專利名稱：：包含濾波器功能的h面扇形喇叭天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于微波
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線，可作為射頻收發(fā)前端的天線，應(yīng)用于無線通信場合。作為一種平面天線它不僅是濾波器和天線的雙功能集成模塊，而且與絕大多數(shù)平面天線不同的是它是一種提供垂直極化的天線，可以用于一些特殊的場合。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的金屬喇叭天線作為一種廣泛應(yīng)用于天線測試等場合的標準天線，它具有增益高、定向性好、結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和制造等優(yōu)點。但這種天線的缺點也很明顯，體積大，和后續(xù)電路的連接復(fù)雜，無法與電路平面集成。而目前多功能集成模塊特別是濾波器和天線的集成已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。在具有靈敏接收機的通信系統(tǒng)中，其射頻前端需要帶通濾波器將需要的信號分離出來，很多情況下帶外干擾比所需信號還強，這就對前端濾波器的指標要求非?？量獭：芏鄬W(xué)者尋求在天線上集成濾波器對信號進行預(yù)濾波以降低對后續(xù)電路的指標要求。目前國際上關(guān)于天線與濾波器集成模塊的設(shè)計主要基于以下三類。第一類是采用微帶平面電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)濾波器和微帶天線的雙功能集成。這類雙功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)體積緊湊水平極化的天線，但它一般需要采用多層PCB工藝來實現(xiàn)，成本比較高。另一類是采用傳統(tǒng)金屬喇叭天線的形式通過在喇叭天線的口面內(nèi)安裝一些金屬桿來實現(xiàn)濾波和輻射的雙功能集成。這類天線能夠很好地保留金屬喇叭天線的高定向性高增益的垂直極化輻射特性，但是它同樣存在傳統(tǒng)金屬喇叭天線的大體積不易于平面集成的缺點。最后一大類是通過研究頻率選擇表面和口徑天線如金屬喇叭天線和波導(dǎo)終端開口輻射器陣列等的結(jié)合來實現(xiàn)濾波輻射的雙功能集成，同時降低系統(tǒng)的雷達散射截面和抗外部電磁干擾。綜合目前濾波和輻射雙功能集成模塊的研究現(xiàn)狀可知，仍然需要研究采用新工藝新結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低成本低輪廓的高性能的濾波天線。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線，這種新型濾波天線在保持平面天線的低輪廓的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了絕大多數(shù)平面天線無法實現(xiàn)的垂直極化的輻射特性。同時它在保留了H面扇形喇叭天線高增益、高定向性的輻射特性的基礎(chǔ)上有效地集成了感性金屬柱加載波導(dǎo)濾波器的濾波特性。整個器件的體積緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計和加工，成本低，同時可以與平面電路完全無縫集成。本發(fā)明的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線包括介質(zhì)基片，介質(zhì)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微帶形式的梯形轉(zhuǎn)換器，梯形轉(zhuǎn)換器的輸出端與構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的上金屬層相連，輸入端向外延伸，作為微帶線；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有多個通孔，通孔內(nèi)壁鍍金屬，形成金屬化通孔，包括構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的兩行平行設(shè)置的平行金屬化通孔，和構(gòu)成扇形喇叭天線的兩行逐漸張開的漸變金屬化通孔；構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的相鄰的平行金屬化通孔的孔間距相同，構(gòu)成扇形喇叭天線的相鄰的漸變金屬化通孔的孔間距相同，扇形喇叭天線輸入端的漸變金屬化通孔與平行金屬化通孔位置對應(yīng)；在扇形喇叭天線區(qū)域的中軸線上設(shè)置有貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的四個內(nèi)壁鍍有金屬的微擾金屬化通孔。所述的用于構(gòu)成基片集成波導(dǎo)和扇形喇叭天線的各個金屬化通孔的直徑小于天線工作的中心頻率所對應(yīng)空氣波長的十分之一，各個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)明的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線是在普通的介質(zhì)基片上通過采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)制造等效于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和金屬H面扇形喇叭天線結(jié)構(gòu)，從而極大地降低了整個器件的體積。與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)和H面扇形喇叭天線需要精密的機械加工不同的是這種新型器件可以采用普通的PCB工藝制作，制作成本顯著降低，并可與微帶電路實現(xiàn)無縫集成。在結(jié)構(gòu)上，基片為具有雙面金屬層的介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上以均勻的間隔設(shè)有一系列金屬化通孔，形成等效于傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)和H面扇形喇叭天線的基片集成波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)H面扇形喇叭天線。在雙面金屬層的上金屬層蝕刻用于饋電的微帶線，然后通過微帶和基片集成波導(dǎo)之間的梯形轉(zhuǎn)換器將電磁波引入基片集成波導(dǎo)中。再通過基片集成波導(dǎo)向基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的構(gòu)成的等效H面扇形喇叭天線饋電，最后再由H面扇形喇叭天線的開口處將特定頻帶內(nèi)的電磁波向空間輻射而形成具有濾波特性的天線。具體工作原理電磁波由微帶線饋電，再通過基片集成波導(dǎo)將其引入到由基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的等效的H面扇形喇叭天線中，經(jīng)過安裝在H面扇形喇叭中的四個感性金屬通孔的濾波作用將需要頻段的電磁波經(jīng)由喇叭口面向空中輻射，從而形成具有濾波特性的H面扇形喇叭天線。有益效果基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線具有以下優(yōu)點a.這種新型的集成濾波器天線在集成了感性金屬柱波導(dǎo)濾波器的濾波特性的基礎(chǔ)上，保留了傳統(tǒng)的金屬H面扇形喇叭天線的高定向性高增益等的優(yōu)良輻射特性，同時提供了絕大多數(shù)平面天線所不具備的垂直極化輻射。整個結(jié)構(gòu)可以在單層介質(zhì)基片上實現(xiàn)，不但使得整個雙功能集成模塊的體積大大地減小，而且整個模塊可以與系統(tǒng)完全平面無縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。b.這種新型的集成濾波器天線結(jié)構(gòu)簡單，全部結(jié)構(gòu)包括饋電網(wǎng)絡(luò)可在一塊普通的介質(zhì)基片上就實現(xiàn)。在設(shè)計過程中只需要調(diào)節(jié)等效扇形喇叭天線的張角，以及用于構(gòu)成濾波器的感性金屬通孔的直徑和相鄰?fù)字g的間距就可以得到所需要的濾波和輻射性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大大縮短了設(shè)計和優(yōu)化的時間。C.這種新型的集成濾波器天線制造簡單方便，用普通的PCB工藝就可以實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的需要精密機械加工的H面扇形喇叭天線相比，制造速度快，成本低廉。圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明一實施例的回波損耗仿真和測試結(jié)果的比較圖5是本發(fā)明一實施例在18.5GHz時E面輻射方向圖的測試結(jié)果；圖6是本發(fā)明一實施例在18.5GHz時H面輻射方向圖的測試結(jié)果。具體實施例方式如圖l所示，包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線包括厚度為1.575毫米Rogers5880介質(zhì)基片10，介質(zhì)基片10的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層2和下金屬層9，其中下金屬層9作為地層。如圖2，上金屬層2蝕刻有用于饋電的微帶線1、微帶形式的梯形轉(zhuǎn)換器8，梯形轉(zhuǎn)換器8的輸出端與構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的上金屬層2相連，輸入端向外延伸，作為微帶線1。微帶線1的長度和寬度分別為6毫米和5毫米，梯形轉(zhuǎn)換器8的長度為6毫米，與基片集成波導(dǎo)上金屬層2相連的一端寬度為4.2毫米。貫穿上金屬層2、介質(zhì)基片10和下金屬層9開有直徑為l毫米的通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔3和金屬化通孔7。多個金屬化通孔7先按一定間距平行排列為兩行構(gòu)成基片集成波導(dǎo)6(虛線框包含部分)，基片集成波導(dǎo)6的長度和寬度均為10毫米。多個金屬化通孔3在基片集成波導(dǎo)6的輸出端沿其兩邊以一定的張角順序排列成扇形喇叭天線5(虛線框包含部分)，喇叭天線5的長度為50毫米，張口為14毫米，形成基片集成波導(dǎo)6和扇形喇叭天線5的各邊上的金屬化通孔的孔間距均為1.5毫米。在扇形喇叭5區(qū)域內(nèi)沿著其中軸線上貫穿上金屬層2、介質(zhì)基片10和下金屬層9開有四個用于調(diào)節(jié)阻抗匹配和形成濾波功能的微擾金屬化通孔4。四個微擾金屬化通孔4的直徑分別為0.8毫米、2毫米、2毫米和2毫米，最靠近扇形喇叭的輸入端直徑為0.8毫米的微擾金屬化通孔和扇形喇叭的起始端的距離為10.1毫米。四個微擾金屬化通孔4間的間距依次為5.72毫米、6.52毫米和7.1毫米。具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下其中丄臘和『慰為饋電微帶線的長度和寬度，4戸和W。戸為梯形轉(zhuǎn)換器的長度和其與基片集成波導(dǎo)一端相接的寬度，丄^和『，為饋電的基片集成波導(dǎo)的長度和寬度，^和W為等效的H面扇形喇叭天線的長度和輻射口徑的寬度，力、&、^和^分別為用于構(gòu)成濾波器的感性金屬化通孔的直徑，&、丄2、丄3和；分別為頂頭最小的感性金屬化通孔和等效H面扇形喇叭輸入端的距離以及相鄰?fù)字g的距離，d為通孔直徑，^為通孔的孔心距，A為基片厚度。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>該包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線的具體制造過程為首先選取對應(yīng)參數(shù)的基片，在基片的上金屬層蝕刻出用于饋電的微帶線和微帶形式的梯形轉(zhuǎn)換器將其與基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)接。再在基片以均勻的間隔打一系列金屬化通孔，分別構(gòu)成饋電的基片集成波導(dǎo)和等效的H面扇形喇叭天線。選擇合適的孔徑和孔間距，避免波導(dǎo)和喇叭內(nèi)的能量向外泄露。最后在等效H面扇形喇叭天線的內(nèi)部合適位置打四個不同尺寸的金屬化通孔。這樣就完整地構(gòu)成了集成濾波器和H面扇形喇叭天線的雙功能集成模塊。這種新型模塊既保留了感性金屬柱金屬波導(dǎo)濾波器的濾波特性，也同時保留了H面扇形金屬喇叭天線的高定向性高增益等的輻射特性。選擇合適直徑和合適間距的感性金屬通孔，可方便地調(diào)節(jié)這種雙功能模塊的工作頻率。整個模塊完全可由普通的PCB工藝實現(xiàn)，能與系統(tǒng)完全無縫集成，制作簡單，成本低廉。圖4到圖6為該H面扇形喇叭天線天線性能的測試結(jié)果。圖4仿真測試結(jié)果表明該天線在中心頻率為18.5GHz的工作頻帶內(nèi)能夠有效地輻射能量。圖56的方向圖測試結(jié)果表面在工作頻率18.5GHz時該天線在E面具有全向輻射的特性，在H面內(nèi)都呈現(xiàn)良好的定向輻射特性。權(quán)利要求1、包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線，包括介質(zhì)基片，其特征在于介質(zhì)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微帶形式的梯形轉(zhuǎn)換器，梯形轉(zhuǎn)換器的輸出端與構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的上金屬層相連，輸入端向外延伸，作為微帶線；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有多個通孔，通孔內(nèi)壁鍍金屬，形成金屬化通孔，包括構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的兩行平行設(shè)置的平行金屬化通孔，和構(gòu)成扇形喇叭天線的兩行逐漸張開的漸變金屬化通孔；構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的相鄰的平行金屬化通孔的孔間距相同，構(gòu)成扇形喇叭天線的相鄰的漸變金屬化通孔的孔間距相同，扇形喇叭天線輸入端的漸變金屬化通孔與平行金屬化通孔位置對應(yīng)；在扇形喇叭天線區(qū)域的中軸線上設(shè)置有貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的四個內(nèi)壁鍍有金屬的微擾金屬化通孔。2、如權(quán)利要求1所述的包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線，其特征在于所述的用于構(gòu)成基片集成波導(dǎo)和扇形喇叭天線的平行金屬化通孔和漸變金屬化通孔的直徑小于天線工作的中心頻率所對應(yīng)空氣波長的十分之一，各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)明涉及一種包含濾波器功能的H面扇形喇叭天線。已有喇叭天線體積大、無法平面集成、加工成本高。本發(fā)明在介質(zhì)基片的兩面鍍有金屬層，上金屬層蝕刻用于饋電的微帶線和微帶轉(zhuǎn)換器。貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有排列為圓形的多個金屬化通孔，形成基片集成波導(dǎo)和H面扇形喇叭。在H面扇形喇叭張口區(qū)域內(nèi)中軸線上貫穿整個基片開有四個微擾金屬化通孔，用于調(diào)節(jié)阻抗匹配和形成濾波功能。新結(jié)構(gòu)采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)在普通的介質(zhì)基片上實現(xiàn)了等效于傳統(tǒng)金屬H面扇形喇叭天線的功能，同時成功的集成了傳統(tǒng)感性金屬柱波導(dǎo)濾波器的濾波功能。該雙功能集成模塊體積非常緊湊，整個結(jié)構(gòu)可由低成本PCB工藝制作，可以與系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成。文檔編號H01Q13/00GK101179155SQ20071015682公開日2008年5月14日申請日期2007年11月12日優(yōu)先權(quán)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(xué)