本發(fā)明屬于微帶天線技術領域，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：

隨著通信技術的迅速發(fā)展，射頻設備小型化的迫切需求逐漸成為通信系統(tǒng)中的一個關鍵的問題，天線的小型化也因此成為研究和應用的熱點。共形微帶天線因易于加工和集成、緊湊性、低剖面性等特點，被廣泛應用于無線通信設備中。由于良好的電氣特性和機械特性，共形微帶天線能有效地共形以減小風阻，因此非常適合安裝在飛機、導彈、衛(wèi)星、輪船、車輛、基站等設備上用于通信。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等諸多誘人的特性，在過去的幾十年被廣泛地研究和應用于相控陣、航天器和無線通信系統(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(即工作波長)的四分之一或者四分之三。背腔式縫隙天線的縫隙長度通常略大于一個工作波長，因此，背腔式縫隙天線的尺寸最大值取決于其縫隙長度。而對于vhf頻段(甚高頻，30mhz～300mhz)，自由空間波長最小為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，如此深的背腔會對其機械加工制作、安裝以及對整個天線的外觀、風阻等方面都帶來大程度負面影響。

現(xiàn)有技術所發(fā)展的眾多小型化方法中，可通過在背腔中填充介質材料以減小背腔的體積和縫隙的尺寸。然而，上述方法會導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》)中公開了在1.8ghz中心頻率的背腔式縫隙天線，通過沿著縫隙的橫截面方向適當選擇縫隙的長度及背腔的尺寸，能夠明顯減少背腔的深度；在該文章所公開縫隙天線中主要尺寸參數(shù)為：縫隙長度：165mm；背腔長度：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個波長)和天線剖面高度(約為0.03個波長)均有大幅減小，然而縫隙尺寸(約為1個波長)、背腔長度(約為1.2個波長)和背腔寬度(約為0.5個波長)仍然較大，使得最終獲得的天線的平面尺寸仍然較大，其中長為256毫米(約為1.5個波長)，寬為212毫米(約為1.2個波長)，沒有實現(xiàn)天線的整體小型化。m.a.hanqing等人發(fā)表的文章《highgaincavity-backedslotantennawithawindowedmetallicsuperstrate》(《一種設有開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窗的金屬蓋板能有效地提高增益。在該文章所公開縫隙天線中主要尺寸參數(shù)為：縫隙長度：118mm；背腔長度：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個波長)和天線剖面高度(約為0.06個波長)均有大幅減小，但是縫隙尺寸(約為1個波長)、背腔長度(約為1個波長)和背腔寬度(約為0.67個波長)仍然較大，導致最終獲得的天線的平面尺寸仍然較大，其中長為150毫米(約為1.2個波長)，寬為146毫米(約為1.2個波長)，因而，上述技術方案也沒有實現(xiàn)天線的整體小型化。

由此可見，現(xiàn)有技術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，天線的工作波長會隨之變大，天線尺寸會相應地增加。這就為低頻段天線的小型化帶來了重大挑戰(zhàn)。因此，亟需一種實現(xiàn)背腔式縫隙天線的整體尺寸小型化的方法，尤其是在低頻段領域天線，其整體尺寸的小型化更為關鍵。

技術實現(xiàn)要素：

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

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種小型化背腔式縫隙天線，其特征在于：包括：背面設有接地金屬層(2)的鐵氧體基板(1)，鐵氧體基板(1)的正面設有微帶饋線(3)，鐵氧體基板(1)及微帶饋線(3)的上方懸設有中央開窗(401)的金屬蓋板(4)，接地金屬層(2)的中間位置開設有長條狀輻射縫隙(5)，接地金屬層(2)的背面設有金屬淺腔(6)，金屬淺腔(6)的背面緊密貼合有鐵氧體薄片(7)，通過微帶饋線(3)進行饋電產生激勵輻射縫隙的場，通過調節(jié)輻射縫隙(5)的尺寸和微帶饋線(3)與輻射縫隙(5)的相對位置調整產生的諧振頻率。

進一步地，本發(fā)明中微帶饋線(3)可以為短路，也可以為開路枝節(jié)。

進一步地，所述鐵氧體材料為相對磁導率與相對介電常數(shù)相近的磁介電質材料。

根據(jù)本領域人員普通知識可知：通過調整本技術方案中各結構參數(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，進而實現(xiàn)不同工作頻段的小型化天線。

本發(fā)明給出一個適用于277mhz中心頻率的便攜式射頻識別標簽閱讀器的技術方案，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介電常數(shù)范圍和相對磁導率范圍分別為3.0～10.0和3.0～10.0，則縫隙天線的具體結構參數(shù)如下：

鐵氧體基板(1)的平面形狀為矩形，其長度和寬度均在180mm～460mm范圍內，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，其長度和寬度均在150mm～460mm范圍內，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；開窗的形狀為矩形，開窗的長度范圍為2mm～100mm，優(yōu)選為36mm，開窗的寬度為1mm～50mm，優(yōu)選為14mm；輻射縫隙(5)的長度在120mm～380mm范圍內，優(yōu)選為189mm，輻射縫隙(5)的寬度在0.5mm～50mm范圍內，優(yōu)選為2mm；金屬淺腔(6)和鐵氧體薄片(7)的長度和寬度均在120mm～380mm范圍內，優(yōu)選為190mm，金屬淺腔(6)的深度在1mm～40mm范圍內，優(yōu)選為4.6mm，鐵氧體薄片(7)的厚度在0.001mm～0.5mm范圍內，優(yōu)選為1μm；天線的長度和寬度均在150mm～460mm范圍內，優(yōu)選為220mm，高度在3mm～70mm范圍內，優(yōu)選為14.3mm。

本發(fā)明對于介質基板的設置做了如下考慮：

天線的尺寸和帶寬都和基板材料的相對介電常數(shù)(εr)和相對磁導率(μr為)有關。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度，t是基板的厚度，而λ是自由空間波長；

從公式(1)和(2)可以看出：高介電常數(shù)或高磁導率的基板材料用于小型化會導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)和較高的磁導率且介電常數(shù)和磁導率相近的材料卻能在小型化的同時并阻止帶寬的下降。因此，采用相對磁導率和相對介電常數(shù)的值近似相等的磁介電質的鐵氧體(以下簡稱為等磁介鐵氧體)，能有效的減少天線的尺寸同時保持充足的帶寬。

本發(fā)明對于金屬蓋板的設置做了如下考慮：

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降低了材料成本和加工成本，此外還能避免激勵更多類型的表面波、造成帶寬的下降和增加天線的高度和重量等。蓋板上開窗實際上是通過與縫隙的耦合，形成第二個輻射縫隙，提升了天線的輻射性能。若開窗的的長度太大，會導致天線的方向性明顯下降。而開窗的寬度雖然對天線的性能影響不突出，但仍需仔細選擇。如開窗寬度過小，則將不能有效地發(fā)揮輻射縫隙的作用；如開窗寬度過大，則縫隙與金屬蓋板耦合的能量將減弱。因此開窗的尺寸也會影響天線的整體輻射性能。

本發(fā)明對于鐵氧體薄片的設置做了如下考慮：

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)或基板的磁導率，通過合理地選擇具有較高磁導率的鐵氧體薄片，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)明具體實施例，通過無數(shù)次反復的實驗，最終發(fā)現(xiàn)在本實施例中選擇設置于淺腔底部緊密貼合厚度為1微米的鐵氧體薄片時，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)有技術僅減小了背腔高度，并沒有從整體上實現(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(長度和寬度都略大于全波長，高度為1/4波長)和淺腔式縫隙天線(長度和寬度都略大于全波長)，本發(fā)明天線的體積縮小了幾十倍甚至上百倍，本發(fā)明天線結構緊湊，在實現(xiàn)小型化的同時，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，故在實際工程中具有較好的應用基礎。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的結構圖；

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。

具體實施方式

以下結合本發(fā)明具體實施例和說明書附圖對本發(fā)明原理進一步闡述：

圖1為本發(fā)明提供小型化背腔式縫隙rfid天線的結構示意圖。根據(jù)習慣本實施將附圖中xy平面作為天線的平面，其中x方向為寬度，y方向為長度，下文不再贅述。附圖1中俯視圖為了方便標注和透視其余層的緣故，未將金屬蓋板4全部采用深色標識僅標識了其外圍邊緣從圖中可以看出：本實施例所提供縫隙rfid天線包括：背面設有接地金屬層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正面設有微帶饋線3，鐵氧體基板1及微帶饋線3的上方懸設有開窗的金屬蓋板4，金屬蓋板4正中央開設有矩形開窗401，設有開窗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的中間位置通過金屬蝕刻開設有長條狀輻射縫隙5，接地金屬層2的背面設有金屬淺腔6，淺腔的設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上實現(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，通過微帶饋線3進行饋電產生激勵輻射縫隙5的場，通過調節(jié)輻射縫隙5的尺寸和微帶饋線3與輻射縫隙5的相對位置調整產生的諧振頻率。

本發(fā)明中采用鐵氧體基板能有效地實現(xiàn)天線平面尺寸的小型化，而本發(fā)明進一步采用等磁介鐵氧體基板，在平面尺寸小型化的同時，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介電常數(shù)(εr)和相對磁導率(μr為)有關。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度，t是基板的厚度，而λ是自由空間波長；

從公式(1)和(2)可以看出：高介電常數(shù)或高磁導率的基板材料用于小型化會導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)和較高的磁導率且介電常數(shù)和磁導率相近的材料卻能在小型化的同時并阻止帶寬的下降。因此，采用相對磁導率和相對介電常數(shù)的值近似相等的磁介電質的鐵氧體(以下簡稱為等磁介鐵氧體)，能有效的減少天線的尺寸同時保持充足的帶寬。

實施例：

本發(fā)明具體實施例設計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的幾何結構，本實施例采用hfss軟件進行建模與仿真：

在本實施例中，所選擇的鐵氧體介質基板1的材料為等磁介材料，相對介電常數(shù)εr＝6.86，相對磁導率μr＝6.95，介質損耗角正切值為0.0035，磁導率損耗角正切值為0.09，根據(jù)計算和仿真得到鐵氧體介質基板1的尺寸為：長度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在鐵氧體基板上制作，其尺寸為：長度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；金屬蓋板正中央開窗401的尺寸為：wx＝36mm，寬度wy＝14mm；

輻射縫隙5的尺寸為：長度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：長度cx＝190mm，寬度cy＝190mm，高度ch＝4.6mm；

鐵氧體薄片7的尺寸為：長度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果如圖2至4所示，圖2為本實施例天線的s參數(shù)仿真，從圖2中可以看出：本實施例提供天線的-10db阻抗帶寬為31mhz(261～292mhz)，相對帶寬為中心頻率277mhz的11.2％。圖3為本實施例天線的方向圖，從圖3中可以看出：天線實現(xiàn)了全向輻射。圖4為本實施例天線的3d增益圖，可以看出天線增益約為-3.56dbi，圖5為本發(fā)明設置上述鐵氧體薄片與未設置上述鐵氧體薄片在中心頻率277mhz的增益對比圖，從圖5中可以看出：在增益較低的位置如theta＝-150，增設鐵氧體薄片提升了增益近11dbi；在增益較高的位置如theta＝0，增設鐵氧體薄片提升了增益1.1dbi。由此可見增設適當厚度的鐵氧體薄片能有效地提升天線的增益。

一般來說，天線小型化將會導致全尺寸諧振的縫隙天線增益的大幅度下降，而本發(fā)明通過采用開窗的金屬蓋板和創(chuàng)新性地在背腔底部設置超薄鐵氧體層，能夠在實現(xiàn)整體小型化的同時仍然兼顧增益的提升。

本發(fā)明具體實施例僅給出了適用于中心頻率為277mhz的便攜式射頻識別閱讀器的天線，上述具體實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施方式，通過調整各參數(shù)可以獲得不同特性的縫隙天線。同時本發(fā)明也可以應用于甚高頻或者超高頻天線的小型化。本領域的普通技術人員受到本發(fā)明啟示，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。