本發(fā)明屬于微帶天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于小型化、可集成化的背腔式縫隙天線。

背景技術(shù)：

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻設(shè)備小型化的迫切需求逐漸成為通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，天線的小型化也因此成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。共形微帶天線因易于加工和集成、緊湊性、低剖面性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信設(shè)備中。由于良好的電氣特性和機(jī)械特性，共形微帶天線能有效地共形以減小風(fēng)阻，因此非常適合安裝在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、輪船、車輛、基站等設(shè)備上用于通信。微帶反饋的背腔式縫隙天線因全向輻射、易于與平面或非平面表面共形，比微帶貼片天線相比具有更寬的帶寬、更少的表面波影響和更小的互耦效應(yīng)等諸多誘人的特性，在過(guò)去的幾十年被廣泛地研究和應(yīng)用于相控陣、航天器和無(wú)線通信系統(tǒng)中。為了保持足夠的阻抗匹配，背腔式縫隙天線的背腔深度通常近似為諧振頻率自由空間波長(zhǎng)(即工作波長(zhǎng))的四分之一或者四分之三。背腔式縫隙天線的縫隙長(zhǎng)度通常略大于一個(gè)工作波長(zhǎng)，因此，背腔式縫隙天線的尺寸最大值取決于其縫隙長(zhǎng)度。而對(duì)于vhf頻段(甚高頻，30mhz～300mhz)，自由空間波長(zhǎng)最小為1米，按照上文所述言，背腔式縫隙天線的背腔深度至少在250mm以上，如此深的背腔會(huì)對(duì)其機(jī)械加工制作、安裝以及對(duì)整個(gè)天線的外觀、風(fēng)阻等方面都帶來(lái)大程度負(fù)面影響。

現(xiàn)有技術(shù)所發(fā)展的眾多小型化方法中，可通過(guò)在背腔中填充介質(zhì)材料以減小背腔的體積和縫隙的尺寸。然而，上述方法會(huì)導(dǎo)致天線帶寬和輻射效率的下降及制造成本的增加。a.vallecchi等人發(fā)表的文章《microstrip-fedslotantennasbackedbyaverythincavity》(《一種淺腔型微帶饋電縫隙天線》)中公開(kāi)了在1.8ghz中心頻率的背腔式縫隙天線，通過(guò)沿著縫隙的橫截面方向適當(dāng)選擇縫隙的長(zhǎng)度及背腔的尺寸，能夠明顯減少背腔的深度；在該文章所公開(kāi)縫隙天線中主要尺寸參數(shù)為：縫隙長(zhǎng)度：165mm；背腔長(zhǎng)度：200mm；背腔寬度：91mm；背腔高度：4.2mm；天線剖面高度：5mm，從上述數(shù)據(jù)可以看出：盡管所得到的縫隙天線的背腔高度(約為0.025個(gè)波長(zhǎng))和天線剖面高度(約為0.03個(gè)波長(zhǎng))均有大幅減小，然而縫隙尺寸(約為1個(gè)波長(zhǎng))、背腔長(zhǎng)度(約為1.2個(gè)波長(zhǎng))和背腔寬度(約為0.5個(gè)波長(zhǎng))仍然較大，使得最終獲得的天線的平面尺寸仍然較大，其中長(zhǎng)為256毫米(約為1.5個(gè)波長(zhǎng))，寬為212毫米(約為1.2個(gè)波長(zhǎng))，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)天線的整體小型化。m.a.hanqing等人發(fā)表的文章《highgaincavity-backedslotantennawithawindowedmetallicsuperstrate》(《一種設(shè)有開(kāi)窗金屬蓋板的高增益背腔式縫隙天線》)中提出了提出在中心頻率為2.4ghz的背腔式縫隙天線上增加開(kāi)窗的金屬蓋板能有效地提高增益。在該文章所公開(kāi)縫隙天線中主要尺寸參數(shù)為：縫隙長(zhǎng)度：118mm；背腔長(zhǎng)度：130mm；背腔寬度：84mm；背腔高度：2mm；天線剖面高度：7.6mm，從上述數(shù)據(jù)可以看出：與上文所提到的淺腔型縫隙天線類似，盡管所得到的縫隙天線的背腔高度(約為0.016個(gè)波長(zhǎng))和天線剖面高度(約為0.06個(gè)波長(zhǎng))均有大幅減小，但是縫隙尺寸(約為1個(gè)波長(zhǎng))、背腔長(zhǎng)度(約為1個(gè)波長(zhǎng))和背腔寬度(約為0.67個(gè)波長(zhǎng))仍然較大，導(dǎo)致最終獲得的天線的平面尺寸仍然較大，其中長(zhǎng)為150毫米(約為1.2個(gè)波長(zhǎng))，寬為146毫米(約為1.2個(gè)波長(zhǎng))，因而，上述技術(shù)方案也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)天線的整體小型化。

由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)研究大幅減小背腔式縫隙天線的背腔高度并且取得了一定的進(jìn)展，然而，背腔式縫隙天線的平面尺寸仍然較大。并且，天線的尺寸與天線的工作波長(zhǎng)呈正比，從理論上講，隨著天線工作頻率的降低，天線的工作波長(zhǎng)會(huì)隨之變大，天線尺寸會(huì)相應(yīng)地增加。這就為低頻段天線的小型化帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。因此，亟需一種實(shí)現(xiàn)背腔式縫隙天線的整體尺寸小型化的方法，尤其是在低頻段領(lǐng)域天線，其整體尺寸的小型化更為關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種小型化背腔式縫隙天線，本發(fā)明采用了開(kāi)窗的金屬蓋板、特定鐵氧體材料作為介質(zhì)基板以及創(chuàng)新性地采用在底腔設(shè)置鐵氧體薄片等技術(shù)手段，在實(shí)現(xiàn)天線整體小型化的同時(shí)，保證了充足的帶寬，并且提供了較高的增益。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種小型化背腔式縫隙天線，其特征在于：包括：背面設(shè)有接地金屬層(2)的鐵氧體基板(1)，鐵氧體基板(1)的正面設(shè)有微帶饋線(3)，鐵氧體基板(1)及微帶饋線(3)的上方懸設(shè)有中央開(kāi)窗(401)的金屬蓋板(4)，接地金屬層(2)的中間位置開(kāi)設(shè)有長(zhǎng)條狀輻射縫隙(5)，接地金屬層(2)的背面設(shè)有金屬淺腔(6)，金屬淺腔(6)的背面緊密貼合有鐵氧體薄片(7)，通過(guò)微帶饋線(3)進(jìn)行饋電產(chǎn)生激勵(lì)輻射縫隙的場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)輻射縫隙(5)的尺寸和微帶饋線(3)與輻射縫隙(5)的相對(duì)位置調(diào)整產(chǎn)生的諧振頻率。

進(jìn)一步地，本發(fā)明中微帶饋線(3)可以為短路，也可以為開(kāi)路枝節(jié)。

進(jìn)一步地，所述鐵氧體材料為相對(duì)磁導(dǎo)率與相對(duì)介電常數(shù)相近的磁介電質(zhì)材料。

根據(jù)本領(lǐng)域人員普通知識(shí)可知：通過(guò)調(diào)整本技術(shù)方案中各結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，可以獲得不同特性需求的背腔式縫隙天線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同工作頻段的小型化天線。

本發(fā)明給出一個(gè)適用于277mhz中心頻率的便攜式射頻識(shí)別標(biāo)簽閱讀器的技術(shù)方案，天線工作頻段為261～292mhz，鐵氧體薄片(7)和鐵氧體基板(1)所用的鐵氧體材料的相對(duì)介電常數(shù)范圍和相對(duì)磁導(dǎo)率范圍分別為3.0～10.0和3.0～10.0，則縫隙天線的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

鐵氧體基板(1)的平面形狀為矩形，其長(zhǎng)度和寬度均在180mm～460mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為220mm，鐵氧體基板(1)的厚度范圍為0.1mm～10mm，優(yōu)選為4mm；金屬蓋板(4)的平面形狀為矩形，其長(zhǎng)度和寬度均在150mm～460mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為210mm，金屬蓋板距離饋電面的高度為1mm～20mm，優(yōu)選為4.7mm；開(kāi)窗的形狀為矩形，開(kāi)窗的長(zhǎng)度范圍為2mm～100mm，優(yōu)選為36mm，開(kāi)窗的寬度為1mm～50mm，優(yōu)選為14mm；輻射縫隙(5)的長(zhǎng)度在120mm～380mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為189mm，輻射縫隙(5)的寬度在0.5mm～50mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為2mm；金屬淺腔(6)和鐵氧體薄片(7)的長(zhǎng)度和寬度均在120mm～380mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為190mm，金屬淺腔(6)的深度在1mm～40mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為4.6mm，鐵氧體薄片(7)的厚度在0.001mm～0.5mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為1μm；天線的長(zhǎng)度和寬度均在150mm～460mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為220mm，高度在3mm～70mm范圍內(nèi)，優(yōu)選為14.3mm。

本發(fā)明對(duì)于介質(zhì)基板的設(shè)置做了如下考慮：

天線的尺寸和帶寬都和基板材料的相對(duì)介電常數(shù)(εr)和相對(duì)磁導(dǎo)率(μr為)有關(guān)。天線的工作頻率(f)和帶寬(bw)由以下公式確定：

式中，c是光速，l是天線輻射單元的長(zhǎng)度，t是基板的厚度，而λ是自由空間波長(zhǎng)；

從公式(1)和(2)可以看出：高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的基板材料用于小型化會(huì)導(dǎo)致帶寬的下降和損耗因數(shù)的增加，而具有較高的介電常數(shù)和較高的磁導(dǎo)率且介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相近的材料卻能在小型化的同時(shí)并阻止帶寬的下降。因此，采用相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)的值近似相等的磁介電質(zhì)的鐵氧體(以下簡(jiǎn)稱為等磁介鐵氧體)，能有效的減少天線的尺寸同時(shí)保持充足的帶寬。

本發(fā)明對(duì)于金屬蓋板的設(shè)置做了如下考慮：

采用介電常數(shù)并不高的金屬蓋板可以在有效提升增益的同時(shí)降低了材料成本和加工成本，此外還能避免激勵(lì)更多類型的表面波、造成帶寬的下降和增加天線的高度和重量等。蓋板上開(kāi)窗實(shí)際上是通過(guò)與縫隙的耦合，形成第二個(gè)輻射縫隙，提升了天線的輻射性能。若開(kāi)窗的的長(zhǎng)度太大，會(huì)導(dǎo)致天線的方向性明顯下降。而開(kāi)窗的寬度雖然對(duì)天線的性能影響不突出，但仍需仔細(xì)選擇。如開(kāi)窗寬度過(guò)小，則將不能有效地發(fā)揮輻射縫隙的作用；如開(kāi)窗寬度過(guò)大，則縫隙與金屬蓋板耦合的能量將減弱。因此開(kāi)窗的尺寸也會(huì)影響天線的整體輻射性能。

本發(fā)明對(duì)于鐵氧體薄片的設(shè)置做了如下考慮：

鐵氧體材料的選用由于其較高的介電常數(shù)和磁損耗因數(shù)會(huì)造成增益和輻射效率的下降。為了傳遞更多的能量到自由空間中，可以增加自由空間的介電常數(shù)或基板的磁導(dǎo)率，通過(guò)合理地選擇具有較高磁導(dǎo)率的鐵氧體薄片，能在一定的帶寬上能有效地提高增益和輻射電阻。根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例，通過(guò)無(wú)數(shù)次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)在本實(shí)施例中選擇設(shè)置于淺腔底部緊密貼合厚度為1微米的鐵氧體薄片時(shí)，能有效地提升天線的增益。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供了一種背腔式縫隙天線，相比傳統(tǒng)在背腔中裝載介質(zhì)材料以減小背腔的體積和縫隙尺寸而言，本發(fā)明避免了上述方式所導(dǎo)致天線的帶寬和輻射效率的下降以及增加制造成本的不足，并且現(xiàn)有技術(shù)僅減小了背腔高度，并沒(méi)有從整體上實(shí)現(xiàn)天線的小型化，相較而言，本發(fā)明大幅度地減小了縫隙的長(zhǎng)度，并且減小了背腔的平面尺寸和深度，使得天線的平面尺寸和剖面高度均得以縮減，相比于傳統(tǒng)的背腔式縫隙天線(長(zhǎng)度和寬度都略大于全波長(zhǎng)，高度為1/4波長(zhǎng))和淺腔式縫隙天線(長(zhǎng)度和寬度都略大于全波長(zhǎng))，本發(fā)明天線的體積縮小了幾十倍甚至上百倍，本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)緊湊，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，還能夠保證較高的帶寬，使得天線獲得較高的增益和輻射性能，故在實(shí)際工程中具有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的s11曲線圖；

圖3為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的方向圖；

圖4為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的3d增益圖；

圖5為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的鐵氧體薄片增益對(duì)比圖；

圖中，1為鐵氧體基板，2為接地金屬層，3為微帶饋線，4為金屬蓋板，5為輻射縫隙，6為淺腔，7為鐵氧體薄片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明原理進(jìn)一步闡述：

圖1為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)習(xí)慣本實(shí)施將附圖中xy平面作為天線的平面，其中x方向?yàn)閷挾?，y方向?yàn)殚L(zhǎng)度，下文不再贅述。附圖1中俯視圖為了方便標(biāo)注和透視其余層的緣故，未將金屬蓋板4全部采用深色標(biāo)識(shí)僅標(biāo)識(shí)了其外圍邊緣從圖中可以看出：本實(shí)施例所提供縫隙rfid天線包括：背面設(shè)有接地金屬層2的鐵氧體基板1，由于接地金屬層2是采用薄膜沉積技術(shù)沉積于鐵氧體基板1的底面，因此二者的平面尺寸相同，也就是天線的平面尺寸，鐵氧體基板1正面設(shè)有微帶饋線3，鐵氧體基板1及微帶饋線3的上方懸設(shè)有開(kāi)窗的金屬蓋板4，金屬蓋板4正中央開(kāi)設(shè)有矩形開(kāi)窗401，設(shè)有開(kāi)窗401的金屬蓋板4能夠有效提升天線的增益，金屬蓋板4的邊緣處可采用與空氣介質(zhì)系數(shù)接近的泡沫材料加以支撐；接地金屬層2的中間位置通過(guò)金屬蝕刻開(kāi)設(shè)有長(zhǎng)條狀輻射縫隙5，接地金屬層2的背面設(shè)有金屬淺腔6，淺腔的設(shè)置能大幅度減小天線的剖面高度，從而使天線在平面尺寸小型化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)體積小型化，金屬淺腔6的背面緊密貼合有鐵氧體薄片7，通過(guò)微帶饋線3進(jìn)行饋電產(chǎn)生激勵(lì)輻射縫隙5的場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)輻射縫隙5的尺寸和微帶饋線3與輻射縫隙5的相對(duì)位置調(diào)整產(chǎn)生的諧振頻率。

本發(fā)明中采用鐵氧體基板能有效地實(shí)現(xiàn)天線平面尺寸的小型化，而本發(fā)明進(jìn)一步采用等磁介鐵氧體基板，在平面尺寸小型化的同時(shí)，能夠很好地保持充足的帶寬。具體原理如下：

天線的尺寸和帶寬都和基板材料的相對(duì)介電常數(shù)(εr)和相對(duì)磁導(dǎo)率(μr為)有關(guān)。天線的工作頻率(f)和帶寬(bw)由以下公式確定：

式中，c是光速，l是天線輻射單元的長(zhǎng)度，t是基板的厚度，而λ是自由空間波長(zhǎng)；

從公式(1)和(2)可以看出：高介電常數(shù)或高磁導(dǎo)率的基板材料用于小型化會(huì)導(dǎo)致帶寬的下降和損耗因數(shù)的增加，而具有較高的介電常數(shù)和較高的磁導(dǎo)率且介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相近的材料卻能在小型化的同時(shí)并阻止帶寬的下降。因此，采用相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)的值近似相等的磁介電質(zhì)的鐵氧體(以下簡(jiǎn)稱為等磁介鐵氧體)，能有效的減少天線的尺寸同時(shí)保持充足的帶寬。

實(shí)施例：

本發(fā)明具體實(shí)施例設(shè)計(jì)了一種小型化背腔式縫隙rfid天線，其工作頻段為261～292mhz，中心頻率為277mhz。

根據(jù)如圖1的幾何結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例采用hfss軟件進(jìn)行建模與仿真：

在本實(shí)施例中，所選擇的鐵氧體介質(zhì)基板1的材料為等磁介材料，相對(duì)介電常數(shù)εr＝6.86，相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝6.95，介質(zhì)損耗角正切值為0.0035，磁導(dǎo)率損耗角正切值為0.09，根據(jù)計(jì)算和仿真得到鐵氧體介質(zhì)基板1的尺寸為：長(zhǎng)度sx＝220mm，寬度sy＝220mm，厚度sw＝4mm；

微帶饋線3為50ω微帶線，可以采用印刷電路的刻蝕技術(shù)在鐵氧體基板上制作，其尺寸為：長(zhǎng)度my＝157.4mm，寬度mx＝5.3mm；

為降低成本和便于加工，金屬蓋板4可以選用厚度為0.5mm的銅片制作，金屬蓋板4的尺寸為：長(zhǎng)度tx＝210mm，寬度ty＝210mm，金屬蓋板距離饋電面的高度th＝4.7mm；金屬蓋板正中央開(kāi)窗401的尺寸為：wx＝36mm，寬度wy＝14mm；

輻射縫隙5的尺寸為：長(zhǎng)度sl＝189mm，寬度sw＝2mm；

為降低成本和便于加工，淺腔6可以選用厚度為0.5mm的銅片制作，金屬淺腔6的尺寸為：長(zhǎng)度cx＝190mm，寬度cy＝190mm，高度ch＝4.6mm；

鐵氧體薄片7的尺寸為：長(zhǎng)度bx＝190mm，寬度by＝190mm，厚度為bt＝1μm；

基于上述優(yōu)化參數(shù)，得出天線最終的仿真結(jié)果如圖2至4所示，圖2為本實(shí)施例天線的s參數(shù)仿真，從圖2中可以看出：本實(shí)施例提供天線的-10db阻抗帶寬為31mhz(261～292mhz)，相對(duì)帶寬為中心頻率277mhz的11.2％。圖3為本實(shí)施例天線的方向圖，從圖3中可以看出：天線實(shí)現(xiàn)了全向輻射。圖4為本實(shí)施例天線的3d增益圖，可以看出天線增益約為-3.56dbi，圖5為本發(fā)明設(shè)置上述鐵氧體薄片與未設(shè)置上述鐵氧體薄片在中心頻率277mhz的增益對(duì)比圖，從圖5中可以看出：在增益較低的位置如theta＝-150，增設(shè)鐵氧體薄片提升了增益近11dbi；在增益較高的位置如theta＝0，增設(shè)鐵氧體薄片提升了增益1.1dbi。由此可見(jiàn)增設(shè)適當(dāng)厚度的鐵氧體薄片能有效地提升天線的增益。

一般來(lái)說(shuō)，天線小型化將會(huì)導(dǎo)致全尺寸諧振的縫隙天線增益的大幅度下降，而本發(fā)明通過(guò)采用開(kāi)窗的金屬蓋板和創(chuàng)新性地在背腔底部設(shè)置超薄鐵氧體層，能夠在實(shí)現(xiàn)整體小型化的同時(shí)仍然兼顧增益的提升。

本發(fā)明具體實(shí)施例僅給出了適用于中心頻率為277mhz的便攜式射頻識(shí)別閱讀器的天線，上述具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，即本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式，通過(guò)調(diào)整各參數(shù)可以獲得不同特性的縫隙天線。同時(shí)本發(fā)明也可以應(yīng)用于甚高頻或者超高頻天線的小型化。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受到本發(fā)明啟示，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。