專利名稱：：?jiǎn)吸c(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線的制作方法
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)成的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線，可作為射頻收發(fā)前端的天線，廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等無線通信系統(tǒng)，用于解決Famday電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等造成的極化失配問題，同時(shí)還可以起到抑制雨霧干擾和抗多徑反射的作用。
背景技術(shù)：
：做為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線被廣泛地應(yīng)用于無線通信場(chǎng)合。由于空間中電波傳播的Famday旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，以及移動(dòng)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(duì)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)較好的接收效果。而圓極化天線輻射出來的等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)可以分解為幅度相等相位相差90度的兩個(gè)正交線極化波，普遍應(yīng)用于無線通信中解決極化失配的問題。同時(shí)由于圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)的旋向逆轉(zhuǎn)特性，圓極化天線應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信領(lǐng)域還起到抑制雨霧干擾和抗多徑反射的作用。因此設(shè)計(jì)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(shí)可以極大地緩解后續(xù)射頻電路的指標(biāo)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(shí)別等體積重量具有嚴(yán)格限制的無線通信應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方式多種多樣，包括微帶貼片天線、微帶縫隙開槽天線、波導(dǎo)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(diǎn)，應(yīng)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(dǎo)饋電兩種方式，其中縫隙耦合饋電主要采用多層PCB工藝實(shí)現(xiàn)，對(duì)于國(guó)內(nèi)的工藝來說價(jià)格高昂而且工藝不是很穩(wěn)定。而同軸饋電方式雖然簡(jiǎn)單，但它不能和平面電路無縫集成，導(dǎo)致體積較大。波導(dǎo)縫隙開槽圓極化天線適用于陣列天線應(yīng)用，單個(gè)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(yīng)用于微波毫米波雷達(dá)通信系統(tǒng)中等。但是基于傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)技術(shù)的天線體積大，加工工藝復(fù)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(shí)現(xiàn)的饋電、輻射單元和背面附加的金屬腔體構(gòu)成，這種天線的增益高，定向性好，但同樣加工復(fù)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(gòu)成腔體結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用同軸在合適的位置對(duì)其進(jìn)行饋電從而形成背腔圓極化天線。這種實(shí)現(xiàn)方式和以前的背腔圓極化天線相比體積大大減小，但是其加工過程仍然比較復(fù)雜。本發(fā)明是在Sievenpiper的工作基礎(chǔ)上，通過采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)取代壓嵌金屬條的方式來實(shí)現(xiàn)成本更低制作更簡(jiǎn)單的單點(diǎn)同軸饋電背腔圓極化天線。
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)成的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線，這種新型圓極化天線輻射性能好，增益高，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，易于加工，成本低。該圓極化天線與現(xiàn)有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)明的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線包括介質(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。貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔；多個(gè)金屬化通孔順序排列為圓形，形成圓形基片集成波導(dǎo)腔體，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)腔體的金屬化通孔的孔間距相同。上金屬層在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條垂直相交的長(zhǎng)條形的輻射縫隙，兩條輻射縫隙寬度相同，均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)，且交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的圓心重合；下金屬層在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有同軸線，同軸線設(shè)置在對(duì)應(yīng)兩條相互垂直的輻射縫隙的角平分線的位置，同軸線的探針貫穿下金屬層和介質(zhì)基片，并與上金屬層相連，同軸線的外金屬殼與下金屬層相連。其中同軸線采用50歐姆標(biāo)準(zhǔn)件。所述的金屬化通孔的直徑小于天線工作的中心頻率所對(duì)應(yīng)空氣波長(zhǎng)的十分之一，金屬化通孔的直徑和相鄰兩個(gè)金屬化通孔的孔心距的比值大于0.5。本發(fā)明的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化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)的閉合金屬腔的腔體結(jié)構(gòu)，從而極大的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(jī)械加工不同的是這種新型天線可以采用普通的PCB工藝制作，天線的輪廓和制作成本都顯著降低。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)金屬腔體的圓形基片集成波導(dǎo)腔體。在雙面金屬層的下金屬層對(duì)應(yīng)基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)連接饋電同軸線，同軸探針貫穿下金屬層和介質(zhì)基片連接上金屬層給腔體饋電。在雙面金屬層的上金屬層蝕刻兩條寬度相同長(zhǎng)度不同垂直相交的長(zhǎng)條形縫隙，用于輻射電磁能量。具體工作原理同軸線將電磁波引入到由基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的圓形基片集成波導(dǎo)腔體中，從而激勵(lì)起腔體中多個(gè)模式的諧振。由于腔體是二維對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此其二階諧振是兩個(gè)相互正交的簡(jiǎn)并諧振模式。此時(shí)通過調(diào)節(jié)兩條相互垂直縫隙的長(zhǎng)度可以將兩個(gè)相互正交的簡(jiǎn)并諧振模式分離，并通過縫隙將能量輻射出去從而形成的天線。調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)的位置、腔體的尺寸和兩條縫隙的長(zhǎng)度差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(diào)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(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線具有以下優(yōu)點(diǎn)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，而腔體結(jié)構(gòu)通過基片集成波導(dǎo)技術(shù)在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)，使得天線的體積大大的減小。b.這種新型的背腔圓極化天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)過程中只需要調(diào)節(jié)同軸饋電點(diǎn)位置，輻射縫隙長(zhǎng)度，以及由金屬通孔構(gòu)成的圓形基片集成波導(dǎo)腔體的半徑就可以得到所需要的性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大大縮短了設(shè)計(jì)并優(yōu)化的時(shí)間。c.這種新型的背腔圓極化天線制造簡(jiǎn)單方便，用普通的PCB工藝就可以實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的需要精密機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的回波損耗仿真和測(cè)試結(jié)果的比較圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例的軸比和增益的仿真測(cè)試結(jié)果的對(duì)比圖7是本發(fā)明實(shí)施例在10GHz時(shí)X-Y平面輻射方向圖測(cè)試結(jié)果圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例在10GHz時(shí)X-Z平面輻射方向圖測(cè)試結(jié)果具體實(shí)施例方式如圖1和2所示，單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線包括厚度為0.5毫米R(shí)ogers5880介質(zhì)基片5，介質(zhì)基片5的兩面鍍有金屬層，分別是上金屬層4和下金屬層6，其中下金屬層6作為地層。貫穿上金屬層4、介質(zhì)基片5和下金屬層6開有直徑為l毫米，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔2;多個(gè)金屬化通孔2順序排列為圓形，形成圓形基片集成波導(dǎo)腔體，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)腔體的金屬化通孔2的孔間距相同，均為1.35毫米。如圖3，上金屬層4在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有寬度同為l毫米長(zhǎng)度分別為11.5毫米和10.9毫米的兩條垂直相交的輻射縫隙，交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的圓心重合，且均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)；如圖4，饋電同軸線的探針貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層，其位置處在兩條相互垂直的輻射縫隙的角平分線上，距離腔體的圓心6.36毫米。具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下^為圓形基片集成波導(dǎo)腔體的半徑，丄5/、^2和『,分別為兩條不等長(zhǎng)輻射縫隙的長(zhǎng)度和寬度，4為同軸饋電點(diǎn)與腔體中心之間的距離，d為通孔直徑，^為通孔的孔心距，A為基片厚度。<table>complextableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>該單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線的具體制造過程為首先選取對(duì)應(yīng)參數(shù)的基片，在基片的上金屬層蝕刻兩條用于輻射能量的相互垂直的縫隙，以輻射縫隙的中心為圓心圍繞輻射縫隙在整個(gè)基片上以均勻的間隔設(shè)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(dǎo)腔體。選擇合適的孔徑和孔間距，避免腔體內(nèi)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高增益的輻射特性。選擇合適的饋電點(diǎn)位置、輻射縫隙的大小和圓形基片集成波導(dǎo)腔體的半徑，可方便地調(diào)節(jié)這種天線的工作頻率。整個(gè)天線完全由普通的PCB工藝實(shí)現(xiàn)，腔體結(jié)構(gòu)由金屬化通孔陣列所實(shí)現(xiàn)，制作簡(jiǎn)單，成本低廉。圖5到圖8為該圓極化天線性能的測(cè)試結(jié)果。圖5仿真測(cè)試結(jié)果表明該天線在中心頻率為10GHz的工作頻帶內(nèi)能夠有效地輻射能量。圖6仿真測(cè)試結(jié)果均表明該天線在工作頻帶內(nèi)3dB軸比帶寬80MHz，增益高達(dá)5.8dBi。圖78的方向圖測(cè)試結(jié)果表面在工作頻率10GHz時(shí)該天線無論在X-Y平面還是X-Z平面內(nèi)都呈現(xiàn)良好的右旋圓極化輻射特性，增益高，定向性好，交叉極化電平和后瓣電平低。權(quán)利要求1、單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線，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；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔；多個(gè)金屬化通孔順序排列為圓形，形成圓形基片集成波導(dǎo)腔體，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)腔體的金屬化通孔的孔間距相同；上金屬層在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條垂直相交的長(zhǎng)條形的輻射縫隙，兩條輻射縫隙寬度相同，均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)，且交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的圓心重合；下金屬層在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)設(shè)置有同軸線，同軸線設(shè)置在對(duì)應(yīng)兩條相互垂直的輻射縫隙的角平分線的位置，同軸線的探針貫穿下金屬層和介質(zhì)基片，并與上金屬層相連，同軸線的外金屬殼與下金屬層相連。2、如權(quán)利要求1所述的單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線，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(duì)應(yīng)空氣波長(zhǎng)的十分之一，金屬化通孔的直徑和相鄰兩個(gè)金屬化通孔的孔心距的比值大于0.5。全文摘要本發(fā)明涉及一種單點(diǎn)同軸饋電低輪廓背腔圓極化天線。普通背腔圓極化天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、制造成本高。本發(fā)明在介質(zhì)基片的兩面鍍有金屬層，上金屬層蝕刻有用于輻射能量的兩條相互垂直的長(zhǎng)方形縫隙。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(gè)金屬化通孔，形成圓形腔體。在腔體區(qū)域內(nèi)兩條相互垂直的長(zhǎng)條形輻射縫隙的角平分線的合適位置，貫穿下金屬層和介質(zhì)基片接入同軸探針作為饋電結(jié)構(gòu)。與已有金屬腔體構(gòu)成的背腔圓極化天線相比，本發(fā)明的腔體采用普通的PCB工藝制作使得天線輪廓小，制作成本低。文檔編號(hào)H01Q1/38GK101179149SQ20071015682公開日2008年5月14日申請(qǐng)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(guó)清申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)