專利名稱：低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波技術領域，涉及一種基于基片集成波導技術構成的低 輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線，可作為射頻收發(fā)前端的天線， 廣泛應用在移動通信、衛(wèi)星通信、雷達等無線通信系統(tǒng)，用于解決
Faraday電磁旋轉效應等造成的極化失配問題，同時還可以起到抑制雨霧
干擾和抗多徑反射的作用。
背景技術：
做為通信系統(tǒng)的關鍵部件，天線被廣泛地應用于無線通信場合。由于 空間中電波傳播的Famday旋轉效應，以及移動通信中的接收天線位置的 不確定性，如果采用傳統(tǒng)的單極化天線做為收發(fā)單元，需要收發(fā)天線極化 匹配對準才能實現較好的接收效果。而圓極化天線輻射出來的等幅旋轉場 可以分解為幅度相等相位相差90度的兩個正交線極化波，普遍應用于無 線通信中解決極化失配的問題。同時由于圓極化波入射到對稱目標時的旋 向逆轉特性，圓極化天線應用于移動通信、衛(wèi)星通信領域還起到抑制雨霧 干擾和抗多徑反射的作用。因此設計高性能的圓極化天線不但可以避免極 化失配而獲取良好的接收效果，同時可以極大地緩解后續(xù)射頻電路的指標 壓力，顯著提高系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)的成本。特別在衛(wèi)星通信、射頻識 別等體積重量具有嚴格限制的無線通信應用場合，設計具有低輪廓的高性 能圓極化天線尤其重要。
圓極化天線的實現方式多種多樣，包括微帶貼片天線、微帶縫隙開槽 天線、波導縫隙開槽天線、背腔圓極化天線以及螺旋天線等幾種形式。微 帶形式的圓極化天線具有低輪廓易共形的優(yōu)點，應用最為廣泛。它的饋電 方式主要有縫隙耦合饋電和同軸波導饋電兩種方式，其中縫隙耦合饋電主 要采用多層PCB工藝實現，對于國內的工藝來說價格高昂而且工藝不是 很穩(wěn)定。而同軸饋電方式雖然簡單，但它不能和平面電路無縫集成，導致體積較大。波導縫隙開槽圓極化天線適用于陣列天線應用，單個輻射單元 體積小，組成陣列體積緊湊，陣列天線具有主瓣寬度窄，方向圖可以賦 形，交叉極化電平低等優(yōu)良特性，廣泛應用于微波毫米波雷達通信系統(tǒng)中 等。但是基于傳統(tǒng)金屬波導技術的天線體積大，加工工藝復雜，成本高 昂，限制了它的廣泛使用；背腔圓極化天線一般是由平面基片上實現的饋 電、輻射單元和背面附加的金屬腔體構成，這種天線的增益高，定向性
好，但同樣加工復雜成本高，體積大。為了解決這些問題Sievenpiper等 人提出在基片上壓嵌金屬條的方式構成腔體結構，同時采用同軸在合適的 位置對其進行饋電從而形成背腔圓極化天線。這種實現方式和以前的背腔 圓極化天線相比體積大大減小，但是其加工成本仍然較高，同樣無法平面 集成；螺旋天線主要應用于地球站和衛(wèi)星鏈路的空間應用當中，它具有增 益高、軸率低、軸比帶寬大等優(yōu)點，但它的三維立體螺旋輻射結構決定了 其具有體積大無法平面集成等缺點。綜合目前圓極化天線的研究現狀可 知，仍然需要研究采用新工藝新結構來實現低成本低輪廓的高性能圓極化 天線。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于基片集成波導技術構成的低輪廓背腔圓 環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線，這種新型圓極化天線輻射性能好，增益 高，輪廓低，可無縫平面集成，結構簡單，易于設計，易于加工，成本 低。該圓極化天線與現有基于環(huán)型縫隙一點短路的背腔圓極化天線相比體 積大大減小，制造成本顯著降低。
本發(fā)明的低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線包括介質基片， 介質基片的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層和下金屬層，其中下金屬層 作為地層；上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線和共面波導傳輸線，共面波 導傳輸線是共地共面波導結構，其中間金屬條帶向外延伸，作為微帶線； 貫穿上金屬層、介質基片和下金屬層開有通孔，通孔內壁鍍有金屬，形成 金屬化通孔；多個金屬化通孔順序排列為圓形，形成圓形的基片集成波導腔體，構成圓形基片集成波導腔體的相鄰金屬化通孔的孔間距相同；共面 波導傳輸線伸入基片集成波導腔體內，基片集成波導腔體的圓心位于共面 波導傳輸線的金屬條帶的中心線上；下金屬層在基片集成波導腔體的區(qū)域
內蝕刻具有一點短路的圓環(huán)形輻射縫隙，輻射縫隙與基片集成波導腔體同 心設置，短路點的中心和輻射縫隙的圓心的連線與饋電結構中金屬條帶的
中心線垂直。
所述的金屬化通孔的直徑小于天線工作的中心頻率所對應空氣波長的 十分之一，金屬化通孔的直徑和相鄰兩個金屬化通孔的孔心距的比值大于
0.5。
本發(fā)明的低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線是在普通的介質 基片上通過采用基片集成波導技術制造等效于傳統(tǒng)金屬腔的基片集成波導 腔體結構，從而極大地減小了背腔圓極化天線的體積。與傳統(tǒng)背腔天線需 要精密的機械加工不同的是這種新型天線包括饋電網絡可以采用普通的 PCB工藝制作，制作成本顯著降低，并可與微帶電路實現無縫集成。在結 構上，基片為具有雙面金屬層的介質基片，在介質基片上以均勻的間隔設 有一系列金屬化通孔，形成等效于傳統(tǒng)金屬腔體的圓形基片集成波導腔 體。在雙面金屬層的上金屬層蝕刻用于饋電的微帶線，然后通過共面波導 結構將電磁波引入圓形基片集成波導腔體。在雙面金屬層的下金屬層對應 基片集成波導腔體區(qū)域內蝕刻具有一點短路的圓環(huán)形輻射縫隙，可以輻射 電磁能量。
具體工作原理電磁波由微帶線饋電，再通過共面波導傳輸線將其引 入到由基片集成波導技術構成的圓形基片集成波導腔體中，從而激勵起腔 體中多個模式的諧振。由于腔體是二維對稱的結構，因此必然會激勵起二 階的兩個相互正交的簡并模式。此時通過調節(jié)圓環(huán)形縫隙上短路點的位置 和寬度可以將兩個相互正交的簡并諧振模式分離，并通過縫隙將能量輻射 出去從而形成天線。調節(jié)腔體的尺寸、圓環(huán)形縫隙的半徑以及短路點的位 置和寬度可以在需要的頻率將由相互正交諧振模式輻射出去的電磁波的相
位差調整為90度，從而使得輻射出去的電磁波形成圓極化。
有益效果基于基片集成波導技術構成的低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點 短路圓極化天線具有以下優(yōu)點
a. 這種新型的背腔圓極化天線保留了傳統(tǒng)的金屬背腔圓極化天線高增 益等的優(yōu)良輻射特性，同時整個天線包括背腔結構和饋電網絡都可以在同 一塊介質基片上實現，不但使得天線的體積大大的減小，而且整個天線可 以與系統(tǒng)完全平面無縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。
b. 這種新型的背腔圓極化天線結構簡單，全部結構在一塊普通的介質
基片上實現。在設計過程中只需要調節(jié)輻射縫隙的半徑、短路點的位置， 以及由金屬通孔構成的圓形基片集成波導腔體的半徑就可以得到所需要的 性能。結構參數少，大大縮短了設計并優(yōu)化的時間。
C.這種新型的背腔圓極化天線制造簡單方便，用普通的PCB工藝就 可以實現。與傳統(tǒng)的需要精密機械加工的背腔天線相比，制造速度快，成 本低廉。
圖l是本發(fā)明的結構示意圖2是本發(fā)明的立體結構示意圖3是本發(fā)明的上金屬層結構示意圖4是本發(fā)明的下金屬層結構示意圖5是本發(fā)明一實施例的回波損耗仿真和測試結果的比較圖； 圖6是本發(fā)明一實施例的軸比和增益的仿真測試結果的對比圖7是本發(fā)明一實施例在12GHz時X-Y平面內輻射方向圖的測試結 果圖8是本發(fā)明一實施例在12GHz時X-Z平面內輻射方向圖的測試結 果具體實施例方式
如圖l和2所示，低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線包括厚
度為0.5毫米Rogers5880介質基片1，介質基片1的兩面鍍有金屬層，分 別是上金屬層7和下金屬層8，其中下金屬層8作為地層。如圖3，上金 屬層7蝕刻有用于饋電的微帶線2和共面波導傳輸線3(虛線方框包含部 分)，共面波導傳輸線3是共地共面波導結構，其中間金屬條帶向外延 伸，作為微帶線2。微帶線2的長度和寬度分別為4毫米和1.45毫米，共 面波導傳輸線3的兩條空氣間隙的寬度均為0.7毫米，長度為8.2毫米。 貫穿上金屬層7、介質基片1和下金屬層8開有直徑為1毫米的通孔，通 孔內壁鍍有金屬，形成金屬化通孔4。多個金屬化通孔4順序排列為半徑 為11.9毫米的圓形，形成圓形基片集成波導腔體，構成圓形基片集成波 導腔體的金屬化通孔4陣列的孔間距相同，均為1.35毫米。共面波導傳 輸線3伸入基片集成波導腔體內，其頂端距離腔體的中心6.0毫米，中間 金屬條帶的中心線與基片集成波導腔體的一條直徑重合。如圖4，下金屬 層8在基片集成波導腔體的區(qū)域內蝕刻有寬度為1毫米半徑為6.2毫米， 圓心與圓形基片集成波導腔體的圓心重合的圓環(huán)形輻射縫隙5。在圓環(huán)形 輻射縫隙5上具有長度為1.0毫米的一點短路6 (虛線圓框包含部分)， 一點短路6的中心與輻射縫隙的圓心的連線與饋電結構中金屬條帶的中心 線垂直。
具體結構幾何參數如下
其中^為基片集成波導圓形腔體的半徑，Z皿和『皿分別為饋電微帶 線的長度和寬度，4，和ge"分別為共面波導縫隙的長度和寬度，r,和W 分別為圓形縫隙的半徑和寬度，A為圓形縫隙上短路點的長度，Z^為共面 波導頂端與腔體圓心之間的距離，a為饋電金屬條帶的中心線與短路點和 圓形縫隙圓心之間連線的夾角，"為通孔直徑，《為通孔的孔心距，A為 基片厚度。
<formula>formula see original document page 8</formula>
該共面波導單點饋電背腔圓極化天線的具體制造過程為首先選取對 應參數的基片，在基片的上金屬層蝕刻出用于饋電的微帶線和共面波導傳 輸線，然后在基片的下金屬層上合適的位置蝕刻一點短路的圓環(huán)形縫隙， 最后在整個基片上圍繞一點短路圓環(huán)形縫隙以均勻的間隔打一系列金屬化 通孔，構成中心與圓形縫隙圓心重合的圓形基片集成波導腔體。選擇合適 的孔徑和孔間距，避免腔體內能量向外泄露。這種新型背腔圓極化天線保 留了傳統(tǒng)金屬背腔圓極化天線的高增益的輻射特性。選擇合適大小的輻射 縫隙和圓形基片集成波導腔體的尺寸，可方便地調節(jié)這種天線的工作頻 率。整個天線完全由普通的PCB工藝實現，可以與系統(tǒng)完全無縫集成。
圖5到圖8為該圓極化天線性能的測試結果。圖5仿真測試結果表明 該天線在中心頻率為12GHz的工作頻帶內能夠有效地輻射能量。圖6仿 真測試結果均表明該天線在工作頻帶內3dB軸比帶寬90MHz，增益高達 8.0dBi。圖7 8的方向圖測試結果表面在工作頻率12GHz時該天線無論 在X-Y平面還是X-Z平面內都呈現良好的右旋圓極化輻射特性，增益 高，定向性好，交叉極化電平低。
權利要求
1、低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線，包括介質基片，其特征在于介質基片的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層和下金屬層，其中下金屬層作為地層；上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線和共面波導傳輸線，共面波導傳輸線是共地共面波導結構，其中間金屬條帶向外延伸，作為微帶線；貫穿上金屬層、介質基片和下金屬層開有通孔，通孔內壁鍍有金屬，形成金屬化通孔；多個金屬化通孔順序排列為圓形，形成圓形的基片集成波導腔體，構成圓形基片集成波導腔體的相鄰金屬化通孔的孔間距相同；共面波導傳輸線伸入基片集成波導腔體內，基片集成波導腔體的圓心位于共面波導傳輸線的金屬條帶的中心線上；下金屬層在基片集成波導腔體的區(qū)域內蝕刻具有一點短路的圓環(huán)形輻射縫隙，輻射縫隙與基片集成波導腔體同心設置，短路點的中心和輻射縫隙的圓心的連線與饋電結構中金屬條帶的中心線垂直。
2、 如權利要求1所述的低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天 線，其特征在于所述的金屬化通孔的直徑小于天線工作的中心頻率所對應 空氣波長的十分之一，金屬化通孔的直徑和相鄰兩個金屬化通孔的孔心距 的比值大于0.5。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低輪廓背腔圓環(huán)形縫隙一點短路圓極化天線。已有的基于環(huán)形縫隙一點短路的背腔圓極化天線結構復雜、體積大、無法平面集成、成本高。本發(fā)明在介質基片的兩面鍍有金屬層，上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線和共地共面波導傳輸線，共面波導傳輸線的中間金屬條帶向外延伸，作為微帶線。貫穿上金屬層、介質基片和下金屬層開有排列為圓形的多個金屬化通孔，形成腔體，共面波導傳輸線伸入腔體內。下金屬層在對應腔體的區(qū)域內蝕刻有一條一點短路的圓環(huán)形輻射縫隙。與已有金屬腔體構成的背腔圓極化天線相比，本發(fā)明采用普通的PCB工藝制作，制作成本低，可與微帶電路無縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。
文檔編號H01Q1/38GK101170213SQ200710156688
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權日2007年11月12日
發(fā)明者孫玲玲, 羅國清 申請人:杭州電子科技大學