一種微帶漸變縫隙天線的製作方法

2023-04-23 03:03:01 4

專利名稱：一種微帶漸變縫隙天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線通信的微帶天線，確切地說，涉及一種微帶漸變縫隙天線，屬於微帶漸變縫隙天線的技術領域。
背景技術：
自無線通信誕生之日起，更高的數據傳輸速率就成為是通信行業始終如一的追求目標。隨著無線通信應用的不斷發展，有限的無線頻譜資源變得越來越緊張，低頻段的無線頻譜資源已經分配殆盡。從發展趨勢上來講，人們正在逐步地開發利用更高的頻率資源。近些年，通信行業裡已經出現了頻率在幾十GHz乃至上百GHz的無線系統應用。根據仙農公式，信道的數據傳輸率是與信道的帶寬成正比的，因此通過增加信道的帶寬來提高其數據傳輸速率是一種重要的方法。作為無線通信的電磁波發射與接收器件，寬帶天線是天線研究的一個重要分支，比如，自從2002年美國聯邦通信委員會公布了工作於3. 1 10. 6GHz 的超寬帶通信規範後，近年來，研究人員已經提出數以百計的超寬帶天線模型。微帶漸變縫隙天線具有工作帶寬寬、尺寸小、良好的定向性等許多優點，非常適合組成一維和二維的寬帶掃描陣。一維和二維的漸變縫隙天線的天線掃描陣常用於射電天文及軍事雷達通信系統。寬帶天線的優勢是顯而易見的，比如可以用一個覆蓋3 IOGHz的陣列替換原來多個分別工作於各自頻點的窄帶天線陣列，這樣既減少了設備的數量及複雜度，同時減小了天線佔用的空間、節省了成本。微帶漸變縫隙天線的超寬帶特性是因為對於整個工作頻段內的不同頻點電磁波是由漸變縫隙的不同部分分別輻射的，比如高頻的電磁波是由窄縫部分發射和接收，低頻的電磁波則由縫寬較寬的縫隙部分發射和接收。自從1979年吉布森(P. J. Gibson)提出漸變式微帶縫隙天線後，眾多學者對這種新型的微帶天線進行了研究，並提出了不同漸變形式和這種天線不同的饋電方法。常見的微帶漸變縫隙天線從金屬層的層數上可分為兩層微帶漸變縫隙天線(參見圖1)和三層微帶漸變縫隙天線。其中，兩層微帶漸變縫隙天線包含一層介質基板和分別蝕刻在基板頂層與底層的兩層金屬一層金屬為漸變縫隙層(參見圖1(a))，另一層金屬為微帶線饋電層 (參見圖1(b))。圖1中的漸變縫隙層的兩條曲線12和13是對Y軸對稱的兩條指數曲線。 該天線採用微帶線14饋電，微帶線14的末端採用扇形15和漸變縫隙的起始處17採用圓形縫隙都是為了提高天線的阻抗匹配帶寬。兩層微帶漸變縫隙天線發送信號的過程為(1)發射信號通過微帶埠 19傳輸到微帶饋電層的微帶線14上；( 微帶線14通過耦合將發射信號耦合至漸變縫隙層的窄縫 18上；(3)發射信號沿窄縫18張開的方向傳播，並在某段縫隙處往縫隙開口方向向外發送信號。兩層漸變縫隙天線的一個明顯缺點是天線的輻射方向圖存在旁瓣，天線的交叉極化特性較差。三層微帶漸變縫隙天線是在介質基板的頂層和底層均採用結構、形狀完全相同的漸變縫隙層(這兩層的指數曲線均為X= 士aXeXp(bX(y-y(l))，其中間層採用帶狀線饋電。這種結構使得天線傳輸的能量全部由兩層漸變縫隙層輻射出去，饋線不再直接往外輻射能量，所以三層漸變縫隙天線的交叉極化特性良好。但是，無論是兩層漸變縫隙天線還是三層漸變縫隙天線，怎樣進一步拓寬微帶漸變縫隙天線的帶寬也是一個非常重要的問題。 因為採用如圖1所示的左右對稱的指數曲線，決定了縫隙的最大開口寬帶就是介質基板的寬度，這個最大開口寬度也限制了天線的最低工作頻點。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種適用於寬帶無線通信的微帶漸變縫隙天線。 該天線帶寬寬、增益高，同時具有尺寸小、結構較簡單等優點。個為了達到上述發明目的，本發明提供了一種微帶漸變縫隙天線，由一個長方體形狀的介質基板和分別位於該介質基板的頂層與底層，以及嵌夾在該介質基板中間的共三層金屬層所組成的三層漸變縫隙天線，其中頂層與底層的金屬層是漸變縫隙層，中間層是帶狀線饋電層；其特徵在於該天線的頂層及底層的漸變縫隙金屬鍍層形狀，除去其中的兩條指數曲線是互換位置而呈一側邊緣的縱軸對稱以外，其他部分完全相同所述漸變縫隙起始於一個其圓心位於該介質基板的縱軸上的圓，該圓與四個指數方程定義的非對稱指數曲線相連，直至介質基板的上邊緣或側邊緣；所述頂層的兩條指數曲線方程分別為x =-aXexp ^1X (y-y0)), χ = aXexp (b2X (y-y0))；底層的兩條指數曲線方程分別為χ = aXexp ^1X (y-y0)), χ = -aXexp (b2X (y-y0))；式中，a、b」 b2、y。均為設定常數，2Xa 為指數曲線起始處的縫隙寬度，Y0為指數曲線起始點的縱軸Y坐標值，h和Id2分別為指數曲線的漸變曲率，且h ^b2，即同一側金屬層上的兩條曲線的漸變曲率不同，且漸變曲率大的曲線的縱軸Y的最大值要小於漸變曲率小的曲線縱軸Y的最大值，以增大該天線的最大開口尺寸，使其大於介質基板的寬度和降低天線的最低工作頻點。為了達到上述發明目的，本發明還提供了一種微帶漸變縫隙天線的工作方法，其特徵在於包括下列操作步驟(1)發射信號經由饋電層的帶狀線埠傳輸到帶狀線；(2)帶狀線通過耦合將發射信號傳輸至介質基板的頂層與底層的金屬層的圓形縫隙和兩條指數曲線的漸變縫隙的窄縫處；(3)發射信號沿著漸變縫隙的張開方向傳播，並在某段縫隙處往縫隙開口方向輻射發射信號的電磁波。本發明是一種結構改進的三層漸變縫隙天線，其創新結構的特點是採用了非對稱的指數型曲線的縫隙，張寬了縫隙的最大開口尺寸，從而降低了天線的低頻工作頻率。此外，本發明天線還首創地設計上、下兩對指數型曲線的縫隙排列形狀，使得其呈開口方向的對稱結構，由此兩層輻射體所輻射的電磁波疊加後的主瓣方向就與縫隙的開口方向一致。 本發明天線的性能特點是工作頻帶寬、高增益、定向性好、結構緊湊、特別適合組成一維或二維的陣列天線。上述特點使得本發明天線具有獨特優勢，具有很好的推廣應用前景。


圖1 (a)、(b)分別是兩層微帶漸變縫隙天線的頂層與底層結構組成示意圖。
圖2是本發明三層微帶漸變縫隙天線的結構組成側視圖。圖3(a)、(b)、(C)分別是本發明微帶漸變縫隙天線的漸變縫隙頂層、微帶饋電層與漸變縫隙底層的三層金屬層結構組成示意圖。圖4是本發明實施例中的回波損耗曲線仿真結果示意圖。圖5是本發明實施例中頻率12. 5GHz時識=0°方向圖的仿真結果示意圖。圖6是本發明實施例中頻率12. 5GHz時識=90°方向圖的仿真結果示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。參見圖2和圖3，介紹本發明微帶漸變縫隙天線的結構組成該天線的結構與傳統的三層漸變縫隙天線無異，也是由一個長方體形狀的介質基板23(其長X寬X高，即縱軸Y、橫軸X與厚度Z軸的尺寸分別為20 150X20 150X0. 8 2. Omm3)和分別位於該介質基板23的頂層與底層，以及嵌夾在該介質基板23 中間的共三層金屬層所組成，其中頂層20與底層22的金屬層是漸變縫隙層，中間層21是帶狀線饋電層。介質基板的相對介電常數為2 10，損耗正切角為0 0. 1，推薦選用相對介電常數較小的介質基板為佳。因為銅的電導率為5. 8X IO7西門子/米，沒有保護鍍膜的裸銅很容易被氧化，因此，頂層和底層的金屬層20、22都採用銅箔表面鍍金，以防止銅箔氧化而影響天線的電性能及輻射性能。而嵌夾在介質基板中間的金屬層21則可以選用銅箔或銅箔表面鍍金。介質基板的銅箔的厚度為0. 03 0. 08mm，鍍金層的厚度為0. 05 0. 08微米。本發明的最大創新是天線的頂層20及底層22的漸變縫隙金屬鍍層形狀，除去其中的兩條指數曲線是互換位置而呈一側邊緣的縱軸對稱以外，其他部分完全相同。頂層20 及底層22的漸變縫隙9和10都分別起始於一個圓7和8，該兩個圓7和8的圓心都位於介質基板23的縱軸線上。而且，該兩個圓7和8分別與其四個指數方程定義的非對稱指數曲線1、2和3、4相連，直至介質基板的上邊緣或側邊緣(如圖3所示)。誠然，這個天線漸變縫隙金屬層上的兩個圓也可以是先經過一段縫隙寬度固定的窄縫過渡後，再與同樣的四個指數方程定義的指數曲線相連接，直至介質基板的上邊緣。本發明天線頂層的兩條指數曲線1和2的數學表達式分別為x =-a Xexp Od1 X (y-y0) ),x = aXexp (b2X (y-y0))；底層的兩條指數曲線3和4數學表達式分別為 χ = a Xexp ^1X (y-y0)),x = -a Xexp (b2X (y-y0))；式中，a、b^ Iv y。均為設定常數，2Xa為指數曲線起始處的縫隙寬度，^為指數曲線起始點的縱軸Y坐標值，Id1和1^2分別為指數曲線的漸變曲率，且、^b2，即同一側金屬層上的兩條曲線的漸變曲率不同，且漸變曲率大的曲線的縱軸Y的最大值要小於漸變曲率小的曲線縱軸Y的最大值，以增大該天線的最大開口尺寸，使其大於介質基板的寬度和降低天線的最低工作頻點。例如，圖3中的曲線2和3中y的取值範圍是[%，yj，曲線1和4的中y的取值範圍是[^，y2]，由於曲線 2和3的漸變曲率大於曲線1和4的漸變曲率，因此曲線2和3的y最大取值yi就要小於曲線1、4的y最大取值y2。本發明中間層的帶狀線6的起始處埠 11，末端5為扇形，而漸變縫隙9和10的起始處是圓形，其目的是使帶狀線與縫隙之間匹配良好，以確保天線的阻抗帶寬和能量傳輸的效率。本發明頂層金屬層或底層金屬層各自的輻射方向圖的主瓣方向都不與Y軸平行， 而是兩者之間存在一定角度的偏差(參見圖幻。而且，為確保天線輻射方向圖的主瓣方向與天線開口的方向一致，該天線的頂層金屬層必須與底層金屬層呈縱軸Y向對稱，以使該兩層金屬層的輻射方向圖疊加後方向圖的主瓣方向與開口方向相同。下面介紹本發明微帶漸變縫隙天線的工作方法包括下列操作步驟(1)發射信號經由饋電層的帶狀線埠傳輸到帶狀線；(2)帶狀線通過耦合將發射信號傳輸至介質基板的頂層與底層的金屬層的圓形縫隙和兩條指數曲線的漸變縫隙的窄縫處；(3)發射信號沿著漸變縫隙的張開方向傳播，並在某段縫隙處往縫隙開口方向輻射發射信號的電磁波。本發明已經進行了實施試驗，現在簡要介紹實施例的試驗情況實施例的天線結構如圖2和圖3所示，介質基板的相對介電常數為2. 2，損耗正切角為0.02，其長。寬、高分別為50. 8X77. 6X 1mm3。金屬層的銅箔厚度約為0. 05mm，鍍金層厚度約為0. 075微米。本發明天線的指數曲線的漸變縫隙起始處採用圓形縫隙，該圓心的坐標為41mm， 0mm，半徑為1.59mm。這個圓與指數方程定義的指數曲線相連接直至介質基板的上邊緣和側邊緣。這四條指數曲線的方程分別為曲線1 :x = -0.2MXexp(2.42y-43.3)，曲線 2 :x = 0. 254 X exp (3y-43. 3)，曲線 3 :x = _0· 254 X exp (2. 42y-43. 3)，曲線 4 :x = 0. 254X exp (3y_43. 3)；其中，曲線1和3的縱軸坐標y = [44. 3，77. 6]mm,曲線2和4的縱軸坐標y= W4.3，73.2]mm。天線的帶狀線起始處的特性阻抗為50歐姆，對應的帶狀線的線寬為0. 81mm，其末端採用圓心位於(0. 26mm, 34. 75mm)、半徑為2. 67mm的扇形，該扇形的角度為100度。參見圖4.，介紹本發明實施例的回波損耗曲線仿真結果，從圖中可以看出回波損耗小於IOdB的帶寬覆蓋2. 9 25GHz，超過8倍頻程。再參見圖5和圖6，介紹實施例中的天線在12. 5GHz處爐=0° (圖3中的XY截面) 及爐=90° (圖3中的H截面)的二維輻射方向圖，從圖中可以看出天線的方向圖主瓣方向與天線開口方向一致，天線具有良好的定向性。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的範圍之內。
權利要求
1.一種微帶漸變縫隙天線，由一個長方體形狀的介質基板和分別位於該介質基板的頂層與底層，以及嵌夾在該介質基板中間的共三層金屬層所組成的三層漸變縫隙天線，其中頂層與底層的金屬層是漸變縫隙層，中間層是帶狀線饋電層；其特徵在於該天線的頂層及底層的漸變縫隙金屬鍍層形狀，除去其中的兩條指數曲線是互換位置而呈一側邊緣的縱軸對稱以外，其他部分完全相同所述漸變縫隙起始於一個其圓心位於該介質基板的縱軸上的圓，該圓與四個指數方程定義的非對稱指數曲線相連，直至介質基板的上邊緣或側邊緣；所述頂層的兩條指數曲線方程分別為X = -BXexp^1X (y-y0)), X = aXexp (b2X (y-y0))；底層的兩條指數曲線方程分別為χ = aXexp ^1X (y-y0)), χ = -aXexp(b2X(y-y0))；式中，^Vlvyci均為設定常數，2 X a為指數曲線起始處的縫隙寬度，L為指數曲線起始點的縱軸Y坐標值A和Id2分別為指數曲線的漸變曲率，且ID1 Φ b2, 即同一側金屬層上的兩條曲線的漸變曲率不同，且漸變曲率大的曲線的縱軸Y的最大值要小於漸變曲率小的曲線縱軸Y的最大值，以增大該天線的最大開口尺寸，使其大於介質基板的寬度和降低天線的最低工作頻點。
2.根據權利要求1所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述介質基板的相對介電常數為2 10，損耗正切角為0 0. 1，以選用相對介電常數較小的介質基板為佳。
3.根據權利要求1所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述介質基板頂層和底層的金屬層採用銅箔表面鍍金，以防止銅箔氧化而影響天線的電性能及輻射性能；而嵌夾在介質基板中間的金屬層則由銅箔或銅箔表面鍍金構成。
4.根據權利要求2或3所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述介質基板的長X 寬，即其縱軸Y與橫軸X的尺寸為20 150X20 150mm，其厚度為0. 8 2. Omm ；銅箔的厚度為0. 03 0. 08mm，鍍金層的厚度為0. 05 0. 08微米。
5.根據權利要求1所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述漸變縫隙金屬層上的圓是先經過一段縫隙寬度固定的窄縫過渡後，再與所述四個同樣的指數方程定義的指數曲線相連接，直至介質基板的上邊緣或側邊緣。
6.根據權利要求1所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述中間層的帶狀線的末端為扇形，以及漸變縫隙的起始處是圓形，其目的是使帶狀線與縫隙之間匹配良好，以確保天線的阻抗帶寬和能量傳輸的效率。
7.根據權利要求1所述的微帶漸變縫隙天線，其特徵在於所述頂層金屬層或底層金屬層各自的輻射方向圖的主瓣方向都不與Y軸平行，而是兩者之間存在一定角度的偏差； 且為確保天線輻射方向圖的主瓣方向與天線開口的方向一致，該天線的頂層金屬層必須與底層金屬層呈縱軸Y向對稱，以使該兩層金屬層的輻射方向圖疊加後的方向圖的主瓣方向與開口方向相同。
8.一種微帶漸變縫隙天線的工作方法，其特徵在於包括下列操作步驟(1)發射信號經由饋電層的帶狀線埠傳輸到帶狀線；(2)帶狀線通過耦合將發射信號傳輸至介質基板的頂層與底層的金屬層的圓形縫隙和兩條指數曲線的漸變縫隙的窄縫處；(3)發射信號沿著漸變縫隙的張開方向傳播，並在某段縫隙處往縫隙開口方向輻射發射信號的電磁波。
全文摘要
一種微帶漸變縫隙天線，是三層漸變縫隙天線，其創新特點是該天線的頂層和底層為非對稱的指數型曲線漸變縫隙的金屬鍍層，張寬了縫隙的最大開口尺寸，降低了天線的低頻工作頻率。且除去其中兩條指數曲線互換位置而呈一側邊緣的縱軸對稱以外，其他部分完全相同漸變縫隙起始於一個其圓心位於介質基板縱軸上的圓，該圓與四個指數方程定義的非對稱指數曲線相連，直至介質基板的上邊緣或側邊緣；另外，同側金屬層的兩條曲線的漸變曲率不同，漸變曲率大的曲線的縱軸最大值要小於漸變曲率小的曲線縱軸最大值，以增大該天線的最大開口尺寸，使其大於介質基板的寬度和降低天線的最低工作頻點。該天線的結構緊湊、工作頻帶寬、增益高、定向性好。
文檔編號H01Q13/10GK102509869SQ20111030696
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者劉紹華, 姚遠, 曾慶豪 申請人:北京郵電大學