專利名稱：一種基于金屬化通孔微擾的低輪廓背腔圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成 的基于金屬化通孔微擾的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)用在移動通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等無線通信系統(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(shù)：
做為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線被廣泛地應(yīng)用于無線通信場合。由于 空間中電波傳播的Famday旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，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(zhǔn)才能實現(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 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(yīng)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(biāo)時的旋 向逆轉(zhuǎn)特性，圓極化天線應(yīng)用于移動通信、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(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 別等體積重量具有嚴(yán)格限制的無線通信應(yīng)用場合，設(shè)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(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，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工藝實現(xiàn)，對于國內(nèi)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(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)，同時采用同軸在合適的 位置對其進(jìn)行饋電從而形成背腔圓極化天線。這種實現(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，但它的三維立體螺旋輻射結(jié)構(gòu)決定了 其具有體積大無法平面集成等缺點。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)來實現(xiàn)低成本低輪廓的高性能圓極化 天線。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的基于金屬 化通孔微擾的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，可無縫平面集成，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，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。本實用新型的基于金屬化通孔微擾的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和共面波導(dǎo)傳輸線， 共面波導(dǎo)傳輸線是共地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶向外延伸，作為微 帶線；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；多個金屬化通孔順序排列為圓形，形成圓形的基片集成波導(dǎo)腔體，構(gòu)成圓形基片集成波導(dǎo)腔體的相鄰金屬化通孔的孔間距相 同；共面波導(dǎo)傳輸線伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，基片集成波導(dǎo)腔體的圓心 位于共面波導(dǎo)傳輸線的金屬條帶的中心線上；下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條形的輻射縫隙，兩條輻射縫隙長度 和寬度都相同，其交叉點與基片集成波導(dǎo)腔體的圓心重合，且兩條輻射縫 隙均以交叉點作為中心點，兩條輻射縫隙以共面波導(dǎo)傳輸線的金屬條帶的中心線作為角平分線；在一條輻射縫隙中心線兩端的延長線上對稱設(shè)置有兩個微擾通孔，微擾通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成兩個微擾金屬化通孔，兩個 微擾金屬化通孔貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層，并設(shè)置在基片集成 波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)。本實用新型的基于金屬化通孔微擾的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)金屬腔的基片集 成波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)，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(jī)械加工不同的是這種新型天線包括饋電網(wǎng)絡(luò)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)金屬腔體的圓形基片集成 波導(dǎo)腔體。在雙面金屬層的上金屬層蝕刻用于饋電的微帶線，然后通過共 面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將電磁波引入圓形基片集成波導(dǎo)腔體。在雙面金屬層的下金屬 層對應(yīng)基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條垂直相交的長條形輻射縫隙， 可以輻射電磁能量。在腔體內(nèi)部一條輻射縫隙兩端的延長線上關(guān)于輻射縫 隙的交叉點對稱位置貫穿整個介質(zhì)基片開有兩個微擾金屬化通孔，激發(fā)并 分離兩個正交的簡并諧振模式。具體工作原理電磁波由微帶線饋電，再通過共面波導(dǎo)傳輸線將其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，從而激勵起腔 體中多個模式的諧振。由于腔體是二維對稱的結(jié)構(gòu)，因此腔體中存在二階 的兩個相互正交的簡并諧振模式。兩個微擾的金屬化通孔的存在可以將兩個相互正交的簡并諧振模式分離，并通過金屬表面的縫隙將能量輻射出去 從而形成的天線。此時通過調(diào)節(jié)兩個微擾的金屬化通孔的直徑和位置可以 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)成的基于金屬化通孔微擾的低輪 廓背腔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，同時因為整個結(jié)構(gòu)包括背腔結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)可以在 同一塊介質(zhì)基片上實現(xiàn)，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(jié)構(gòu)簡單，全部結(jié)構(gòu)在一塊普通的介質(zhì) 基片上實現(xiàn)。在設(shè)計過程中只需要調(diào)節(jié)微擾金屬化通孔的半徑和位置、輻 射縫隙的長度，以及圓形基片集成波導(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(xiàn)，制造速度快，成本低廉。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實用新型一實施例的回波損耗仿真和測試結(jié)果的比較圖； 圖6是本實用新型一實施例的軸比和增益的仿真測試結(jié)果的對比圖； 圖7是本實用新型一實施例在10GHz時X-Y平面內(nèi)輻射方向圖的測 試結(jié)果圖；圖8是本實用新型一實施例在10GHz時X-Z平面內(nèi)輻射方向圖的測 試結(jié)果圖。
具體實施方式
如圖l和2所示，基于金屬化通孔微擾的低輪廓背腔圓極化天線包括 厚度為0.5毫米Rogers5880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和共面波導(dǎo)傳輸線3(虛線方框包含部 分)，共面波導(dǎo)傳輸線3是共地的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶向外延 伸，作為微帶線2。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(dǎo)傳輸線3的兩條空氣間隙的寬度均為0.7毫米，長度為4.2毫米。 貫穿上金屬層7、介質(zhì)基片1和下金屬層8開有直徑為1毫米的通孔，通 孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成金屬化通孔4。多個金屬化通孔4順序排列為半徑 為9.2毫米的圓形，形成圓形基片集成波導(dǎo)腔體，構(gòu)成圓形基片集成波導(dǎo) 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(dǎo)傳輸 線3伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，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(dǎo)腔體的一條直徑重合。如圖4，下金屬層 在基片集成波導(dǎo)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有長度為11.1毫米寬度為1毫米垂直 相交的兩條相同輻射縫隙5，輻射縫隙5的交叉點與基片集成波導(dǎo)腔體的 圓心重合，且均以交叉點作為中心點，兩條輻射縫隙5以共面波導(dǎo)傳輸線 的金屬條帶的中心線作為角平分線。在基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)部一條輻射縫 隙中心線兩端的延長線上距其兩端2.15毫米的位置，貫穿上金屬層、介 質(zhì)基片和下金屬層開有兩個相同的半徑為0.3毫米的微擾通孔，微擾通孔 內(nèi)壁鍍金屬，形成兩個微擾金屬化通孔6，并且關(guān)于輻射縫隙的交叉點對 稱分布。該共面波導(dǎo)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(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相互 垂直的縫隙，在其中一條縫隙的軸線上離其兩端合適的距離打兩個尺寸相 同的微擾金屬化通孔，最后在整個基片上圍繞兩條相互垂直的縫隙以均勻 的間隔打一系列金屬化通孔，構(gòu)成與兩條縫隙交叉點重合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(dǎo)腔體的尺寸，通過調(diào)整微擾 金屬化通孔的半徑和位置可方便地調(diào)節(jié)這種天線的工作頻段和帶寬。。整 個天線完全由普通的PCB工藝實現(xiàn)，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(jié)果。圖5仿真測試結(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) 5.9dBi。圖7 8的方向圖測試結(jié)果表面在工作頻率lOGHz時該天線無論 在X-Y平面還是X-Z平面內(nèi)都呈現(xiàn)良好的左旋圓極化輻射特性，增益 高，定向性好，交叉極化電平、后瓣電平低。
權(quán)利要求1、一種基于金屬化通孔微擾的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；上金屬層蝕刻有用于饋電的微帶線和共面波導(dǎo)傳輸線，共面波導(dǎo)傳輸線是共地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中間金屬條帶向外延伸，作為微帶線；貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層開有金屬化通孔，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(dǎo)腔體，構(gòu)成圓形基片集成波導(dǎo)腔體的相鄰金屬化通孔的孔間距相同；共面波導(dǎo)傳輸線伸入基片集成波導(dǎo)腔體內(nèi)，基片集成波導(dǎo)腔體的圓心位于共面波導(dǎo)傳輸線的金屬條帶的中心線上；下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條形的輻射縫隙，兩條輻射縫隙長度和寬度都相同，其交叉點與基片集成波導(dǎo)腔體的圓心重合，且兩條輻射縫隙均以交叉點作為中心點，兩條輻射縫隙以共面波導(dǎo)傳輸線的金屬條帶的中心線作為角平分線；在一條輻射縫隙中心線兩端的延長線上對稱設(shè)置有兩個微擾通孔，微擾通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成兩個微擾金屬化通孔，兩個微擾金屬化通孔貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層，并設(shè)置在基片集成波導(dǎo)腔體區(qū)域內(nèi)。
專利摘要本實用新型涉及一種基于金屬化通孔微擾的低輪廓背腔圓極化天線。已有的背腔圓極化天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、無法平面集成、成本高。本實用新型在介質(zhì)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(dǎo)傳輸線，共面波導(dǎo)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(zhì)基片和下金屬層開多個金屬化通孔，形成圓形腔體，共面波導(dǎo)傳輸線伸入腔體內(nèi)。下金屬層在對應(yīng)腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條相互垂直的長條形縫隙。在其中一條縫隙中心線兩端貫穿整個介質(zhì)基片打有兩個微擾金屬化通孔。與已有金屬腔體構(gòu)成的背腔圓極化天線相比，本實用新型制作成本低，可與微帶電路無縫集成，提高了系統(tǒng)集成度。
文檔編號H01Q1/38GK201130711SQ20072019163
公開日2008年10月8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)