CN106887688A - 基于Minkowski的微带贴片天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

基于Minkowski的微带贴片天线及其制造方法。它在微带贴片天线上进行的各种技术与形状的操作，以 Minkowski分形结构为基础，利用微带贴片其本身具有的一维特性进行开槽处理，并且利用短路加载技术，从而在实现设计了一种基于Minkowski分形结构的微带贴片天线。该天线的工作频率为915MHz，贴片尺寸可仅为24.6mm×24.6mm，高度为1.2mm,具有较好的尺寸缩减特性。本发明天线结构简单、体积小、重量轻、剖面低且易于集成，可用以UHF频段RFID 系统的使用，同时微带贴片天线其易成形的优点也满足天线应用于抗金属环境的实际需求。

Description

基于Minkowski的微带贴片天线及其制造方法

技术领域

本发明属于无线通讯领域，具体涉及一种基于Minkowski的微带贴片天线及其制造方法。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术最早可以追溯到二战时期，由英国空军提出的无线电敌我辨别系统。由于在不列颠战役中，英德两国空军战机外形非常相似，在高速飞行中单靠肉眼无法准确识别。英国空军在己方战机上安装了一种应答装置，通过陆地的询问装置发射事先编好的脉冲编码，如果为己方战机，则战机上的应答装置会在收到信号后将已经约定好的脉冲码反射给陆地站；如果战机发射错误编码或者无反应，则判定为敌方。无线电敌我识别系统在变化多端的空战中为英军提供了巨大的技术支持，为最后取得战争的胜利给予了巨大帮助随着移动通信技术的飞速发展，RFID 技术也在随之不断进步。现在RFID 技术已经在物流、交通等众多与生活息息相关的领域得到了广泛的应用。

微带天线是在带有金属接地单元的介质基片的另一面用特定的方法制成金属辐射面，并采用同轴线馈电或者是微带线馈电的方式对辐射贴片进行馈电的天线。微带天线是通过金属贴片的四周与接地单元之间的缝隙将贴片与接地单元之间激励起的电磁波辐射出去。微带天线具有轮廓低、结构简单、易于批量生产加工等优点，广泛的应用于雷达监测和无线通信等领域。

传统的方形微带贴片天线通常谐振于半个波长，天线的尺寸受到严格的限制。在具体应用过程中，传统的方形微带贴片天线尺寸较大，重量重，剖面高，不易共形，因此必须进行天线的小型化设计。体积小、重量轻、剖面低和易。分形天线作为分形几何和天线技术交叉的产物拥有了自相似和空间填充的特性。分形的自相似就是说适当的放大或缩小几何尺寸 ,整个结构并不改变 , 在各种尺度上都有相同程度的不规则性。正是这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间,也就是能够用于天线小型化填充有限空间设计的一个关键原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种结构简单、体积小、重量轻、剖面低和易共形的基于Minkowski的微带贴片天线及其制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于Minkowski的微带贴片天线，包括介质板、接地过孔、用于接收和发射电磁波的辐射单元、用于传输信号能量的馈电单元和用于反射电磁波的接地单元，所述介质板具有第一表面和与其相对应的第二表面；所述辐射单元设置在介质板第一表面上；所述馈电单元与辐射单元相连，亦设置在介质板第一表面上；所述接地过孔在打孔时穿过辐射单元和介质板，使得辐射单元与接地单元连通形成短路；所述接地单元设置在介质板第二表面的，其不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘。

进一步，辐射单元采用铜或者铝材料方形贴片，长度与宽度均为24mm～25mm，优选24.6mm。

进一步，所述深度为h优选为1.2mm。

进一步，馈电单元采用微带线进行馈电，其中心频率为915MHz，满足回波损耗小于-10dB。

进一步，接地单元选用方形的金属片。

一种如前所述基于Minkowski的微带贴片天线的制造方法，包括以下步骤：

第一步，选定用作辐射单元的方形贴片，选定用作接地单元的金属片，选定介质板，将辐射单元和接地单元分别设置在介质板相对的两个表面上，并在介质板和用作辐射单元的方形贴片上设置接地过孔，由此形成用作辐射单元的方形贴片与接地单元的短路，以利于获得贴片长度的最佳尺寸；在介质板上设置馈电单元；

第二步，基于二级Minkowski闵可夫斯基（分形系数为0.4）分形结构对用作辐射单元2的方形贴片开槽。

进一步，基于二级Minkowshi分形结构对用作辐射单元的方形贴片开槽的过程为：

确定槽形初始的方形的边长值L；以用作辐射单元的方形贴片的中心为原点，在方形贴片上勾画出槽形初始的方形的轮廓，将槽形初始的方形的直线边平均分成三等分，挖去中间宽度为L/3的，深度为h的矩形区域，即形成一个L/3×h的矩形缺口，得到1阶Minkowski分形贴片。设缺口的深度与宽度之比为p,即p=3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相对大小。将1阶Minkowski分形贴片的所有直线边再平均分成三等分，按照相同的p值继续迭代生成2阶Minkowski分形贴片。

进一步，所述槽形初始的方形的边长值L为20mm。

进一步，介质板为相对介质常数为4.4的FR4环氧树脂板，介质板的长度和宽度均为47mm～48mm。

天线采用基于二级Minkowski（分形系数为0.4）分形结构对用作辐射单元的方形贴片进行开槽。分形结构的槽改变了贴片的电流分布，使电流沿着曲折的导体面而非简单的几何面分布，相当于增加了电长度，有利于降低谐振频率，因此可以减小天线尺寸。

本发明的有益效果如下：使用微带技术与分形理论的结合，既满足了天线结构简单、体积小、重量轻、剖面低、易共形和易于集成等特点，又克服了传统天线尺寸大、加工成本高、剖面高或机械加工精度高等缺点，可用以UHF频段RFID 系统的使用。同时微带贴片天线其易成形的优点也满足天线应用于抗金属环境的实际需求。在应用前景上看，其易共形的优点势必将在金属件结构健康监测等应用情境下体现出来。

附图说明

图1为基于二级Minkowski分形结构微带贴片天线的结构正面示意图；

图2为基于二级Minkowski分形结构微带贴片天线的结构背面示意图；

图3为HFSS 仿真与加工的实物经过矢量网络分析仪测量后的S₁₁参数对比图；

图4为915MHz时E面主射方向theta(θ)=0的仿真辐射图；

图5为915MHz时E面主射方向theta(θ)=90的仿真辐射图；

图6为915MHz时H面主射方向theta(θ)=0的仿真辐射图；

图7为915MHz时的三维方向增益图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种基于二级Minkowski分形结构的微带贴片，由介质板1、辐射单元2、馈电单元3、接地过孔4和接地单元5构成，所述介质板具有第一表面A和与其相对应的第二表面B；所述辐射单元2设置在介质板1的第一表面A上；所述馈电单元3与辐射单元2相连，亦设置在介质板1的第一表面A上；所述接地过孔4在打孔时穿过辐射单元2和介质板1，使得辐射单元2与接地单元5连通形成短路；所述接地单元5设置在介质板1第二表面B，其可不完全覆盖介质板1。但要使辐射单元2与接地单元5之间激励高频电磁场，并通过辐射单元2四周与接地单元5之间的缝隙向外辐射，因此接地单元5覆盖到介质板1两侧边缘。

介质板1为相对介质常数为4.4的FR4环氧树脂板，介质板的长度和宽度均为47mm～48mm。环氧树脂板具有抗高温、超强抗腐蚀、防潮、可修复和安全可靠等优点。

辐射单元采用铜或者铝材料方形贴片。用作辐射单元2的方形贴片上开设接地过孔，基于二级Minkowshi分形结构对用作辐射单元2的方形贴片进行开槽。

一种如前所述基于Minkowski的微带贴片天线的制造方法，包括以下步骤：

第一步，选定用作辐射单元2的方形贴片，选定用作接地单元5的金属片，选定介质板1，将辐射单元2和接地单元5分别设置在介质板1相对的两个表面A、B上，并在介质板1和用作辐射单元2的方形贴片上设置接地过孔4，由此形成用作辐射单元2的方形贴片与接地单元5的短路，以利于获得贴片长度的最佳尺寸；在介质板1上设置馈电单元3；

第二步，基于二级Minkowski闵可夫斯基（分形系数为0.4）分形结构对用作辐射单元2的方形贴片开槽。

基于二级Minkowshi分形结构对用作辐射单元2的方形贴片开槽的过程为：

确定槽形初始的方形的边长值L；以用作辐射单元2的方形贴片的中心为原点，在用作辐射单元2的方形贴片上勾画出槽形初始的方形的轮廓，将槽形初始的方形的直线边平均分成三等分，挖去中间宽度为L/3的，深度为h的矩形区域，即形成一个L/3×h的矩形缺口，得到1阶Minkowski分形贴片。设缺口的深度与宽度之比为p,即p=3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相对大小。将1阶Minkowski分形贴片的所有直线边再平均分成三等分，按照相同的p值继续迭代生成2阶Minkowski分形贴片。这里仅给出二次迭代的实例。

所述深度为h为1.2mm。

所述铜或者铝材料方形贴片的长度与宽度均为24mm～25mm，本实施例选用24.6mm。所述槽形初始的方形的边长值L为20mm。

所述槽形初始的方形为正方形。

馈电单元3采用微带线进行馈电，其中心频率为915MHz，满足回波损耗小于-10dB。

接地单元5为方形的金属片。

本发明在微带贴片天线上进行的各种技术与形状的操作，以 Minkowski分形结构为基础，利用微带贴片其本身具有的一维特性进行开槽处理，并且利用短路加载技术，从而在实现设计了基于Minkowski分形结构的微带贴片天线。该天线的工作频率为915MHz,贴片尺寸仅为24.6mm×24.6mm，高度为1.2mm，具有较好的尺寸缩减特性。

图2为天线的背面结构，其中接地单元5为长方形；图3为天线的HFSS仿真与加工的实物经过矢量网络分析仪测量后的S₁₁参数（回波损耗）对比图，从图3中可以看出，所制作的天线实测性能的回波参数与仿真结果有较好的吻合，且带宽（S11<-10dB）约为14MHz,完全符合设计不小于-10dB的要求；图4为915MHz时E面主射方向theta(θ)=0的仿真辐射图；图5为915MHz时E面主射方向theta(θ)=90的仿真辐射图；图6为915MHz时H面主射方向theta(θ)=0的仿真辐射图；图7为915MHz时的三维方向增益图。从图4～7可以看出，在915MHz 工作频率处时天线取得的最大增益为-19.1dB，达到了提出的设计要求。天线在辐射平面上方的空间中呈现了全向特性，表明该天线应用灵活，能够在各个方向上被识别出。

本发明设计的天线通过接地过孔和开槽，有利于进一步缩小天线尺寸，使得工作于915MHz的天线，其辐射单元缩至24.6mm×24.6mm，尺寸缩减程度达68.5%，与此同时其剖面高度仅为1.2mm。此外，微带天线本身具有的一维特性，其低轮廓、易于与载体共形等优点，将在金属件结构健康监测等应用情境下体现出来。

Claims (8)

1.基于Minkowski的微带贴片天线，其特征在于，包括介质板、接地过孔、用于接收和发射电磁波的辐射单元、用于传输信号能量的馈电单元和用于反射电磁波的接地单元，所述介质板具有第一表面和与其相对应的第二表面；所述辐射单元设置在介质板第一表面上；所述馈电单元与辐射单元相连，亦设置在介质板第一表面上；所述接地过孔在打孔时穿过辐射单元和介质板，使得辐射单元与接地单元连通形成短路；所述接地单元设置在介质板第二表面的，其不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘。

2.根据权利要求1所述的基于Minkowski的微带贴片天线，其特征在于，介质板为相对介质常数为4.4的FR4环氧树脂板，介质板的长度和宽度均为47mm～48mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于Minkowski的微带贴片，其特征在于，辐射单元采用铜或者铝材料方形贴片，长度与宽度均为24mm～25mm。

4.根据权利要求1或2所述的基于Minkowski的微带贴片，其特征在于，馈电单元采用微带线进行馈电，其中心频率为915MHz，满足回波损耗小于-10dB。

5.根据权利要求1或2所述的基于Minkowski的微带贴片，其特征在于，接地单元亦选用方形的金属贴片。

6.一种如权利要求1-5任一项所述基于Minkowski的微带贴片的制造方法，包括以下步骤：

第一步，选定用作辐射单元的方形贴片，选定用作接地单元的金属片，选定介质板，将辐射单元和接地单元分别设置在介质板相对的两个表面上，并在介质板和用作辐射单元的方形贴片上设置接地过孔，由此形成用作辐射单元的方形贴片与接地单元的短路，以利于获得贴片长度的最佳尺寸；在介质板上设置馈电单元；

第二步，基于二级Minkowski闵可夫斯基（分形系数为0.4）分形结构对用作辐射单元2的方形贴片开槽。

7.根据权利要求6所述的基于Minkowski的微带贴片的制造方法，其特征在于：基于二级Minkowshi分形结构对用作辐射单元的方形贴片开槽的过程为：

确定槽形初始的方形边长值为L；以用作辐射单元的方形贴片的中心为原点，在方形贴片上勾画出槽形初始的方形的轮廓，将槽形初始的方形的直线边平均分成三等分，挖去中间宽度为L/3的，深度为h的矩形区域，即形成一个L/3×h的矩形缺口，得到1阶Minkowski分形贴片；设缺口的深度与宽度之比为p,即p=3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相对大小；将1阶Minkowski分形贴片的所有直线边再平均分成三等分，按照相同的p值继续迭代生成2阶Minkowski分形贴片。

8.根据权利要求7所述的基于Minkowski的微带贴片天线，其特征在于：所述槽形初始的方形的边长值L为20mm。