CN103022703A - 一种宽带背腔式双缝隙微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带背腔式双缝隙微带天线，包括介质基板（1）、以及一个长宽与介质基板（1）的长宽相等的金属背腔（6）；所述金属背腔（6）是一个缺少上表面和前表面的长方体，所述介质基板（1）的顶层为屏蔽导体，屏蔽导体上刻蚀有相互平行的第一缝隙（2）和第二缝隙（3），其中第一缝隙（2）的长度小于第二缝隙（3）的长度；在介质基板的底层制作微带馈线和多边形辐射贴片，金属背腔具有一定高度且与屏蔽导体相连接，使天线具有定向辐射特性。缝隙的位置、面积、数量，腔体的高度等均影响着天线的性能，通过改变这些结构参数可以得到性能较好的超宽带定向天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带背腔式双缝隙微带天线，属于微波技术领域。
背景技术
超宽带通信技术起源于19世纪末、20世纪初的“脉冲无线电”。过去超宽带技术一般用于地下目标探测、电磁探伤、核辐射模拟与防护等。近年来，随着室内短距离无线接入技术的不断发展，超宽带通信技术备受重视。一般认为，相对带宽超过25%的天线属于超宽带天线。另一方面，随着无线通信的快速发展，为了满足室内信号覆盖和增强的需要，高增益特性的定向天线得到了越来越广泛的应用。然而现存的室内通信信号覆盖系统中，定向天线结构复杂、成本较高，而且带宽有限，不能覆盖多种制式无线通信系统的频段。无论对超宽带无线通信，还是现存的各种无线通信系统而言，超宽带定向天线的研究都具有重要的实际价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计超宽带定向天线的问题，通过采用两个不同结构的缝隙进行组合，提出一种结构简单、工作频带宽、便于制作实现和集成的宽带背腔式双缝隙微带天线。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：
一种宽带背腔式双缝隙微带天线，包括介质基板、以及一个长宽与介质基板的长宽相等的金属背腔；所述金属背腔是一个缺少上表面和前端面的长方体，其中，所述介质基板的顶层为屏蔽导体，所述金属背腔上表面的开口部分与介质基板的顶层屏蔽导体直接相连，使得介质基板作为该金属背腔的上表面；在所述介质基板顶层的屏蔽导体上，刻蚀有相互平行的第一缝隙和第二缝隙，其中第一缝隙的长度小于第二缝隙的长度；在所述介质基板的底层，设置有多边形辐射贴片和微带馈线，其中，多边形辐射贴片与微带馈线直接相连，构成天线的馈电部分。
作为本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线进一步的优化方案，所述第一缝隙为梯形缝隙，该梯形缝隙的渐变部分的角度的范围为40°到80°。
作为本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线进一步的优化方案，所述第一缝隙、第二缝隙的形状为矩形、或者是任意多边形的组合形状；多边形辐射贴片的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。
作为本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线进一步的优化方案，金属背腔的高度范围为7.5mm到25mm。
作为本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线进一步的优化方案，介质衬底的介电常数范围为2-20。
作为本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线进一步的优化方案，所述第一、第二缝隙覆盖区域与多边形辐射贴片所覆盖区域位置相对应，所述多边形辐射贴片的顶端超出第一缝隙的上沿，多边形辐射贴片的底端不超出第二缝隙的下沿。
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：
本发明通过采用对称的天线、馈电构成宽带背腔式双缝隙微带天线，可获得相对带宽约为69%的工作频带，并通过引入金属背腔使天线具有定向辐射特性。本天线结构简单，无需附加馈电部件；制作工艺简单且成本低廉。该天线的设计思想可以有效增加微带缝隙天线的带宽，实现这类天线的宽带化和定向化设计。
附图说明
图1是本发明天线的结构平面示意图。
图2是本发明天线的结构剖面图。
图3是本发明天线的三维立体示意图。
图4是利用IE3D软件计算的天线反射系数频率特性图。
图5是利用IE3D软件计算的天线的方向图。
图中标号：1是介质基板，2是第一缝隙，3是第二缝隙，4是多边形辐射贴片，5是微带馈线，6是金属背腔,7是渐变角度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
结合图1、2、3所示，本发明的结构是：天线制作在介质基板1上，第一缝隙2、第二缝隙3、多边形辐射贴片4、微带馈线5、金属背腔6关于y轴对称；多边形辐射贴片4和微带馈线5相连构成馈电结构；其中，金属背腔6为一个非全封闭的长方体，其缺少上表面和前端面，所述介质基板1作为该金属背腔的上表面，非封闭的前端面为与微带馈线靠近的那一面。本发明从上到下的结构层次依次为第一缝隙2和第二缝隙3，介质基板1，多边形辐射贴片4和馈线5，金属背腔6。第一缝隙2和第二缝隙3组成一个天线单元，多缝隙结构会激发多谐振模式从而改善天线的阻抗带宽。
本发明的宽带背腔式双缝隙微带天线，其缝隙的形状为矩形、或者是任意多边形的组合形状；多边形辐射贴片的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。其中第一缝隙为梯形缝隙，第二缝隙为矩形，该梯形第一缝隙的渐变部分的角度的范围为40°到80°。梯形渐变结构有助于微调缝隙末端（短路）的电流密度，以便有效控制天线的带宽。当渐变角的范围在40°到80°，天线的阻抗匹配性能较好。但是，当渐变角的范围超出上述范围时，天线的阻抗匹配性能会变差。
通过改变多边形辐射贴片和微带馈线的尺寸可对电流密度进行调控，进而调整阻抗带宽。第一、第二缝隙覆盖区域与贴片所在的区域位置相对应，多边形辐射贴片的顶端超出第一缝隙的上沿，贴片的底端不能超出第二缝隙的下沿，当贴片的底端超出第二缝隙的下沿，对电流分布有很大影响，会使天线的阻抗匹配性能变差。
对照附图4，附图4给出了介质基板1按照相对介电常数为2.2、厚为0.8毫米实施，天线各部分轮廓与附图1一致时，利用IE3D软件仿真计算得到的天线反射系数频率特性。根据图4的结果可见，宽带背腔式双缝隙微带天线的工作频带为4.97GHz到10.27GHz，相对工作频带宽度约为69%，具有超宽带工作特性。
对照附图5，附图5给出了工作频率为6.75GHz时，天线的zx平面方向图，图中实线为同极化分量，虚线为交叉极化分量。从附图4可见，天线具有定向性，3dB波束宽度为44°，在此范围内，交叉极化电平低于主极化30dB。最大方向的辐射增益达到9dB，天线的前后比超过8dB。
宽带背腔式双缝隙微带天线克服了传统缝隙微带天线带宽小的缺点，使其具有超宽带特性。增加背腔使天线具有定向性，而且此天线结构简单、易于制作、成本低廉。按照前述实施方式制作的宽带背腔式双缝隙微带天线工作频段覆盖C波段和X波段，也可以按尺寸比例进行放大后，将其用作DCS-1800/IMT-2000/WLAN-2400/TD-LTE等移动通信系统的室内分布定向天线，具有广泛的应用前景。
Claims (6)
1.一种宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：包括介质基板（1）、以及一个长宽与介质基板（1）的长宽相等的金属背腔（6）；所述金属背腔（6）是一个缺少上表面和前端面的长方体，其中，所述介质基板（1）的顶层为屏蔽导体，所述金属背腔上表面的开口部分与介质基板（1）的顶层屏蔽导体直接相连，使得介质基板（1）作为该金属背腔的上表面；在所述介质基板（1）顶层的屏蔽导体上，刻蚀有相互平行的第一缝隙（2）和第二缝隙（3），其中第一缝隙（2）的长度小于第二缝隙（3）的长度；在所述介质基板（1）的底层，设置有多边形辐射贴片（4）和微带馈线（5），其中，多边形辐射贴片（4）与微带馈线（5）直接相连，构成天线的馈电部分。
2.根据权利要求1所述的宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：所述第一缝隙（2）为梯形缝隙，该梯形缝隙的渐变部分的角度（7）的范围为40°到80°。
3.根据权利要求1所述的宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：所述第一缝隙（2）、第二缝隙（3）的形状为矩形、或者是任意多边形的组合形状；多边形辐射贴片（4）的形状为矩形、三角形或其它多边形的组合形状。
4.根据权利要求1所述的宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：所述金属背腔（6）的高度范围为7.5mm到25mm。
5.根据权利要求1所述的宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：介质衬底（1）的介电常数范围为2-20。
6.根据权利要求1所述的宽带背腔式双缝隙微带天线，其特征在于：所述第一、第二缝隙覆盖区域与多边形辐射贴片所覆盖区域位置相对应，所述多边形辐射贴片的顶端超出第一缝隙的上沿，多边形辐射贴片的底端不超出第二缝隙的下沿。
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