CN106910990A - 渐变槽线天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渐变槽线天线装置，包括介质基板、第一金属部分和第二金属部分。第一和第二金属部分设置于介质基板之上。第一金属部分包括第一接合面、一对谐振腔、一对曲线槽、及从第一接合面向渐变槽线天线装置辐射方向扩展的渐变槽。第二金属部分包括第二接合面和圆形凹槽。圆形凹槽开口于第一接合面，且第二接合面和第一接合面连接。渐变槽包括第一开口及位于第一接合面的第二开口，渐变槽和圆形凹槽通过第二开口和圆形凹槽的开口而连通，且第一开口大于第二开口。该对曲线槽分别设于渐变槽的两侧而与该对谐振腔连通。
Description
技术领域
本发明涉及渐变槽线天线装置，特别涉及以圆形凹槽增强低频处增益的渐变槽线天线装置。
背景技术
天线是一种能量转换器(transducer)，它把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的转换。天线为无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备，都是通过无线电波来传递信息的，都需要无线电波的辐射和接收。天线为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。
渐变槽线天线属于印刷式缝隙天线，结构简单且易于制作。图1是一种现有渐变槽线天线装置10的结构图。渐变槽线天线装置10包括一介质基板11、一金属极板12、以及一槽线谐振腔13。在图1中，渐变槽线天线装置10通过槽线谐振腔13、槽线121和槽线122大致形成一喇叭形开口，例如，使用激光雕刻或腐蚀的方法在介质基板11的正面做出边界大致为上述喇叭形开口(例如，指数曲线形状)的金属极板12。介质基板11为绝缘介质基板。金属极板12用于辐射和接收空间中的电磁波信号。
渐变槽线天线装置10为渐变宽型喇叭口形状的槽线结构是辐射或接收能量的主体，不同频率的电磁波信号会被对应的λ/2的缝隙宽度(其中λ为该频率的波长)处的槽线所辐射或接收，例如，金属极板12的槽线121和槽线122最大开口宽度对应渐变槽线天线的最低工作频率点。因此，渐变槽线式的结构会有较宽的工作带宽，故渐变槽线天线装置10属于超宽带天线。
渐变槽线天线装置10属于一种典型的端射行波天线，同时也是一种线性极化天线，电场向量平行于介质基板11的平面。在两个主要的辐射平面内，天线交叉极化电平(level)较低，波束宽度较宽，旁瓣电平低，这意味着这种天线具有较高的增益和指向性。由于同时在工作带宽、方向性和增益上都具有较好的特性，渐变槽线天线装置10已被广泛应用在超宽带无线通信、地球物理勘探、天文观测和医学检测中。
此外，为了满足渐变槽线天线装置在工作带宽、方向性和增益上不同的特性需求，本领域技术人员对应设计出各种渐变槽线天线装置。例如，在中国专利公开号：CN 103326120 A之中，公开在渐变槽线天线的开口处，利用电磁波的导向装置，改善天线本体辐射场的指向性；在欧洲专利专利号：EP 1425818 B1之中，公开将本来为指数函数曲线的天线槽线改成分段式指数函数的天线槽线，以增加天线的工作带宽；在美国专利专利号：US5036335之中，公开通过改变渐变槽线天线的馈电方式，在渐变槽线天线的馈入点增加一个贯穿孔，使非平衡的天线阻抗，因为贯穿孔进而成为平衡式天线，进而改善渐变槽线天线的整体增益；在美国专利专利号：US8504135 B2之中，公开在天线槽线方向，利用几何形状介电材质来改变电流速度，进而改善渐变槽线天线的指向性。
发明内容
本发明第一个实施例为提出一种渐变槽线天线装置。该渐变槽线天线装置包括一介质基板、一第一金属部分、以及一第二金属部分。该第一金属部分设置于该介质基板之上，并具有一第一接合面、一对谐振腔、一对曲线槽、及从该第一接合面向该渐变槽线天线装置辐射方向扩展的一渐变槽。该第二金属部分设置于该介质基板之上，并具有一第二接合面和一圆形凹槽。该圆形凹槽开口于该第一接合面，且该第二接合面和该第一接合面连接，其中该渐变槽具有一第一开口及位于该第一接合面的一第二开口，该渐变槽和该圆形凹槽通过该第二开口和该圆形凹槽的开口而连通，且该第一开口大于该第二开口；其中该对谐振腔分别设于该渐变槽的两侧；其中该对曲线槽分别设于该渐变槽的两侧而与该对谐振腔连通，且比该对谐振腔靠近该第一开口；以及其中该第一金属部分和该第二金属部分连为一体。
本发明第二個实施例为提出一种渐变槽线天线装置。该渐变槽线天线装置包括一介质基板、一第一金属部分、以及一第二金属部分。该第一金属部分设置于该介质基板之上，并具有一第一接合面、一对曲线槽、及从该第一接合面向该渐变槽线天线装置辐射方向扩展的一渐变槽。该第二金属部分设置于该介质基板之上，并具有一第二接合面和一圆形凹槽。该圆形凹槽开口于该第一接合面，且该第二接合面和该第一接合面连接，其中该渐变槽具有一第一开口及位于该第一接合面的一第二开口，该渐变槽和该圆形凹槽通过该第二开口和该圆形凹槽的开口而连通，且该第一开口大于该第二开口；其中该对曲线槽分别设于该渐变槽的两侧，且该对曲线槽各自包括一第一曲面和一第二曲面；以及其中该曲线槽的该第一曲面和该第二曲面面向彼此；以及其中该第一金属部分和该第二金属部分连为一体。
附图说明
图1是一渐变槽线天线装置10的结构图。
图2是依据本发明第一实施例所公开的一渐变槽线天线装置20的结构图。
图3是依据本发明第二实施例所公开的一渐变槽线天线装置30的结构图。
图4是本发明第二实施例所公开微带馈线33和扇形微带短接线34的结构放大图。
图5是依据本发明第二实施例所公开的曲线槽351和谐振腔353的结构放大图。
图6是渐变槽线天线装置10与本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的S参数比较。
图7是渐变槽线天线装置10与本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的天线增益比较。
附图标记说明：
10～渐变槽线天线装置
11～介质基板
12～金属极板
121、122～槽线
13～槽线谐振腔
20～渐变槽线天线装置
21～介质基板
22～金属极板
23～微带馈线
24～扇形微带短接线
25～第一金属部分
250～渐变槽
251、252～曲线槽
26～第二金属部分
260～圆形凹槽
30～渐变槽线天线装置
31～介质基板
32～金属极板
33～微带馈线
34～扇形微带短接线
35～第一金属部分
350～渐变槽
351、352～曲线槽
353、354～谐振腔
36～第二金属部分
360～圆形凹槽
L1、L2～槽线
A1～第一接合面
A2～第二接合面
O1～第一开口
O2～第二开口
C1～第一曲面
C2～第二曲面
W1～平面
具体实施方式
本公开所附图示的实施例将如以下说明。本公开的范畴并非以此为限。本领域技术人员应能知悉在不脱离本公开的精神和架构的前提下，当可作些许变动、替换和置换。在本公开的实施例中，组件符号可能被重复地使用，本公开的数种实施例可能共享相同的组件符号，但为一实施例所使用的特征组件不必然为另一实施例所使用。
传统渐变槽线天线装置10为获得较好的低频特性，需增加设计金属极板12的长度与喇叭形开口的宽度，亦即相对应增加天线的体积。然而较大体积的天线并不方便携带及安装，而不适合实际应用在工程之中。
由于高频电流具有较强的集肤效应(skin effect)，在传统渐变槽线天线装置10的金属极板12的两侧，会出现较强的电流，从而增强金属极板12两侧辐射的电磁波的强度。这不仅增加了旁瓣的宽度，而且对渐变槽线天线装置10的指向性造成了一定的影响。
由于金属极板12上的电流衰减较快，在激发低频电磁波时，在槽线121和槽线122的末端电流会有较大衰减(亦即靠近喇叭形开口处末端电流会有较大衰减)。这导致渐变槽线天线装置10低频段的增益较低，而不利于低频信号的接收。鉴于以上缺点，如图2所示，本发明的一第一实施例提出一渐变槽线天线装置20进行改善。
图2是渐变槽线天线装置20的结构图。在本发明第一实施例中，渐变槽线天线装置20包括一介质基板21、一金属极板22、一微带馈线23、以及一扇形微带短接线24。介质基板21为绝缘介质基板。金属极板22设置于介质基板21的正面，并用于辐射和接收空间中的电磁波信号。微带馈线23和扇形微带短接线24则制作于介质基板21的反面，以对金属极板22进行馈电。
在本发明第一实施例中，金属极板22分为一第一金属部分25和一第二金属部分26。在本发明第一实施例中，第一金属部分25具有一第一接合面A1、一曲线槽251、一曲线槽252、及从第一接合面A1向渐变槽线天线装置20辐射方向扩展的一渐变槽250。第二金属部分26具有一第二接合面A2和一圆形凹槽260，圆形凹槽260开口于第一接合面A1，且第二接合面A2和第一接合面A1连接。因此，第一金属部分25和第二金属部分26连为一体。
在本发明第一实施例中，渐变槽线天线装置20通过槽线L1和槽线L2形成渐变槽250，例如，使用激光雕刻或腐蚀的方法在介质基板21的正面做出边界(槽线L1和槽线L2)为喇叭形的渐变槽250。在本发明第一实施例中，槽线L1和槽线L2皆需为指数函数曲线，但本发明并不限定于此，渐变槽250亦可为其他形状的开口。渐变槽250具有一第一开口O1及位于第一接合面A1的一第二开口O2，渐变槽250和圆形凹槽260通过第二开口O2和圆形凹槽260的开口而连通，且第一开口O1大于第二开口O2。在本发明第一实施例中，微带馈线23和扇形微带短接线24将能量耦合到耦合槽线上，经过耦合槽线传输给开口(即第一开口O1)的槽线L1和槽线L2，再沿着开口槽线方向传输，最后根据不同的工作频率在对应的谐振槽线向外辐射信号。因此，上述喇叭形开口的末端开口最大位置(即第一开口O1)是渐变槽线天线装置20的辐射末端。
如图2所示，曲线槽251和曲线槽252分别具有垂直于第一接合面A1的开口。在本发明第一实施例中，曲线槽251和曲线槽252各自分别具有一第一曲面C1和一第二曲面C2，其中该第一曲面C1面向第一接合面A1，且该等第二曲面C2背向第一接合面A1。换句话说，曲线槽251和曲线槽252各自的第一曲面C1和第二曲面C2面向彼此。此外，值得注意的是本发明第一实施例所公开的渐变槽线天线装置20的金属极板22的体积不会大于渐变槽线天线装置10的金属极板12的体积，但本发明并不仅限定于此。
与渐变槽线天线装置10相比，通过新增曲线槽251和曲线槽252的方式，原本分布在渐变槽线天线装置10的金属极板12两侧的高频电流重新分布在本发明所公开的渐变槽线天线装置20的曲线槽251和曲线槽252边沿。上述改变延长了表面电流路径的有效长度，因而能够辐射更低频率的电磁波。同时这种方法改变了原本分布在天线两侧的表面电流，让原本向两侧辐射的电磁波转变成向前方辐射。
因此，新增曲线槽251和曲线槽252得以在不增加渐变槽线天线装置20体积的情况下，大幅降低了渐变槽线天线装置20工作频段的低频截止频率，使渐变槽线天线装置20在较低频段上有良好的匹配特性。这种设计方法保证了渐变槽线天线装置20的小型化，方便携带安装及在工程实际中的应用。
在本发明第一实施例中，在渐变槽线天线装置20两侧开曲线槽251和曲线槽252之后，渐变槽线天线装置20的主瓣缩减至曲线槽251和曲线槽252之间的区域。由于缩减主瓣宽度能够提高天线的指向性，通过在渐变槽线天线装置20两侧开曲线槽251和曲线槽252的方法，抑制了天线辐射场型的旁瓣。这种改进后的高指向性的天线会在检测辐射源的应用中，可以进一步提高定位的精度。
为了提升渐变槽线天线装置20的低频辐射强度，本发明的一第二实施例提出一渐变槽线天线装置30进行改善。
图3是渐变槽线天线装置30的结构图。在本发明第二实施例中，渐变槽线天线装置30包括一介质基板31、一金属极板32、一微带馈线33、以及一扇形微带短接线34。介质基板31为绝缘介质基板。金属极板32设置于介质基板31的正面，并用于辐射和接收空间中的电磁波信号。微带馈线33和扇形微带短接线34则制作于介质基板31的反面，以对金属极板32进行馈电。
在本发明第二实施例中，金属极板32同样具有一第一金属部分35和一第二金属部分36。第一金属部分35同样具有第一接合面A1、一曲线槽351、一曲线槽352、及从第一接合面A1向渐变槽线天线装置30辐射方向扩展的一渐变槽350。第二金属部分36同样具有一第二接合面A2和一圆形凹槽360，圆形凹槽360开口于第一接合面A1，且第二接合面A2和第一接合面A1连接。因此，第一金属部分35和第二金属部分36同样连为一体。
在本发明第二实施例中，同样是由槽线L1和槽线L2形成渐变槽350。渐变槽350是一槽线谐振腔。渐变槽350具有一第一开口O1及位于第一接合面A1的一第二开口O2，渐变槽350和圆形凹槽360通过第二开口O2和圆形凹槽360的开口而连通，且第一开口O1大于第二开口O2。另外，本发明第二实施例所公开的曲线槽351和曲线槽352的配置架构与本发明第一实施例所公开的曲线槽251和曲线槽252的配置架构相同。
与图2所公开的渐变槽线天线装置20最大不同的是，本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的第一金属部分35还包括一谐振腔353和一谐振腔354。谐振腔353和谐振腔354分别设于渐变槽350的两侧。曲线槽351和曲线槽352分别比谐振腔353和谐振腔354更靠近第一开口O1。
在本发明第二实施例中，曲线槽351和曲线槽352各自分别具有一第一曲面C1和一第二曲面C2，其中该第一曲面C1面向第一接合面A1，且该第二曲面C2背向第一接合面A1。换句话说，曲线槽351和曲线槽352各自的第一曲面C1和第二曲面C2面向彼此。此外，渐变槽线天线装置30的曲线槽351和曲线槽352并不限定于第二实施例本发明所公开的形状，任何具有对称且与谐振腔相通的曲线槽对的渐变槽线天线装置皆不脱离本发明的保护范围。
在本发明第二实施例中，曲线槽351和谐振腔353彼此相通，曲线槽352和谐振腔354彼此相通，且曲线槽351、曲线槽352、谐振腔353和谐振腔354皆未与渐变槽350相通。在本发明第二实施例中，在曲线槽351(曲线槽352)末端所增加的谐振腔353(谐振腔354)是一圆形谐振腔。在本发明第二实施例中，谐振腔353和谐振腔354较靠近渐变槽350的第一开口O1，而较远离圆形凹槽360。更明确地说，谐振腔353和谐振腔354位于图3所示金属极板32的第一金属部分35的右半部，但本发明并不仅限定于此，任何具有一对大小相同且互相连通的曲线槽和谐振腔的渐变槽线天线装置皆不脱离本发明的保护范围。
新增圆形谐振腔(谐振腔353和谐振腔354)不仅进一步增加表面电流路径的有效长度，同时可以通过圆形谐振腔的耦合作用，得以将高频电流转变为低频电流，进而提高渐变槽线天线装置30在低频时的辐射强度。例如，在曲线槽351(曲线槽352)末端所增加直径为30mm的谐振腔353(谐振腔354)其圆周长95mm大约为频率500MHz的电磁波波长λ的一半。因此，谐振腔353(谐振腔354)可用以提供渐变槽线天线装置30在辐射频率为500MHz时的辐射路径。因此，渐变槽线天线装置30所加开的谐振腔353和谐振腔354有利于低频电磁波信号的接收可以增加渐变槽线天线装置30的检测距离，从而保证接收到信号特征的完整性。
此外，值得注意的是本发明第二实施例所示谐振腔353和谐振腔354虽为圆形谐振腔，但本发明并不限定于此，谐振腔353和谐振腔354亦可为任何几何形状或几何构造(例如，方形、梯形、椭圆状等等)的谐振腔。
此外，值得注意的是虽然本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的低频增益优于渐变槽线天线装置10的低频增益，但本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的金属极板32的体积不会大于渐变槽线天线装置10的金属极板12的体积，但本发明并不仅限定于此，与渐变槽线天线装置30形状相似但大小不同的圆形谐振腔的渐变槽线天线装置皆不脱离本发明的保护范围。
图4是本发明第二实施例所公开的微带馈线33和扇形微带短接线34的结构放大图。在本发明第二实施例中，微带馈线33和扇形微带短接线34由渐变槽350和圆形凹槽360的接合处(亦即在第二开口O2的边缘处)对金属极板32进行馈电。
图5是依据本发明第二实施例所公开的曲线槽351和谐振腔353的结构放大图。在图5中，曲线槽351和谐振腔353彼此相通，其中曲线槽351的第二曲面C2与谐振腔353相连通。此外，曲线槽351的第一曲面C1未与谐振腔353直接相连通，而是通过一平面W1连通第一曲面C1和谐振腔353。在图5中，第一曲面C1的曲面方向与第二曲面C2的曲面方向相反，且第一曲面C1和第二曲面C2面向彼此。
此外，值得注意的是，当曲线槽351的两个曲面的曲面方向改为皆面向第二接合面A2时(未图示)，在电流能量分布上，较靠近第二接合面A2的曲面的电流能量大于较远离第二接合面A2的曲面的电流能量。相较之下，本发明第二实施例所公开的第一曲面C1与第二曲面C2的配置结构(曲面方向相反且面向彼此)，可使得在电流能量分布上第一曲面C1(较远离第二接合面A2)的电流能量大于第二曲面C2(较靠近第二接合面A2)的电流能量。因此，第一曲面C1与第二曲面C2的配置结构有助于渐变槽线天线装置30将辐射能量往第一开口O1(第一曲面C1)的方向推挤，进而提升渐变槽线天线装置30的指向性。
图6是渐变槽线天线装置10与本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的S参数比较。由图6所公开的实际量测结果可知，对于-10dB基准点而言，本发明所公开的渐变槽线天线装置30的辐射带宽为5.5GHz(0.5GHz～6.0GHz)，而渐变槽线天线装置10的辐射带宽则只有4.4GHz(1.2GHz～5.6GHz)，尤其本发明所公开的渐变槽线天线装置30在低频带比渐变槽线天线装置10多了0.7GHz的辐射带宽。图6所公开的实际量测结果明确显现出本发明第二实施例所公开的曲线槽351、曲线槽352、谐振腔353和谐振腔354能够增加渐变槽线天线装置30的辐射带宽。
图7是渐变槽线天线装置10与本发明第二实施例所公开的渐变槽线天线装置30的天线增益比较。由于谐振腔353(谐振腔354)不仅进一步增加表面电流路径的有效长度，同时可以通过谐振腔353(谐振腔354)耦合辐射较低频率电磁波的电流，以提高渐变槽线天线装置30在低频时的辐射强度。再者，本发明所公开的渐变槽线天线装置30通过将两个谐振腔(谐振腔353、354)对称设计在槽线的两侧，以及将圆型凹槽360的位置设计在槽线的顶端，并以柴比雪夫渐变线(微带馈线33和扇形微带短接线34)作为天线本体的馈电，进而改善渐变槽线天线装置30的低频增益。因此，由图7所公开的实际量测结果可知，在频率500MHz时，谐振腔353(谐振腔354)已达到50特性阻抗的匹配，因而有很好的低频增益。在低频带(0.5GHz～2.5GHz)，本发明所公开的渐变槽线天线装置30的天线增益明显优于渐变槽线天线装置10的天线增益。因此，图7所公开的实际量测结果验证本发明第二实施例所公开的曲线槽351、曲线槽352、谐振腔353和谐振腔354能够增加渐变槽线天线装置30的低频辐射强度。
此外，值得注意的是，前述公开专利(即中国专利CN 103326120 A、欧洲专利EP 1425818 B1、美国专利US 5036335和美国专利US 8504135 B2)所公开的各种渐变槽线天线皆仅针对渐变槽线天线的单一特性(例如，天线的指向性、工作带宽、整体增益)提出对应改良设计。相较之下，本发明所提出渐变槽线天线装置30在设计上则同时提升渐变槽线天线的指向性、辐射频率、以及低频增益(低频辐射强度)等多个特性。
Claims (10)
1.一种渐变槽线天线装置，包括：
一介质基板；
一第一金属部分，设置于该介质基板之上，并具有一第一接合面、一对谐振腔、一对曲线槽及从该第一接合面向该渐变槽线天线装置辐射方向扩展的一渐变槽；以及
一第二金属部分，设置于该介质基板之上，并具有一第二接合面和一圆形凹槽，该圆形凹槽开口于该第二接合面，且该第二接合面和该第一接合面连接，其中该渐变槽具有一第一开口及位于该第一接合面的一第二开口，该渐变槽和该圆形凹槽通过该第二开口和该圆形凹槽的开口而连通，且该第一开口大于该第二开口；
其中该对谐振腔分别设于该渐变槽的两侧；
其中该对曲线槽分别设于该渐变槽的两侧而与该对谐振腔连通，且比该对谐振腔靠近该第一开口；以及
其中该第一金属部分和该第二金属部分连为一体。
2.如权利要求1所述的渐变槽线天线装置，其中该对谐振腔和该对曲线槽皆未与该渐变槽相通。
3.如权利要求2所述的渐变槽线天线装置，其中该对曲线槽各自具有一第一曲面和一第二曲面；
其中该对谐振腔皆为一圆形谐振腔；以及
其中该曲线槽的该第一曲面和该第二曲面面向彼此。
4.如权利要求3所述的渐变槽线天线装置，其中位于该渐变槽同侧的该曲线槽的该第二曲面和该圆形谐振腔彼此相连，且位于该渐变槽同侧的该曲线槽的该第一曲面和该圆形谐振腔彼此并未直接相连。
5.如权利要求2所述的渐变槽线天线装置，其中该对圆形凹槽是一圆形谐振腔，用以提高该渐变槽线天线装置的低频辐射强度。
6.一种渐变槽线天线装置，包括：
一介质基板；
一第一金属部分，设置于该介质基板之上，并具有一第一接合面、一对曲线槽、及从该第一接合面向该渐变槽线天线装置辐射方向扩展的一渐变槽；以及
一第二金属部分，设置于该介质基板之上，并具有一第二接合面和一圆形凹槽，该圆形凹槽开口于该第一接合面，且该第二接合面和该第一接合面连接，其中该渐变槽具有一第一开口及位于该第一接合面的一第二开口，该渐变槽和该圆形凹槽通过该第二开口和该圆形凹槽的开口而连通，且该第一开口大于该第二开口；
其中该对曲线槽分别设于该渐变槽的两侧，且该对曲线槽各自具有一第一曲面和一第二曲面；以及
其中该曲线槽的该第一曲面和该第二曲面面向彼此；以及
其中该第一金属部分和该第二金属部分连为一体。
7.如权利要求6所述的渐变槽线天线装置，其中该第一金属部分还包括一对谐振腔，且该对谐振腔分别设于该渐变槽的两侧；以及
其中该对曲线槽分别与同侧的该谐振腔连通，且比该对谐振腔靠近该第一开口。
8.如权利要求7所述的渐变槽线天线装置，其中该对谐振腔和该对曲线槽皆未与该渐变槽相通；
其中该对谐振腔皆为一圆形谐振腔；以及
其中该对曲线槽还分别包括垂直于该第一接合面的一开口。
9.如权利要求8所述的渐变槽线天线装置，其中位于该渐变槽同侧的该曲线槽的该第二曲面和该圆形谐振腔彼此相连，且位于该渐变槽同侧的该曲线槽的该第一曲面和该圆形谐振腔彼此并未直接相连。
10.如权利要求7所述的渐变槽线天线装置，其中该对圆形凹槽为一圆形谐振腔，用以提高该渐变槽线天线装置的低频辐射强度。
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