CN108808254B - 一种基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，包括具有表面和背面的电介质电介质基片体、第一短路钉组、第二短路钉组、馈电接头和缝隙结构，馈电接头，端接于电介质基片体的一侧边，且连接电介质基片体的表面和背面；缝隙结构，开缝于电介质基片体的背面，使得电介质基片体得以辐射电磁能量至自由空间中；第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿电介质基片体的表面和背面，第一短路钉组沿所述电介质基片体外缘围出一波导腔体，形成一阶腔膜和两个二阶腔膜；第二短路钉组设置于所述波导腔体内部，当第一短路钉组围成的波导腔体激发一阶腔膜时，第二短路钉组位于一阶腔膜分布的电场中；当第一短路钉组围城的波导腔体激发两个二阶腔膜时，第二短路钉组位于二阶腔膜电场分布的零电位点。

Description

一种基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线

技术领域

本发明涉及无线电领域，更具体地，涉及一种基于加载短路钉的 基片集成波导的背腔式缝隙天线。

背景技术

基片集成波导技术广泛的运用在微波通信系统和毫米波通信系 统中，这种技术具有低剖面、低成本、低损耗，易与平面电路兼容等 优点。在基片集成波导上实现背腔式缝隙天线，可以使得天线的具有 低剖面、易加工、平面化的优点，同时还能使得辐射方向图在工作频 段内稳定，并具有良好的前后比。

然而，现有的宽带化的基于基片集成波导的背腔式缝隙天线一般 很窄，仅为1.7％左右。而随着通技术的发展，通信系统对天线提出 了宽带化的需求。

宽带化的基片集成波导背腔式缝隙天线一般采用额外的寄生贴 片或缝隙结构，构造比较复杂，提高了天线的剖面，尺寸较增大，不 利于安装。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于 加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，本发明旨在至少在一 定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是为了增大天线的带宽特性。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于加载短路钉的基片 集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，包括具有表面和背面的电 介质电介质基片体、第一短路钉组、第二短路钉组、馈电接头和缝隙 结构，其中：馈电接头，端接于电介质基片体的一侧边，且连接电介 质基片体的表面和背面；及缝隙结构，开缝于电介质基片体的背面， 作为天线的辐射单元使得电介质基片体得以辐射电磁能量至自由空 间中；及第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿电介质基片体的表面 和背面，第一短路钉组沿所述电介质基片体外缘围出一波导腔体，在 该腔体内形成一阶腔膜和两个二阶腔膜；第二短路钉组设置于所述波导腔体内部，当第一短路钉组围成的波导腔体激发一阶腔膜时，第二 短路钉组位于一阶腔膜分布的电场中；当第一短路钉组围城的波导腔 体激发两个二阶腔膜时，第二短路钉组位于二阶腔膜电场分布的零电 位点。

优选地，所述第二短路钉组的钉的数目、钉孔径尺寸、钉与钉之 间的间隔和钉所加载的位置通过和/或的调节，控制一阶腔膜的谐振 频率右移到二阶腔膜的谐振频率附近，使得一阶腔膜与两个二阶腔膜 耦合，实现三谐振的宽带特性。

优选地，所述第二短路钉组的钉数目至少为二，所述第二短路钉 组的钉排成一排，横截波导腔体。

优选地，所述电介质电介质基片体包括电介质层、设置于电介质 层表面的上金属面和设置于电介质层背面的下金属面。

优选地，所述电介质层为固体电介质或空气介质。

优选地，所述上金属面、下金属面与电介质层集成于一体。

优选地，所述上金属面和下金属面呈平面结构，但其具体形状根 据天线的性能及阻抗匹配要求来确定。

优选地，所述第一短路钉组的钉的数量、钉孔径尺寸和钉与钉之 间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。

优选地，所述缝隙结构呈矩形状。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明增大了 天线的带宽，而且整体结构紧凑，其剖面维持低剖面，无需添加额外 的谐振单元，辐射方向图指向性好，前后比大，增益高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图示出的结构获得其他的附图。附图仅用于示例性说明，不能理解 为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、 放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸相同或相似的标号对应相同或 相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理 解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结 构及其说明可能省略是可以理解的。

图1为本申请发明的透视图；

图2为本申请发明的侧视图；

图3是本发明的天线回波损耗曲线图；

图4是本发明的天线的辐射方向图；

图5是本发明的天线的增益图；

图6是本发明的电流方向图；

图7是本发明的电场分布图。

标号	名称	标号	名称
				1	电介质层	2	上金属面
3	下金属面	4	第一短路钉组
				5	馈电接头	6	缝隙结构
7	第二短路钉组

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一 部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域 普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、 左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态 (如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该 特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1-6所示，本发明公开了一种基于加载短路钉的基片集成波 导的背腔式缝隙天线，其特征在于，包括具有表面和背面的电介质电 介质基片体、第一短路钉组、第二短路钉组、馈电接头和缝隙结构， 其中：馈电接头，端接于电介质基片体的一侧边，且连接电介质基片 体的表面和背面；及缝隙结构，开缝于电介质基片体的背面，作为天 线的辐射单元使得电介质基片体得以辐射电磁能量至自由空间中；及 第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿电介质基片体的表面和背面， 第一短路钉组沿所述电介质基片体外缘围出一波导腔体，在该腔体内 部形成一阶腔膜和两个二阶腔膜；第二短路钉组设置于所述波导腔体内部，当第一短路钉组围成的波导腔体激发一阶腔膜时，第二短路钉 组位于一阶腔膜分布的电场中；当第一短路钉组围城的波导腔体激发 两个二阶腔膜时，第二短路钉组位于二阶腔膜电场分布的零电位点。

在本实施例中，通过缝隙结构开缝于电介质基片体的下表面，使 缝隙结构具有辐射特性，缝隙结构截断波导壁上的表面电流，被截断 的表面电流转变为缝隙结构上的位移电流，沿原方向流过缝隙结构， 该位移电流的电力线将向空间辐射形成辐射场，对工作于谐振状态的 基片集成波导腔对缝隙结构进行激励，通过加载的缝隙结构降低了天 线的回波损耗。第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿电介质基片体 的表面和背面，第一短路钉组沿所述电介质基片体外缘围出一波导腔 体，形成一阶腔膜和两个二阶腔膜。根据微波工程的电磁波理论：首 先，对于一个给定的工作频段，本发明通过选择第一短路钉围成的波导腔体的尺寸，使得不加载第二短路钉组的波导腔体的二阶腔膜谐振 在给定的工作频段中。二阶腔膜的谐振频率可通过下式近似计算：

其中c为光速，ε_r为基片介质的相对介电常数，L为矩形波导腔 体的长边的长度，W为矩形波导腔体的短边的长度。由此，计算第一 短路钉组围成的波导腔体在不加载第二短路钉组时一阶腔膜的谐振 频率和二阶腔膜的谐振频率。而且此时不加载第二短路钉组的波导腔 体的一阶腔膜的谐振频率将远低于二阶腔膜的谐振频率，即一阶腔膜 不在工作频段内谐振，不能对天线的带宽做出贡献。本发明再将第二 短路钉组设置于所述基片体中间部位，当第一短路钉组围成的腔体激 发一阶腔膜时，第二短路钉组位于一阶腔膜分布的电场中，作为一种 感性负载改变了一阶腔膜的电场分布，从而使得天线的一阶腔膜的谐 振频率右移；当第一短路钉组围城的腔体激发两个二阶腔膜时，第二 短路钉组恰好位于二阶腔膜电场分布的零电位点，因此几乎不改变二 阶腔膜的电场分布，几乎不对二阶腔膜产生微扰，二阶腔膜的谐振频 率几乎不变。如图7，图7是本发明的电场分布图。由于加载了第二短路钉组，天线的一阶腔膜受到微扰，电场分布发生畸变，进而谐振 频点右移至二阶腔膜的谐振频点附近；第一个二阶腔膜的电场关于缝 隙结构呈奇对称分布，第二个二阶腔膜的电场关于缝隙结构呈偶对称 分布，由于第二短路钉组加载在二阶腔膜的零电位处，两个二阶腔膜 几乎不受第二短路钉组微扰。

进一步地，所述第二短路钉组的钉的数目、钉孔径尺寸、钉与钉 之间的间隔和钉所加载的位置通过和/或的调节，控制一阶腔膜的谐 振频率右移到二阶腔膜的谐振频率附近，使得一阶腔膜与两个二阶腔 膜耦合，实现三谐振的宽带特性。

在本实施例中，通过调节第二短路钉组的数目，孔径尺寸，间隔 和所加载的位置，可以调节一阶腔膜的谐振频率右移到二阶腔膜的谐 振频率附近，从而使得一阶腔膜与二阶腔膜耦合，增大天线的带宽。 如图3，图3是本发明的天线回波损耗曲线图。由于加载了第二短路 钉组，天线的一阶腔模右移，跟两个二阶腔模进行耦合，从而实现了 三谐振的宽带特性。

进一步地，所述第二短路钉组的钉数目至少为二，所述第二短路 钉组的钉排成一排，横截波导腔体。

在本实施例中，通过将第二短路钉组的钉数目定义为至少为二 个，且排成一排横截波导腔体，以形成对天线的一阶腔膜的微扰，致 使电场分布发生畸变，进而谐振频点右移至二阶腔膜的谐振频点附 近。

进一步地，所述电介质电介质基片体包括电介质层、设置于电介 质层表面的上金属面和设置于电介质层背面的下金属面。

在本实施例中，通过在电介质层附上金属面制作天线，以形成金 属屏蔽，有效地屏蔽电磁波。

进一步地，所述电介质层为固体电介质或空气介质。

在本实施例中，扩展了电介质层的概念，更便于生产。

进一步地，所述上金属面、下金属面与电介质层集成于一体。

在本实施例中，通过上、下金属面紧贴电介质层的表面和背面集 成于一体，形成一个整体紧凑结构，降低天线的剖面，使其轮廓低、 风阻小、易于实现与载体的共形。

进一步地，所述上金属面和下金属面呈平面结构，其具体形状根 据天线的性能及阻抗匹配要求来确定。

在本实施例中，天线是射频识别RFID标签的重要组成部分,而U HF频段的天线受金属表面影响较大,这样基于自由空间设计的RFID 系统的性能在金属表面上会变得不稳定，所以天线的金属面的具体 形状根据天线的性能及阻抗匹配要求来确定。

进一步地，所述第一短路钉组的钉的数量、钉孔径尺寸和钉与 钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。

在本实施例中，加载的短路钉会对天线电磁场分布、谐振特性、 阻抗特性以及辐射特性等均有作用，所以所述第一短路钉组的钉的 数量、钉孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配 要求确定。

进一步地，所述缝隙结构呈矩形状。

在本实施例中，缝隙结构用于形成阶状波导，采用矩形状的缝 隙结构可由波导或谐振腔馈电，这时，缝隙结构上激励有射频电磁 场，并向空间辐射电磁波。

本发明一实施例的实景操作具体如下：

天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为1.0 mm的电介质层上；第一短路钉组围成一个18.8mm×23.2mm的矩形腔 体；馈电接头的中心馈电针通过一宽度为3.1mm的微带线与金属上 表面电性连接，馈电接头的外导体与金属地板电性连接，缝隙结构 呈17.7mm×1.1mm，蚀刻在金属地板上，它与最近一侧的由第一短路 钉组围成的腔体的短路壁的距离为6.0mm；第一短路钉组的直径为1. 0mm，第一短路钉组相邻间隔为1.5mm，第二短路钉组的直径为1.0m m，第二短路钉组的相邻间隔为1.0mm，第二短路钉组中心与缝隙结 构中心的距离为5.6mm。

图4是本发明的天线工作在9.3GHz，9.8GHz和10.3GHz的辐射 方向图，可以看到天线的方向图稳定，前后比好。

图5是本发明的天线的增益图。可以看到天线在工作频段内增 益较稳定。

图6是本发明的电流方向图：(a)一阶腔膜的电流方向图；(b) 第一个二阶腔膜的电流方向图；(C)第二个二阶腔膜的电流方向图。

图7是本发明的电场分布图：(a)一阶腔膜的电场分布图；(b) 第一个二阶腔膜的电场分布图；(c)第二个二阶腔膜的电场分布 图。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举 例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术 人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变 动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，包括具有表面和背面的电介质电介质基片体、第一短路钉组、第二短路钉组、馈电接头和缝隙结构，其中：

馈电接头，端接于电介质基片体的一侧边，且连接电介质基片体的表面和背面；及

缝隙结构，开缝于电介质基片体的背面，作为天线的辐射单元使得电介质基片体得以辐射电磁能量至自由空间中；及

第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿电介质基片体的表面和背面，第一短路钉组沿所述电介质基片体外缘围出一波导腔体，在该腔体内形成一阶腔膜和两个二阶腔膜；第二短路钉组设置于所述波导腔体内部，当第一短路钉组围成的波导腔体激发一阶腔膜时，第二短路钉组位于一阶腔膜分布的电场中；当第一短路钉组围城的波导腔体激发两个二阶腔膜时，第二短路钉组位于二阶腔膜电场分布的零电位点。

2.如权利要求1所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述第二短路钉组的钉的数目、钉孔径尺寸、钉与钉之间的间隔和钉所加载的位置通过和/或的调节，控制一阶腔膜的谐振频率右移到二阶腔膜的谐振频率附近，使得一阶腔膜与两个二阶腔膜耦合，实现三谐振的宽带特性。

3.如权利要求2所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述第二短路钉组的钉数目至少为二，所述第二短路钉组的钉排成一排，横截波导腔体。

4.如权利要求1所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述电介质电介质基片体包括电介质层、设置于电介质层表面的上金属面和设置于电介质层背面的下金属面。

5.如权利要求1所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述电介质层为固体电介质或空气介质。

6.如权利要求4所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述上金属面、下金属面与电介质层集成于一体。

7.如权利要求4所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述上金属面和下金属面呈平面结构，其具体形状根据天线的性能及阻抗匹配要求来确定。

8.如权利要求1所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述第一短路钉组的钉的数量、钉孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。

9.如权利要求1所述基于加载短路钉的基片集成波导的背腔式缝隙天线，其特征在于，所述缝隙结构呈矩形状。

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