專(zhuān)利名稱(chēng)：：定向耦合器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)成的定向耦合器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(wú)線通信系統(tǒng)，用于解決Faraday電磁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等造成的極化失配問(wèn)題，同時(shí)還可以起到抑制雨霧干擾和抗多徑反射的作用。技術(shù)背景做為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線被廣泛地應(yīng)用于無(wú)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(lái)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(wú)線通信中解決極化失配的問(wèn)題。同時(shí)由于圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)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(wú)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(kāi)槽天線、波導(dǎo)縫隙開(kāi)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(lái)說(shuō)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(wú)縫集成，導(dǎo)致體積較大。波導(dǎo)縫隙開(kāi)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(wèn)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，但是其加工成本仍然較高，同樣無(wú)法平面集成；螺旋天線主要應(yīng)用于地球站和衛(wèi)星鏈路的空間應(yīng)用當(dāng)中，它具有增益高、軸率低、軸比帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，但它的三維立體螺旋輻射結(jié)構(gòu)決定了其具有體積大無(wú)法平面集成等缺點(diǎn)。綜合目前圓極化天線的研究現(xiàn)狀可知，仍然需要研究采用新工藝新結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本低輪廓的高性能圓極化天線。
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)成的定向耦合器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，輪廓低，可無(wú)縫平面集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，易于加工，成本低。該圓極化天線與傳統(tǒng)的單點(diǎn)饋電背腔圓極化天線相比3dB軸比帶寬顯著增大，而其體積大大減小，制造成本顯著降低。本發(fā)明的定向耦合器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；上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線、微帶形式的分支線定向耦合器和兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線，兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線均采用共地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶分別向外延伸，作為微帶線與分支線定向耦合器的兩輸出端相連，構(gòu)成幅度相等相位相差90度雙點(diǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開(kāi)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正方形，形成正方形的基片集成波導(dǎo)腔體，基片集成波導(dǎo)腔體各邊上的相鄰金屬化通孔的孔間距相同；兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線由基片集成波導(dǎo)腔體相鄰的兩角伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線的中間金屬條帶的中心線分別與基片集成波導(dǎo)腔體的兩條對(duì)角線重合；下金屬層對(duì)應(yīng)基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條寬度相同且垂直相交的長(zhǎng)條形輻射縫隙，兩條輻射縫隙分別與基片集成波導(dǎo)腔體的兩條垂直的邊平行，兩條輻射縫隙的交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合，且均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)。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基片集成波導(dǎo)腔體同一邊上相鄰兩個(gè)金屬化通孔的孔心距的比值大于0.5。本發(fā)明的定向耦合器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(guò)采用具有90度相移的微帶分支線定向耦合器給基片集成波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)饋電而形成的背腔圓極化天線。90度相移微帶分支線定向耦合器作為圓極化天線中的雙饋電結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高背腔圓極化天線的3dB軸比帶寬。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)能夠極大地減小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，制作成本顯著降低，并可與平面電路實(shí)現(xiàn)無(wú)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)金屬腔體的正方形基片集成波導(dǎo)腔體。在雙面金屬層的上金屬層蝕刻用于饋電微帶形式的90度相移3dB分支線定向耦合器，然后轉(zhuǎn)換到共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將電磁波引入正方形基片集成波導(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)蝕刻有垂直相交的兩條長(zhǎng)條形縫隙，可以輻射電磁能量。具體工作原理電磁波通過(guò)具有90度相移的3dB微帶分支線定向耦合器再經(jīng)由共面波導(dǎo)傳輸線給正方形基片集成波導(dǎo)腔體雙點(diǎn)饋電，由于腔體是二維對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)饋電點(diǎn)會(huì)激勵(lì)起對(duì)應(yīng)兩個(gè)相互正交的二階簡(jiǎn)并諧振模式中的一個(gè)。因?yàn)閮蓚€(gè)饋電點(diǎn)饋電的幅度相等而相位相差90度，因此可以將兩個(gè)簡(jiǎn)并模式同時(shí)激發(fā)并在不同的相位時(shí)相互轉(zhuǎn)化。此時(shí)通過(guò)兩條相互垂直縫隙可以將能量輻射出去從而形成的天線。調(diào)節(jié)腔體的尺寸和兩條縫隙的長(zhǎng)度差可以在需要的頻率將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)成的定向耦合器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采用了基于微帶技術(shù)構(gòu)成的90度相移3dB分支線定向耦合器給背腔圓極化天線雙點(diǎn)饋電，極大地提高了這種新型背腔圓極化天線的3dB軸比帶寬，因此也大幅度提高了背腔圓極化天線的實(shí)際使用帶寬。b.這種新型的背腔圓極化天線采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)背腔結(jié)構(gòu)，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(shí)整個(gè)天線包括腔體結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)可以在同一塊單層介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)，不但使得天線的體積大大減小，而且整個(gè)天線可以與系統(tǒng)完全平面無(wú)縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。c.這種新型的背腔圓極化天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要根據(jù)要求分別單獨(dú)設(shè)計(jì)90度相移3dB微帶分支線定向耦合器和共面波導(dǎo)雙饋背腔圓極化天線，然后組合一起進(jìn)行微調(diào)即可。在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要調(diào)節(jié)微帶分支線定向耦合器中耦合枝節(jié)線的長(zhǎng)度和寬度、輻射縫隙的長(zhǎng)度、以及由金屬通孔構(gòu)成的正方形基片集成波導(dǎo)腔體的邊長(zhǎng)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。d.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；圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；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)明一實(shí)施例的軸比和增益的仿真測(cè)試結(jié)果的對(duì)比圖；圖7是本發(fā)明一實(shí)施例在9.87GHz時(shí)輻射方向圖的測(cè)試結(jié)果圖；圖8是本發(fā)明一實(shí)施例在9.93GHz時(shí)輻射方向圖的測(cè)試結(jié)果圖。具體實(shí)施方式如圖l和2所示，定向耦合器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1，介質(zhì)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、微帶形式的分支線定向耦合器3(虛線橢圓框包含部分)和共面波導(dǎo)傳輸線4(虛線方框包含部分)，共面波導(dǎo)傳輸線4是共地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶向外延伸，作為微帶線2與分支線定向耦合器3的兩輸出端相連。50歐姆微帶線的寬度為1.45毫米，的共面波導(dǎo)傳輸線4的兩條空氣間隙的寬度均為0.7毫米，長(zhǎng)度為6.2毫米，微帶分支線定向耦合器3的35.4歐姆耦合枝節(jié)線的長(zhǎng)度和寬度分別為6.8毫米和2.4毫米，兩35.4歐姆耦合枝節(jié)線的距離為6.8毫米。貫穿上金屬層7、介質(zhì)基片1和下金屬層8開(kāi)有直徑為1毫米的通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔5。多個(gè)金屬化通孔5順序排列為邊長(zhǎng)為16.8毫米的正方形，形成正方形的基片集成波導(dǎo)腔體，基片集成波導(dǎo)腔體各邊上的金屬化通孔5的孔間距相同，均為1.5毫米。共面波導(dǎo)傳輸線4伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，其頂端距離腔體的中心6.6毫米，中間金厲條帶的中心線與基片集成波導(dǎo)腔體的對(duì)角線重合。如圖4，F(xiàn)金屬層8對(duì)應(yīng)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11.7毫米和11.5毫米的兩條垂直相交的長(zhǎng)條形輻射縫隙6，輻射縫隙6分別與基片集成波導(dǎo)腔體的兩垂直邊沿平行，輻射縫隙6的交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合，且均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下其中Z^和l,分別為饋電輸入端50歐姆微帶線的長(zhǎng)度和寬度，4.,和4.。分別為分支線定向耦合器直臂輸入端和輸出端50歐姆微帶線的長(zhǎng)度，G為分支線定向耦合器兩條50歐姆微帶線之間的間隔，丄,，,e和R嚇?lè)謩e為分支線定向耦合器35.4歐姆耦合枝節(jié)線的長(zhǎng)度和寬度，i^為從分支線定向耦合器輸出端圓弧過(guò)渡的50歐姆微帶線的長(zhǎng)度，丄,,.為從圓弧過(guò)渡端到共面波導(dǎo)過(guò)渡端之間的50歐姆微帶線的長(zhǎng)度，4,為從50歐姆微帶線相共面波導(dǎo)過(guò)渡的微帶線長(zhǎng)度，"，和g，,分別為共面波導(dǎo)縫隙的長(zhǎng)度和寬度，丄,"丄d和R分別為兩條不等長(zhǎng)輻射縫隙的長(zhǎng)度和寬度，4為正方形基片集成波導(dǎo)腔體的邊長(zhǎng)，A為共面波導(dǎo)傳輸線頂端與腔體中心之間的距離，d為通孔直徑，^為通孔的孔心距，力為基片厚度。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>該共面波導(dǎo)單點(diǎn)饋電背腔圓極化天線的具體制造過(guò)程為ff先選取對(duì)應(yīng)參數(shù)的基片，在基片的上金屬層蝕刻出Hjr饋電的微帶線、微帶分支線定向耦合器和共面波導(dǎo)傳輸線，然后在基片的下金屬層上合適的位置蝕刻兩條用于輻射能量的垂直相交的縫隙，最后在整個(gè)基片上圍繞兩條垂直相交縫隙以均勻的間隔打一系列金屬化通孔，構(gòu)成與兩條縫隙中心重合、邊沿分別與其平行的正方形基片集成波導(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。這種平面雙饋的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基礎(chǔ)上極大地提高了其3dB軸比工作帶寬。選擇合適大小的輻射縫隙和方形基片集成波導(dǎo)腔體的尺寸，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)，可以與系統(tǒng)完全無(wú)縫集成。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9.93GHz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)果均表明該天線在觀測(cè)頻帶內(nèi)3dB軸比帶寬超過(guò)400MHz,在回波損耗-10dB的工作帶寬內(nèi)增益高達(dá)6.2dBi。圖7和圖8的方向圖測(cè)試結(jié)果表面在工作頻段內(nèi)該天線無(wú)論在呈現(xiàn)良好的右旋圓極化輻射特性，增益高，定向性好，交叉極化電平低。權(quán)利要求1.定向耦合器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；上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線、微帶形式的分支線定向耦合器和兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線，兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線均采用共地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶分別向外延伸，作為微帶線與分支線定向耦合器的兩輸出端相連，構(gòu)成幅度相等相位相差90度雙點(diǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開(kāi)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正方形，形成正方形的基片集成波導(dǎo)腔體，基片集成波導(dǎo)腔體各邊上的相鄰金屬化通孔的孔間距相同；兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線由基片集成波導(dǎo)腔體相鄰的兩角伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，兩個(gè)共面波導(dǎo)傳輸線的中間金屬條帶的中心線分別與基片集成波導(dǎo)腔體的兩條對(duì)角線重合；下金屬層對(duì)應(yīng)基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條寬度相同且垂直相交的長(zhǎng)條形輻射縫隙，兩條輻射縫隙分別與基片集成波導(dǎo)腔體的兩條垂直的邊平行，兩條輻射縫隙的交叉點(diǎn)與基片集成波導(dǎo)腔體的中心重合，且均以交叉點(diǎn)作為中心點(diǎn)。2、如權(quán)利要求1所述的定向耦合器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基片集成波導(dǎo)腔體同一邊上相鄰兩個(gè)金屬化通孔的孔心距的比值大于0.5。全文摘要本發(fā)明涉及一種定向耦合器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、無(wú)法平面集成。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、微帶形式的分支線定向耦合器和共地共面波導(dǎo)傳輸線，貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開(kāi)有排列為正方形的多個(gè)金屬化通孔，形成腔體，共面波導(dǎo)傳輸線伸入腔體內(nèi)。下金屬層在對(duì)應(yīng)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條相互垂直的長(zhǎng)條形輻射縫隙。與已有背腔圓極化天線相比，本發(fā)明采用90度相移的3dB定向耦合器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，在保留背腔圓極化天線高增益特性的基礎(chǔ)上，顯著地提高天線的3dB軸比帶寬。整個(gè)結(jié)構(gòu)可用PCB工藝制作，成本低，可與平面電路無(wú)縫集成，提高了集成度。文檔編號(hào)H01Q13/08GK101242027SQ20071015682公開(kāi)日2008年8月13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)