專利名稱：頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，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(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線被廣泛地應(yīng)用于無線通信場合。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(yīng)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(shè)計具有低輪廓易共形的高性能天線尤其重要。當前已有的低輪廓易共形天線主要采用微帶天線或縫隙天線的形式，這類天線雖 然具有低輪廓易共形易平面集成的優(yōu)點，但它們帶寬較窄且單個輻射單元性能較低。為了 提高這類天線的輻射特性，提供在這類天線單元附加金屬背腔可以顯著提高天線的輻射特 性，但傳統(tǒng)的金屬背腔體積較大、難于加工且加工成本高昂，破壞了微帶天線或縫隙天線的 低輪廓易集成的優(yōu)點。近年來采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)成的新型背腔天線在保留了微帶天 線低輪廓易集成優(yōu)點的基礎(chǔ)上又同時保留了背腔天線的高輻射特性，但受限于工作原理所 能實現(xiàn)的工作帶寬比較窄，限制了該類天線的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，這種新型線極化天線 輻射性能好，增益高，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，易于加工，成本低，該天線與已有的低輪 廓背腔線極化天線相比匹配阻抗帶寬得到極大地展寬。本發(fā)明的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線包括介質(zhì)基片；
涂覆在介質(zhì)基片上表面的上金屬層和涂覆在介質(zhì)基片下表面的下金屬層； 多個貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列； 構(gòu)成電互連陣列的任意兩個相鄰電互連單元之間的占空比大于1 ； 上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體； 伸入腔體內(nèi)的饋電單元和在腔體區(qū)域內(nèi)部的金屬層上的縫隙。所述的介質(zhì)基片為單層介質(zhì)基片。所述的電互連單元為金屬化通孔或金屬柱。所述的電互連陣列為一邊具有開口的矩形；所述的饋電單元為由電互連陣列的開 口處伸入的微帶線、共面條帶線或共面波導(dǎo)傳輸線；所述的縫隙為與電互連陣列具有開口 的一邊平行的直條形縫隙。本發(fā)明的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線是在普通的介質(zhì)基片上通過采用平面 電路加工技術(shù)制造等效于傳統(tǒng)金屬腔的新型腔體結(jié)構(gòu)，從而極大地減小了背腔天線的體積。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包括饋電網(wǎng)絡(luò)可以采用普 通的平面電路工藝制作(如印刷電路板、低溫共燒陶瓷等)，制作成本顯著降低，并可與平面 電路實現(xiàn)無縫集成。與已有低輪廓背腔天線只利用單個二階腔體諧振模式來形成輻射相 比，本發(fā)明的天線通過設(shè)置饋電線伸入腔體中合適的尺寸以及縫隙在腔體中合適的位置， 可以同時激勵起二階腔體諧振模式和一個準一階腔體諧振模式，其中準一階腔體諧振模式 的諧振區(qū)域位于非饋電端方向、由長方形縫隙和腔體寬邊壁圍成的長方形區(qū)域。這兩種腔 體諧振模式都可以產(chǎn)生有效輻射，從而在不增大天線尺寸的基礎(chǔ)上使得低輪廓的背腔集成 天線匹配阻抗帶寬極大展寬。具體長方形腔體中，在腔體中同時激勵起一個二階腔體模式諧振和一個準一階腔 體諧振模式。當腔體處于這兩種諧振模式時，在靠近腔體中心位置附件蝕刻的非諧振的長 方形縫隙幾乎不影響其場分布且可以產(chǎn)生有效的輻射。調(diào)節(jié)長方形縫隙偏移腔體的中心位 置的距離可以方便地調(diào)節(jié)在腔體中激勵起的兩種諧振模式的諧振頻率，并使之相互遠離， 從而有效展寬天線的匹配阻抗帶寬。本發(fā)明的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線具有以下有益效果
a.這種新型背腔集成天線在保留已有低輪廓背腔天線的高輻射特性的基礎(chǔ)上，通過 在腔體中心附近合適的位置設(shè)置的非諧振長方形縫隙并設(shè)置合適的饋電線尺寸，可在腔體 中同時激勵起兩個不同的腔體諧振模式，從而使得天線的匹配阻抗帶寬極大展寬。整個結(jié) 構(gòu)包括饋電網(wǎng)絡(luò)和腔體都可以在介質(zhì)基片上實現(xiàn)，使得天線的體積極大縮減，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.這種新型背腔集成天線結(jié)構(gòu)簡潔，工作原理簡單明了。在設(shè)計過程中只需要調(diào) 節(jié)饋電線伸入腔體中的長度、縫隙在腔體中所處的相對位置和腔體的邊長就可以得到所需 要的性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大大縮短了設(shè)計和優(yōu)化的時間。c.這種新型背腔集成天線制造簡單方便，用普通的平面電路工藝就可以實現(xiàn)。與 傳統(tǒng)的需要精密機械加工的背腔天線相比，制造速度快，成本低廉。


圖1是本發(fā)明一實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖3是圖1的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例的回波損耗曲線圖； 圖5是本發(fā)明實施例在頻率9. 7GHz時的輻射方向圖； 圖6是本發(fā)明實施例在頻率10. 3GHz時的輻射方向圖。
具體實施例方式如圖1所示，頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線包括厚度為0. 5毫米的介質(zhì)基片1， 介質(zhì)基片1的兩面有金屬層，分別是金屬層5和金屬層6。貫穿介質(zhì)基片1、金屬層5和金屬 層6有直徑為1毫米的通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成電互連單元3。多個電互連單元3順 序排列為具有長方形輪廓線的且長方形邊長分別為17. 8毫米和12. 3毫米的電互連陣列， 構(gòu)成電互連陣列的電互連單元孔間距相同，均為1.5毫米。金屬層5、金屬層6和電互連陣列所包含區(qū)域形成長方形腔體。如圖2，金屬層5有用于饋電的帶地共面波導(dǎo)傳輸線2 (虛 線方框包含部分)，共面波導(dǎo)傳輸線2的長度1. 5毫米，空氣間隙的寬度和中間金屬條帶的 寬度分別為0. 7毫米和1. 45毫米，共面波導(dǎo)傳輸線2從長方形腔體寬邊的中心位置垂直伸 入腔體內(nèi)。如圖3，金屬層6對應(yīng)腔體的區(qū)域內(nèi)有一條長度和寬度分別為16. 5毫米和0. 5 毫米的長方形縫隙4，縫隙4的寬邊與長方形腔體的寬邊平行，且兩者在寬邊方向的中心線 重合，縫隙4在窄邊方向的中心線與腔體在饋電端的寬邊壁和非饋電端的寬邊壁距離分別 為6. 3毫米和6. 0毫米。
具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下
Lc(mm)17. 8K(mm)12. 3(mm)16. 5Ifr,(mm)0. 5心(mm)6. 3ds,(mm)6. 0d(mm)1. 0dn(mm)1. 5L CPW(mm)1. 5SCDW(mm)0. 7^CDW(mm)1. 45
其中Lc和Wc分別為長方形腔體的窄邊壁和寬邊壁的邊長，Ls和Ws分別為縫隙的長度 和寬度，和^ 分別為共面波導(dǎo)傳輸線的長度、空氣間隙的寬度和中間金屬條帶的 寬度，<· 和分別為縫隙的中心線與腔體在饋電端寬邊壁和非饋電端寬邊壁的距離，J為 通孔直徑，dp為通孔的孔心距。該頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線的具體制造過程為首先選取對應(yīng)參數(shù)的介質(zhì) 基片，在介質(zhì)基片的金屬層制作用于饋電的帶地共面波導(dǎo)傳輸線和用于輻射能量的一條長 方形縫隙。貫穿基片和兩面金屬層打一系列金屬化通孔，構(gòu)成寬邊壁與長方形縫隙平行的 長方形腔體。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。選擇合適的縫隙位置可方便地調(diào)節(jié)這種 天線的匹配阻抗帶寬。整個天線可完全由普通的平面電路加工工藝實現(xiàn)，可與射頻收發(fā)前 端乃至整個系統(tǒng)完全無縫集成。圖4的回波損耗表明該天線的匹配阻抗帶寬達到630MHz。圖5和圖6的方向圖表 面該天線在工作頻帶內(nèi)無論在E面還是H面具有高增益，低交叉極化電平等的優(yōu)異輻射特 性。雖然為了說明的目的參考附圖已經(jīng)描述了一實施例，但是將會理解的是本發(fā)明并 不限于這一具體的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下可以實施 各種其他的改變和改進。
權(quán)利要求
1.頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于該天線包括介質(zhì)基片；涂覆在介質(zhì)基片上表面的上金屬層和涂覆在介質(zhì)基片下表面的下金屬層；多個貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列； 所述的電互連陣列為一邊具有開口的矩形；上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體；伸入腔體內(nèi)的饋電單元和在腔體區(qū)域內(nèi)部的金屬層上的縫隙。
2.如權(quán)利要求1所述的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的介質(zhì)基片 為單層介質(zhì)基片。
3.如權(quán)利要求1所述的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的電互連單 元為金屬化通孔或金屬柱。
4.如權(quán)利要求1所述的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的饋電單元 為由電互連陣列的開口處伸入的微帶線、共面條帶線或共面波導(dǎo)傳輸線。
5.如權(quán)利要求1所述的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的縫隙為與 電互連陣列具有開口的一邊平行的直條形縫隙。
6.如權(quán)利要求1所述的頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線，其特征在于構(gòu)成電互連陣列 的任意兩個相鄰電互連單元之間的占空比大于1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種頻帶展寬的低輪廓背腔集成天線。傳統(tǒng)天線的金屬背腔體積較大、難于加工且加工成本高昂。本發(fā)明包括介質(zhì)基片、涂覆在介質(zhì)基片上表面的上金屬層和涂覆在介質(zhì)基片下表面的下金屬層。多個貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的電互連單元順序排列構(gòu)成電互連陣列；上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體，饋電單元伸入腔體內(nèi)，在腔體區(qū)域內(nèi)部的金屬層上開有直線型縫隙。本發(fā)明在極大減小背腔天線的體積同時顯著提高了該類型低輪廓天線的工作帶寬，且制作成本顯著降低，并可與平面電路實現(xiàn)無縫集成。
文檔編號H01Q13/18GK102142616SQ20111002422
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者孫玲玲, 李文鈞, 江坤, 羅國清 申請人:杭州電子科技大學