本發(fā)明屬于無線通訊領(lǐng)域，具體涉及一種基于Minkowski的微帶貼片天線及其制造方法。

背景技術(shù)：

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)最早可以追溯到二戰(zhàn)時期，由英國空軍提出的無線電敵我辨別系統(tǒng)。由于在不列顛戰(zhàn)役中，英德兩國空軍戰(zhàn)機(jī)外形非常相似，在高速飛行中單靠肉眼無法準(zhǔn)確識別。英國空軍在己方戰(zhàn)機(jī)上安裝了一種應(yīng)答裝置，通過陸地的詢問裝置發(fā)射事先編好的脈沖編碼，如果為己方戰(zhàn)機(jī)，則戰(zhàn)機(jī)上的應(yīng)答裝置會在收到信號后將已經(jīng)約定好的脈沖碼反射給陸地站；如果戰(zhàn)機(jī)發(fā)射錯誤編碼或者無反應(yīng)，則判定為敵方。無線電敵我識別系統(tǒng)在變化多端的空戰(zhàn)中為英軍提供了巨大的技術(shù)支持，為最后取得戰(zhàn)爭的勝利給予了巨大幫助隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，RFID 技術(shù)也在隨之不斷進(jìn)步?，F(xiàn)在RFID 技術(shù)已經(jīng)在物流、交通等眾多與生活息息相關(guān)的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

微帶天線是在帶有金屬接地單元的介質(zhì)基片的另一面用特定的方法制成金屬輻射面，并采用同軸線饋電或者是微帶線饋電的方式對輻射貼片進(jìn)行饋電的天線。微帶天線是通過金屬貼片的四周與接地單元之間的縫隙將貼片與接地單元之間激勵起的電磁波輻射出去。微帶天線具有輪廓低、結(jié)構(gòu)簡單、易于批量生產(chǎn)加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于雷達(dá)監(jiān)測和無線通信等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的方形微帶貼片天線通常諧振于半個波長，天線的尺寸受到嚴(yán)格的限制。在具體應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)的方形微帶貼片天線尺寸較大，重量重，剖面高，不易共形，因此必須進(jìn)行天線的小型化設(shè)計。體積小、重量輕、剖面低和易。分形天線作為分形幾何和天線技術(shù)交叉的產(chǎn)物擁有了自相似和空間填充的特性。分形的自相似就是說適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸 ,整個結(jié)構(gòu)并不改變 , 在各種尺度上都有相同程度的不規(guī)則性。正是這種特性使得分形能夠在很小的體積內(nèi)充分的利用空間,也就是能夠用于天線小型化填充有限空間設(shè)計的一個關(guān)鍵原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低和易共形的基于Minkowski的微帶貼片天線及其制造方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

基于Minkowski的微帶貼片天線，包括介質(zhì)板、接地過孔、用于接收和發(fā)射電磁波的輻射單元、用于傳輸信號能量的饋電單元和用于反射電磁波的接地單元，所述介質(zhì)板具有第一表面和與其相對應(yīng)的第二表面；所述輻射單元設(shè)置在介質(zhì)板第一表面上；所述饋電單元與輻射單元相連，亦設(shè)置在介質(zhì)板第一表面上；所述接地過孔在打孔時穿過輻射單元和介質(zhì)板，使得輻射單元與接地單元連通形成短路；所述接地單元設(shè)置在介質(zhì)板第二表面的，其不完全覆蓋介質(zhì)基板，但覆蓋到介質(zhì)基板兩側(cè)邊緣。

進(jìn)一步，輻射單元采用銅或者鋁材料方形貼片，長度與寬度均為24mm～25mm，優(yōu)選24.6mm。

進(jìn)一步，所述深度為h優(yōu)選為1.2mm。

進(jìn)一步，饋電單元采用微帶線進(jìn)行饋電，其中心頻率為915MHz，滿足回波損耗小于-10dB。

進(jìn)一步，接地單元選用方形的金屬片。

一種如前所述基于Minkowski的微帶貼片天線的制造方法，包括以下步驟：

第一步，選定用作輻射單元的方形貼片，選定用作接地單元的金屬片，選定介質(zhì)板，將輻射單元和接地單元分別設(shè)置在介質(zhì)板相對的兩個表面上，并在介質(zhì)板和用作輻射單元的方形貼片上設(shè)置接地過孔，由此形成用作輻射單元的方形貼片與接地單元的短路，以利于獲得貼片長度的最佳尺寸；在介質(zhì)板上設(shè)置饋電單元；

第二步，基于二級Minkowski閔可夫斯基（分形系數(shù)為0.4）分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元2的方形貼片開槽。

進(jìn)一步，基于二級Minkowshi分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元的方形貼片開槽的過程為：

確定槽形初始的方形的邊長值L；以用作輻射單元的方形貼片的中心為原點(diǎn)，在方形貼片上勾畫出槽形初始的方形的輪廓，將槽形初始的方形的直線邊平均分成三等分，挖去中間寬度為L/3的，深度為h的矩形區(qū)域，即形成一個L/3×h的矩形缺口，得到1階Minkowski分形貼片。設(shè)缺口的深度與寬度之比為p,即p=3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相對大小。將1階Minkowski分形貼片的所有直線邊再平均分成三等分，按照相同的p值繼續(xù)迭代生成2階Minkowski分形貼片。

進(jìn)一步，所述槽形初始的方形的邊長值L為20mm。

進(jìn)一步，介質(zhì)板為相對介質(zhì)常數(shù)為4.4的FR4環(huán)氧樹脂板，介質(zhì)板的長度和寬度均為47mm～48mm。

天線采用基于二級Minkowski（分形系數(shù)為0.4）分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元的方形貼片進(jìn)行開槽。分形結(jié)構(gòu)的槽改變了貼片的電流分布，使電流沿著曲折的導(dǎo)體面而非簡單的幾何面分布，相當(dāng)于增加了電長度，有利于降低諧振頻率，因此可以減小天線尺寸。

本發(fā)明的有益效果如下：使用微帶技術(shù)與分形理論的結(jié)合，既滿足了天線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低、易共形和易于集成等特點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)天線尺寸大、加工成本高、剖面高或機(jī)械加工精度高等缺點(diǎn)，可用以UHF頻段RFID 系統(tǒng)的使用。同時微帶貼片天線其易成形的優(yōu)點(diǎn)也滿足天線應(yīng)用于抗金屬環(huán)境的實(shí)際需求。在應(yīng)用前景上看，其易共形的優(yōu)點(diǎn)勢必將在金屬件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等應(yīng)用情境下體現(xiàn)出來。

附圖說明

圖1為基于二級Minkowski分形結(jié)構(gòu)微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)正面示意圖；

圖2為基于二級Minkowski分形結(jié)構(gòu)微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)背面示意圖；

圖3為HFSS 仿真與加工的實(shí)物經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量后的S₁₁參數(shù)對比圖；

圖4為915MHz時E面主射方向theta(θ)=0的仿真輻射圖；

圖5為915MHz時E面主射方向theta(θ)=90的仿真輻射圖；

圖6為915MHz時H面主射方向theta(θ)=0的仿真輻射圖；

圖7為915MHz時的三維方向增益圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、2所示，一種基于二級Minkowski分形結(jié)構(gòu)的微帶貼片，由介質(zhì)板1、輻射單元2、饋電單元3、接地過孔4和接地單元5構(gòu)成，所述介質(zhì)板具有第一表面A和與其相對應(yīng)的第二表面B；所述輻射單元2設(shè)置在介質(zhì)板1的第一表面A上；所述饋電單元3與輻射單元2相連，亦設(shè)置在介質(zhì)板1的第一表面A上；所述接地過孔4在打孔時穿過輻射單元2和介質(zhì)板1，使得輻射單元2與接地單元5連通形成短路；所述接地單元5設(shè)置在介質(zhì)板1第二表面B，其可不完全覆蓋介質(zhì)板1。但要使輻射單元2與接地單元5之間激勵高頻電磁場，并通過輻射單元2四周與接地單元5之間的縫隙向外輻射，因此接地單元5覆蓋到介質(zhì)板1兩側(cè)邊緣。

介質(zhì)板1為相對介質(zhì)常數(shù)為4.4的FR4環(huán)氧樹脂板，介質(zhì)板的長度和寬度均為47mm～48mm。環(huán)氧樹脂板具有抗高溫、超強(qiáng)抗腐蝕、防潮、可修復(fù)和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

輻射單元采用銅或者鋁材料方形貼片。用作輻射單元2的方形貼片上開設(shè)接地過孔，基于二級Minkowshi分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元2的方形貼片進(jìn)行開槽。

一種如前所述基于Minkowski的微帶貼片天線的制造方法，包括以下步驟：

第一步，選定用作輻射單元2的方形貼片，選定用作接地單元5的金屬片，選定介質(zhì)板1，將輻射單元2和接地單元5分別設(shè)置在介質(zhì)板1相對的兩個表面A、B上，并在介質(zhì)板1和用作輻射單元2的方形貼片上設(shè)置接地過孔4，由此形成用作輻射單元2的方形貼片與接地單元5的短路，以利于獲得貼片長度的最佳尺寸；在介質(zhì)板1上設(shè)置饋電單元3；

第二步，基于二級Minkowski閔可夫斯基（分形系數(shù)為0.4）分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元2的方形貼片開槽。

基于二級Minkowshi分形結(jié)構(gòu)對用作輻射單元2的方形貼片開槽的過程為：

確定槽形初始的方形的邊長值L；以用作輻射單元2的方形貼片的中心為原點(diǎn)，在用作輻射單元2的方形貼片上勾畫出槽形初始的方形的輪廓，將槽形初始的方形的直線邊平均分成三等分，挖去中間寬度為L/3的，深度為h的矩形區(qū)域，即形成一個L/3×h的矩形缺口，得到1階Minkowski分形貼片。設(shè)缺口的深度與寬度之比為p,即p=3h/L(0<p<1)表示缺口深度的相對大小。將1階Minkowski分形貼片的所有直線邊再平均分成三等分，按照相同的p值繼續(xù)迭代生成2階Minkowski分形貼片。這里僅給出二次迭代的實(shí)例。

所述深度為h為1.2mm。

所述銅或者鋁材料方形貼片的長度與寬度均為24mm～25mm，本實(shí)施例選用24.6mm。所述槽形初始的方形的邊長值L為20mm。

所述槽形初始的方形為正方形。

饋電單元3采用微帶線進(jìn)行饋電，其中心頻率為915MHz，滿足回波損耗小于-10dB。

接地單元5為方形的金屬片。

本發(fā)明在微帶貼片天線上進(jìn)行的各種技術(shù)與形狀的操作，以 Minkowski分形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用微帶貼片其本身具有的一維特性進(jìn)行開槽處理，并且利用短路加載技術(shù)，從而在實(shí)現(xiàn)設(shè)計了基于Minkowski分形結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線。該天線的工作頻率為915MHz,貼片尺寸僅為24.6mm×24.6mm，高度為1.2mm，具有較好的尺寸縮減特性。

圖2為天線的背面結(jié)構(gòu)，其中接地單元5為長方形；圖3為天線的HFSS仿真與加工的實(shí)物經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量后的S₁₁參數(shù)（回波損耗）對比圖，從圖3中可以看出，所制作的天線實(shí)測性能的回波參數(shù)與仿真結(jié)果有較好的吻合，且?guī)挘⊿11<-10dB）約為14MHz,完全符合設(shè)計不小于-10dB的要求；圖4為915MHz時E面主射方向theta(θ)=0的仿真輻射圖；圖5為915MHz時E面主射方向theta(θ)=90的仿真輻射圖；圖6為915MHz時H面主射方向theta(θ)=0的仿真輻射圖；圖7為915MHz時的三維方向增益圖。從圖4～7可以看出，在915MHz 工作頻率處時天線取得的最大增益為-19.1dB，達(dá)到了提出的設(shè)計要求。天線在輻射平面上方的空間中呈現(xiàn)了全向特性，表明該天線應(yīng)用靈活，能夠在各個方向上被識別出。

本發(fā)明設(shè)計的天線通過接地過孔和開槽，有利于進(jìn)一步縮小天線尺寸，使得工作于915MHz的天線，其輻射單元縮至24.6mm×24.6mm，尺寸縮減程度達(dá)68.5%，與此同時其剖面高度僅為1.2mm。此外，微帶天線本身具有的一維特性，其低輪廓、易于與載體共形等優(yōu)點(diǎn)，將在金屬件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等應(yīng)用情境下體現(xiàn)出來。