CN102509869B - 一种微带渐变缝隙天线 - Google Patents

Abstract

一种微带渐变缝隙天线，是三层渐变缝隙天线，其创新特点是该天线的顶层和底层为非对称的指数型曲线渐变缝隙的金属镀层，张宽了缝隙的最大开口尺寸，降低了天线的低频工作频率。且除去其中两条指数曲线互换位置而呈一侧边缘的纵轴对称以外，其他部分完全相同：渐变缝隙起始于一个其圆心位于介质基板纵轴上的圆，该圆与四个指数方程定义的非对称指数曲线相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘；另外，同侧金属层的两条曲线的渐变曲率不同，渐变曲率大的曲线的纵轴最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点。该天线的结构紧凑、工作频带宽、增益高、定向性好。

Description

一种微带渐变缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信的微带天线，确切地说，涉及一种微带渐变缝隙天线，属于微带渐变缝隙天线的技术领域。

背景技术

自无线通信诞生之日起，更高的数据传输速率就成为是通信行业始终如一的追求目标。随着无线通信应用的不断发展，有限的无线频谱资源变得越来越紧张，低频段的无线频谱资源已经分配殆尽。从发展趋势上来讲，人们正在逐步地开发利用更高的频率资源。近些年，通信行业里已经出现了频率在几十GHz乃至上百GHz的无线系统应用。根据仙农公式，信道的数据传输率是与信道的带宽成正比的，因此通过增加信道的带宽来提高其数据传输速率是一种重要的方法。作为无线通信的电磁波发射与接收器件，宽带天线是天线研究的一个重要分支，比如，自从2002年美国联邦通信委员会公布了工作于3.1～10.6GHz的超宽带通信规范后，近年来，研究人员已经提出数以百计的超宽带天线模型。

微带渐变缝隙天线具有工作带宽宽、尺寸小、良好的定向性等许多优点，非常适合组成一维和二维的宽带扫描阵。一维和二维的渐变缝隙天线的天线扫描阵常用于射电天文及军事雷达通信系统。

宽带天线的优势是显而易见的，比如可以用一个覆盖3～10GHz的阵列替换原来多个分别工作于各自频点的窄带天线阵列，这样既减少了设备的数量及复杂度，同时减小了天线占用的空间、节省了成本。

微带渐变缝隙天线的超宽带特性是因为对于整个工作频段内的不同频点电磁波是由渐变缝隙的不同部分分别辐射的，比如：高频的电磁波是由窄缝部分发射和接收，低频的电磁波则由缝宽较宽的缝隙部分发射和接收。

自从1979年吉布森（P.J.Gibson）提出渐变式微带缝隙天线后，众多学者对这种新型的微带天线进行了研究，并提出了不同渐变形式和这种天线不同的馈电方法。常见的微带渐变缝隙天线从金属层的层数上可分为两层微带渐变缝隙天线（参见图1）和三层微带渐变缝隙天线。其中，两层微带渐变缝隙天线包含一层介质基板和分别蚀刻在基板顶层与底层的两层金属：一层金属为渐变缝隙层（参见图1（a）），另一层金属为微带线馈电层（参见图1（b））。图1中的渐变缝隙层的两条曲线12和13是对Y轴对称的两条指数曲线。该天线采用微带线14馈电，微带线14的末端采用扇形15和渐变缝隙的起始处17采用圆形缝隙都是为了提高天线的阻抗匹配带宽。

两层微带渐变缝隙天线发送信号的过程为：（1）发射信号通过微带端口19传输到微带馈电层的微带线14上；（2）微带线14通过耦合将发射信号耦合至渐变缝隙层的窄缝18上；（3）发射信号沿窄缝18张开的方向传播，并在某段缝隙处往缝隙开口方向向外发送信号。两层渐变缝隙天线的一个明显缺点是天线的辐射方向图存在旁瓣，天线的交叉极化特性较差。

三层微带渐变缝隙天线是在介质基板的顶层和底层均采用结构、形状完全相同的渐变缝隙层（这两层的指数曲线均为x=±a×exp(b×(y-y₀)），其中间层采用带状线馈电。这种结构使得天线传输的能量全部由两层渐变缝隙层辐射出去，馈线不再直接往外辐射能量，所以三层渐变缝隙天线的交叉极化特性良好。但是，无论是两层渐变缝隙天线还是三层渐变缝隙天线，怎样进一步拓宽微带渐变缝隙天线的带宽也是一个非常重要的问题。因为采用如图1所示的左右对称的指数曲线，决定了缝隙的最大开口宽带就是介质基板的宽度，这个最大开口宽度也限制了天线的最低工作频点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于宽带无线通信的微带渐变缝隙天线。该天线带宽宽、增益高，同时具有尺寸小、结构较简单等优点。个

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种微带渐变缝隙天线，由一个长方体形状的介质基板和分别位于该介质基板的顶层与底层，以及嵌夹在该介质基板中间的共三层金属层所组成的三层渐变缝隙天线，其中顶层与底层的金属层是渐变缝隙层，中间层是带状线馈电层；其特征在于：该天线的顶层及底层的渐变缝隙金属镀层形状，除去其中的两条指数曲线是互换位置而呈一侧边缘的纵轴对称以外，其他部分完全相同：所述渐变缝隙起始于一个其圆心位于该介质基板的纵轴上的圆，该圆与四个指数方程定义的非对称指数曲线相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘；所述顶层的两条指数曲线方程分别为：x=-a×exp(b₁×(y-y₀))，x=a×exp(b₂×(y-y₀))；底层的两条指数曲线方程分别为x=a×exp(b₁×(y-y₀))，x=-a×exp(b₂×(y-y₀))；式中，a、b₁、b₂、y₀均为设定常数，2×a为指数曲线起始处的缝隙宽度，y₀为指数曲线起始点的纵轴Y坐标值，b₁和b₂分别为指数曲线的渐变曲率，且b₁≠b₂，即同一侧金属层上的两条曲线的渐变曲率不同，且渐变曲率大的曲线的纵轴Y的最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴Y的最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种微带渐变缝隙天线的工作方法，其特征在于：包括下列操作步骤：

（1）发射信号经由馈电层的带状线端口传输到带状线；

（2）带状线通过耦合将发射信号传输至介质基板的顶层与底层的金属层的圆形缝隙和两条指数曲线的渐变缝隙的窄缝处；所述渐变缝隙起始于一个其圆心位于该介质基板的纵轴上的圆，该圆与四个指数方程定义的非对称指数曲线相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘；所述顶层的两条指数曲线方程分别为：x=-a×exp(b₁×(y-y₀))，x=a×exp(b₂×(y-y₀))；底层的两条指数曲线方程分别为x=a×exp(b₁×(y-y₀))，x=-a×exp(b₂×(y-y₀))；式中，a、b₁、b₂、y₀均为设定常数，2×a为指数曲线起始处的缝隙宽度，y₀为指数曲线起始点的纵轴Y坐标值，b₁和b₂分别为指数曲线的渐变曲率，且b₁≠b₂，即同一侧金属层上的两条曲线的渐变曲率不同，且渐变曲率大的曲线的纵轴Y的最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴Y的最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点；

（3）发射信号沿着渐变缝隙的张开方向传播，并在某段缝隙处往缝隙开口方向辐射发射信号的电磁波。

本发明是一种结构改进的三层渐变缝隙天线，其创新结构的特点是采用了非对称的指数型曲线的缝隙，张宽了缝隙的最大开口尺寸，从而降低了天线的低频工作频率。此外，本发明天线还首创地设计上、下两对指数型曲线的缝隙排列形状，使得其呈开口方向的对称结构，由此两层辐射体所辐射的电磁波叠加后的主瓣方向就与缝隙的开口方向一致。本发明天线的性能特点是：工作频带宽、高增益、定向性好、结构紧凑、特别适合组成一维或二维的阵列天线。上述特点使得本发明天线具有独特优势，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1（a）、（b）分别是两层微带渐变缝隙天线的顶层与底层结构组成示意图。

图2是本发明三层微带渐变缝隙天线的结构组成侧视图。

图3（a）、（b）、（c）分别是本发明微带渐变缝隙天线的渐变缝隙顶层、微带馈电层与渐变缝隙底层的三层金属层结构组成示意图。

图4是本发明实施例中的回波损耗曲线仿真结果示意图。

图5是本发明实施例中频率12.5GHz时

方向图的仿真结果示意图。

图6是本发明实施例中频率12.5GHz时

方向图的仿真结果示意图。具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图2和图3，介绍本发明微带渐变缝隙天线的结构组成：

该天线的结构与传统的三层渐变缝隙天线无异，也是由一个长方体形状的介质基板23（其长×宽×高，即纵轴Y、横轴X与厚度Z轴的尺寸分别为20～150×20～150×0.8～2.0mm³）和分别位于该介质基板23的顶层与底层，以及嵌夹在该介质基板23中间的共三层金属层所组成，其中顶层20与底层22的金属层是渐变缝隙层，中间层21是带状线馈电层。介质基板的相对介电常数为2～10，损耗正切角为0～0.1，推荐选用相对介电常数较小的介质基板为佳。

因为铜的电导率为5.8×10⁷西门子/米，没有保护镀膜的裸铜很容易被氧化，因此，顶层和底层的金属层20、22都采用铜箔表面镀金，以防止铜箔氧化而影响天线的电性能及辐射性能。而嵌夹在介质基板中间的金属层21则可以选用铜箔或铜箔表面镀金。介质基板的铜箔的厚度为0.03～0.08mm，镀金层的厚度为0.05～0.08微米。

本发明的最大创新是天线的顶层20及底层22的渐变缝隙金属镀层形状，除去其中的两条指数曲线是互换位置而呈一侧边缘的纵轴对称以外，其他部分完全相同。顶层20及底层22的渐变缝隙9和10都分别起始于一个圆7和8，该两个圆7和8的圆心都位于介质基板23的纵轴线上。而且，该两个圆7和8分别与其四个指数方程定义的非对称指数曲线1、2和3、4相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘（如图3所示）。诚然，这个天线渐变缝隙金属层上的两个圆也可以是先经过一段缝隙宽度固定的窄缝过渡后，再与同样的四个指数方程定义的指数曲线相连接，直至介质基板的上边缘。

本发明天线顶层的两条指数曲线1和2的数学表达式分别为：x=-a×exp(b₁×(y-y₀))，x=a×exp(b₂×(y-y₀))；底层的两条指数曲线3和4数学表达式分别为x=a×exp(b₁×(y-y₀))，x=-a×exp(b₂×(y-y₀))；式中，a、b₁、b₂、y₀均为设定常数，2×a为指数曲线起始处的缝隙宽度，y₀为指数曲线起始点的纵轴Y坐标值，b₁和b₂分别为指数曲线的渐变曲率，且b₁≠b₂，即同一侧金属层上的两条曲线的渐变曲率不同，且渐变曲率大的曲线的纵轴Y的最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴Y的最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点。例如，图3中的曲线2和3中y的取值范围是[y₀,y₁]，曲线1和4的中y的取值范围是[y₀,y₂]，由于曲线2和3的渐变曲率大于曲线1和4的渐变曲率，因此曲线2和3的y最大取值y₁就要小于曲线1、4的y最大取值y₂。

本发明中间层的带状线6的起始处端口11，末端5为扇形，而渐变缝隙9和10的起始处是圆形，其目的是使带状线与缝隙之间匹配良好，以确保天线的阻抗带宽和能量传输的效率。

本发明顶层金属层或底层金属层各自的辐射方向图的主瓣方向都不与Y轴平行，而是两者之间存在一定角度的偏差（参见图3）。而且，为确保天线辐射方向图的主瓣方向与天线开口的方向一致，该天线的顶层金属层必须与底层金属层呈纵轴Y向对称，以使该两层金属层的辐射方向图叠加后方向图的主瓣方向与开口方向相同。

下面介绍本发明微带渐变缝隙天线的工作方法：包括下列操作步骤：

（1）发射信号经由馈电层的带状线端口传输到带状线；

（2）带状线通过耦合将发射信号传输至介质基板的顶层与底层的金属层的圆形缝隙和两条指数曲线的渐变缝隙的窄缝处；

（3）发射信号沿着渐变缝隙的张开方向传播，并在某段缝隙处往缝隙开口方向辐射发射信号的电磁波。

本发明已经进行了实施试验，现在简要介绍实施例的试验情况：

实施例的天线结构如图2和图3所示，介质基板的相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.02，其长。宽、高分别为50.8×77.6×1mm³。金属层的铜箔厚度约为0.05mm，镀金层厚度约为0.075微米。

本发明天线的指数曲线的渐变缝隙起始处采用圆形缝隙，该圆心的坐标为41mm，0mm，半径为1.59mm。这个圆与指数方程定义的指数曲线相连接直至介质基板的上边缘和侧边缘。这四条指数曲线的方程分别为：曲线1：x=-0.254×exp(2.42y-43.3)，曲线2：x=0.254×exp(3y-43.3)，曲线3：x=-0.254×exp(2.42y-43.3)，曲线4：x=0.254×exp(3y-43.3)；其中，曲线1和3的纵轴坐标y=[44.3,77.6]mm，曲线2和4的纵轴坐标y=[44.3,73.2]mm。天线的带状线起始处的特性阻抗为50欧姆，对应的带状线的线宽为0.81mm，其末端采用圆心位于（0.26mm，34.75mm）、半径为2.67mm的扇形，该扇形的角度为100度。

参见图4.，介绍本发明实施例的回波损耗曲线仿真结果，从图中可以看出：回波损耗小于10dB的带宽覆盖2.9～25GHz，超过8倍频程。

再参见图5和图6，介绍实施例中的天线在12.5GHz处

（图3中的XY截面）及

（图3中的YZ截面）的二维辐射方向图，从图中可以看出：天线的方向图主瓣方向与天线开口方向一致，天线具有良好的定向性。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种微带渐变缝隙天线，由一个长方体形状的介质基板和分别位于该介质基板的顶层与底层，以及嵌夹在该介质基板中间的共三层金属层所组成的三层渐变缝隙天线，其中顶层与底层的金属层是渐变缝隙层，中间层是带状线馈电层；其特征在于：该天线的顶层及底层的渐变缝隙金属镀层形状，除去其中的两条指数曲线是互换位置而呈一侧边缘的纵轴对称以外，其他部分完全相同：所述渐变缝隙起始于一个其圆心位于该介质基板的纵轴上的圆，该圆与四个指数方程定义的非对称指数曲线相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘；所述顶层的两条指数曲线方程分别为：x=-a×exp(b₁×(y-y₀))，x=a×exp(b₂×(y-y₀))；底层的两条指数曲线方程分别为x=a×exp(b₁×(y-y₀))，x=-a×exp(b₂×(y-y₀))；式中，a、b₁、b₂、y₀均为设定常数，2×a为指数曲线起始处的缝隙宽度，y₀为指数曲线起始点的纵轴Y坐标值，b₁和b₂分别为指数曲线的渐变曲率，且b₁≠b₂，即同一侧金属层上的两条曲线的渐变曲率不同，且渐变曲率大的曲线的纵轴Y的最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴Y的最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点。

2.根据权利要求1所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数为2～10，损耗正切角为0～0.1，以选用相对介电常数较小的介质基板为佳。

3.根据权利要求1所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述介质基板顶层和底层的金属层采用铜箔表面镀金，以防止铜箔氧化而影响天线的电性能及辐射性能；而嵌夹在介质基板中间的金属层则由铜箔或铜箔表面镀金构成。

4.根据权利要求2或3所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述介质基板的长度尺寸为20～150mm，介质基板的宽度尺寸为20～150mm，其厚度为0.8～2.0mm；铜箔的厚度为0.03～0.08mm，镀金层的厚度为0.05～0.08微米。

5.根据权利要求1所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述渐变缝隙金属层上的圆是先经过一段缝隙宽度固定的窄缝过渡后，再与所述四个同样的指数方程定义的指数曲线相连接，直至介质基板的上边缘或侧边缘。

6.根据权利要求1所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述中间层的带状线的末端为扇形，以及渐变缝隙的起始处是圆形，其目的是使带状线与缝隙之间匹配良好，以确保天线的阻抗带宽和能量传输的效率。

7.根据权利要求1所述的微带渐变缝隙天线，其特征在于：所述顶层金属层或底层金属层各自的辐射方向图的主瓣方向都不与Y轴平行，而是两者之间存在一定角度的偏差；且为确保天线辐射方向图的主瓣方向与天线开口的方向一致，该天线的顶层金属层必须与底层金属层呈纵轴Y向对称，以使该两层金属层的辐射方向图叠加后的方向图的主瓣方向与开口方向相同。

8.一种微带渐变缝隙天线的工作方法，其特征在于：包括下列操作步骤：

（1）发射信号经由馈电层的带状线端口传输到带状线；

（2）带状线通过耦合将发射信号传输至介质基板的顶层与底层的金属层的圆形缝隙和两条指数曲线的渐变缝隙的窄缝处；所述渐变缝隙起始于一个其圆心位于该介质基板的纵轴上的圆，该圆与四个指数方程定义的非对称指数曲线相连，直至介质基板的上边缘或侧边缘；所述顶层的两条指数曲线方程分别为：x=-a×exp(b₁×(y-y₀))，x=a×exp(b₂×(y-y₀))；底层的两条指数曲线方程分别为x=a×exp(b₁×(y-y₀))，x=-a×exp(b₂×(y-y₀))；式中，a、b₁、b₂、y₀均为设定常数，2×a为指数曲线起始处的缝隙宽度，y₀为指数曲线起始点的纵轴Y坐标值，b₁和b₂分别为指数曲线的渐变曲率，且b₁≠b₂，即同一侧金属层上的两条曲线的渐变曲率不同，且渐变曲率大的曲线的纵轴Y的最大值要小于渐变曲率小的曲线纵轴Y的最大值，以增大该天线的最大开口尺寸，使其大于介质基板的宽度和降低天线的最低工作频点；

（3）发射信号沿着渐变缝隙的张开方向传播，并在某段缝隙处往缝隙开口方向辐射发射信号的电磁波。

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