1.本技术涉及天线领域，具体涉及一种新型超宽带平面单极子天线。
背景技术：2.美国通信委员会于2002年将3.1～10.6ghz频段作为超宽带(ultra-wideband，uwb)通信使用，该规则使得超宽带天线技术的研究成为了一个新的研究热点。超宽带技术具有高速传输速率、低功耗和几乎不受多径效应的影响等诸多优点，目前已经广泛应用卫星通信、微波成像等领域。目前基于未来uwb通信系统的应用，无论是短距离线传输还是长距离传输，都需要超宽带天线。在实际的工程应用中，常将带宽比大于或等于10∶1的天线称为超宽带(super-wideband，swb)天线。
3.天线作为通讯系统最前端的部件，其主要承担着无线电波的接收和发射等任务，通常而言，天线的性能优劣直接影响着整个通信系统的通信质量。根据上述，超宽带天线在超宽带通信系统中的重要性不言而喻，因此设计研究uwb乃至swb天线具有十分重要的意义。在uwb通信系统中，uwb天线一般应具备极宽的工作带宽、全向的辐射特性、稳定的增益以及良好的时域特性。与此同时，现代通信技术的日益更新，各种设备的小型化已是大趋所势，uwb天线也在向着小型化不断发展进步，在众多小型化uwb天线中，超宽带天线是当今uwb天线研究领域中的热点。
4.超宽带天线是在超宽带通信技术的带动下发展起来的，通常采用微带天线来实现超宽带特性。平面单极子天线是微带天线的一种特殊类型，具备了微带天线的大部分优点。如剖面薄、体积小、制造成本低、馈电网络可与天线结构集成，常用在无线局域网和高精度定位等诸多领域。
5.在文献“a dgs monopole antenna loaded with u-shape stub for uwb mimo applications”中就设计了一款微带线馈电的具有dgs结构的开槽矩形超宽带平面单极子天线，仿真和实测数据表明天线可以实现3.18-11ghz的阻抗带宽，但天线尺寸较大，长宽均达到了40mm，并不利于集成。
技术实现要素：6.本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足提供一种阻抗带宽宽、结构简单、性能稳定、小型化的超宽带平面单极子天线。仿真数据表明，本发明的天线阻抗带宽为3.4-55.4ghz，实现了52ghz的超宽带，覆盖了s、c、x、ku、k、ka、u等相当宽泛的频段，且在适用的范围内具有稳定的全向辐射特性。
7.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种新型超宽带平面单极子天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、匹配微带线和接地贴片单元。其特征在于：所述的辐射贴片、微带馈线与匹配微带线均印制在所述介质基板的同一侧。所述接地贴片单元印制在所述介质基板的另外一侧。所述辐射贴片、微带馈线、匹配微带线于接地贴片单元采用金属结构。所述介质基板为矩形，采用f4b材质。
8.进一步的，所述微带馈线采用50ω标准，其上端与线性渐变微带线的下端连接，下端则延申到介质基板的下边缘处。微带线的特性阻抗z与微带线的线宽w、介质基板的厚度h、介质基板的相对介电常数εr以及微带线的线宽t的关系如下：
[0009][0010]
进一步的，所述匹配微带线的宽度采用线性渐变设计，以此实现微带线阻抗连续变化，建立起从50ω馈电点到天线输入点的良好的阻抗匹配；匹配微带线的宽边与所述微带馈线的宽度相同并与所述微带馈线为一体结构；其上端宽度小于下端宽度，其上端连接到所述辐射贴片的下端，满足阻抗由小到大的变化。
[0011]
进一步的，所述辐射贴片为五层阶梯结构，从与所述渐变微带线向上方向看去，分别为第一层、第二层、第三层、第四层于第五层，层于层之间相互连接，其宽度逐层递增。所述辐射贴片最上端延申到所述介质基板的最上端边缘；最下端与所述匹配微带线的最上端连接。
[0012]
进一步的，所述接地贴片单元为截短结构，其最上端不超过所述辐射贴片的最下端；最下端延申到所述介质基板的最下端边缘；左右两端分别延申到所述介质基板的左右边缘处，与所述介质基板等宽。
[0013]
进一步的，所述接地贴片单元的顶部两侧进行切角处理，分别从接地贴片单元的左上角和右上角顶点出发进行切角，切角的长不超过接地贴片单元长度的一半；切角的宽不超过贴片单元的高度。
[0014]
作为发明的进一步改进技术方案，所述介质基板为矩形，采用f4b板材，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，介质基板厚度为0.5mm，介质基板的长度与宽度分别为11mm和29mm。
[0015]
作为发明的进一步改进技术方案，所述微带馈线的特性阻抗为50ω，根据微带线理论，其宽度为1.5mm，长度可根据射频接头探针长度选取为2-5mm。
[0016]
作为发明的进一步改进技术方案，为实现馈电端到天线端的阻抗匹配，所述匹配微带线的宽度采取线性渐变形式，以此实现阻抗的良好匹配。其宽边为1.5mm与微带馈线长度相同，满足50ω特性，窄边宽0.4mm，长度取值范围为8-14mm。
[0017]
作为发明的进一步改进技术方案，所述辐射贴片为五层结构，从与渐变微带线连接处向上分别为第一层、第二层、第三层、第四层于第五层。从第一到第五层各层的长度取值分别为1.8mm，3.6mm，6mm，8.8mm与9.8mm；从第一到第五层各层的宽度取值分别为0.85mm，0.65mm，1.8mm，2mm与5mm；
[0018]
作为发明的进一步改进技术方案，所述的接地贴片单元的最上端处于辐射贴片第一层最底端的下面，两者间隔0.7mm。
[0019]
作为发明的进一步改进技术方案，所述的接地贴片单元的顶端两侧切除三角形边角，切角的两边分别为3mm与2mm。
[0020]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用微带馈电和平面化结构设计，在传统的矩形贴片基础上设计了五层阶梯式辐射贴片，可以增大天线电气长度从而使天线在多个频点进行谐振，同时，可以对各阶梯的长宽进行调整，使其产生不同的谐振频点，这就大大增加了天线的可调性。微带馈电与阶梯辐射贴片之间采用线性渐变的匹配微
的取值分别为0.85mm，0.65mm，1.8mm，2mm与5mm；
[0039]
在本发明的一个实施例中，所述微带馈线3的特性阻抗为50ω，其宽度为1.5mm，长度为4mm。
[0040]
在本发明的一个实施例中，所述匹配微带线4的宽度线性渐变，可以获得从馈电点50ω到天线输入端的良好的阻抗匹配。匹配微带线的宽边为1.5mm，与所述微带馈线3的上端相连；其窄边宽0.4mm，与所述辐射贴片2的第一层的最下端相连接，匹配微带线的长度为11mm。
[0041]
在本发明的一个实施例中，所述接地平面单元印制在介质基板1的背面，其下端延伸到介质基板1的下边缘，左右端分别延伸到介质基板1的左右边缘；其上端处于所述辐射贴片第一层的下方，接地平面单元的高度gnd_l取值为14.3mm；
[0042]
在本发明的一个实施例中，所述接地平面单元的上端左右进行三角形切角设计，切角的水平长度cut_w为2mm；切角的竖直高度cut_h为3mm，所有切角为对称结构；
[0043]
在本发明的一个实施例中，所述辐射单元2、微带馈线3、匹配微带线4与接地平面单元5均采用金属贴片材质。
[0044]
为了进一步说明本发明的新型超宽带平面单极子天线良好的性能，利用cst商业电磁仿真软件中的微波工作室对本发明进行了参数化建模仿真。以下结合仿真结果，对本发明的技术做进一步描述：
[0045]
1，仿真内容
[0046]
以cst商用电磁仿真软件进行参数化建模和参数优化仿真设计。
[0047]
如图2为本发明实施例在0-60ghz内电压驻波比的仿真曲线图；如图3为本发明实施例在3-30ghz内的仿真增益曲线图；如图4(a)为本发明实施例在4ghz时的e面与h面的仿真方向图；如图4(b)为本发明实施例在8ghz时的e面与h面的仿真方向图；如图4(c)为本发明实施例在15ghz时的e面与h面的仿真方向图；如图4(d)为本发明实施例在20ghz时的e面与h面的仿真方向图；如图4(e)为本发明实施例在20ghz时的e面与h面的仿真方向图。
[0048]
2，仿真结果
[0049]
参见图2，为本发明实施例在0-60ghz内的s11参数仿真曲线图。可以看到，天线的-10db的阻抗带宽为3.4-55.4ghz，实现了52ghz的超宽带。
[0050]
参见图3，为本发明实施例在3-30ghz内的增益曲线。在该频段范围内，天线增益最大可达7dbi，且整体呈现增长趋势。
[0051]
参见图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)，分别是本实施例中超宽带天线在4ghz、8ghz、15ghz、20ghz、25ghz时的e面与h面辐射方向图。在4ghz时，天线的e面方向图呈现出
‘8’
字型的定向辐射；h面为标准的圆形，具有良好的全向辐射特性；在8ghz、15ghz、20ghz以及25ghz处时，天线h面近似为圆形，呈现全向辐射特性；e面稍有变形，但整体仍具有定向辐射特性。总体来看，天线在超宽带频带内具有较好的全向辐射特性。
[0052]
以上仿真结果分析表明，本发明的天线的带宽为3.4-55.4ghz，实现了52ghz的超宽带特性，覆盖了s、c、x、ku、k、ka、u等相当宽泛的频段。且在可适用的超宽带范围内具有良好的全向辐射特性，使得天线具有更大的实际应用价值。
[0053]
以上所述仅为本发明设计方案的一个具体实施方式，应当指出，任何熟悉该技术领域的人员在不脱离本发明的基础上，还可以对本发明做出改进或变换，都因涵盖在本发
明的保护范围。因此，本发明的保护范围都应该以权利要求书的保护范围为准。
[0054]
本发明未述及之处适用于现有技术。
技术特征：1.一种新型超宽带平面单极子天线，该天线包括介质基板(1)，辐射贴片(2)，微带馈线(3)，匹配微带线(4)，接地贴片单元(5)，其特征在于：所述的辐射贴片(2)、微带馈线(3)与匹配微带线(4)均印制在所述介质基板的(1)的上表面，所述接地贴片单元(5)印制在介质基板(1)的下表面。所述的辐射贴片(2)采用五阶阶梯结构。所述的匹配微带线(4)采用宽度线性渐变的形式，其最下端与50ω微带馈线的最上端连接，最上端与辐射贴片(2)的第一层的最下端连接。所述的辐射贴片(2)、微带馈线(3)、匹配微带线(4)、接地贴片单元(5)为对称结构，对称轴为介质基板(1)的中轴线。所述的接地贴片单元(5)的左上角和右上角进行对称切角处理，切角关于所述接地贴片单元(5)的中轴线对称，形成切角缺陷地结构。2.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的介质基板为矩形。3.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的介质基板的采用f4b板材，其相对介电常数εr为2.2，损耗角正切为0.001。4.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述介质基板的宽度w为11mm，长度l为29.1mm，厚度h为0.5mm。5.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)采用五层阶梯型辐射单元。从与所述匹配微带线(4)连接处开始分别为第一层、第二层、第三层、第四层和第五层，其中各层之间相互连接，第五层的上端延申到所述介质加基板(1)的上边缘。从第一到第五层各层的长度w1，w2，w3，w4，w5的取值分别为1.8mm，3.6mm，6mm，8.8mm与9.8mm；从第一到第五层各层的宽度l1，l2，l3，l4，l5的取值分别为0.85mm，0.65mm，1.8mm，2mm与5mm。6.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述微带馈线的特征阻抗为50ω，根据微带线阻抗计算公式，其宽度feed_w取值为1.5mm，长度feed_l取值为4mm。7.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的匹配微带线的采用宽度线性渐变形式，宽边满足50ω微带线特性并与所述微带馈线(3)的上端连接，宽边feed_w取值为1.5mm，窄边与所述辐射贴片(2)第一层的最下端连接，优化后宽度feed_w2取值为0.4mm，匹配微带线长度feed_l2取值为11mm。8.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的接地贴片单元的宽度与介质基板的宽度相同，其最下端延伸到所述介质基板(1)的最下端边缘；左右两端分别延伸到所述介质基板(1)的左右边缘处；其上端处于所述辐射贴片(2)第一层的最下端的下面，两者高度差g为0.7mm。9.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的接地贴片单元上端的左右两角被切除，切角的长度cut_l为3mm，切角的宽度cut_w为2mm。10.根据权利要求1所述的一种新型超宽带平面单极子天线，其特征在于：所述的辐射贴片、微带馈线、匹配微带线和接地贴片单元均采用金属覆铜，覆铜厚度为0.035mm。
技术总结本发明公开了一种新型超宽带平面单极子天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线、匹配微带线和接地平面单元，所述的辐射贴片、微带馈线与匹配微带线均印制在所述介质基板的的上表面；所述接地贴片单元印制在介质基板的下表面；所述辐射贴片为五层阶梯形式；所述匹配微带线的宽度线性渐变，其下端与微带馈线的上端连接，上端与辐射贴片的下端相连；所述接地平面单元的顶部两侧设有对称的切角结构。上述结构部分除介质基板外全为覆铜金属。本发明的新型超宽带平面单极子天线具有体积小、结构简单、辐射特性好以及阻抗带宽宽等优良特点，可适用于超宽带领域。适用于超宽带领域。适用于超宽带领域。
技术研发人员：赵全明 凡创 刘震 杨天意 李天成 边泽鹏
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2022.04.13
技术公布日：2022/7/5
