一种小型化背腔式缝隙天线的制作方法

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种用于小型化、可集成化的背腔式缝隙天线。

背景技术：

随着通信技术的迅速发展，射频设备小型化的迫切需求逐渐成为通信系统中的一个关键的问题，天线的小型化也因此成为研究和应用的热点。共形微带天线因易于加工和集成、紧凑性、低剖面性等特点，被广泛应用于无线通信设备中。由于良好的电气特性和机械特性，共形微带天线能有效地共形以减小风阻，因此非常适合安装在飞机、导弹、卫星、轮船、车辆、基站等设备上用于通信。微带反馈的背腔式缝隙天线因全向辐射、易于与平面或非平面表面共形，比微带贴片天线相比具有更宽的带宽、更少的表面波影响和更小的互耦效应等诸多诱人的特性，在过去的几十年被广泛地研究和应用于相控阵、航天器和无线通信系统中。为了保持足够的阻抗匹配，背腔式缝隙天线的背腔深度通常近似为谐振频率自由空间波长(即工作波长)的四分之一或者四分之三。背腔式缝隙天线的缝隙长度通常略大于一个工作波长，因此，背腔式缝隙天线的尺寸最大值取决于其缝隙长度。而对于vhf频段(甚高频，30mhz～300mhz)，自由空间波长最小为1米，按照上文所述言，背腔式缝隙天线的背腔深度至少在250mm以上，如此深的背腔会对其机械加工制作、安装以及对整个天线的外观、风阻等方面都带来大程度负面影响。

现有技术所发展的众多小型化方法中，可通过在背腔中填充介质材料以减小背腔的体积和缝隙的尺寸。然而，上述方法会导致天线带宽和辐射效率的下降及制造成本的增加。a.vallecchi等人发表的文章《microstrip-fedslotantennasbackedbyaverythincavity》(《一种浅腔型微带馈电缝隙天线》)中公开了在1.8ghz中心频率的背腔式缝隙天线，通过沿着缝隙的横截面方向适当选择缝隙的长度及背腔的尺寸，能够明显减少背腔的深度；在该文章所公开缝隙天线中主要尺寸参数为：缝隙长度：165mm；背腔长度：200mm；背腔宽度：91mm；背腔高度：4.2mm；天线剖面高度：5mm，从上述数据可以看出：尽管所得到的缝隙天线的背腔高度(约为0.025个波长)和天线剖面高度(约为0.03个波长)均有大幅减小，然而缝隙尺寸(约为1个波长)、背腔长度(约为1.2个波长)和背腔宽度(约为0.5个波长)仍然较大，使得最终获得的天线的平面尺寸仍然较大，其中长为256毫米(约为1.5个波长)，宽为212毫米(约为1.2个波长)，没有实现天线的整体小型化。m.a.hanqing等人发表的文章《highgaincavity-backedslotantennawithawindowedmetallicsuperstrate》(《一种设有开窗金属盖板的高增益背腔式缝隙天线》)中提出了提出在中心频率为2.4ghz的背腔式缝隙天线上增加开窗的金属盖板能有效地提高增益。在该文章所公开缝隙天线中主要尺寸参数为：缝隙长度：118mm；背腔长度：130mm；背腔宽度：84mm；背腔高度：2mm；天线剖面高度：7.6mm，从上述数据可以看出：与上文所提到的浅腔型缝隙天线类似，尽管所得到的缝隙天线的背腔高度(约为0.016个波长)和天线剖面高度(约为0.06个波长)均有大幅减小，但是缝隙尺寸(约为1个波长)、背腔长度(约为1个波长)和背腔宽度(约为0.67个波长)仍然较大，导致最终获得的天线的平面尺寸仍然较大，其中长为150毫米(约为1.2个波长)，宽为146毫米(约为1.2个波长)，因而，上述技术方案也没有实现天线的整体小型化。

由此可见，现有技术研究大幅减小背腔式缝隙天线的背腔高度并且取得了一定的进展，然而，背腔式缝隙天线的平面尺寸仍然较大。并且，天线的尺寸与天线的工作波长呈正比，从理论上讲，随着天线工作频率的降低，天线的工作波长会随之变大，天线尺寸会相应地增加。这就为低频段天线的小型化带来了重大挑战。因此，亟需一种实现背腔式缝隙天线的整体尺寸小型化的方法，尤其是在低频段领域天线，其整体尺寸的小型化更为关键。

技术实现要素：

本发明提供一种小型化背腔式缝隙天线，本发明采用了开窗的金属盖板、特定铁氧体材料作为介质基板以及创新性地采用在底腔设置铁氧体薄片等技术手段，在实现天线整体小型化的同时，保证了充足的带宽，并且提供了较高的增益。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种小型化背腔式缝隙天线，其特征在于：包括：背面设有接地金属层(2)的铁氧体基板(1)，铁氧体基板(1)的正面设有微带馈线(3)，铁氧体基板(1)及微带馈线(3)的上方悬设有中央开窗(401)的金属盖板(4)，接地金属层(2)的中间位置开设有长条状辐射缝隙(5)，接地金属层(2)的背面设有金属浅腔(6)，金属浅腔(6)的背面紧密贴合有铁氧体薄片(7)，通过微带馈线(3)进行馈电产生激励辐射缝隙的场，通过调节辐射缝隙(5)的尺寸和微带馈线(3)与辐射缝隙(5)的相对位置调整产生的谐振频率。

进一步地，本发明中微带馈线(3)可以为短路，也可以为开路枝节。

进一步地，所述铁氧体材料为相对磁导率与相对介电常数相近的磁介电质材料。

根据本领域人员普通知识可知：通过调整本技术方案中各结构参数和材料参数，可以获得不同特性需求的背腔式缝隙天线，进而实现不同工作频段的小型化天线。

本发明给出一个适用于277mhz中心频率的便携式射频识别标签阅读器的技术方案，天线工作频段为261～292mhz，铁氧体薄片(7)和铁氧体基板(1)所用的铁氧体材料的相对介电常数范围和相对磁导率范围分别为3.0～10.0和3.0～10.0，则缝隙天线的具体结构参数如下：

铁氧体基板(1)的平面形状为矩形，其长度和宽度均在180mm～460mm范围内，优选为220mm，铁氧体基板(1)的厚度范围为0.1mm～10mm，优选为4mm；金属盖板(4)的平面形状为矩形，其长度和宽度均在150mm～460mm范围内，优选为210mm，金属盖板距离馈电面的高度为1mm～20mm，优选为4.7mm；开窗的形状为矩形，开窗的长度范围为2mm～100mm，优选为36mm，开窗的宽度为1mm～50mm，优选为14mm；辐射缝隙(5)的长度在120mm～380mm范围内，优选为189mm，辐射缝隙(5)的宽度在0.5mm～50mm范围内，优选为2mm；金属浅腔(6)和铁氧体薄片(7)的长度和宽度均在120mm～380mm范围内，优选为190mm，金属浅腔(6)的深度在1mm～40mm范围内，优选为4.6mm，铁氧体薄片(7)的厚度在0.001mm～0.5mm范围内，优选为1μm；天线的长度和宽度均在150mm～460mm范围内，优选为220mm，高度在3mm～70mm范围内，优选为14.3mm。

本发明对于介质基板的设置做了如下考虑：

天线的尺寸和带宽都和基板材料的相对介电常数(εr)和相对磁导率(μr为)有关。天线的工作频率(f)和带宽(bw)由以下公式确定：

式中，c是光速，l是天线辐射单元的长度，t是基板的厚度，而λ是自由空间波长；

从公式(1)和(2)可以看出：高介电常数或高磁导率的基板材料用于小型化会导致带宽的下降和损耗因数的增加，而具有较高的介电常数和较高的磁导率且介电常数和磁导率相近的材料却能在小型化的同时并阻止带宽的下降。因此，采用相对磁导率和相对介电常数的值近似相等的磁介电质的铁氧体(以下简称为等磁介铁氧体)，能有效的减少天线的尺寸同时保持充足的带宽。

本发明对于金属盖板的设置做了如下考虑：

采用介电常数并不高的金属盖板可以在有效提升增益的同时降低了材料成本和加工成本，此外还能避免激励更多类型的表面波、造成带宽的下降和增加天线的高度和重量等。盖板上开窗实际上是通过与缝隙的耦合，形成第二个辐射缝隙，提升了天线的辐射性能。若开窗的的长度太大，会导致天线的方向性明显下降。而开窗的宽度虽然对天线的性能影响不突出，但仍需仔细选择。如开窗宽度过小，则将不能有效地发挥辐射缝隙的作用；如开窗宽度过大，则缝隙与金属盖板耦合的能量将减弱。因此开窗的尺寸也会影响天线的整体辐射性能。

本发明对于铁氧体薄片的设置做了如下考虑：

铁氧体材料的选用由于其较高的介电常数和磁损耗因数会造成增益和辐射效率的下降。为了传递更多的能量到自由空间中，可以增加自由空间的介电常数或基板的磁导率，通过合理地选择具有较高磁导率的铁氧体薄片，能在一定的带宽上能有效地提高增益和辐射电阻。根据本发明具体实施例，通过无数次反复的实验，最终发现在本实施例中选择设置于浅腔底部紧密贴合厚度为1微米的铁氧体薄片时，能有效地提升天线的增益。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种背腔式缝隙天线，相比传统在背腔中装载介质材料以减小背腔的体积和缝隙尺寸而言，本发明避免了上述方式所导致天线的带宽和辐射效率的下降以及增加制造成本的不足，并且现有技术仅减小了背腔高度，并没有从整体上实现天线的小型化，相较而言，本发明大幅度地减小了缝隙的长度，并且减小了背腔的平面尺寸和深度，使得天线的平面尺寸和剖面高度均得以缩减，相比于传统的背腔式缝隙天线(长度和宽度都略大于全波长，高度为1/4波长)和浅腔式缝隙天线(长度和宽度都略大于全波长)，本发明天线的体积缩小了几十倍甚至上百倍，本发明天线结构紧凑，在实现小型化的同时，还能够保证较高的带宽，使得天线获得较高的增益和辐射性能，故在实际工程中具有较好的应用基础。

附图说明

图1为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的结构图；

图2为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的s11曲线图；

图3为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的方向图；

图4为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的3d增益图；

图5为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的铁氧体薄片增益对比图；

图中，1为铁氧体基板，2为接地金属层，3为微带馈线，4为金属盖板，5为辐射缝隙，6为浅腔，7为铁氧体薄片。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和说明书附图对本发明原理进一步阐述：

图1为本发明提供小型化背腔式缝隙rfid天线的结构示意图。根据习惯本实施将附图中xy平面作为天线的平面，其中x方向为宽度，y方向为长度，下文不再赘述。附图1中俯视图为了方便标注和透视其余层的缘故，未将金属盖板4全部采用深色标识仅标识了其外围边缘从图中可以看出：本实施例所提供缝隙rfid天线包括：背面设有接地金属层2的铁氧体基板1，由于接地金属层2是采用薄膜沉积技术沉积于铁氧体基板1的底面，因此二者的平面尺寸相同，也就是天线的平面尺寸，铁氧体基板1正面设有微带馈线3，铁氧体基板1及微带馈线3的上方悬设有开窗的金属盖板4，金属盖板4正中央开设有矩形开窗401，设有开窗401的金属盖板4能够有效提升天线的增益，金属盖板4的边缘处可采用与空气介质系数接近的泡沫材料加以支撑；接地金属层2的中间位置通过金属蚀刻开设有长条状辐射缝隙5，接地金属层2的背面设有金属浅腔6，浅腔的设置能大幅度减小天线的剖面高度，从而使天线在平面尺寸小型化的基础上实现体积小型化，金属浅腔6的背面紧密贴合有铁氧体薄片7，通过微带馈线3进行馈电产生激励辐射缝隙5的场，通过调节辐射缝隙5的尺寸和微带馈线3与辐射缝隙5的相对位置调整产生的谐振频率。

本发明中采用铁氧体基板能有效地实现天线平面尺寸的小型化，而本发明进一步采用等磁介铁氧体基板，在平面尺寸小型化的同时，能够很好地保持充足的带宽。具体原理如下：

天线的尺寸和带宽都和基板材料的相对介电常数(εr)和相对磁导率(μr为)有关。天线的工作频率(f)和带宽(bw)由以下公式确定：

式中，c是光速，l是天线辐射单元的长度，t是基板的厚度，而λ是自由空间波长；

从公式(1)和(2)可以看出：高介电常数或高磁导率的基板材料用于小型化会导致带宽的下降和损耗因数的增加，而具有较高的介电常数和较高的磁导率且介电常数和磁导率相近的材料却能在小型化的同时并阻止带宽的下降。因此，采用相对磁导率和相对介电常数的值近似相等的磁介电质的铁氧体(以下简称为等磁介铁氧体)，能有效的减少天线的尺寸同时保持充足的带宽。

实施例：

本发明具体实施例设计了一种小型化背腔式缝隙rfid天线，其工作频段为261～292mhz，中心频率为277mhz。

根据如图1的几何结构，本实施例采用hfss软件进行建模与仿真：

在本实施例中，所选择的铁氧体介质基板1的材料为等磁介材料，相对介电常数εr＝6.86，相对磁导率μr＝6.95，介质损耗角正切值为0.0035，磁导率损耗角正切值为0.09，根据计算和仿真得到铁氧体介质基板1的尺寸为：长度sx＝220mm，宽度sy＝220mm，厚度sw＝4mm；

微带馈线3为50ω微带线，可以采用印刷电路的刻蚀技术在铁氧体基板上制作，其尺寸为：长度my＝157.4mm，宽度mx＝5.3mm；

为降低成本和便于加工，金属盖板4可以选用厚度为0.5mm的铜片制作，金属盖板4的尺寸为：长度tx＝210mm，宽度ty＝210mm，金属盖板距离馈电面的高度th＝4.7mm；金属盖板正中央开窗401的尺寸为：wx＝36mm，宽度wy＝14mm；

辐射缝隙5的尺寸为：长度sl＝189mm，宽度sw＝2mm；

为降低成本和便于加工，浅腔6可以选用厚度为0.5mm的铜片制作，金属浅腔6的尺寸为：长度cx＝190mm，宽度cy＝190mm，高度ch＝4.6mm；

铁氧体薄片7的尺寸为：长度bx＝190mm，宽度by＝190mm，厚度为bt＝1μm；

基于上述优化参数，得出天线最终的仿真结果如图2至4所示，图2为本实施例天线的s参数仿真，从图2中可以看出：本实施例提供天线的-10db阻抗带宽为31mhz(261～292mhz)，相对带宽为中心频率277mhz的11.2％。图3为本实施例天线的方向图，从图3中可以看出：天线实现了全向辐射。图4为本实施例天线的3d增益图，可以看出天线增益约为-3.56dbi，图5为本发明设置上述铁氧体薄片与未设置上述铁氧体薄片在中心频率277mhz的增益对比图，从图5中可以看出：在增益较低的位置如theta＝-150，增设铁氧体薄片提升了增益近11dbi；在增益较高的位置如theta＝0，增设铁氧体薄片提升了增益1.1dbi。由此可见增设适当厚度的铁氧体薄片能有效地提升天线的增益。

一般来说，天线小型化将会导致全尺寸谐振的缝隙天线增益的大幅度下降，而本发明通过采用开窗的金属盖板和创新性地在背腔底部设置超薄铁氧体层，能够在实现整体小型化的同时仍然兼顾增益的提升。

本发明具体实施例仅给出了适用于中心频率为277mhz的便携式射频识别阅读器的天线，上述具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，即本发明并不局限于上述具体实施方式，通过调整各参数可以获得不同特性的缝隙天线。同时本发明也可以应用于甚高频或者超高频天线的小型化。本领域的普通技术人员受到本发明启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。