一種便于平面集成的高增益圓極化天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便于平面集成的高增益圓極化天線，包括天線單元，所述天線單元包括介質(zhì)基片、上金屬層、下金屬層和金屬化通孔；所述金屬化通孔分為三組陣列，第一組陣列組成諧振腔，第二組陣列組成理想金屬加載結(jié)構(gòu)，第三組陣列組成微擾通孔；在上金屬層上設(shè)置有有限接地共面波導(dǎo)傳輸線，有限接地共面波導(dǎo)傳輸線作為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)；在下金屬層上設(shè)置有輻射縫隙，所述輻射縫隙作為天線單元的輻射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于單層介質(zhì)襯底，可使用傳統(tǒng)商業(yè)印刷電路板工藝進(jìn)行加工，加工成本低，器件尺寸緊湊，平面集成度高，適合大規(guī)模生成和大規(guī)模應(yīng)用；本發(fā)明可提供遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)平面圓極化天線的增益，同時(shí)具有較小的尺寸，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用空間。
【專利說明】—種便于平面集成的高增益圓極化天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種便于平面集成的高增益圓極化天線，可應(yīng)用于衛(wèi)星通信及移動(dòng)測控等領(lǐng)域，屬于天線技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]天線是許多微波毫米波系統(tǒng)必不可少的組件，隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對天線的小尺寸、低成本、高平面集成度和較高的增益有著迫切的需求。傳統(tǒng)的平面天線由于低輪廓的限制，增益無法做到很高，而傳統(tǒng)的高增益天線通常會(huì)使用多層結(jié)構(gòu)或者擁有較大的尺寸，一方面不利于與后續(xù)電路集成，另一方面也增大了加工的成本。由于現(xiàn)代單層PCB工藝十分成熟，在不是十分高的頻段內(nèi)，加工精度也十分有保證，同時(shí)加工的產(chǎn)品可以擁有低輪廓、小體積、高集成度的特性，有利于天線的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。因此，使用單層PCB工藝的平面高增益天線在低輪廓、高集成度以及降低成本上都有很現(xiàn)實(shí)的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種便于平面集成的高增益圓極化天線，可應(yīng)用于微波毫米波天饋系統(tǒng)，具備良好的駐波特性、較高的法向增益、較低的交叉極化電平和較大的前后比，本發(fā)明天線可方便地?cái)U(kuò)充為陣列以增加法向定向性和減小波瓣寬度。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種便于平面集成的高增益圓極化天線，包括天線單元，所述天線單元包括介質(zhì)基片、上金屬層、下金屬層和金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿介質(zhì)基片、上下兩端分別連接上金屬層和下金屬層；所述金屬化通孔分為三組陣列，第一組陣列組成諧振腔，第二組陣列組成理想金屬加載結(jié)構(gòu)，第三組陣列組成微擾通孔，所述理想金屬加載結(jié)構(gòu)位于諧振腔內(nèi)部中心位置，所述微擾通孔位于諧振腔內(nèi)部起微擾作用；在上金屬層上設(shè)置有有限接地共面波導(dǎo)(FG-CPW)傳輸線，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線作為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)；在下金屬層上設(shè)置有輻射縫隙，所述輻射縫隙作為天線單元的輻射結(jié)構(gòu)。
[0006]諧振腔的尺寸由理想金屬加載結(jié)構(gòu)的尺寸和工作頻率決定:當(dāng)諧振腔中心不加載理想金屬加載結(jié)構(gòu)時(shí)，方形諧振腔的尺寸大概為工作頻率的1/2個(gè)波長；當(dāng)諧振腔內(nèi)部加載理想金屬加載結(jié)構(gòu)后，可以顯著提高天線單元的增益，但是為了保持其工作頻率不變，諧振腔的尺寸需要變大，這需要對天線單元的尺寸和增益做一個(gè)權(quán)衡。為了減少由于金屬化通孔帶來的能量泄漏，金屬化通孔的大小和通孔之間的間距也需要滿足一定的關(guān)系。微擾通孔可以稍微提高天線單元的法向增益。
[0007]優(yōu)選的，在上金屬層上蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線，在下金屬層上蝕刻出縫隙作為輻射縫隙。
[0008]優(yōu)選的，該天線單元的工作模式為諧振腔的高次簡并模式；諧振腔的輪廓可以設(shè)計(jì)為矩形、圓形或橢圓形等，具體尺寸根據(jù)所述高次簡并模式進(jìn)行計(jì)算；理想金屬加載結(jié)構(gòu)的輪廓根據(jù)所述高次簡并模式的場型進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求不能破壞所述簡并模式的場分布。
[0009]優(yōu)選的，理想金屬加載結(jié)構(gòu)的輪廓根據(jù)所述高次簡并模式的場型進(jìn)行設(shè)計(jì)為曲形、矩形、圓形或其他形狀。
[0010]優(yōu)選的，該天線可以由天線單元在縱橫方向進(jìn)行拓展，形成二維天線陣列，首先縱向的天線單元以串聯(lián)方式組成子陣列，然后串聯(lián)后的子陣列在縱向上并聯(lián)為一體，最終形成二維平面陣列；串聯(lián)的功分器采用修正的威爾金森功分器，通過相應(yīng)長度的接地共面波導(dǎo)(GCPW)傳輸線來彌補(bǔ)串聯(lián)單元之間的相位差；并聯(lián)的功分器采用傳統(tǒng)的威爾金森功分器。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的便于平面集成的高增益圓極化天線，具有如下特點(diǎn):1、整個(gè)天線單元主要有金屬層和金屬化通孔組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的PCB或LTCC工藝來實(shí)現(xiàn)；2、該天線單元的法向增益可達(dá)到10.2dBi，實(shí)測增益可達(dá)到9.6dBi，在現(xiàn)今單層平面天線結(jié)構(gòu)中是十分高的；3、該天線加工方便、輪廓低、可以方便地與平面電路進(jìn)行集成；4、該天線使用的是腔體結(jié)構(gòu)，有效的抑制了后瓣輻射，同時(shí)，饋線和輻射單元分處介質(zhì)兩側(cè)，有效的抑制了饋線帶來的寄生輻射。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為一種天線單元的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為圖1所示天線單元的后視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為2X2天線單元陣列的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為圖3所示天線單元陣列的后視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖5為金屬化通孔的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖6為天線仿真和測試的回波損耗IS11I ；
[0018]圖7為實(shí)測天線在頻率6.58GHz的XOZ切面方向圖；
[0019]圖8為實(shí)測天線在頻率6.58GHz的YOZ切面方向圖；
[0020]圖9為在法向方向上，實(shí)測天線隨頻率變化下的軸比變化關(guān)系和增益變化關(guān)系?！揪唧w實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1、圖2所示為一種便于平面集成的高增益圓極化天線的天線單元，該天線單元的工作模式為諧振腔4的高次簡并模式；天線單元包括介質(zhì)基片1、上金屬層21、下金屬層22和金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿介質(zhì)基片1、上下兩端分別連接上金屬層21和下金屬層22。
[0023]所述金屬化通孔分為三組陣列，第一組陣列組成諧振腔4，第二組陣列組成理想金屬加載結(jié)構(gòu)5，第三組陣列組成微擾通孔6，所述理想金屬加載結(jié)構(gòu)5位于諧振腔4內(nèi)部中心位置，所述微擾通孔6位于諧振腔4內(nèi)部起微擾作用；本案中諧振腔4的輪廓設(shè)計(jì)為方形，具體尺寸根據(jù)所述高次簡并模式進(jìn)行計(jì)算；理想金屬加載結(jié)構(gòu)5的輪廓根據(jù)所述高次簡并模式的場型進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求不能破壞所述簡并模式的場分布，本案中設(shè)計(jì)為曲形。
[0024]在上金屬層21上蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線2，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線2作為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)；在下金屬層22上、諧振腔4的四周蝕刻出四條寬度相同但長度不同的縫隙作為輻射縫隙3，所述輻射縫隙3作為天線單元的輻射結(jié)構(gòu)。
[0025]該天線由天線單元在縱橫方向進(jìn)行拓展，形成天線單元的二維陣列，具體拓展方式如圖3、圖4所示，首先縱向的天線單元以串聯(lián)方式組成子陣列，然后串聯(lián)后的子陣列在縱向上并聯(lián)為一體，最終形成二維平面陣列。
[0026]串聯(lián)的功分器采用修正的威爾金森功分器7，通過相應(yīng)長度的接地共面波導(dǎo)傳輸線9彌補(bǔ)串聯(lián)單元之間的相位差；并聯(lián)的功分器采用傳統(tǒng)的威爾金森功分器8。
[0027]基于本發(fā)明思想，利用PCB工藝制作圓極化天線，并進(jìn)行相關(guān)測試:圖6為天線仿真和測試的回波損耗IS11I ;圖7為實(shí)測天線在頻率6.58GHz的XOZ切面方向圖；圖8為實(shí)測天線在頻率6.58GHz的YOZ切面方向圖；圖9為在法向方向上，實(shí)測天線隨頻率變化下的軸比變化關(guān)系和增益變化關(guān)系。測試表面，該天線具有很高的法向增益，較好的圓極化特性和較好的駐波特性，且輪廓低、體積小。
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種便于平面集成的高增益圓極化天線，其特征在于:包括天線單元，所述天線單元包括介質(zhì)基片(I)、上金屬層(21)、下金屬層(22)和金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿介質(zhì)基片(I)、上下兩端分別連接上金屬層(21)和下金屬層(22);所述金屬化通孔分為三組陣列，第一組陣列組成諧振腔(4)，第二組陣列組成理想金屬加載結(jié)構(gòu)(5)，第三組陣列組成微擾通孔(6)，所述理想金屬加載結(jié)構(gòu)(5)位于諧振腔(4)內(nèi)部中心位置，所述微擾通孔(6)位于諧振腔(4)內(nèi)部起微擾作用；在上金屬層(21)上設(shè)置有有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(2)，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(2)作為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)；在下金屬層(22)上設(shè)置有輻射縫隙(3)，所述輻射縫隙(3)作為天線單元的輻射結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便于平面集成的高增益圓極化天線，其特征在于:在上金屬層(21)上蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(2)，在下金屬層(22)上蝕刻出縫隙作為輻射縫隙(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的便于平面集成的高增益圓極化天線，其特征在于:該天線單元的工作模式為諧振腔(4)的高次簡并模式；諧振腔(4)的輪廓設(shè)計(jì)為矩形、圓形或橢圓形，具體尺寸根據(jù)所述高次簡并模式進(jìn)行計(jì)算；理想金屬加載結(jié)構(gòu)(5)的輪廓根據(jù)所述高次簡并模式的場型進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求不能破壞所述高次簡并模式的場分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便于平面集成的高增益圓極化天線，其特征在于:理想金屬加載結(jié)構(gòu)(5)的輪廓根據(jù)所述高次簡并模式的場型進(jìn)行設(shè)計(jì)為曲形、矩形、圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2 、4所述的便于平面集成的高增益圓極化天線，其特征在于:該天線由天線單元在縱橫方向進(jìn)行拓展，形成二維天線陣列，首先縱向的天線單元以串聯(lián)方式組成子陣列，然后串聯(lián)后的子陣列在縱向上并聯(lián)為一體，最終形成二維平面陣列；串聯(lián)的功分器采用修正的威爾金森功分器(7)，通過相應(yīng)長度的接地共面波導(dǎo)傳輸線(9)來彌補(bǔ)串聯(lián)單元之間的相位差；并聯(lián)的功分器采用傳統(tǒng)的威爾金森功分器(8)。
【文檔編號】H01Q13/18GK103996901SQ201410229570
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】郝張成, 劉曉明 申請人:東南大學(xué)