[0001] 本申请涉及一种电磁带隙结构、包括该电磁带隙结构的定向天线及其用途。

[0002] 定向天线广泛应用于无线传感器系统，如利用无线电和微波波段的飞机。特别地，有必要将轻型和小型定向天线应用于诸如雷达警报系统及其辅助设备的航空电子设备。一般来说，广泛使用的偶极天线能够通过使用反射器将全向辐射形式改变为定向辐射形式来使用，但是在这种情况下，需要将辐射器与反射器隔开1/4波长以确保辐射性能，因此，对于小型化存在困难。

[0003] 电磁带隙(EBG)结构通过周期性金属图案实现，并且已知在带隙频带中具有同相反射特性。由于这些特性，即使辐射器靠近EBG接地平面，也具有可以确保良好的辐射性能的优点。EBG结构可以被推广到特殊的LC网络，并且可以通过在一维或二维排列该LC网络来实现。通过将二维EBG结构应用于地平面并且将天线应用于其上部的形式可以极大地提高天线的方向性，但是实现起来比较困难。另一方面，通过将一维EBG结构应用于地平面并且在该结构附近应用天线来配置的形式容易实现，但是对于提高天线的方向性存在限制。然而，一维EBG结构还具有实现轻量化和小型化天线的另一个优点。因此，需要一种能够克服这些限制的新型的一维EBG结构。

[0035] 以下，将参考附图说明根据本申请的电磁带隙结构，附图是示例性的，并且根据本申请的电磁带隙结构不限于附图。

[0036] 图1示出了根据本申请一实施例的电磁带隙结构的图。如图1所示，本申请的电磁带隙结构可以包括基板1100、形成在基板下方的下部层1200和形成在基板上方的上部层1300。下部层1200可以包括在第一表面1210上以预定间隔排列的两个或多个第一狭缝
1201。上部层1300可以包括在第一表面1310上以预定间隔排列的两个或多个第二狭缝
1301。本申请的电磁带隙结构可具有上述结构，因此偶极天线的谐振频率和带宽中的任意一个或多个可以是优良的，并且可以是轻量和紧凑的，并且可以通过应用到稍后描述的偶极天线来实现优良的方向性。本说明书中的间隔可以是在电磁带隙结构的纵向(即x轴方向)上测量的长度。在本说明书中，第一表面可指由狭缝形成被图案化的侧表面。在本说明书中，下部层的第一表面和上部层的第一表面可以是指分别形成在下部层和上部层上的同一侧的侧表面。在本说明书中，“狭缝”是指一个又长又细的孔。

[0037] 作为基板可以使用由具有与FR4相同介电常数的非导电材料制成的基板。可以使用上述类型的基板来实现绝缘。

[0038] 此外，电磁带隙结构包括第一狭缝和第二狭缝，并且可以具有谐振结构。在本说明书中，“谐振结构”是指被配置成传输信号波、泵浦波和转换波，并且反射二次谐波以通过在结构内部往复或循环、谐振而不被传输到外部的结构。图2示出了用于说明由电磁带隙结构的第一和第二狭缝形成的LC电路的电磁带隙结构上的LC电路的示例的图。图3示出了形成在电磁带隙结构的第一狭缝和第二狭缝上的LC电路的图。如图2和3所示，电磁带隙结构可以具有由第一狭缝和第二狭缝形成的LC电路，并且可以具有由LC电路形成的谐振结构。

[0039] 在电磁带隙结构中，可根据偶极天线的谐振频率波长来确定至少一个狭缝的宽度或间隔。在本说明书中，谐振频率是指当包括在电路中的由L和C确定的固有频率与电源部的频率匹配时，通过引起谐振现象使电流或电压变为最大的频率。关于谐振频率，可以分别使用下面的公式1和2来计算R、L和C在串联电路(series circuit)中产生的串联谐振的谐振频率fsc和R、L和C在并联电路(parallel circuit)中产生的并联谐振的谐振频率fpc。

[0040] [公式1]

[0041]

[0042] [公式2]

[0043]

[0044] 在上述公式1和2中，LL表示由第一狭缝和第二狭缝的导体形成的下部层和上部层中的每一个形成的电感，CL表示在第一狭缝和第二狭缝之间形成的电容，Ce是指由第一狭缝之间的间隔和第二狭缝之间的间隔中的每一个形成的电容。

[0045] 谐振频率fres可确定为上述公式1和2中确定的fsc和fpc中的较小值。在本说明书中，“谐振频率波长”是指光速除以谐振频率得到的值。例如，当谐振频率是2.5GHz时，谐振频率波长可以是120mm。在这种情况下，两个或多个第一狭缝之间的间隔g1可以等于或小于谐振频率波长的0.0017倍。

[0046] 在一个例子中，两个或多个第一狭缝之间的间隔g1可等于或小于谐振频率波长的0.002倍，具体地，可等于或小于0.001倍。另外，两个或多个第一狭缝之间的间隔的下限可以等于或大于谐振频率波长的0.0001倍，或者可以等于或大于谐振频率波长的0.0005倍。
两个或多个第一狭缝之间的间隔可指相邻第一狭缝之间的间隔。第一狭缝与相邻的第一狭缝可具有上述范围的间隔，因此当本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0047] 在一示例中，第一狭缝的宽度w1可以为谐振频率波长的0.015至0.020倍，具体地，可以为谐振频率波长的0.016至0.019倍或0.017至0.018倍。第一狭缝可以具有上述范围的宽度，因此当本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0048] 在一示例中，第一狭缝的长度l1可以为谐振频率波长的0.05至0.10倍，具体地，可以为谐振频率波长的0.06至0.09倍或0.07至0.08倍。第一狭缝可以具有上述范围的长度，因此当本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性

[0049] 在一示例中，第一狭缝的厚度t1可等于或小于谐振频率波长的0.0002倍，具体地，可等于或小于谐振频率波长的0.0001倍。另外，第一狭缝的厚度下限可以等于或大于谐振频率波长的0.00001倍，或者可以等于或大于谐振频率波长的0.00005倍。第一狭缝可以具有上述范围的厚度，因此当本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0050] 下部层可以是导体。具体地，下部层可以由选自铜、金、银和铝组成的组中的一种或多种金属形成。下部层可由前述类型的金属形成以移动电子。

[0051] 下部层可通过在基板上方印刷上述类型的金属形成。打印方式可以是本领域公知的任何方式，因此不受特别限制。

[0052] 第一狭缝和第二狭缝可以以相等的间距布置以不彼此重叠。具体地，第一狭缝和第二狭缝可以布置成在高度方向上不彼此重叠。第一狭缝和第二狭缝可以以相等的间距布置以不彼此重叠，因此，当本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0053] 在一个例子中，两个或多个第二狭缝之间的间隔g2可等于或小于谐振频率波长的0.002倍，具体地，可等于或小于谐振频率波长的0.001倍。另外，两个或多个第二狭缝之间的间隔的下限可以等于或大于谐振频率波长的0.0001倍，或者可以等于或大于谐振频率波长的0.0005倍。两个或多个第二狭缝之间的间隔可指相邻第二狭缝之间的间隔。第二狭缝与相邻的第二狭缝具有上述范围的间隔，因此当根据本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0054] 在一示例中，第二狭缝的宽度w2可以为谐振频率波长的0.015至0.020倍，具体地，可以为谐振频率波长的0.016至0.019或0.017至0.018倍。第二狭缝可以具有上述范围的宽度，因此当根据本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0055] 在一示例中，第二狭缝的长度l2可以为谐振频率波长的0.05至0.10倍，具体地，可以为谐振频率波长的0.06至0.09或0.07至0.08倍。第二狭缝可以具有上述范围的长度，因此当根据本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0056] 在一示例中，第二狭缝的厚度t2可等于或小于谐振频率波长的0.0002倍，具体地，可等于或小于谐振频率波长的0.0001倍。另外，第二狭缝的厚度下限可以等于或大于谐振频率波长的0.00001倍，或者可以等于或大于谐振频率波长的0.00005倍。第二狭缝可以具有上述范围的厚度，因此当根据本申请的电磁带隙结构应用于稍后描述的偶极天线时，可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0057] 上部层可以是导体。具体地，上部层可由选自铜、金、银和铝组成的组中的一种或多种金属形成。上部层可由前述类型的金属形成以移动电子。

[0058] 上部层可通过在基板下方印刷上述类型的金属形成。打印方式可以是本领域公知的任何方式，因此不受特别限制。

[0059] 本申请涉及定向天线。定向天线可以包括前述电磁带隙结构，在这方面，电磁带隙结构的上述描述可以以相同的方式应用于稍后的电磁带隙结构的详细描述，因此，将省略稍后描述的电磁带隙结构的详细描述。

[0060] 图4是示出根据本申请一实施例的定向天线的图。如图4所示，根据本申请的定向天线可以包括电磁带隙结构4100、偶极天线4200和电源部4300。偶极天线可以包括与电磁带隙结构的下部层的第一表面隔离的第一偶极器件4210，以及与电磁带隙结构的上部层的第一表面间隔离的第二偶极器件4220。也就是说，第一偶极器件和第二偶极器件可以彼此间隔开。电源部可向偶极天线的第一偶极器件和第二偶极器件施加电信号。本申请的定向天线可以具有上述结构，因此可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。在本说明书中，“方向性”是指在声音、无线电波和光的传输和接收期间，设备特性在特定方向上表现出强特性的现象，即声音、无线电波和光趋向于特定方向上移动的特性。在本说明书中，“定向天线(directional/sectorized antenna)”是指除各向同性天线以外的任何天线，并且是指允许仅在特定方位形成波束的天线。在本说明书中，“各向同性天线”是指在任何方向上辐射强度恒定的天线。在本说明书中，“偶极”是指有两个相互对应的极。在本说明书中，“偶极天线”是指从有效天线长度为1/2波长的导线的中心馈电，并以天线的中心为基准上下或者左右线的电位分布及极性总是对称，从而起到偶极作用的天线。

[0061] 第一偶极器件和第二偶极器件可以分别平行于电磁带隙结构的第一表面4110，并且可以分别通过第一电源线4310和第二电源线4320连接到电源部。第一电源线和第二电源线可以分别接地到下部层的第一接地平面1202和上部层的第一接地平面1302。另外，第一电源线和第二电源线中的每一条可以垂直于电磁带隙结构的第一表面。

[0062] 具有第一偶极器件和第二偶极器件的偶极天线可以连接到电源部，由此可以接收电能。

[0063] 电磁带隙结构的第一表面可以是由包括在电磁带隙结构中的下部层和上部层的每一个的第一狭缝和第二狭缝形成图案化的侧表面中的任何一个。

[0064] 第一偶极器件和第二偶极器件中的每个可以通过等于或小于谐振频率波长0.06倍的间隔g4与电磁带隙结构的第一表面隔开。第一偶极器件和第二偶极器件中的每一个可以按照上述间隔与电磁带隙结构的第一表面隔开，从而可以实现具有以下范围的谐振频率和/或带宽，并且相应地，所述电磁带隙结构可以是轻量化和紧凑的，并且可以具有优异的方向性。

[0065] 在一个示例中，第一偶极器件和第二偶极器件可以相对于第一电源线和第二电源线对称。例如，只要第一偶极器件和第二偶极器件相对于第一电源线和第二电源线对称，第一偶极器件和第二偶极器件的纵向方向就不特别地受限制。因此，由于这一点，可以形成起到偶极作用的偶极天线。

[0066] 在另一个示例中，在第一偶极器件和第二偶极器件相对于第一电源线和第二功率线对称的状态下，第一偶极器件和第二偶极器件的长度之和l3可以是谐振频率波长的1/2。例如，在第一偶极器件和第二偶极器件相对于第一电源线和第二电源线对称的状态下，第一偶极器件和第二偶极器件的长度的总和l3可以是谐振频率波长的0.35至0.6倍，具体可以是0.4～0.55倍或0.45～0.5倍。在第一偶极器件和第二偶极器件对称的状态下，第一电源线和第二电源线相互重叠，因此，在第一偶极器件和第二偶极器件相对于第一电源线和第二电源线对称的状态下，可以通过排除第一电源线和第二电源线的宽度来获得第一偶极器件和第二偶极器件的长度之和。

[0067] 偶极天线的谐振频率带宽可以等于或大于15％。具体地，偶极天线的谐振频率带宽可以是16％或更高、17％或更高，或18％或更高。偶极天线的谐振频率带宽的上限可以是20％或更小，也可以是19％或更小。由于偶极天线可以具有上述范围的谐振频率带宽，因此可用于使用各种频率或宽频率的通信和传感器。谐振频率带宽可能意味着引起谐振的频率范围。偶极天线的谐振频率带宽可使用下面的公式3计算。

[0068] [公式3]

[0069]

[0070] 在上面的公式3中，fres是谐振频率，△f是带宽，Ceff是影响谐振的电容，LL是上述电感。

[0071] 偶极天线的最大实现增益可以在细节上等于或大于2dBi，等于或大于3dBi或等于或大于4dBi。偶极天线的最大实现增益的上限不特别限制，例如，可以是7dBi或更小、6dBi或更小，或者5dBi或更小。偶极天线在上述范围内可以具有最大实现增益，从而可以获得优良的天线方向性。最大实现增益可参考用于确定天线方向性的指标。

[0072] 偶极天线的辐射效率可以等于或大于80％。具体地，偶极天线的辐射效率可以是81％或更高，82％或更高，83％或更高，或84％或更高。偶极天线的辐射效率的上限可能越大越有利，并且例如，上限可以是100％或更低、95％或更低、90％或更低，或85％或更低。电磁带隙结构可包括在具有上述辐射效率范围的偶极天线中，因此可以是轻量化和紧凑的，并且可以获得优异的方向性。辐射效率可以是天线辐射的无线电波与向天线供电的功率之比。

[0073] 偶极天线可具有等于或大于8dB的前方和后方辐射比。具体地，偶极天线的前方和后方辐射比可以是8.5dB或更大、9dB或更大、9.5dB或更大、10dB或更大、或10.5dB或更大。偶极天线的前方和后方辐射比的上限可能越大越有利，并且例如，上限可以是13dB或更小、
12.5dB或更小、12dB或更小、11.5dB或更小、或11dB或更小。偶极天线可以满足上述前方和后方辐射比，因此辐射能量可以集中在定向天线中的一个方向上以使天线的效率最大化，并且可以防止在不期望的方向上的辐射。前方和后方辐射比可意味着在期望方向上的辐射增益和相反方向上的辐射增益之间的差异。

[0074] 本申请涉及定向天线的使用。示范性定向天线可以是轻量化且紧凑的，并且可以实现优异的方向性。

[0075] 在一个例子中，定向天线可应用于航空电子设备。航空电子设备的一示例可包括雷达警告系统或敌我识别设备，并且当定向天线包括在雷达警告系统或敌我识别设备中时，其结构不受特别限制。

[0076] 在另一示例中，定向天线可应用于便携式测量设备。便携式测量设备的示例可包括用于验证雷达警报系统的地面支持设备、敌我识别设备或U/VHF通信设备，并且当定向天线包括在用于验证雷达警报系统的地面支持设备，敌我识别设备，或U/VHF通信设备中时，其结构不受特别限制。

[0077] <符号说明>

[0078] 1100：基板

[0079] 1200：下部层

[0080] 1210：下部层第一表面

[0081] 1201：第一狭缝

[0082] 1202：下部层第一接地平面

[0083] 1300：上部层

[0084] 1310：上部层第一表面

[0085] 1301：第二狭缝

[0086] 1302：下部层第一接地平面

[0087] 4100：电磁带隙结构

[0088] 4110：电磁带隙结构的第一表面

[0089] 4200：偶极天线

[0090] 4210：第一偶极器件

[0091] 4220：第二偶极器件

[0092] 4300：电源部

[0093] 4310：第一电源线

[0094] 4320：第二电源线

[0095] g1：第一狭缝之间间隔

[0096] w1：第一狭缝宽度

[0097] l1：第一狭缝长度

[0098] t1：第一狭缝厚度

[0099] x：电磁带隙结构纵向

[0100] g2：第二狭缝之间的间隔

[0101] w2：第二狭缝宽度

[0102] l2：第二狭缝长度

[0103] t2：第二狭缝厚度

[0104] g4：第一偶极器件和第二偶极器件与电磁带隙结构的第一表面之间的间隔[0105] l3：第一偶极器件和第二偶极器件相对于第一电源线和第二电源线对称的状态下，第一偶极器件和第二偶极器件的长度之和