一種基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，包括矩形的介質基片和內壁設有導電金屬層的金屬通孔，介質基片的上表面設有上表面金屬層、饋電微帶線和半共面波導結構，介質基片的下表面設有下表面金屬層，下表面金屬層上設有條形縫隙，上表面金屬層和下表面金屬層通過金屬通孔內壁的導電金屬層相連，金屬通孔沿上表面金屬層的邊緣分布并圍成一個半包圍結構，半包圍結構構成諧振腔，饋電微帶線位于諧振腔開口的側邊，并與上表面金屬層相連，半共面波導結構為饋電微帶線提供匹配阻抗且與饋電微帶線相連，條形縫隙位于的諧振腔內且長度方向指向諧振腔開口。該雙頻段縫隙天線尺寸小、輻射性能強。
【專利說明】一種基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種縫隙天線，尤其是一種基于半模基片的雙頻段縫隙天線。
【背景技術】
[0002]近年來隨著無線通信系統的廣泛使用，市場上呈現多種無線通信系統共存的局面，為了降低成本、減少天線之間的電磁耦合干擾，對兼容多頻段的天線需求顯得愈發迫切。目前，雙頻段天線的研究很多，據調研，按照天線類型，常見雙頻段天線可分為以下幾種類型:雙頻段微帶天線、雙頻段圓錐喇叭天線、雙頻段車載鞭狀天線、雙頻段平面倒置F型(PIFA)天線、雙頻段印刷單極子天線、雙頻段圓筒天線、雙頻段拋物面天線等等，它們工作的雙頻段可大體分為以下幾種類型:VHF/UHF雙頻段，WLAN的2.4GHz/5.2GHz雙頻段，2.45GHz和5.80GHz兩個射頻識別(RFID)頻段、L/S雙頻段、2.4~2.484GHz WLAN和3.4~
3.69GHz WiMAX雙頻段、C/Ku雙頻段、GSM900MHz/DCS1800MHz移動通信雙頻段、用于衛星地面測控站的C/L雙頻段、跟蹤載人飛船的Ku/S雙頻段、用于遙測跟蹤的S/X雙頻段等等，以滿足各種各樣的通信需要。其中，采用基片集成波導的雙頻段縫隙天線，不僅具備雙頻特性，而且還易與平面集成；但是，在一些使用環境中對天線的尺寸要求較高，需要使用較小尺寸的天線，而且在使用時由于阻抗失配問題，將造成天線的能量損失，降低了天線的輻射性能。
【發明內容】
[0003]本發明要解決是技術問題是提供一種尺寸相對較小且阻抗匹配的雙頻段縫隙天線。
[0004]為了解決上述問題，本發明提出了一種半共面波導饋電的半模基片集成波導雙頻段縫隙天線，包括矩形的介質基片和內壁設有導電金屬層的金屬通孔，介質基片的上表面設有上表面金屬層、饋電微帶線和半共面波導結構，介質基片的下表面設有下表面金屬層，下表面金屬層上設有條形縫隙，上表面金屬層和下表面金屬層通過金屬通孔內壁的導電金屬層相連，金屬通孔沿上表面金屬層的邊緣分布并圍成一個半包圍結構，半包圍結構構成諧振腔，饋電微帶線位于諧振腔開口的側邊，并與上表面金屬層相連，半共面波導結構為饋電微帶線提供匹配阻抗，并與饋電微帶線相連，條形縫隙位于的諧振腔內且長度方向指向諧振腔開口。采用在介質基片的上表面和下表面設置金屬層的半模基片集成技術，相比于基于基片集成的技術尺寸縮小一半；采用半共面波導結構，對饋電微帶線起到了阻抗匹配作用，有效地降低了天線的能量損耗，提高了天線的輻射性能。
[0005]本發明的半共面波導的寬度為大于等于1/13小于等于3/8的介質基片的總寬度，半共面波導的長度為大于等于ι/ll小于等于7/11的介質基片總長度。采用半共面波導的寬度為大于等于1/13小于等于3/8的介質基片的總寬度以及采用半共面波導的長度為大于等于1/11小于等于7/11的介質基片總長度的設計，能夠適應不同的阻抗匹配要求。
[0006]本發明的條形縫隙的數量為2條以上且相互平行。采用2條以上的條形縫隙能夠滿足不同情況下對天線在增益或輻射方向方面的需求。
[0007]本發明的條形縫隙的長度為大于等于1/8小于等于7/8的介質基片總寬度，條形縫隙的縫隙寬度為大于等于1/25小于等于7/25的介質基片總長度。采用長度為大于等于1/8小于等于7/8的介質基片總寬度以及采用寬度為大于等于1/25小于等于7/25的介質基片總長度的設計，能夠滿足對于不同諧振頻率的要求。
[0008]本發明的相鄰條形縫隙之間的距離為大于等于1/7小于等于1/2的介質基片總長度。采用相鄰條形縫隙之間的距離為大于等于1/7小于等于1/2的介質基片總長度的設計，能夠滿足天線在不同增益或輻射方向方面的需求，同時能夠實現調節諧振頻率的需求。
[0009]本發明的有益效果在于:(1)采用半共面波導結構能夠適應不同的阻抗匹配要求，提高了天線的輻射性能；(2)采用半模基片集成波導，有效地減小了天線的尺寸；(3)采用調節半共面波導結構的長度或寬度來調節匹配阻抗的大小，滿足不同尺寸天線阻抗匹配需求；(4)采用改變條形縫隙的數量、尺寸或相對距離來改變天線的工作頻率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的半模基片集成波導雙頻段縫隙天線的正面示意圖；
[0011]圖2為本發明的半模基片集成波導雙頻段縫隙天線的背面示意圖；
[0012]圖3為本發明的半模基片集成波導雙頻段縫隙天線的反射系數Sll隨頻率變化圖；
[0013]圖4為未設置半共面波導結構的天線；
[0014]圖5為設置了共面波導饋電結構的天線；
[0015]圖6為本發明的設置了半共面波導結構的天線；
[0016]圖7為圖4、5和6中采用不同饋電結構時天線的反射系數Sll隨頻率變化圖；
[0017]圖8為本發明的半模基片集成波導雙頻段縫隙天線的輻射方向圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0019]如圖1和2所示，基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線包括矩形的介質基片I和內壁設有導電金屬層的金屬通孔2，在介質基片I的上表面設有上表面金屬層3、半共面波導結構7和饋電微帶線5，在介質基片I的下表面設有下表面金屬層4，在下表面金屬層4上設有兩個相互平行的條形縫隙6，金屬通孔2沿上表面金屬層3的上側邊緣、右側邊緣和下側邊緣均勻分布形成一個半包圍結構，該半包圍結構構成諧振腔，饋電微帶線5位于介質基片的下側邊緣且靠近諧振腔開口處，饋電微帶線5與上表面金屬層3相連，半共面波導結構7和饋電微帶線5相連，上表面金屬層3和下表面金屬層4通過金屬通孔2內壁的導電金屬層相連，兩個條形縫隙6位于諧振腔內且長度方向指向諧振腔的開口。
[0020]介質基片I的總寬度W為天線最低工作頻率時對應真空中波長的1/5至1/3倍；介質基片I的總長度L為天線最低工作頻率對應真空中波長的1/3至1/2倍；兩個條形縫隙6的形狀為長方形；兩個條形縫隙6的長度S1相等且大于等于1/8小于等于7/8的介質基片I總寬度W ;兩個條形縫隙6的寬度Sw相等且大于等于1/25小于等于7/25的介質基片I總長度L ;兩個條形縫隙6的間距D2大于等于1/7小于等于1/2的介質基片I總長度L。在介質基片I的上表面還設有一個半共面波導結構7，半共面波導結構7與饋電微帶線5相連，起到匹配阻抗作用；半共面波導結構7的寬度C2大于等于1/13小于等于3/8的介質基片I總寬度W ;半共面波導結構7與右側上表面金屬層3之間的間距C1大于等于1/13小于等于1/8的介質基片I總寬度W ;半共面波導結構7的長度Dt大于等于1/11小于等于7/11的介質基片I總長度L。本發明的各個尺寸參數相互影響制約，天線的排布及結構設計對天線的性能影響較大，實際應用中根據性能要求和安裝條件的限制，需要對天線的性能參數，例如方向圖、方向性系數、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等進行綜合研究，本發明經過對天線的尺寸、性能、結構排布等方面的權衡，最終得到了下述較佳的結構實施方式，由具體實施例的參數可見，本發明的結構具有顯著的進步效果。
[0021]當介質基片I采用厚度為0.8mm的寬介電常數聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板(F4BM)基板，它的相對介電常數εr為2.2，損耗角正切tan δ為0.001，本發明的優選方案為:介質基片I的總長度L和總寬度W分別為24.8mm和12.4mm ;兩個條形縫隙6的長度SI和寬度Sw分別為7.4mm和Imm,開縫位置D3和D4分別為2.9mm和0.6mm,兩個條形縫隙6的間距D2為12mm ;微帶線5的寬度C3和長度Lm分別為2.4mm和5mm ;金屬通孔2的每個通孔的直徑為1mm,相鄰兩個通孔的間距Lg為1.5mm ;半共面波導結構7的寬度C2、間距Cl和長度 Dt 分別為 0.6mm、0.7mm 和 6mm。與文獻[Rmili H, Floe’h J M, Khaleghi A.Design ofwideband double-sided printed dipole antenna for C_and X-band applications[J].Electronics Letters, 2006, 42 (19): 1076-1077]中C/X雙頻段雙面印刷偶極子天線(尺寸為 75mmX50mm，滿足 SlK-1OdB 的諧振點 6.68GHz、8.88GHz、9.56GHz 和 10.6IGHz 對應增益分別為3dB1、4.1dBi,2.9dBi和3.5dBi)相比，該本發明的天線的面積是該文獻中天線的8.2%，而天線的性能基本一樣，實現了小尺寸的C/X雙頻段工作天線。
[0022]如圖3所示，對比了半共面波導饋電半模基片集成波導雙頻段縫隙天線的反射系數Sll隨頻率變化的仿真曲線和測量曲線，證明該雙頻段縫隙天線能同時工作在C頻段(諧振點頻率為5.74GHz，對應的Sll為-21.86dB)和X頻段(諧振點頻率為11.36GHz，對應的Sll為-25.09dB), C頻段諧振點對應半模基片集成波導諧振腔的半TEltll模式，X頻段諧振點對應半模基片集成波導諧振腔的半TEltl2模式。
[0023]如圖4、5、6和7所示，分別給出了天線的三種饋電結構，其中，圖4為未設置半共面波導結構的天線，圖5為設置了共面波導饋電結構的天線，圖6為設置了半共面波導結構的天線；圖7為三種結構下基于半模基片集成波導縫隙天線的反射系數Sll隨頻率變化仿真圖，可見采用半共面波導結構比未設置半共面波導結構和設置共面波導饋電結構的天線具有較好的諧振峰，能夠更好地實現阻抗匹配，降低了天線的能量損耗，提高了天線的輻射性能。
[0024]如圖8所示，半模基片集成波導雙頻段縫隙天線在E面和H面輻射方向圖的仿真和測量結果基本一致，天線在C頻段諧振點具有全向輻射特性(諧振點增益為2.2dBi )，在X頻段諧振點具定向輻射特性(諧振點增益為5.4dBi)。
【權利要求】
1.一種基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，包括矩形的介質基片(I)和內壁設有導電金屬層的金屬通孔(2)，其特征在于:所述介質基片(I)的上表面設有上表面金屬層(3)、饋電微帶線(5)和半共面波導結構(7)，所述介質基片(I)的下表面設有下表面金屬層(4)，所述下表面金屬層(4)上設有條形縫隙(6)，所述上表面金屬層(3)和下表面金屬層(4)通過金屬通孔(2)內壁的導電金屬層相連，所述金屬通孔(2)沿上表面金屬層(3)的邊緣分布并圍成一個半包圍結構，所述半包圍結構構成諧振腔，所述饋電微帶線(5)位于諧振腔開口的側邊，并與上表面金屬層(3)相連，所述半共面波導結構(7)為饋電微帶線(5)提供匹配阻抗，并與饋電微帶線(5)相連，所述條形縫隙(6)位于的諧振腔內且長度方向指向諧振腔開口。
2.根據權利要求1所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:所述半共面波導(7)的寬度大于等于1/13小于等于3/8的介質基片(I)的總寬度，長度大于等于1/11小于等于7/11的介質基片(I)的總長度。
3.根據權利要求1或2所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:所述條形縫隙(6)的數量為兩條以上且相互平行。
4.根據權利要求1或2所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:所述條形縫隙(6)的縫隙長度大于等于1/8小于等于7/8的介質基片(I)的總寬度，縫隙寬度大于等于1/25小于等于7/25的介質基片(I)的總長度。
5.根據權利要求3所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:所述條形縫隙(6)的縫隙長度大于等于1/8小于等于7/8的介質基片(I)的總寬度，縫隙寬度大于等于1/25小于等于7/25的介質基片(I)的總長度。
6.根據權利要求3所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:相鄰兩個條形縫隙(6)之間的距離大于等于1/7小于等于1/2的介質基片(I)的總長度。
7.根據權利要求5所述的基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線，其特征在于:相鄰兩個條形縫隙(6)之間的距離大于等于1/7小于等于1/2的介質基片(I)的總長度。
【文檔編號】H01Q5/10GK103515710SQ201310342070
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】譚立容, 劉豫東 申請人:南京信息職業技術學院