專利名稱：：用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微帶天線，尤其是涉及一種用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙(PBG)彎折線微帶天線。
背景技術(shù)：
：2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)宣布超寬帶(UWB)通信的頻段定義為3.110.6GHz，這一頻段除了可用作無線局域網(wǎng)(WPAN)外，還可用于精確測距、金屬探測等用途。在正EE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出后，超寬帶無線接入技術(shù)進(jìn)一步得到規(guī)范化。超寬帶技術(shù)以其成木低廉、數(shù)據(jù)傳輸速率高、具有穿透性、發(fā)射功率低等優(yōu)點(diǎn)而備受重視，成為目前無線通信的一大研究熱點(diǎn)。天線設(shè)計及制造技術(shù)是超寬帶通信系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，天線的各項特性及形態(tài)大小，極大程度地影響了超寬帶系統(tǒng)的工作性能及應(yīng)用領(lǐng)域。天線在超寬帶系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。超寬帶(UWB)通信的頻段定義為3.110.6GHz，其帶寬要求為7.5GHz。對于超寬帶系統(tǒng)的天線設(shè)計要求具有大帶寬、小尺寸，且在整個方位平面上提供均勻覆蓋，增益在OdBi以上。與以往的天線設(shè)計要求相比，超寬帶通信系統(tǒng)的天線必須具有體積小、帶寬寬和全向覆蓋等特點(diǎn)。而以往很多具有超寬帶工作特性的天線往往體積較大，難以實現(xiàn)與小型系統(tǒng)的一體化設(shè)計。對于目前的超寬帶天線，常規(guī)的微帶天線尺寸明顯過大，且存在工作帶寬小、輻射方向覆蓋不均勻等缺點(diǎn)?，F(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，迫切需要一款天線能夠覆蓋3.110.6GHz的超寬帶通信頻段。彎折線微帶天線是一種高效的多頻諧振天線，能在實現(xiàn)超寬帶工作特性的同時，有效地減小天線的尺寸。20世紀(jì)70年代，法國數(shù)學(xué)家B.B.Mandelbrot在總結(jié)了自然界中非規(guī)則幾何圖形后，第一次提出了分形這個概念，認(rèn)為分形幾何學(xué)可以處理自然界中那些極小規(guī)則的構(gòu)型，指出分形幾何將成為研究許多物理現(xiàn)象的有力工具。到了20世紀(jì)80年代，關(guān)于波與分形結(jié)構(gòu)相互作用的研究促進(jìn)了分形電動力學(xué)的發(fā)展，而分形天線正是分形電動力學(xué)的眾多應(yīng)用之一。它能夠使得我們有效地設(shè)計小型化天線或把多個無線電通信元件集成到一塊設(shè)備上。分形幾何是通過迭代產(chǎn)生的具有自相似特性的幾何結(jié)構(gòu)，它的整體與局部之間以及局部與局部之間都具有自相似性，天線的分形設(shè)計是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)天線相比，具有分形結(jié)構(gòu)的天線具有小型化、寬頻帶、多頻工作、高輻射電阻、自加載等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足超寬帶系統(tǒng)對天線的要求。光子帶隙(PBG，PhotonicBand-Gap)結(jié)構(gòu)由一種介質(zhì)材料在另一種介質(zhì)材料中周期分布所組成。這種結(jié)構(gòu)可以通過縮放尺寸關(guān)系應(yīng)用于很寬的頻率范圍，因此近幾年來微波與毫米波領(lǐng)域的PBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注。在PBG結(jié)構(gòu)中，電磁波經(jīng)周期性介質(zhì)散射后,某些波段電磁波強(qiáng)度會因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減,無法在該結(jié)構(gòu)中傳播，于是在頻譜上形成帶隙。PBG結(jié)構(gòu)在微波領(lǐng)域,特別是微波電路和天線領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用價值，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用到微波、毫米波波段的電路與器件的設(shè)計中。合理應(yīng)用光子帶隙結(jié)構(gòu)能夠改善天線的輻射特性，展寬天線的工作帶寬。目前，把彎折線微帶天線與分形PBG結(jié)構(gòu)結(jié)合起來應(yīng)用在3.110.6GHz的超寬帶通信頻段的相關(guān)技術(shù)未見報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低且具有全向輻射特性的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線。本發(fā)明采用了彎折線微帶天線與分形光子帶隙結(jié)構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)方案。本發(fā)明設(shè)有雙面覆銅層的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的一面覆銅層為彎折線微帶天線輻射貼片，介質(zhì)基板的另一面覆銅層為分形光子帶隙結(jié)構(gòu)；彎折線微帶天線輻射貼片設(shè)有至少4個橫向臂和至少3個縱向臂，各橫向臂與各縱向臂依次交替端部串連，每個縱向臂的兩端分別與2個橫向臂的一端連接并呈U字形，各個橫向臂之間設(shè)有間距，各個縱向臂之間設(shè)有間距，各個橫向臂與介質(zhì)基板之間設(shè)有間距，各個縱向臂與介質(zhì)基板之間設(shè)有間距；分形光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有3行3列共9片銅片，每行設(shè)有3片間隔分布的銅片，每列設(shè)有3片間隔分布的銅片；行與行之間平行，列與列之間平行，每行中的銅片平行，每列中的銅片平行。各個橫向臂最好互相平行，各個縱向臂最好互相平行。各個橫向臂與所連接的縱向臂最好垂直。每個橫向臂和每個縱向臂的線寬最好均為2mm。位于彎折線微帶天線輻射貼片中部的1個橫向臂設(shè)有天線饋電點(diǎn)。彎折線微帶天線輻射貼片上的上部外邊沿與介質(zhì)基板上邊沿的距離最好為3mm;彎折線微帶天線輻射貼片上的上部外邊沿與介質(zhì)基板下邊沿的距離最好為2mm;彎折線微帶天線輻射貼片上的左右兩側(cè)外邊沿與介質(zhì)基板左右兩側(cè)邊沿的距離最好為3mm。分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的各銅片的形狀優(yōu)選矩形，最好為正方形。位于分形光子帶隙結(jié)構(gòu)中間的中間銅片的面積最好大于其它銅片的面積，其它銅片的面積最好相同。中間銅片和其它銅片均為正方形，中間銅片邊長最好為7mm±0.1mm，其它銅片的邊長最好為5mm士0.1mm。中間銅片與位于中間銅片上、下、左和右的4片銅片之間設(shè)有間距，間距最好為4mm，其它銅片之間設(shè)有間距，相鄰兩片銅片之間的間距最好為5mm。分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的上行3片銅片的上邊沿最好與介質(zhì)基板上邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的下行3片銅片的下邊沿與介質(zhì)基板下邊沿的距離最好為7mm，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的左列3片銅片的左邊沿最好與介質(zhì)基板左邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的右列3片銅片的右邊沿與介質(zhì)基板右邊沿的距離最好為5mm。介質(zhì)基板最好為矩形介質(zhì)基板，其尺寸最好是長度為30mm±lmm，寬度為32mm±lmm，厚度為lmm±0.05mm。介質(zhì)基板最好選用相對介電常數(shù)為2.25±5%的介質(zhì)基板，優(yōu)選環(huán)氧樹脂玻璃布介質(zhì)基板。與常規(guī)的用于超寬帶系統(tǒng)的微帶天線比較，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果尺寸小、帶寬大、輻射特性好、能夠全向輻射，其工作頻帶為2.91GHz11.53GHz，絕對帶寬達(dá)到8.62GHz，相應(yīng)的相對帶寬達(dá)到119.39%，帶寬倍頻程達(dá)到3.96，可完全覆蓋3.110.6GHz的超寬帶通信頻段。而且本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡單、成本低、全向輻射性能佳、易于集成和能夠批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足超寬帶系統(tǒng)對天線的具體要求。圖1為本發(fā)明實施例的金屬彎折線微帶天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的分形光子帶隙結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例回波損耗(Su)性能圖。圖3中的橫坐標(biāo)表示頻率，單位為GHz，縱坐標(biāo)表示回波損耗強(qiáng)度，單位為dB。圖4為本發(fā)明實施例的H面方向圖。坐標(biāo)為極坐標(biāo)。圖5為本發(fā)明實施例的E面方向圖。坐標(biāo)為極坐標(biāo)。具體實施例方式以下將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1和圖2，本發(fā)明設(shè)有雙面覆銅的介質(zhì)基板P，介質(zhì)基板P為矩形介質(zhì)基板，其尺寸是長度為30mm，寬度為32mm，厚度為lmm。介質(zhì)基板P選用相對介電常數(shù)為2.25±5%的介質(zhì)基板。介質(zhì)基板P采用環(huán)氧樹脂玻璃布介質(zhì)基板，介質(zhì)基板P的一面所覆銅層為彎折線微帶天線輻射貼片(如圖1所示)，介質(zhì)基板P的另一面所覆銅層為分形光子帶隙結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。彎折線微帶天線輻射貼片設(shè)有6個橫向臂(11、12、13、14、15和16)及5個縱向臂(21、22、23、24和25)。每個橫向臂互相平行，每個縱向臂互相平行。從橫向臂11起始，各橫向臂與各縱向臂依次交替端部串連，每個橫向臂與所連接的縱向臂垂直。橫向臂11、12、13、14、15和16的長度分別是12mm、15mm、20mm、20mm禾[I17mm?？v向臂21、22、23、24和25的長度分別是7mm、12mm、17mm、12mm和7mm。位于彎折線微帶天線輻射貼片中部的橫向臂14的橫向中心線A處設(shè)有天線饋電點(diǎn)。彎折線微帶天線輻射貼片的起始端為橫向臂ll的首端，彎折線微帶天線輻射貼片的終止端為橫向臂16的尾端；每個縱向臂的兩端分別與2個橫向臂的一端連接并呈U字形(如縱向臂21與橫向臂11和12連接所形成的U字形形狀)，每個橫向臂之間設(shè)有間距，每個縱向臂之間設(shè)有間距，每個橫向臂及每個縱向臂與介質(zhì)基板P之間設(shè)有間距。彎折線微帶天線輻射貼片的上部外邊沿(即橫向臂11的外邊沿)與介質(zhì)基板P上邊沿的距離為3mm;彎折線微帶天線輻射貼片的下部外邊沿(即橫向臂15的外邊沿)與介質(zhì)基板P下邊沿的距離為2mm;彎折線微帶天線輻射貼片的左右兩側(cè)外邊沿(即縱向臂22、23、24和25的外邊沿)與介質(zhì)基板左右兩側(cè)邊沿的距離均為3mm。每個橫向臂和縱向臂的線寬均為2mm。分形光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有上、中、下3行，左、中、右3列共9片正方形銅片，9片銅片的標(biāo)號為19。每行的銅片平行，每列的銅片平行。每行設(shè)有3片間隔分布的銅片，每列設(shè)有3片間隔分布的銅片。位于分形光子帶隙結(jié)構(gòu)中間的中間銅片5的面積大于其它銅片的面積，其它銅片的面積相同。中間銅片5邊長為7mm，其它銅片的邊長為5mm。中間銅片5與位于其上、下、左和右的4片銅片(即銅片2、8、4和6)之間設(shè)有間距，間距為4mm，其它銅片之間設(shè)有間距，相鄰兩片銅片之間的間距為5mm。分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的上行3片銅片(即銅片l、2和3)的上邊沿與介質(zhì)基板P上邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的下行3片銅片(即銅片7、8和9)的下邊沿與介質(zhì)基板P下邊沿的距離最好為7mm，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的左列3片銅片(即銅片1、4和7)的左邊沿與介質(zhì)基板P左邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的右列3片銅片(即銅片3、6和9)的右邊沿與介質(zhì)基板P右邊沿的距離為5mm。參見表1，表1給出了本發(fā)明的制造加工誤差對天線特性的影響情況。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>注1.表中數(shù)據(jù)已有一定冗余，各參數(shù)之間有一定關(guān)聯(lián)性，給出的是均衡特性，可根據(jù)需求特殊設(shè)計；2.需采用高性能微波低耗雙面覆銅介質(zhì)板，tgS<0.002。參見圖3，圖3給出了本發(fā)明實施例的回波損銜Su)性能圖。從圖3可以看出，天線的工作頻帶覆蓋了2.91GHz11.53GHz，工作頻帶內(nèi)的回波損耗都在一10dB以下，工作頻帶內(nèi)的最小回波損耗為一17.17dB。天線回波損耗(Sn)性能在整個通頻帶內(nèi)滿足要求，天線的絕對帶寬達(dá)到8.62GHz，相應(yīng)的相對帶寬達(dá)到119.39%，帶寬倍頻程達(dá)到3.96，可完全覆蓋3.110.6GHz的超寬帶通信頻段。參見圖4，圖4中可見，天線有兩個瓣，一個在300。60。之間，另一個在120°240°之間。兩個瓣基本上覆蓋了大部分角度，所以本發(fā)明具有全向輻射特性。參見圖5，圖5中可見，天線主瓣在300。60。之間。將圖4與圖5對比可以看出，方向圖上半部分的形狀基本一致。從天線回波損耗(Su)性能圖可以看出，天線可完全覆蓋3.110.6GHz的超寬帶通信頻段，達(dá)到了超寬帶系統(tǒng)對于天線的要求。從天線的H面和E面方向圖可以看出，天線具有全向輻射特性。權(quán)利要求1.用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于設(shè)有雙面覆銅層的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的一面覆銅層為彎折線微帶天線輻射貼片，介質(zhì)基板的另一面覆銅層為分形光子帶隙結(jié)構(gòu)；彎折線微帶天線輻射貼片設(shè)有至少4個橫向臂和至少3個縱向臂，各橫向臂與各縱向臂依次交替端部串連，每個縱向臂的兩端分別與2個橫向臂的一端連接并呈U字形，各個橫向臂之間設(shè)有間距，各個縱向臂之間設(shè)有間距，各個橫向臂與介質(zhì)基板之間設(shè)有間距，各個縱向臂與介質(zhì)基板之間設(shè)有間距；分形光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有3行3列共9片銅片，每行設(shè)有3片間隔分布的銅片，每列設(shè)有3片間隔分布的銅片；行與行之間平行，列與列之間平行，每行中的銅片平行，每列中的銅片平行。2.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于各個橫向臂互相平行，各個縱向臂互相平行。3.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于每個橫向臂與所連接的縱向臂垂直。4.如權(quán)利要求1所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于每個橫向臂和每個縱向臂的線寬均為2mm。5.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于位于彎折線微帶天線輻射貼片中部的1個橫向臂設(shè)有天線饋電點(diǎn)。6.如權(quán)利要求1所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于彎折線微帶天線輻射貼片上的上部外邊沿與介質(zhì)基板上邊沿的距離為3mm;彎折線微帶天線輻射貼片上的上部外邊沿與介質(zhì)基板下邊沿的距離為2mm;彎折線微帶天線輻射貼片上的左右兩側(cè)外邊沿與介質(zhì)基板左右兩側(cè)邊沿的距離為3mm。7.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的各銅片的形狀為矩形。8.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于位于分形光子帶隙結(jié)構(gòu)中間的中間銅片的面積大于其它8片銅片的面積，其它8片銅片的面積相同，銅片均為正方形，中間銅片邊長為7mm±0.1mm，其它8片銅片的邊長為5mm±0.1mm。中間銅片與位于其上、下、左和右的4片銅片之間設(shè)有間距，間距為4mm，其它8片銅片之間設(shè)有間距，相鄰兩片銅片之間的間距為5mm。9.如權(quán)利要求l所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的上行3片銅片的上邊沿與介質(zhì)基板上邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的下行3片銅片的下邊沿與介質(zhì)基板下邊沿的距離為7mm，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的左列3片銅片的左邊沿與介質(zhì)基板左邊沿重合，分形光子帶隙結(jié)構(gòu)的右列3片銅片的右邊沿與介質(zhì)基板右邊沿的距離為5mm。10.如權(quán)利要求1所述的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，其特征在于介質(zhì)基板為矩形介質(zhì)基板，長度為30mm±lmm，寬度為32mm±lmm，厚度為lmm±0.05mm。介質(zhì)基板選用相對介電常數(shù)為2.25±5%的介質(zhì)基板。全文摘要用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線，涉及一種微帶天線。提供一種尺寸小、帶寬大、回波損耗較低且具有全向輻射特性的用于超寬帶系統(tǒng)的分形光子帶隙彎折線微帶天線。設(shè)有雙面覆銅層的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的一面覆銅層為彎折線微帶天線輻射貼片，介質(zhì)基板的另一面覆銅層為分形光子帶隙結(jié)構(gòu)；彎折線微帶天線輻射貼片設(shè)有至少4個橫向臂和至少3個縱向臂，各橫向臂與各縱向臂依次交替端部串連，每個縱向臂的兩端分別與2個橫向臂的一端連接并呈U字形；分形光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)有3行3列共9片銅片，每行設(shè)有3片間隔分布的銅片，每列設(shè)有3片間隔分布的銅片；行與行之間平行，列與列之間平行，每行中的銅片平行，每列中的銅片平行。文檔編號H01Q13/08GK101304114SQ200810071308公開日2008年11月12日申請日期2008年6月27日優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日發(fā)明者堯付,劉舜奎,周建華,徐偉明,施芝元,李偉文,斌林,游佰強(qiáng)申請人:廈門大學(xué)