了频带较窄、增益较低等缺点，扩展了微带贴片天线应用在该频段内的范围。
1.一种共面波导馈电的单极微带天线，包括馈电部分，所述馈电部分采用共面波导馈电，所述共面波导包括介质基板和馈电线，所述介质基板中心设有传输导带单元，所述传输导带单元两边设有接地板单元，其特征在于，所述介质基板上贴有辐射单元，所述辐射单元为矩形框，所述矩形框的第一个内角上加载有1/4圆环单元，第二内角上加载有方形环单元，第三个内角和第四个内角上均加载有1/4圆形单元，其中两个1/4圆形单元中的一个与谐振枝节相连；所述馈电线位于矩形框底边的缺口处，并与拟L型单元相连；所述谐振枝节包括水平枝节、第一竖直枝节、第二竖直枝节和第三竖直枝节，所述第一竖直枝节的一端与所述两个1/4圆形单元中的一个相连，另一端与水平枝节的一端相连，水平枝节的另一端与第二竖直枝节的一端相连，第二竖直枝节的另一端位于水平枝节下方；所述水平枝节上还与第三竖直枝节的一端相连，第三竖直枝节的另一端位于水平枝节的上方；所述第三竖直枝节到第一竖直枝节的距离小于到第二竖直枝节的距离。
2.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述拟L型单元包括竖直矩形部分、水平矩形部分和半圆部分，所述馈电线连接在水平矩形部分的中间位置，所述水平矩形部分的侧面连接有竖直矩形部分，所述竖直矩形部分的上部连接有半圆部分。
3.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述矩形框上下两条边的宽度为7mm，左右两条边的宽度为6mm。
4.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述1/4圆环单元的内圆半径为6mm，宽度为3mm。
5.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述方形环单元的内边长为5mm，宽度为3mm。
6.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述1/4圆形单元的半径为12mm。
7.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述第一竖直枝节的长度为18mm，第二竖直枝节的长度为11mm，第三竖直枝节的长度为4mm，水平枝节的长度为25mm；所述水平枝节、第一竖直枝节、第二竖直枝节和第三竖直枝节宽度均为3mm。
8.根据权利要求2所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述水平矩形部分的长度为16.5mm，宽度为5.2mm；所述竖直矩形部分的长度为13.8mm，宽度为9.5mm；所述半圆部分的半径为4.75mm。
9.根据权利要求1所述的共面波导馈电的单极微带天线，其特征在于，所述馈电线与矩形框之间的间隙为0.5mm，所述馈电线的长度为7.5mm，宽度为3.2mm。
一种共面波导馈电的单极微带天线
技术领域
[0001] 本发明涉及微带天线技术领域，特别是涉及一种共面波导馈电的单极微带天线。
背景技术
[0002] 天线的大发展时期可以从20世纪50年代末算起，随着无线通信应用领域的不断扩展和集成电路的日益改善，人们对天线也提出来多方面的要求，如性能上的高增益/宽频带/多频段、结构上的简单/小体积/轻重量、工艺上的平面化易制造等。传统天线因元件构成固定，隐蔽性与抗干扰性差，集成度不高已慢慢淡出某些领域的应用，为满足无线通信的需求，人们开始研究优质天线。随着信息科技的迅速发展，天线也随着现代通信系统或探测系统向小型化、多频化、高性能、宽频带以及高集成化方向发展。微带天线作为一种新型天线，因具有独特优点而广受国内外研究学者的热切关注，如体积小、低剖面、重量轻、易于加工集成、易共形等特点。目前，随着微带天线理论研究的加深及应用的扩展，微带天线技术已经成广泛渗透于空间技术、医学、移动通信、遥测、卫星等大量无线通信系统中，并在众多学科中得以研究。
[0003] 近几十年来学者对微带天线的研究及不断改进，给微带天线的设计带来了众多方法，如多频段技术常采用层叠法、多枝节法(L型枝节、F型枝节、G型枝节等)、开槽法；宽频带技术方法有：加载寄生贴片法、多缝隙法、短路探针法等，这些技术能够有效实现天线的小型化、宽频带、多拼化、高增益指标，从而提高系统的通信质量并满足实际应用的需求。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种共面波导馈电的单极微带天线，突破了频带较窄、增益较低等缺点，扩展了微带贴片天线应用在该频段内的范围。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种共面波导馈电的单极微带天线，包括馈电部分，所述馈电部分采用共面波导馈电，所述共面波导包括介质基板和馈电线，所述介质基板中心设有传输导带单元，所述传输导带单元两边设有接地板单元，所述介质基板上贴有辐射单元，所述辐射单元为矩形框，所述矩形框的第一个内角上加载有1/4圆环单元，第二内角上加载有方形环单元，第三个内角和第四个内角上均加载有1/4圆形单元，其中两个1/4圆形单元中的一个与谐振枝节相连；所述馈电线位于矩形框底边的缺口处，并与拟L型单元相连。
[0006] 所述谐振枝节包括水平枝节、第一竖直枝节、第二竖直枝节和第三竖直枝节，所述第一竖直枝节的一端与所述两个1/4圆形单元中的一个相连，另一端与水平枝节的一端相连，水平枝节的另一端与第二竖直枝节的一端相连，第二竖直枝节的另一端位于水平枝节下方；所述水平枝节上还与第三竖直枝节的一端相连，第三竖直枝节的另一端位于水平枝节的上方；所述第三竖直枝节到第一竖直枝节的距离小于到第二竖直枝节的距离。
[0007] 所述拟L型单元包括竖直矩形部分、水平矩形部分和半圆部分，所述馈电线连接在水平矩形部分的中间位置，所述水平矩形部分的侧面连接有竖直矩形部分，所述竖直矩形部分的上部连接有半圆部分。
[0008] 所述矩形框上下两条边的宽度为7mm，左右两条边的宽度为6mm。
[0009] 所述1/4圆环单元的内圆半径为6mm，宽度为3mm。
[0010] 所述方形环单元的内边长为5mm，宽度为3mm。
[0011] 所述1/4圆形单元的半径为12mm。
[0012] 所述第一竖直枝节的长度为18mm，第二竖直枝节的长度为11mm，第三竖直枝节的长度为4mm，水平枝节的长度为25mm；所述水平枝节、第一竖直枝节、第二竖直枝节和第三竖直枝节宽度均为3mm。
[0013] 所述水平矩形部分的长度为16.5mm，宽度为5.2mm；所述竖直矩形部分的长度为13.8mm，宽度为9.5mm；所述半圆部分的半径为4.75mm。
[0014] 所述馈电线与矩形框之间的间隙为0.5mm，所述馈电线的长度为7.5mm，宽度为3.2mm。
[0015] 有益效果
[0016] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
[0017] 本发明的天线主要优点为：第一，该款天线采用共面波导馈电实现了小型化和宽频带要求，天线介质尺寸为54mm×54mm，所达到的频带宽度范围为1.8-4.8GHz；第二，天线在方形环贴片的基础上通过多枝节加载法等扩展了带宽，且电压驻波比VSVR与回波损耗带宽一致；第三，整个天线结构非常简单，易于集成到各种通信应用系统中。
附图说明
[0018] 图1是本发明的整体结构图；
[0019] 图2是本发明的回波损耗示意图；
[0020] 图3是本发明的电压驻波比示意图；
[0021] 图4是本发明的增益参数示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0023] 本发明的实施方式涉及一种共面波导馈电的单极微带天线，如图1所示，包括馈电部分，所述馈电部分采用共面波导馈电，所述共面波导包括介质基板和馈电线，所述介质基板中心设有传输导带单元，所述传输导带单元两边设有接地板单元，介质基板背面没有金属地板。所述介质基板上贴有辐射单元，所述辐射单元为矩形框1，所述矩形框1的第一个内角上加载有1/4圆环单元2，第二内角上加载有方形环单元3，第三个内角和第四个内角上均加载有1/4圆形单元4，其中两个1/4圆形单元4中的一个与谐振枝节相连；所述馈电线6位于矩形框1底边的缺口处，并与拟L型单元相连。
[0024] 其中，所述谐振枝节包括水平枝节51、第一竖直枝节52、第二竖直枝节53和第三竖直枝节54，所述第一竖直枝节52的一端与所述两个1/4圆形单元中的一个相连，另一端与水平枝节51的一端相连，水平枝节51的另一端与第二竖直枝节53的一端相连，第二竖直枝节53的另一端位于水平枝节51下方；所述水平枝节51上还与第三竖直枝节54的一端相连，第三竖直枝节54的另一端位于水平枝节51的上方；所述第三竖直枝节54到第一竖直枝节52的距离小于到第二竖直枝节53的距离。谐振枝节的加载能够改变天线辐射贴片表面电流从而延长电流的有效路径，扩展了带宽，且使得电压驻波比VSVR与回波损耗带宽一致。
[0025] 所述拟L型单元包括竖直矩形部分71、水平矩形部分72和半圆部分73，所述馈电线6连接在水平矩形部分72的中间位置，所述水平矩形部分72的侧面连接有竖直矩形部分71，所述竖直矩形部分71的上部连接有半圆部分73。通过在馈电线上加载拟L型单元可以进一步增加天线的阻抗带宽。
[0026] 本实施方式的天线结构主要包括介质层、拟L型单元、方形环单元、谐振枝节、馈电线，这些辐射单元被印制在厚度为1mm的Taconic TLT(tm)，尺寸为54mm×54mm，其相对介电常数εr＝2.25，损耗正切tanδ＝0.0006的介质基板上，而介质基板下表面没有金属接地板。天线设计时的尺寸计算来源于单极微带天线可以借助对称振子进行分析与计算，通常工作在四分之一波长模式，可通过公式λ＝c/f计算出相应的自由空间波长和介质中的波长。天线的具体尺寸参数如表1所示。
[0027]天线尺寸参数 参数值(mm) 天线尺寸参数 参数值(mm)
G 54 a 5
L1 5.2 W1 1.5
L2 16.5 W2 5.2
L3 13.8 W3 9.5
L4 18 W4 25
L5 4 W5 3
L6 11 W6 3
L7 7 W7 8.47
b 3 W8 6
R1 12 R2 4.75
R3 6 g 0.5
Wf 3.2 h 1
[0028] 表1天线参数表
[0029] 由于天线是在自由空间中工作的，为了使设计天线工作参数更接近实际，在天线结构模型创建完成后，使用HFSS13.0分析天线性能参数时，需要将天线的边界条件设置为理想导体边界，辐射边界表面(即空气腔面)距离辐射体需要不小于λ/4，天线模型介质基板的底面需要设置为理想边界，天线的输入端口设置为波导端口激励，且使微带馈线位于端口的中心，将天线设置为快速扫频类型，对其在1-5GHz频段的性能进行分析计算。
[0030] 本发明的天线实现了良好的性能指标，天线的回波损耗参数(S11)如图2所示，为91％(3GHz，1.8-4.8GHz)。图3显示了天线电压驻波比随着频率变化的情况，从图3中可以看出，在1.8-4.8GHz频段内VSVR<2dB，满足技术指标。图4是天线的增益情况，从图4中可以看出天线在该频带范围内，增益都基本在2.7dB以上，且最高可达到4.5dB。
[0031] 一般来说，天线的各个特性参数都是频率的函数，在中心频率上天线可能具有最好的特性。回波损耗S11和增益Gain是天线性能优劣的两个重要参数，其中理论要求S11<-10dB并且在相同带宽内Gain>2.5dB才能说明天线有实际的应用价值。本发明的天线的频带范围为1.8-4.8GHz，相对工作带宽为91％，且天线的电压驻波比VSVR与回波损耗带宽保持一致，表明天线的输入阻抗匹配良好，增益极值为4.5dB，且覆盖了蓝牙和WiMAX工作的频段，从而保证了设计的天线结构可以应用于工作在这个频段的无线通信系统中。本发明充分发挥了微带贴片天线的小体积，低剖面和容易集成等特点，突破了频带较窄、增益较低等缺点，扩展了微带贴片天线应用在该频段内的范围。
