本發(fā)明涉及漸變槽線天線裝置，特別涉及以圓形凹槽增強低頻處增益的漸變槽線天線裝置。

背景技術(shù)：

天線是一種能量轉(zhuǎn)換器(transducer)，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反的轉(zhuǎn)換。天線為無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線通信、雷達、導(dǎo)航、廣播、電視等無線電設(shè)備，都是通過無線電波來傳遞信息的，都需要無線電波的輻射和接收。天線為發(fā)射機或接收機與傳播無線電波的媒質(zhì)之間提供所需要的耦合。

漸變槽線天線屬于印刷式縫隙天線，結(jié)構(gòu)簡單且易于制作。圖1是一種現(xiàn)有漸變槽線天線裝置10的結(jié)構(gòu)圖。漸變槽線天線裝置10包括一介質(zhì)基板11、一金屬極板12、以及一槽線諧振腔13。在圖1中，漸變槽線天線裝置10通過槽線諧振腔13、槽線121和槽線122大致形成一喇叭形開口，例如，使用激光雕刻或腐蝕的方法在介質(zhì)基板11的正面做出邊界大致為上述喇叭形開口(例如，指數(shù)曲線形狀)的金屬極板12。介質(zhì)基板11為絕緣介質(zhì)基板。金屬極板12用于輻射和接收空間中的電磁波信號。

漸變槽線天線裝置10為漸變寬型喇叭口形狀的槽線結(jié)構(gòu)是輻射或接收能量的主體，不同頻率的電磁波信號會被對應(yīng)的λ/2的縫隙寬度(其中λ為該頻率的波長)處的槽線所輻射或接收，例如，金屬極板12的槽線121和槽線122最大開口寬度對應(yīng)漸變槽線天線的最低工作頻率點。因此，漸變槽線式的結(jié)構(gòu)會有較寬的工作帶寬，故漸變槽線天線裝置10屬于超寬帶天線。

漸變槽線天線裝置10屬于一種典型的端射行波天線，同時也是一種線性極化天線，電場向量平行于介質(zhì)基板11的平面。在兩個主要的輻射平面內(nèi)，天線交叉極化電平(level)較低，波束寬度較寬，旁瓣電平低，這意味著這種天線具有較高的增益和指向性。由于同時在工作帶寬、方向性和增益 上都具有較好的特性，漸變槽線天線裝置10已被廣泛應(yīng)用在超寬帶無線通信、地球物理勘探、天文觀測和醫(yī)學(xué)檢測中。

此外，為了滿足漸變槽線天線裝置在工作帶寬、方向性和增益上不同的特性需求，本領(lǐng)域技術(shù)人員對應(yīng)設(shè)計出各種漸變槽線天線裝置。例如，在中國專利公開號：CN 103326120 A之中，公開在漸變槽線天線的開口處，利用電磁波的導(dǎo)向裝置，改善天線本體輻射場的指向性；在歐洲專利專利號：EP 1425818 B1之中，公開將本來為指數(shù)函數(shù)曲線的天線槽線改成分段式指數(shù)函數(shù)的天線槽線，以增加天線的工作帶寬；在美國專利專利號：US5036335之中，公開通過改變漸變槽線天線的饋電方式，在漸變槽線天線的饋入點增加一個貫穿孔，使非平衡的天線阻抗，因為貫穿孔進而成為平衡式天線，進而改善漸變槽線天線的整體增益；在美國專利專利號：US 8504135 B2之中，公開在天線槽線方向，利用幾何形狀介電材質(zhì)來改變電流速度，進而改善漸變槽線天線的指向性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明第一個實施例為提出一種漸變槽線天線裝置。該漸變槽線天線裝置包括一介質(zhì)基板、一第一金屬部分、以及一第二金屬部分。該第一金屬部分設(shè)置于該介質(zhì)基板之上，并具有一第一接合面、一對諧振腔、一對曲線槽、及從該第一接合面向該漸變槽線天線裝置輻射方向擴展的一漸變槽。該第二金屬部分設(shè)置于該介質(zhì)基板之上，并具有一第二接合面和一圓形凹槽。該圓形凹槽開口于該第一接合面，且該第二接合面和該第一接合面連接，其中該漸變槽具有一第一開口及位于該第一接合面的一第二開口，該漸變槽和該圓形凹槽通過該第二開口和該圓形凹槽的開口而連通，且該第一開口大于該第二開口；其中該對諧振腔分別設(shè)于該漸變槽的兩側(cè)；其中該對曲線槽分別設(shè)于該漸變槽的兩側(cè)而與該對諧振腔連通，且比該對諧振腔靠近該第一開口；以及其中該第一金屬部分和該第二金屬部分連為一體。

本發(fā)明第二個實施例為提出一種漸變槽線天線裝置。該漸變槽線天線裝置包括一介質(zhì)基板、一第一金屬部分、以及一第二金屬部分。該第一金屬部分設(shè)置于該介質(zhì)基板之上，并具有一第一接合面、一對曲線槽、及從 該第一接合面向該漸變槽線天線裝置輻射方向擴展的一漸變槽。該第二金屬部分設(shè)置于該介質(zhì)基板之上，并具有一第二接合面和一圓形凹槽。該圓形凹槽開口于該第一接合面，且該第二接合面和該第一接合面連接，其中該漸變槽具有一第一開口及位于該第一接合面的一第二開口，該漸變槽和該圓形凹槽通過該第二開口和該圓形凹槽的開口而連通，且該第一開口大于該第二開口；其中該對曲線槽分別設(shè)于該漸變槽的兩側(cè)，且該對曲線槽各自包括一第一曲面和一第二曲面；以及其中該曲線槽的該第一曲面和該第二曲面面向彼此；以及其中該第一金屬部分和該第二金屬部分連為一體。

附圖說明

圖1是一漸變槽線天線裝置10的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是依據(jù)本發(fā)明第一實施例所公開的一漸變槽線天線裝置20的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是依據(jù)本發(fā)明第二實施例所公開的一漸變槽線天線裝置30的結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明第二實施例所公開微帶饋線33和扇形微帶短接線34的結(jié)構(gòu)放大圖。

圖5是依據(jù)本發(fā)明第二實施例所公開的曲線槽351和諧振腔353的結(jié)構(gòu)放大圖。

圖6是漸變槽線天線裝置10與本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的S參數(shù)比較。

圖7是漸變槽線天線裝置10與本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的天線增益比較。

附圖標記說明：

10～漸變槽線天線裝置

11～介質(zhì)基板

12～金屬極板

121、122～槽線

13～槽線諧振腔

20～漸變槽線天線裝置

21～介質(zhì)基板

22～金屬極板

23～微帶饋線

24～扇形微帶短接線

25～第一金屬部分

250～漸變槽

251、252～曲線槽

26～第二金屬部分

260～圓形凹槽

30～漸變槽線天線裝置

31～介質(zhì)基板

32～金屬極板

33～微帶饋線

34～扇形微帶短接線

35～第一金屬部分

350～漸變槽

351、352～曲線槽

353、354～諧振腔

36～第二金屬部分

360～圓形凹槽

L1、L2～槽線

A1～第一接合面

A2～第二接合面

O1～第一開口

O2～第二開口

C1～第一曲面

C2～第二曲面

W1～平面

具體實施方式

本公開所附圖示的實施例將如以下說明。本公開的范疇并非以此為限。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能知悉在不脫離本公開的精神和架構(gòu)的前提下，當(dāng)可作些許變動、替換和置換。在本公開的實施例中，組件符號可能被重復(fù)地使用，本公開的數(shù)種實施例可能共享相同的組件符號，但為一實施例所使用的特征組件不必然為另一實施例所使用。

傳統(tǒng)漸變槽線天線裝置10為獲得較好的低頻特性，需增加設(shè)計金屬極板12的長度與喇叭形開口的寬度，亦即相對應(yīng)增加天線的體積。然而較大體積的天線并不方便攜帶及安裝，而不適合實際應(yīng)用在工程之中。

由于高頻電流具有較強的集膚效應(yīng)(skin effect)，在傳統(tǒng)漸變槽線天線裝置10的金屬極板12的兩側(cè)，會出現(xiàn)較強的電流，從而增強金屬極板12兩側(cè)輻射的電磁波的強度。這不僅增加了旁瓣的寬度，而且對漸變槽線天線裝置10的指向性造成了一定的影響。

由于金屬極板12上的電流衰減較快，在激發(fā)低頻電磁波時，在槽線121和槽線122的末端電流會有較大衰減(亦即靠近喇叭形開口處末端電流會有較大衰減)。這導(dǎo)致漸變槽線天線裝置10低頻段的增益較低，而不利于低頻信號的接收。鑒于以上缺點，如圖2所示，本發(fā)明的一第一實施例提出一漸變槽線天線裝置20進行改善。

圖2是漸變槽線天線裝置20的結(jié)構(gòu)圖。在本發(fā)明第一實施例中，漸變槽線天線裝置20包括一介質(zhì)基板21、一金屬極板22、一微帶饋線23、以及一扇形微帶短接線24。介質(zhì)基板21為絕緣介質(zhì)基板。金屬極板22設(shè)置于介質(zhì)基板21的正面，并用于輻射和接收空間中的電磁波信號。微帶饋線23和扇形微帶短接線24則制作于介質(zhì)基板21的反面，以對金屬極板22進行饋電。

在本發(fā)明第一實施例中，金屬極板22分為一第一金屬部分25和一第二金屬部分26。在本發(fā)明第一實施例中，第一金屬部分25具有一第一接合面A1、一曲線槽251、一曲線槽252、及從第一接合面A1向漸變槽線天線裝置20輻射方向擴展的一漸變槽250。第二金屬部分26具有一第二接合面A2和一圓形凹槽260，圓形凹槽260開口于第一接合面A1，且第二接合面A2和第一接合面A1連接。因此，第一金屬部分25和第二金屬部分26連為一體。

在本發(fā)明第一實施例中，漸變槽線天線裝置20通過槽線L1和槽線L2形成漸變槽250，例如，使用激光雕刻或腐蝕的方法在介質(zhì)基板21的正面做出邊界(槽線L1和槽線L2)為喇叭形的漸變槽250。在本發(fā)明第一實施例中，槽線L1和槽線L2皆需為指數(shù)函數(shù)曲線，但本發(fā)明并不限定于此，漸變槽250亦可為其他形狀的開口。漸變槽250具有一第一開口O1及位于第一接合面A1的一第二開口O2，漸變槽250和圓形凹槽260通過第二開口O2和圓形凹槽260的開口而連通，且第一開口O1大于第二開口O2。在本發(fā)明第一實施例中，微帶饋線23和扇形微帶短接線24將能量耦合到耦合槽線上，經(jīng)過耦合槽線傳輸給開口(即第一開口O1)的槽線L1和槽線L2，再沿著開口槽線方向傳輸，最后根據(jù)不同的工作頻率在對應(yīng)的諧振槽線向外輻射信號。因此，上述喇叭形開口的末端開口最大位置(即第一開口O1)是漸變槽線天線裝置20的輻射末端。

如圖2所示，曲線槽251和曲線槽252分別具有垂直于第一接合面A1的開口。在本發(fā)明第一實施例中，曲線槽251和曲線槽252各自分別具有一第一曲面C1和一第二曲面C2，其中該第一曲面C1面向第一接合面A1，且該等第二曲面C2背向第一接合面A1。換句話說，曲線槽251和曲線槽252各自的第一曲面C1和第二曲面C2面向彼此。此外，值得注意的是本發(fā)明第一實施例所公開的漸變槽線天線裝置20的金屬極板22的體積不會大于漸變槽線天線裝置10的金屬極板12的體積，但本發(fā)明并不僅限定于此。

與漸變槽線天線裝置10相比，通過新增曲線槽251和曲線槽252的方式，原本分布在漸變槽線天線裝置10的金屬極板12兩側(cè)的高頻電流重新分布在本發(fā)明所公開的漸變槽線天線裝置20的曲線槽251和曲線槽252邊沿。上述改變延長了表面電流路徑的有效長度，因而能夠輻射更低頻率的電磁波。同時這種方法改變了原本分布在天線兩側(cè)的表面電流，讓原本向兩側(cè)輻射的電磁波轉(zhuǎn)變成向前方輻射。

因此，新增曲線槽251和曲線槽252得以在不增加漸變槽線天線裝置20體積的情況下，大幅降低了漸變槽線天線裝置20工作頻段的低頻截止頻率，使?jié)u變槽線天線裝置20在較低頻段上有良好的匹配特性。這種設(shè)計方法保證了漸變槽線天線裝置20的小型化，方便攜帶安裝及在工程實際中的 應(yīng)用。

在本發(fā)明第一實施例中，在漸變槽線天線裝置20兩側(cè)開曲線槽251和曲線槽252之后，漸變槽線天線裝置20的主瓣縮減至曲線槽251和曲線槽252之間的區(qū)域。由于縮減主瓣寬度能夠提高天線的指向性，通過在漸變槽線天線裝置20兩側(cè)開曲線槽251和曲線槽252的方法，抑制了天線輻射場型的旁瓣。這種改進后的高指向性的天線會在檢測輻射源的應(yīng)用中，可以進一步提高定位的精度。

為了提升漸變槽線天線裝置20的低頻輻射強度，本發(fā)明的一第二實施例提出一漸變槽線天線裝置30進行改善。

圖3是漸變槽線天線裝置30的結(jié)構(gòu)圖。在本發(fā)明第二實施例中，漸變槽線天線裝置30包括一介質(zhì)基板31、一金屬極板32、一微帶饋線33、以及一扇形微帶短接線34。介質(zhì)基板31為絕緣介質(zhì)基板。金屬極板32設(shè)置于介質(zhì)基板31的正面，并用于輻射和接收空間中的電磁波信號。微帶饋線33和扇形微帶短接線34則制作于介質(zhì)基板31的反面，以對金屬極板32進行饋電。

在本發(fā)明第二實施例中，金屬極板32同樣具有一第一金屬部分35和一第二金屬部分36。第一金屬部分35同樣具有第一接合面A1、一曲線槽351、一曲線槽352、及從第一接合面A1向漸變槽線天線裝置30輻射方向擴展的一漸變槽350。第二金屬部分36同樣具有一第二接合面A2和一圓形凹槽360，圓形凹槽360開口于第一接合面A1，且第二接合面A2和第一接合面A1連接。因此，第一金屬部分35和第二金屬部分36同樣連為一體。

在本發(fā)明第二實施例中，同樣是由槽線L1和槽線L2形成漸變槽350。漸變槽350是一槽線諧振腔。漸變槽350具有一第一開口O1及位于第一接合面A1的一第二開口O2，漸變槽350和圓形凹槽360通過第二開口O2和圓形凹槽360的開口而連通，且第一開口O1大于第二開口O2。另外，本發(fā)明第二實施例所公開的曲線槽351和曲線槽352的配置架構(gòu)與本發(fā)明第一實施例所公開的曲線槽251和曲線槽252的配置架構(gòu)相同。

與圖2所公開的漸變槽線天線裝置20最大不同的是，本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的第一金屬部分35還包括一諧振腔353 和一諧振腔354。諧振腔353和諧振腔354分別設(shè)于漸變槽350的兩側(cè)。曲線槽351和曲線槽352分別比諧振腔353和諧振腔354更靠近第一開口O1。

在本發(fā)明第二實施例中，曲線槽351和曲線槽352各自分別具有一第一曲面C1和一第二曲面C2，其中該第一曲面C1面向第一接合面A1，且該第二曲面C2背向第一接合面A1。換句話說，曲線槽351和曲線槽352各自的第一曲面C1和第二曲面C2面向彼此。此外，漸變槽線天線裝置30的曲線槽351和曲線槽352并不限定于第二實施例本發(fā)明所公開的形狀，任何具有對稱且與諧振腔相通的曲線槽對的漸變槽線天線裝置皆不脫離本發(fā)明的保護范圍。

在本發(fā)明第二實施例中，曲線槽351和諧振腔353彼此相通，曲線槽352和諧振腔354彼此相通，且曲線槽351、曲線槽352、諧振腔353和諧振腔354皆未與漸變槽350相通。在本發(fā)明第二實施例中，在曲線槽351(曲線槽352)末端所增加的諧振腔353(諧振腔354)是一圓形諧振腔。在本發(fā)明第二實施例中，諧振腔353和諧振腔354較靠近漸變槽350的第一開口O1，而較遠離圓形凹槽360。更明確地說，諧振腔353和諧振腔354位于圖3所示金屬極板32的第一金屬部分35的右半部，但本發(fā)明并不僅限定于此，任何具有一對大小相同且互相連通的曲線槽和諧振腔的漸變槽線天線裝置皆不脫離本發(fā)明的保護范圍。

新增圓形諧振腔(諧振腔353和諧振腔354)不僅進一步增加表面電流路徑的有效長度，同時可以通過圓形諧振腔的耦合作用，得以將高頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l電流，進而提高漸變槽線天線裝置30在低頻時的輻射強度。例如，在曲線槽351(曲線槽352)末端所增加直徑為30mm的諧振腔353(諧振腔354)其圓周長95mm大約為頻率500MHz的電磁波波長λ的一半。因此，諧振腔353(諧振腔354)可用以提供漸變槽線天線裝置30在輻射頻率為500MHz時的輻射路徑。因此，漸變槽線天線裝置30所加開的諧振腔353和諧振腔354有利于低頻電磁波信號的接收可以增加漸變槽線天線裝置30的檢測距離，從而保證接收到信號特征的完整性。

此外，值得注意的是本發(fā)明第二實施例所示諧振腔353和諧振腔354雖為圓形諧振腔，但本發(fā)明并不限定于此，諧振腔353和諧振腔354亦可為任何幾何形狀或幾何構(gòu)造(例如，方形、梯形、橢圓狀等等)的諧振腔。

此外，值得注意的是雖然本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的低頻增益優(yōu)于漸變槽線天線裝置10的低頻增益，但本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的金屬極板32的體積不會大于漸變槽線天線裝置10的金屬極板12的體積，但本發(fā)明并不僅限定于此，與漸變槽線天線裝置30形狀相似但大小不同的圓形諧振腔的漸變槽線天線裝置皆不脫離本發(fā)明的保護范圍。

圖4是本發(fā)明第二實施例所公開的微帶饋線33和扇形微帶短接線34的結(jié)構(gòu)放大圖。在本發(fā)明第二實施例中，微帶饋線33和扇形微帶短接線34由漸變槽350和圓形凹槽360的接合處(亦即在第二開口O2的邊緣處)對金屬極板32進行饋電。

圖5是依據(jù)本發(fā)明第二實施例所公開的曲線槽351和諧振腔353的結(jié)構(gòu)放大圖。在圖5中，曲線槽351和諧振腔353彼此相通，其中曲線槽351的第二曲面C2與諧振腔353相連通。此外，曲線槽351的第一曲面C1未與諧振腔353直接相連通，而是通過一平面W1連通第一曲面C1和諧振腔353。在圖5中，第一曲面C1的曲面方向與第二曲面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，當(dāng)曲線槽351的兩個曲面的曲面方向改為皆面向第二接合面A2時(未圖示)，在電流能量分布上，較靠近第二接合面A2的曲面的電流能量大于較遠離第二接合面A2的曲面的電流能量。相較之下，本發(fā)明第二實施例所公開的第一曲面C1與第二曲面C2的配置結(jié)構(gòu)(曲面方向相反且面向彼此)，可使得在電流能量分布上第一曲面C1(較遠離第二接合面A2)的電流能量大于第二曲面C2(較靠近第二接合面A2)的電流能量。因此，第一曲面C1與第二曲面C2的配置結(jié)構(gòu)有助于漸變槽線天線裝置30將輻射能量往第一開口O1(第一曲面C1)的方向推擠，進而提升漸變槽線天線裝置30的指向性。

圖6是漸變槽線天線裝置10與本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的S參數(shù)比較。由圖6所公開的實際量測結(jié)果可知，對于-10dB基準點而言，本發(fā)明所公開的漸變槽線天線裝置30的輻射帶寬為5.5GHz(0.5GHz～6.0GHz)，而漸變槽線天線裝置10的輻射帶寬則只有4.4GHz(1.2GHz～5.6GHz)，尤其本發(fā)明所公開的漸變槽線天線裝置30在低頻帶 比漸變槽線天線裝置10多了0.7GHz的輻射帶寬。圖6所公開的實際量測結(jié)果明確顯現(xiàn)出本發(fā)明第二實施例所公開的曲線槽351、曲線槽352、諧振腔353和諧振腔354能夠增加漸變槽線天線裝置30的輻射帶寬。

圖7是漸變槽線天線裝置10與本發(fā)明第二實施例所公開的漸變槽線天線裝置30的天線增益比較。由于諧振腔353(諧振腔354)不僅進一步增加表面電流路徑的有效長度，同時可以通過諧振腔353(諧振腔354)耦合輻射較低頻率電磁波的電流，以提高漸變槽線天線裝置30在低頻時的輻射強度。再者，本發(fā)明所公開的漸變槽線天線裝置30通過將兩個諧振腔(諧振腔353、354)對稱設(shè)計在槽線的兩側(cè)，以及將圓型凹槽360的位置設(shè)計在槽線的頂端，并以柴比雪夫漸變線(微帶饋線33和扇形微帶短接線34)作為天線本體的饋電，進而改善漸變槽線天線裝置30的低頻增益。因此，由圖7所公開的實際量測結(jié)果可知，在頻率500MHz時，諧振腔353(諧振腔354)已達到50特性阻抗的匹配，因而有很好的低頻增益。在低頻帶(0.5GHz～2.5GHz)，本發(fā)明所公開的漸變槽線天線裝置30的天線增益明顯優(yōu)于漸變槽線天線裝置10的天線增益。因此，圖7所公開的實際量測結(jié)果驗證本發(fā)明第二實施例所公開的曲線槽351、曲線槽352、諧振腔353和諧振腔354能夠增加漸變槽線天線裝置30的低頻輻射強度。

此外，值得注意的是，前述公開專利(即中國專利CN 103326120 A、歐洲專利EP 1425818 B1、美國專利US 5036335和美國專利US 8504135 B2)所公開的各種漸變槽線天線皆僅針對漸變槽線天線的單一特性(例如，天線的指向性、工作帶寬、整體增益)提出對應(yīng)改良設(shè)計。相較之下，本發(fā)明所提出漸變槽線天線裝置30在設(shè)計上則同時提升漸變槽線天線的指向性、輻射頻率、以及低頻增益(低頻輻射強度)等多個特性。