專利名稱：一種共面波導單點饋電背腔圓極化天線的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微波技術領域，涉及一種基于基片集成波導技術構成 的共面波導單點饋電背腔圓極化天線，可作為射頻收發(fā)前端的天線，廣泛應用在移動通信、衛(wèi)星通信、雷達等無線通信系統(tǒng)，用于解決Famday電 磁旋轉效應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。
技術背景做為通信系統(tǒng)的關鍵部件，天線被廣泛地應用于無線通信場合。由于 空間中電波傳播的Faraday旋轉效應，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時的旋 向逆轉特性，圓極化天線應用于移動通信、衛(wèi)星通信領域還起到抑制雨霧 干擾和抗多徑反射的作用。因此設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 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格限制的無線通信應用場合，設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，導致體積較大。波導縫隙開槽圓極化天線適用于陣列天線應用，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，廣泛應用于微波毫米波雷達通信系統(tǒng)中 等。但是基于傳統(tǒng)金屬波導技術的天線體積大，加工工藝復雜，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成，這種天線的增益高，定向性好，但同樣加工復雜成本高，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成腔體結構，同時采用同軸在合適的 位置對其進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；螺旋天線主要應用于地球站和衛(wèi)星鏈路的空間應用當中，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構決定了 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構來實現(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技術構成的低輪廓背 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，結構簡單，易于設計，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。本實用新型的共面波導單點饋電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傳輸線，共面波導傳 輸線是共地共面波導結構，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正方形，形成正方形的基片集成波導 腔體，基片集成波導腔體各邊上的金屬化通孔的孔間距相同。共面波導傳輸線由基片集成波導腔體的一角伸入基片集成波導腔體內(nèi)，金屬條帶的中 心線與基片集成波導腔體的對角線重合；下金屬層對應基片集成波導腔體 的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條寬度相同且垂直相交的長條形輻射縫隙，兩條輻射縫 隙分別與基片集成波導腔體的兩條垂直的邊平行，兩條輻射縫隙的交叉點 與基片集成波導腔體的中心重合，且均以交叉點作為中心點。本實用新型的共面波導單點饋電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技術制造等效于傳統(tǒng)金屬腔的基片集成波導腔體 結構，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械加工不同的是這種新型天線包括饋電網(wǎng)絡可以采用普通的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。在結構 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 結構將電磁波引入正方形的基片集成波導腔體。在雙面金屬層的下金屬層 對應基片集成波導腔體區(qū)域內(nèi)蝕刻有垂直相交的兩條長條形縫隙，可以輻 射電磁能量。具體工作原理電磁波由微帶線饋電，再通過共面波導傳輸線將其引 入到由基片集成波導技術構成的正方形基片集成波導腔體中，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構，因此必然會激勵起 二階的兩個相互正交的簡并模式。此時通過調(diào)節(jié)兩條相互垂直縫隙的長度 可以將兩個相互正交的簡并諧振模式分離，并通過縫隙將能量輻射出去從 而形成的天線。調(diào)節(jié)腔體的尺寸和兩條縫隙的長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技術構成的共面波導單點饋電背腔圓極 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，同時整個天線包括背腔結構和饋電網(wǎng)絡都可以在同 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構簡單，全部結構可在一塊普通的介 質(zhì)基片上實現(xiàn)。在設計過程中只需要調(diào)節(jié)共面波導傳輸線和兩條相互垂直 輻射縫隙的長度，以及由金屬通孔構成的正方形基片集成波導腔體的邊長 就可以得到所需要的性能。結構參數(shù)少，大大縮短了設計并優(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是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的立體結構示意圖；圖3是本實用新型的上金屬層結構示意圖；圖4是本實用新型的下金屬層結構示意圖；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 試結果圖。
具體實施方式
如圖1和2所示，共面波導單點饋電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6和下金屬層7，其中下金屬層7作為地層。如圖3，上金屬層6蝕 刻有用于饋電的微帶線2和共面波導傳輸線3(虛線框包含部分)，共面波 導傳輸線3是共地共面波導結構，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，共面波導傳輸線3的兩條空氣間隙的寬度均為0.7毫米，長度為6.2毫米。貫穿上金屬層 6、介質(zhì)基片1和下金屬層7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順序排列為邊長為16.6毫米的 正方形，形成正方形的基片集成波導腔體，基片集成波導腔體各邊上的金 屬化通孔4的孔間距相同，均為1.5毫米。共面波導傳輸線3伸入基片集 成波導腔體內(nèi)，其頂端距離腔體的中心6.54毫米，中間金屬條帶的中心 線與基片集成波導腔體的對角線重合。如圖4，下金屬層7對應基片集成 波導腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有寬度同為1毫米長度分別為11.72毫米和11.08 毫米的兩條垂直相交的長條形輻射縫隙5，輻射縫隙5分別與基片集成波 導腔體的兩垂直邊沿平行，輻射縫隙5的交叉點與基片集成波導腔體的中 心重合，且均以交叉點作為中心點。該共面波導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方形基片集成波導腔體的尺寸，可 方便地調(diào)節(jié)這種天線的工作頻率。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果。圖5仿真測試結果表明 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 真測試結果均表明該天線在工作頻帶內(nèi)3dB軸比帶寬80MHz，增益高達 6.8dBi。圖7 8的方向圖測試結果表面在工作頻率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，交叉極化電平和后瓣電平低。權利要求1、一種共面波導單點饋電背腔圓極化天線，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傳輸線，共面波導傳輸線是共地共面波導結構，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正方形，形成正方形的基片集成波導腔體，基片集成波導腔體各邊上的金屬化通孔的孔間距相同；共面波導傳輸線由基片集成波導腔體的一角伸入基片集成波導腔體內(nèi)，金屬條帶的中心線與基片集成波導腔體的對角線重合；下金屬層對應基片集成波導腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條寬度相同且垂直相交的長條形輻射縫隙，兩條輻射縫隙分別與基片集成波導腔體的兩條垂直的邊平行，兩條輻射縫隙的交叉點與基片集成波導腔體的中心重合，且均以交叉點作為中心點。
專利摘要本實用新型涉及一種共面波導單點饋電背腔圓極化天線。普通背腔圓極化天線結構復雜、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傳輸線，共面波導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)基片和下金屬層開有排列為正方形的多個金屬化通孔，形成腔體，共面波導傳輸線伸入腔體內(nèi)。下金屬層在對應腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有兩條相互垂直的長條形輻射縫隙。與已有金屬腔體構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)的集成度。
文檔編號H01Q13/10GK201117806SQ20072019163
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權日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