專利名稱：一種矩形基片集成波導背腔線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 的矩形基片集成波導背腔線極化天線，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)，特別適合于接收信號 弱，需要高增益天線的應用場合。
技術背景作為通信系統(tǒng)的關鍵部件，天線被廣泛地應用于無線通信場合。天線 性能的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。高性能的天線不但可以顯著提高 系統(tǒng)的性能，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，降低系統(tǒng)的成本。特別在雷達、衛(wèi)星等空間應用場合，對天線 的需求不僅僅是優(yōu)異的輻射性能，而且對體積重量也具有嚴格限制。在這 些場合下設計具有低輪廓易共形的高性能天線尤其重要。傳統(tǒng)線極化天線的實現(xiàn)方式多種多樣，包括振子天線、環(huán)型天線、縫 隙天線、口徑天線和端射天線等等。振子天線、環(huán)型天線等具有制作簡單 易于設計等優(yōu)點，但這種類型天線單個輻射單元的性能較低?？p隙天線包 括微帶天線和波導縫隙天線等，其中微帶形式構成的天線具有低輪廓易共 形的優(yōu)點，應用最為廣泛，但同樣它單個輻射單元的性能也較低。波導縫 隙開槽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，主要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，需要精密的機械加工工藝才能實現(xiàn)給定的性能導致其 成本高昂，限制了它的大范圍使用；口徑天線和端射天線的輻射性能都比 較好，但在實際應用中他們體積都比較大，結構復雜，制造成本高昂。背 腔結構經(jīng)常應用于天線設計當中用以提高天線輻射性能。但傳統(tǒng)的背腔由 光滑的金屬腔體構成，體積大加工成本高。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矩形基片 集成波導背腔線極化天線，這種新型線極化天線輻射性能好，增益高，體 積小，結構簡單，易于設計，易于加工，成本低。該天線與現(xiàn)有背腔線極 化天線相比體積大大減小，制造成本顯著降低。本實用新型的矩形基片集成波導背腔線極化天線包括介質基片，介質 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 輸線伸入基片集成波導腔體內(nèi)，其金屬條帶的中心線與基片集成波導腔體 的中心線重合。下金屬層對應基片集成波導腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有一條長條 形輻射縫隙，輻射縫隙與共面波導傳輸線中間的金屬條帶垂直，且基于金 屬條帶的中心線對稱，輻射縫隙的中心點在遠離饋電端的方向偏移基片集 成波導腔體的中心。本實用新型的矩形基片集成波導背腔線極化天線是在普通的介質基片 上通過采用基片集成波導技術制造等效于傳統(tǒng)閉合金屬腔的腔體結構，從 而極大的減小背腔天線的體積。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 基片，在介質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出 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 有長條形縫隙，可以輻射能量。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。當腔體處于二階諧振模式時，在腔體接近中心位 置蝕刻的長條形縫隙幾乎不影響其場分布。而且該縫隙能夠有效地切割單 一流向的電流，從而能夠將能量輻射出去從而形成天線。此時通過調節(jié)縫 隙的長度、腔體的邊長就可以方便地調節(jié)天線的工作頻率。有益效果基于基片集成波導技術構成的矩形基片集成波導背腔線極 化天線具有以下優(yōu)點a. 這種新型的背腔線極化天線保留了傳統(tǒng)的金屬背腔天線的高增益等 優(yōu)良輻射特性，同時因為整個結構包括饋電網(wǎng)絡和腔體結構都可以在介質 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射頻 收發(fā)前端乃至整個系統(tǒng)完全平面無縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。b. 這種新型的背腔線極化天線結構簡潔，工作原理簡單明了。在設計 過程中只需要調節(jié)輻射縫隙的長度、縫隙中心線與共面波導傳輸線頂端的 距離、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，大大縮短了設計和優(yōu)化的時間。C.這種新型的背腔高增益天線制造簡單方便，整個結構用普通的PCB 工藝就可以實現(xiàn)。與傳統(tǒng)背腔天線需要精密的機械加工相比，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增益的仿真測試結果的對比圖；圖8是本實用新型一實施例在10GHz時輻射方向圖的測試結果圖； 圖9是本實用新型一實施例在10.09GHz時輻射方向圖測試結果圖。
具體實施方式
如圖1和2所示，矩形基片集成波導背腔線極化天線包括厚度為0.5 毫米Rogers5880介質基片1，介質基片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12毫米。貫穿上金屬層6、 介質基片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17.8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)，其金屬條帶的中心線與基片集成波導腔體的中心線重合。如圖 4，下金屬層7對應基片集成波導腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有一條長度和寬度分 別為11.3毫米和1毫米的長條形輻射縫隙5，輻射縫隙5與饋電的共面波 導傳輸線3的中心線垂直相交，且基于中心線在長度方向對稱，輻射縫隙 5的中心與共面波導傳輸線3的頂端距離為1毫米，輻射縫隙5的中心點 位于基片集成波導腔體的中心線上，且在遠離饋電端的方向偏移基片集成 波導腔體的中心l毫米。該矩形基片集成波導背腔線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用于輻射能量的長條形縫 隙，最后在整個基片上圍繞縫隙在合適的位置以均勻的間隔打一系列金屬 化通孔，構成邊沿與縫隙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。這種新型背腔線極化天線保留了傳統(tǒng)金屬背腔天線高增益的輻射特性。選擇合適大小的輻射縫隙和正方形 基片集成波導腔體的邊長，可方便地調節(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)，可與射頻收發(fā)前端乃至整個系統(tǒng)完全無縫 集成。圖5到圖9為該線極化天線性能的測試結果。圖5的仿真和測試結果 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 的仿真和測試結果均表明該天線在工作頻帶內(nèi)具有高達5dBi的增益。圖 7 9的方向圖測試結果表面該天線在工作頻帶內(nèi)無論在E面還是H面具 有良好的定向性，低交叉極化電平等的優(yōu)良輻射特性。
權利要求1、一種矩形基片集成波導背腔線極化天線，包括介質基片，其特征在于介質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；共面波導傳輸線伸入基片集成波導腔體內(nèi)，其金屬條帶的中心線與基片集成波導腔體的中心線重合；下金屬層對應基片集成波導腔體的區(qū)域內(nèi)蝕刻有一條長條形輻射縫隙，輻射縫隙與共面波導傳輸線中間的金屬條帶垂直，且基于金屬條帶的中心線對稱，輻射縫隙的中心點在遠離饋電端的方向偏移基片集成波導腔體的中心。
專利摘要本實用新型涉及一種矩形基片集成波導背腔線極化天線。傳統(tǒng)線極化天線單個輻射單元的性能較低、體積大、結構復雜，制造成本高。本實用新型在介質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面波導傳輸線，共面波導傳輸線是帶地的共面波導結構，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)蝕刻有一條長條形輻射縫隙。本實用新型制作成本顯著降低，并可與微帶電路實現(xiàn)無縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。與傳統(tǒng)背腔天線需要精密的機械加工相比，制造速度快，成本低廉。
文檔編號H01Q13/06GK201117819SQ20072019163
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