CN103515710B - 一种基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，包括矩形的介质基片和内壁设有导电金属层的金属通孔，介质基片的上表面设有上表面金属层、馈电微带线和半共面波导结构，介质基片的下表面设有下表面金属层，下表面金属层上设有条形缝隙，上表面金属层和下表面金属层通过金属通孔内壁的导电金属层相连，金属通孔沿上表面金属层的边缘分布并围成一个半包围结构，半包围结构构成谐振腔，馈电微带线位于谐振腔开口的侧边，并与上表面金属层相连，半共面波导结构为馈电微带线提供匹配阻抗且与馈电微带线相连，条形缝隙位于的谐振腔内且长度方向指向谐振腔开口。该双频段缝隙天线尺寸小、辐射性能强。

Description

一种基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种缝隙天线，尤其是一种基于半模基片的双频段缝隙天线。

背景技术

近年来随着无线通信系统的广泛使用，市场上呈现多种无线通信系统共存的局面，为了降低成本、减少天线之间的电磁耦合干扰，对兼容多频段的天线需求显得愈发迫切。目前，双频段天线的研究很多，据调研，按照天线类型，常见双频段天线可分为以下几种类型：双频段微带天线、双频段圆锥喇叭天线、双频段车载鞭状天线、双频段平面倒置F型（PIFA）天线、双频段印刷单极子天线、双频段圆筒天线、双频段抛物面天线等等，它们工作的双频段可大体分为以下几种类型：VHF/UHF双频段，WLAN的2.4GHz/5.2GHz双频段，2.45GHz和5.80GHz两个射频识别（RFID）频段、L/S双频段、2.4～2.484GHz WLAN和3.4～3.69GHz WiMAX双频段、C/Ku双频段、GSM900MHz/DCS1800MHz移动通信双频段、用于卫星地面测控站的C/L双频段、跟踪载人飞船的Ku/S双频段、用于遥测跟踪的S/X双频段等等，以满足各种各样的通信需要。其中，采用基片集成波导的双频段缝隙天线，不仅具备双频特性，而且还易与平面集成；但是，在一些使用环境中对天线的尺寸要求较高，需要使用较小尺寸的天线，而且在使用时由于阻抗失配问题，将造成天线的能量损失，降低了天线的辐射性能。

发明内容

本发明要解决是技术问题是提供一种尺寸相对较小且阻抗匹配的双频段缝隙天线。

为了解决上述问题，本发明提出了一种半共面波导馈电的半模基片集成波导双频段缝隙天线，包括矩形的介质基片和内壁设有导电金属层的金属通孔，介质基片的上表面设有上表面金属层、馈电微带线和半共面波导结构，介质基片的下表面设有下表面金属层，下表面金属层上设有条形缝隙，上表面金属层和下表面金属层通过金属通孔内壁的导电金属层相连，金属通孔沿上表面金属层的边缘分布并围成一个半包围结构，半包围结构构成谐振腔，馈电微带线位于谐振腔开口的侧边，并与上表面金属层相连，半共面波导结构为馈电微带线提供匹配阻抗，并与馈电微带线相连，条形缝隙位于的谐振腔内且长度方向指向谐振腔开口。采用在介质基片的上表面和下表面设置金属层的半模基片集成技术，相比于基于基片集成的技术尺寸缩小一半；采用半共面波导结构，对馈电微带线起到了阻抗匹配作用，有效地降低了天线的能量损耗，提高了天线的辐射性能。

本发明的半共面波导的宽度为大于等于1/13小于等于3/8的介质基片的总宽度，半共面波导的长度为大于等于1/11小于等于7/11的介质基片总长度。采用半共面波导的宽度为大于等于1/13小于等于3/8的介质基片的总宽度以及采用半共面波导的长度为大于等于1/11小于等于7/11的介质基片总长度的设计，能够适应不同的阻抗匹配要求。

本发明的条形缝隙的数量为2条以上且相互平行。采用2条以上的条形缝隙能够满足不同情况下对天线在增益或辐射方向方面的需求。

本发明的条形缝隙的长度为大于等于1/8小于等于7/8的介质基片总宽度，条形缝隙的缝隙宽度为大于等于1/25小于等于7/25的介质基片总长度。采用长度为大于等于1/8小于等于7/8的介质基片总宽度以及采用宽度为大于等于1/25小于等于7/25的介质基片总长度的设计，能够满足对于不同谐振频率的要求。

本发明的相邻条形缝隙之间的距离为大于等于1/7小于等于1/2的介质基片总长度。采用相邻条形缝隙之间的距离为大于等于1/7小于等于1/2的介质基片总长度的设计，能够满足天线在不同增益或辐射方向方面的需求，同时能够实现调节谐振频率的需求。

本发明的有益效果在于：（1）采用半共面波导结构能够适应不同的阻抗匹配要求，提高了天线的辐射性能；（2）采用半模基片集成波导，有效地减小了天线的尺寸；（3）采用调节半共面波导结构的长度或宽度来调节匹配阻抗的大小，满足不同尺寸天线阻抗匹配需求；（4）采用改变条形缝隙的数量、尺寸或相对距离来改变天线的工作频率。

附图说明

图1为本发明的半模基片集成波导双频段缝隙天线的正面示意图；

图2为本发明的半模基片集成波导双频段缝隙天线的背面示意图；

图3为本发明的半模基片集成波导双频段缝隙天线的反射系数S11随频率变化图；

图4为未设置半共面波导结构的天线；

图5为设置了共面波导馈电结构的天线；

图6为本发明的设置了半共面波导结构的天线；

图7为图4、5和6中采用不同馈电结构时天线的反射系数S11随频率变化图；

图8为本发明的半模基片集成波导双频段缝隙天线的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和2所示，基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线包括矩形的介质基片1和内壁设有导电金属层的金属通孔2，在介质基片1的上表面设有上表面金属层3、半共面波导结构7和馈电微带线5，在介质基片1的下表面设有下表面金属层4，在下表面金属层4上设有两个相互平行的条形缝隙6，金属通孔2沿上表面金属层3的上侧边缘、右侧边缘和下侧边缘均匀分布形成一个半包围结构，该半包围结构构成谐振腔，馈电微带线5位于介质基片的下侧边缘且靠近谐振腔开口处，馈电微带线5与上表面金属层3相连，半共面波导结构7和馈电微带线5相连，上表面金属层3和下表面金属层4通过金属通孔2内壁的导电金属层相连，两个条形缝隙6位于谐振腔内且长度方向指向谐振腔的开口。

介质基片1的总宽度W为天线最低工作频率时对应真空中波长的1/5至1/3倍；介质基片1的总长度L为天线最低工作频率对应真空中波长的1/3至1/2倍；两个条形缝隙6的形状为长方形；两个条形缝隙6的长度S_l相等且大于等于1/8小于等于7/8的介质基片1总宽度W；两个条形缝隙6的宽度Sw相等且大于等于1/25小于等于7/25的介质基片1总长度L；两个条形缝隙6的间距D₂大于等于1/7小于等于1/2的介质基片1总长度L。在介质基片1的上表面还设有一个半共面波导结构7，半共面波导结构7与馈电微带线5相连，起到匹配阻抗作用；半共面波导结构7的宽度C₂大于等于1/13小于等于3/8的介质基片1总宽度W；半共面波导结构7与右侧上表面金属层3之间的间距C₁大于等于1/13小于等于1/8的介质基片1总宽度W；半共面波导结构7的长度Dt大于等于1/11小于等于7/11的介质基片1总长度L。本发明的各个尺寸参数相互影响制约，天线的排布及结构设计对天线的性能影响较大，实际应用中根据性能要求和安装条件的限制，需要对天线的性能参数，例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等进行综合研究，本发明经过对天线的尺寸、性能、结构排布等方面的权衡，最终得到了下述较佳的结构实施方式，由具体实施例的参数可见，本发明的结构具有显著的进步效果。

当介质基片1采用厚度为0.8mm的宽介电常数聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板（F4BM）基板，它的相对介电常数εr为2.2，损耗角正切tanδ为0.001，本发明的优选方案为：介质基片1的总长度L和总宽度W分别为24.8mm和12.4mm；两个条形缝隙6的长度Sl和宽度Sw分别为7.4mm和1mm，开缝位置D3和D4分别为2.9mm和0.6mm，两个条形缝隙6的间距D2为12mm；微带线5的宽度C3和长度Lm分别为2.4mm和5mm；金属通孔2的每个通孔的直径为1mm，相邻两个通孔的间距Lg为1.5mm；半共面波导结构7的宽度C2、间距C1和长度Dt分别为0.6mm、0.7mm和6mm。与文献[Rmili H,Floc'h J M,Khaleghi A.Design of wideband double-sided printed dipole antenna for C-and X-bandapplications[J].Electronics Letters,2006,42(19):1076-1077]中C/X双频段双面印刷偶极子天线（尺寸为75mm×50mm，满足S11<-10dB的谐振点6.68GHz、8.88GHz、9.56GHz和10.61GHz对应增益分别为3dBi、4.1dBi、2.9dBi和3.5dBi）相比，该本发明的天线的面积是该文献中天线的8.2％，而天线的性能基本一样，实现了小尺寸的C/X双频段工作天线。

如图3所示，对比了半共面波导馈电半模基片集成波导双频段缝隙天线的反射系数S11随频率变化的仿真曲线和测量曲线，证明该双频段缝隙天线能同时工作在C频段（谐振点频率为5.74GHz，对应的S11为-21.86dB）和X频段（谐振点频率为11.36GHz，对应的S11为-25.09dB），C频段谐振点对应半模基片集成波导谐振腔的半TE₁₀₁模式，X频段谐振点对应半模基片集成波导谐振腔的半TE₁₀₂模式。

如图4、5、6和7所示，分别给出了天线的三种馈电结构，其中，图4为未设置半共面波导结构的天线，图5为设置了共面波导馈电结构的天线，图6为设置了半共面波导结构的天线；图7为三种结构下基于半模基片集成波导缝隙天线的反射系数S11随频率变化仿真图，可见采用半共面波导结构比未设置半共面波导结构和设置共面波导馈电结构的天线具有较好的谐振峰，能够更好地实现阻抗匹配，降低了天线的能量损耗，提高了天线的辐射性能。

如图8所示，半模基片集成波导双频段缝隙天线在E面和H面辐射方向图的仿真和测量结果基本一致，天线在C频段谐振点具有全向辐射特性（谐振点增益为2.2dBi），在X频段谐振点具定向辐射特性（谐振点增益为5.4dBi）。

Claims (7)

1.一种基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，包括矩形的介质基片(1)和内壁设有导电金属层的金属通孔(2)，其特征在于：所述介质基片(1)的上表面设有上表面金属层(3)、馈电微带线(5)和半共面波导结构(7)，所述介质基片(1)的下表面设有下表面金属层(4)，所述下表面金属层(4)上设有条形缝隙(6)，所述上表面金属层(3)和下表面金属层(4)通过金属通孔(2)内壁的导电金属层相连，所述金属通孔(2)沿上表面金属层(3)的边缘分布并围成一个半包围结构，所述半包围结构构成谐振腔，所述馈电微带线(5)位于谐振腔开口的侧边，并与上表面金属层(3)相连，所述半共面波导结构(7)为馈电微带线(5)提供匹配阻抗，半共面波导结构(7)位于谐振腔开口处并由上表面金属层(3)向馈电微带线(5)方向平行延伸，且半共面波导结构(7)与右侧上表面金属层(3)形成C1的间距，所述条形缝隙(6)位于的谐振腔内且长度方向指向谐振腔开口。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：所述半共面波导(7)的宽度大于等于1/13且小于等于3/8的介质基片(1)的总宽度，长度大于等于1/11且小于等于7/11的介质基片(1)的总长度。

3.根据权利要求1或2所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：所述条形缝隙(6)的数量为两条以上且相互平行。

4.根据权利要求1或2所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：所述条形缝隙(6)的缝隙长度大于等于1/8且小于等于7/8的介质基片(1)的总宽度，缝隙宽度大于等于1/25且小于等于7/25的介质基片(1)的总长度。

5.根据权利要求3所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：所述条形缝隙(6)的缝隙长度大于等于1/8且小于等于7/8的介质基片(1)的总宽度，缝隙宽度大于等于1/25且小于等于7/25的介质基片(1)的总长度。

6.根据权利要求3所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：相邻两个条形缝隙(6)之间的距离大于等于1/7且小于等于1/2的介质基片(1)的总长度。

7.根据权利要求5所述的基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，其特征在于：相邻两个条形缝隙(6)之间的距离大于等于1/7且小于等于1/2的介质基片(1)的总长度。