CN101383446A

CN101383446A - 三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线

Info

Publication number: CN101383446A
Application number: CNA2008100719673A
Authority: CN
Inventors: 周建华; 罗勇; 林斌; 郑建森; 李伟文; 游佰强; 熊兆贤
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: CN101383446B

Abstract

三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，涉及一种阿基米德螺旋天线，尤其是涉及一种三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线。提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗低、能够三频段工作，且具有全向辐射特性的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线。设有双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板由至少1层介电常数渐变的陶瓷材料层构成，陶瓷基板的一面镀银层为阿基米德螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为光子带隙结构。

Description

三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种阿基米德螺旋天线，尤其是涉及一种三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线。

背景技术

RFID射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，近年来已经获得了一系列的成果。其中，一些成果已经开始在众多领域中得到实际应用，并将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。从长远的观点看，这项技术与互联网、通讯等技术紧密结合，应用于物流、制造、公共信息服务等众多行业，可实现高效管理与运作，使之进一步提升高新技术含量。

随着无线通信系统和用户人数的发展，对系统通信容量提出更高的要求。为此，人们提出了第三代移动通信系统，其中采用直接扩频技术的WCDMA除了提供传统的语音服务以外，还提供图像、数据等宽带多媒体服务。

天线设计及制造技术是射频识别技术及3G系统移动终端的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统及3G系统移动终端的工作性能及应用领域，天线在RFID系统及3G系统移动终端中具有举足轻重的地位。射频识别系统的两个常用工作频段的频率范围分别为0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz，其带宽要求分别为26MHz和83.5MHz。WCDMA系统射频的工作频率范围是1.92～2.17GHz，频宽达250MHz。对于RFID系统和WCDMA移动终端的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0dB以上。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小、难以实现双频段工作等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。目前商用的3G系统移动终端天线主要采用鞭状天线，其缺点是尺寸不易缩小，工作带宽小，且人体邻近效应的存在造成辐射方向覆盖不均匀。现代无线通信技术的发展，迫切需要一款天线能够兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。

相比于传统的基底材料，陶瓷基底具有介电常数高、介质损耗小等优点，使用陶瓷基底可以有效缩小天线尺寸。而介电常数渐变的陶瓷基底，可以有效地展宽天线的工作频段。阿基米德螺旋天线是随着现代通信发展的要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线，它以频带宽、圆极化、重量轻、剖面低、可共形、制造成本低、辐射效率高等独特优点，得到了广泛的研究和应用。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。

以上内容可参见文献：[1]张钧，刘克诚等，微带天线理论与工程[M]，北京：国防工业出版社，1988年7月；[2]Ahmed Ibrahiem，Tan-Phu Vuong，Anthony Ghiotto，et al，“New DesignAntenna for RFID UHF tags”，IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，pp.1355-1358，July 2006；[3]闫敦豹，袁乃昌，张光甫，付云起，PBG结构在微带有源天线中的应用[J]，电子与信息学报，2003，25(8)：1139—1142；[4]Baiqiang You，Jianhua Zhou，HaoChen，＂The Application of PBG Configuration in Planar Spiral Antenna＂，ASID 2007，pp.44-47，ISBN 1-4244-1034-7，EI：073910833338；[5]Bin Lin，Baiqiang You，Jianhua Zhou，＂TheMicrostrip Antennawith PBG used for 3G System＂，ASID 2007，pp.44-47，ISBN 1-4244-1034-7，EI：073910833356。

目前，把介电常数渐变的陶瓷基底、阿基米德螺旋天线、PBG结构结合起来实现三频带工作，并应用在RFID系统与3G系统移动终端中0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段的相关技术未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、带宽大、回波损耗低、能够三频段工作，且具有全向辐射特性的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线。

本发明采用了介电常数渐变的陶瓷基底、阿基米德螺旋天线、光子带隙结构相结合的技术方案。

本发明设有双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板由至少1层介电常数渐变的陶瓷材料层构成，陶瓷基板的一面镀银层为阿基米德螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为光子带隙结构。

阿基米德螺旋片结构为旋涡状的螺旋结构，旋涡状的螺旋结构设有2条螺旋臂和1条连接臂，2条螺旋臂为由内向外扩径旋转的螺旋臂，2条螺旋臂的结构、尺寸、旋转方向和旋转角度均相同，2条螺旋臂之间设有相位差，相位差为180°，2条螺旋臂的内端为起始端，2条螺旋臂的外端为终止端；连接臂设于螺旋片结构的中央，连接臂的两端分别与2条螺旋臂的起始端连接，连接臂设有中心孔，中心孔的侧边设有馈电点。

光子带隙结构设有至少2行2列(或至少4片)镀银片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行。

陶瓷基板优选矩形陶瓷基板，最好为正方形陶瓷基板。陶瓷基板最好由至少7层介电常数渐变的陶瓷材料层构成。各层陶瓷材料层的介电常数最好呈等差直线性变化。

光子带隙结构的各镀银片的形状优选矩形，最好为正方形。

与用于射频识别(RFID)系统和3G系统移动终端的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

尺寸小、带宽大、辐射特性好、能够三频段工作，其工作频带为0.558～1.249GHz、1.377～2.10GHz和2.10～2.636GHz，其绝对带宽分别为0.691GHz、0.723GHz和0.536GHz，其相对带宽分别为72.74％、42.53％和22.33％，可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。天线尺寸为常规微带天线尺寸的30％，达到了小型化天线的目的，完全可以将其放到射频识别系统的标签、读写器或3G系统移动终端里。而且本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳、易于集成和能够批量生产等优点。能够满足RFID应用系统和3G系统移动终端对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的阿基米德螺旋片结构示意图。

图2为本发明实施例的光子带隙结构示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。图3中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度Thereturn loss.of the antenna(dB)。

图4为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。

图5为本发明实施例的E面方向图。坐标为极坐标。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，本发明设有双面镀银的正方形陶瓷基板3，陶瓷基板3的一面镀银层为阿基米德螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为光子带隙结构。

阿基米德螺旋片结构1为旋涡状的螺旋结构，设有2条由内向外扩径旋转的阿基米德螺旋臂11和12，另设有1条连接臂13，2条螺旋臂11和12的结构和尺寸相同，并且旋转方向和旋转角度相同，2条螺旋臂11与12之间设有相位差，相位差为180°，2条螺旋臂11和12的内端为起始端，2条螺旋臂11和12的外端为终止端；连接臂13设于螺旋片结构1的中央，连接臂13的两端分别与2条螺旋臂11和12的内端连接，连接臂13设有中心孔A，中心孔A的侧边设有馈电点。2条螺旋臂11和12的旋转角度为450°，即1.25圈。

介电常数渐变的陶瓷基板由11层介电常数渐变的陶瓷材料层组成，陶瓷基板是边长为35mm±1mm的正方形，第1层陶瓷陶瓷材料层的介电常数最好为20，厚度为1.0mm±0.05mm；第2层陶瓷基板的介电常数最好为22，厚度为0.2mm±0.01mm；第3层陶瓷基板的介电常数最好为24，厚度为0.2mm±0.01mm；第4层陶瓷基板的介电常数最好为26，厚度为0.2mm±0.01mm；第5层陶瓷基板的介电常数最好为28，厚度为0.2mm±0.01mm；第6层陶瓷基板的介电常数最好为30，厚度为0.2mm±0.01mm；第7层陶瓷基板的介电常数最好为28，厚度为0.2mm±0.01mm；第8层陶瓷基板的介电常数最好为26，厚度为0.2mm±0.01mm；第9层陶瓷基板的介电常数最好为24，厚度为0.2mm±0.01mm；第10层陶瓷基板的介电常数最好为24，厚度为0.2mm±0.01mm；第11层陶瓷基板的介电常数最好为20，厚度为1.0mm±0.05mm。

光子带隙结构设有3行3列共8片(4大4小)镀银片，标号为21～28。其中第一行设有标号为21～23的3片镀银片，第二行设有标号为24～25的2片镀银片，第三行设有标号为26～28的3片镀银片，行与行之间相互平行；第一列设有3片镀银片，第二列设有2片镀银片，第三列设有3片镀银片，列与列之间相互平行，每行中的各片镀银片之间相互平行，每列中的各片镀银片之间相互平行。

光子带隙结构的各镀银片的形状为正方形。光子带隙结构第一行左、右两片镀银片的边长最好为8mm±0.1mm，第一行中间的镀银片的边长最好为4mm±0.1mm；第二行左、右两片镀银片的边长最好为4mm±0.1mm，第二行中间无镀银片；第三行左、右两片镀银片的边长最好为8mm±0.1mm，第三行中间的镀银片的边长最好为4mm±0.1mm。

光子带隙结构第一行左边镀银片的左边沿与陶瓷基板左边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第一行右边镀银片的右边沿与陶瓷基板右边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第一行左、右两片镀银片的上边沿与陶瓷基板上边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第一行中间的镀银片的上边沿与陶瓷基板上边沿的距离最好为5.5mm±0.1mm，第一行左边镀银片的右边沿与中间镀银片的左边沿的距离最好为4mm±0.1mm，第一行右边镀银片的左边沿与中间镀银片的右边沿的距离最好为4mm±0.1mm。第二行左边镀银片的左边沿与陶瓷基板左边沿的距离最好为5.5mm±0.1mm，第二行右边镀银片的右边沿与陶瓷基板右边沿的距离最好为5.5mm±0.1mm，第二行左、右两片镀银片的上边沿与第一行左、右两片镀银片的下边沿的距离最好为4mm±0.1mm，第二行左、右两片镀银片的下边沿与第三行左、右两片镀银片的上边沿的距离最好为4mm±0.1mm。第三行左边镀银片的左边沿与陶瓷基板左边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第三行右边镀银片的右边沿与陶瓷基板右边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第三行左、右两片镀银片的下边沿与陶瓷基板下边沿的距离最好为3.5mm±0.1mm，第三行中间的镀银片的下边沿与陶瓷基板下边沿的距离最好为5.5mm±0.1mm，第三行左边镀银片的右边沿与中间镀银片的左边沿的距离最好为4mm±0.1mm，第三行右边镀银片的左边沿与中间镀银片的右边沿的距离最好为4mm±0.1mm。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；

2.需采用高性能微波低耗双面镀银陶瓷基板，tgδ<0.002。

参见图3，图3给出了本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了0.558～1.249GHz、1.377～2.10GHz和2.10～2.636GHz，工作频带内的回波损耗都在—10dB以下，三个工作频带内的最小回波损耗分别为—20.33dB、—18.35dB和—14.34dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽分别为0.691GHz、0.723GHz和0.536GHz，其相对带宽分别为72.74％、42.53％和22.33％，远优于常规的微带天线，可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.902～0.928GHz、1.92～2.17GHz和2.4～2.4835GHz这三个工作频段。

参见图4，图4中可见，天线有两个瓣，一个在300°～60°之间，另一个在120°～240°之间。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。

参见图5，图5中可见，天线主瓣在300°～60°之间。

将图4与图5对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。

从天线回波损耗(S₁₁)性能图(参见图3)可以看出，天线可兼容射频识别系统和3G系统移动终端，同时覆盖0.558～1.249GHz、1.377～2.10GHz和2.10～2.636GHz这三个工作频段，达到了射频识别(RFID)系统和3G系统移动终端对于天线的要求。从天线的H面和E面方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。

Claims

1、三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于设有双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板由至少1层介电常数渐变的陶瓷材料层构成，陶瓷基板的一面镀银层为阿基米德螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为光子带隙结构。

2.如权利要求1所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于阿基米德螺旋片结构为旋涡状的螺旋结构，旋涡状的螺旋结构设有2条螺旋臂和1条连接臂。

3.如权利要求2所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于2条螺旋臂为由内向外扩径旋转的螺旋臂，2条由内向外扩径旋转的螺旋臂的结构、尺寸、旋转方向和旋转角度均相同。

4.如权利要求2所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于2条螺旋臂之间设有相位差，相位差为180°。

5.如权利要求2所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于2条螺旋臂的内端为起始端，2条螺旋臂的外端为终止端。

6.如权利要求2所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于连接臂设于螺旋片结构的中央，连接臂的两端分别与2条螺旋臂的起始端连接，连接臂设有中心孔，中心孔的侧边设有馈电点。

7.如权利要求1所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于光子带隙结构设有至少2行2列或至少4片镀银片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行。

8.如权利要求1所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于陶瓷基板为矩形陶瓷基板，光子带隙结构的各镀银片的形状为矩形。

9.如权利要求1所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于陶瓷基板由至少7层介电常数渐变的陶瓷材料层构成。

10.如权利要求1所述的三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，其特征在于各层陶瓷材料层的介电常数呈等差直线性变化。