專利名稱：寬帶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，涉及一種寬帶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(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等無線通信系統(tǒng)，特別適合于接收信號(hào) 弱，需要寬帶高增益天線的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合。天線性能的好壞 直接決定了整個(gè)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(shí)可以極大地緩解后續(xù)射頻電路的指標(biāo)壓力，降低系統(tǒng)的成本。特別在雷達(dá)、衛(wèi) 星等空間應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)天線的需求不僅僅是優(yōu)異的輻射性能，而且對(duì)體積重量也具有嚴(yán)格 限制。在這些場(chǎng)合下設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但這種類型天 線單個(gè)輻射單元的性能較低。波導(dǎo)縫隙開槽天線適用于陣列天線應(yīng)用，單個(gè)輻射單元體積 小，組成陣列尺寸縮減，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(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，需要精密的機(jī)械加工工藝才能實(shí)現(xiàn)給定的性能導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用中他們體積都比較大，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，制造成本高昂。背腔結(jié)構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)當(dāng)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(gòu)成，體積大加工成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬帶低輪廓背腔集成天線，這種新型天線工作頻帶寬， 增益高，輻射效率好，體積緊湊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)加工，成本低廉。該天線大大突破已有低 輪廓背腔縫隙天線工作帶寬限制，相對(duì)帶寬可達(dá)309Γ50%，極大地拓寬了低輪廓背腔天線的 應(yīng)用場(chǎng)合。本發(fā)明的寬帶低輪廓背腔集成天線包括介質(zhì)基片，涂覆在介質(zhì)基片上表面的環(huán) 型的金屬條帶和完整涂覆在介質(zhì)基片下表面的金屬地層，多個(gè)貫穿金屬條帶、介質(zhì)基片和 金屬地層的電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列，饋電單元和輻射單元。金屬條帶、金屬 地層和電互連陣列圍合成腔體結(jié)構(gòu)。構(gòu)成電互連陣列的任意兩個(gè)相鄰電互連單元之間的占 空比大于1。所述的介質(zhì)基片為單層介質(zhì)基片。所述環(huán)型的金屬條帶為具有開口的環(huán)型結(jié)構(gòu)，或閉合的環(huán)型結(jié)構(gòu)。所述的電互連單元為貫穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層的金屬化通孔或金屬 柱。所述的輻射單元為設(shè)置在環(huán)型的金屬條帶中間空白區(qū)域的介質(zhì)基片的上表面的單極子天線、偶極子天線、折疊偶極子天線或貼片天線。金屬條帶為具有開口的環(huán)型結(jié)構(gòu)下，所述的饋電單元為由環(huán)型金屬條帶開口處伸 入，并與輻射單元相連的微帶線、共面條帶線或共面波導(dǎo)傳輸線；金屬條帶為閉合的環(huán)型結(jié) 構(gòu)下，所述的饋電單元為設(shè)置在環(huán)型金屬條帶中間空白區(qū)域，并穿過金屬地層和介質(zhì)基片， 同時(shí)與輻射單元相連的同軸線。本發(fā)明的寬帶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)金屬腔體的新型低輪廓背腔結(jié)構(gòu)，從而極大地減小背腔天線的體 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和后續(xù)的饋電網(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(shí)現(xiàn)無縫集成。與由相同的輻射單元構(gòu)成的平面天線相比，本發(fā)明通過引入背腔 結(jié)構(gòu)顯著提高了天線的效率和增益，同時(shí)金屬條帶開口邊沿與輻射單元之間相互耦合使得 在金屬條帶覆蓋的腔體區(qū)域產(chǎn)生新的寄生腔體諧振模式，從而極大地展寬了天線的工作帶 覓O具體工作原理饋電線將電磁波引入到后面連接的輻射單元，一部分電磁能量由 輻射單元直接輻射至空間，另一部分能量由輻射單元耦合到旁邊的由金屬條帶覆蓋的腔體 區(qū)域并形成寄生腔體諧振，并最終從金屬條帶的開口邊沿輻射至空間。兩種輻射機(jī)制共同 作用使得天線的工作帶寬極大拓寬，同時(shí)背腔結(jié)構(gòu)顯著提高了天線的輻射效率和增益。通 過調(diào)節(jié)輻射單元和腔體的尺寸就可以方便地調(diào)節(jié)天線的工作頻率。本發(fā)明的寬帶低輪廓背腔集成天線具有以下有益效果
a.這種新型天線在保留傳統(tǒng)平面天線易加工易集成等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，背腔結(jié)構(gòu)的引 入不僅通過抑制表面波效應(yīng)提高了天線的效率和增益，同時(shí)輻射單元將能量耦合到金屬條 帶覆蓋的腔體區(qū)域并產(chǎn)生寄生腔體諧振，從而在金屬條帶的開口邊沿形成新的輻射，兩種 輻射模式的作用使得天線的工作帶寬極大展寬。整個(gè)天線完全在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)，使得天 線的體積極大縮減，整個(gè)天線可以與射頻收發(fā)前端乃至整個(gè)系統(tǒng)完全平面無縫集成，提高 了系統(tǒng)集成度。b.這種新型天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，工作原理簡(jiǎn)單明了。在設(shè)計(jì)過程中只需要調(diào)節(jié)輻射單 元尺寸、腔體尺寸、金屬條帶邊沿與輻射單元之間的間距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)和優(yōu)化的時(shí)間。c.這種新型天線制造簡(jiǎn)單方便，整個(gè)結(jié)構(gòu)用普通平面電路就可以完全實(shí)現(xiàn)。與傳 統(tǒng)背腔天線需要精密機(jī)械加工相比，制造速度快，成本低廉。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的上表面金屬條帶所處平面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1的下表面金屬地層所處平面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是實(shí)施例1回波損耗曲線圖； 圖5是實(shí)施例1在^GHz時(shí)的輻射方向圖； 圖6是實(shí)施例1在35GHz時(shí)的輻射方向圖； 圖7是本發(fā)明另一實(shí)施例的上表面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
如圖1所示，一種寬帶低輪廓背腔集成天線包括厚度為0.5毫米的介質(zhì)基片1-1，介 質(zhì)基片1-1的兩面有金屬層，分別是金屬條帶1-2和金屬地層1-3。貫穿金屬條帶1-2、介 質(zhì)基片1-1和金屬地層1-3有直徑為0.3毫米的通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成電互連單元 1-4。多個(gè)電互連單元1-4順序排列為具有長方形輪廓線的且長方形邊長為10. 0毫米和 6. 12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0. 45毫米。金屬 條帶1-2、金屬地層1-3和電互連陣列所包含區(qū)域形成上表面具有長方形開口的長方形腔 體。如圖2，金屬條帶1-2是在上表面金屬層的中間部位從最左邊往右方向挖去一小長方 形金屬層形成的帶有開口的“H”形金屬條帶；在金屬條帶1-2的開口處中間位置有作為饋 電線的共面條帶線1-5 (長方形虛線框包含部分)從最左邊進(jìn)入腔體，共面條帶線1-5的兩 條金屬線的寬度均為0. 2毫米，中間空氣間隙的寬度為0. 15毫米，長度為4. 93毫米；共面 條帶線1-5的頂端與作為輻射單元的折疊偶極子1-6 (方形虛線框包含部分)連接，折疊偶 極子1-6的長度為3. 1毫米，寬度為0. 3毫米，中間的空氣間隙寬度為0. 15毫米，折疊偶極
子1-6的折疊臂與金屬條帶I -2的
間隙最窄處寬度為0. 16毫米；共面條帶線1-5、折疊偶極子1-6和腔體三者的對(duì)稱面重合。 如圖3，下表面金屬層為完整覆蓋的金屬地層1-3。具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下
Lc (mm)10Wc (mm)6. 12乙咖(麗)4. 93Ldio (nun)3. 1O)0. 2IfdJ0 (mm)0. 3Scbs (mm)0. 15Sdiv (mm)0. 15W1 (mm)0. 25W. (mm)0. 16d (mm)0. 3dB (mm)0. 45
其中Lc和Wc為長方形腔體的長度和寬度，和分別為共面條帶線的長度、金 屬線的寬度和中間空氣間隙的寬度，Ldip, Wdip和分別為折疊偶極子的長度、寬度和中間 空氣間隙的寬度，W1為腔體邊壁與腔體內(nèi)的金屬條帶邊沿在長度方向距離，t為腔體邊壁 與腔體內(nèi)的金屬條帶邊沿在寬度方向距離，i/為構(gòu)成電互連單元的通孔直徑，&為構(gòu)成電互 連陣列的相鄰?fù)卓仔木唷Ｔ搶拵У洼喞城患商炀€的具體制造過程為首先選取對(duì)應(yīng)參數(shù)的介質(zhì)基片， 在覆蓋介質(zhì)基片上表面的金屬層的中間蝕刻出一個(gè)長方形空白區(qū)域，使得上金屬層形成帶 有開口的“η”形環(huán)型金屬條帶。貫穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層在合適的位置以均勻 的間隔打一系列金屬化通孔，構(gòu)成一條邊壁和頂面都具有開口的長方形腔體。在“ η，，形環(huán) 型金屬條帶的長方形空白區(qū)域內(nèi)制作用于饋電的共面條帶線和用于產(chǎn)生輻射的折疊偶極 子，共面條帶線的頂端與折疊偶極子相連。這種新型天線既保留了傳統(tǒng)金屬背腔天線高增 益的輻射特性，又因引入新的寄生腔體諧振模式而極大展寬了平面天線的工作帶寬。選擇 合適的腔體和輻射單元尺寸，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 平面電路加工工藝實(shí)現(xiàn)，可與射頻收發(fā)前端乃至整個(gè)系統(tǒng)完全無縫集成。圖4的增益曲線表明該天線的匹配工作帶寬高達(dá)30%。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面具有良好的定向性，低交叉極化電平等的優(yōu)良輻 射特性。實(shí)施例2
如圖7所示，一種寬帶低輪廓背腔集成天線，包括方形的單層介質(zhì)基片2-1，涂覆在介 質(zhì)基片上表面的閉合圓環(huán)型的金屬條帶2-2和完整涂覆在介質(zhì)基片下表面的金屬地層。貫 穿金屬條帶2-2、介質(zhì)基片2-1和金屬地層有方形的金屬柱，作為電互連單元2-3。多個(gè)電 互連單元2-3順序旋轉(zhuǎn)排列為具有圓形輪廓線的電互連陣列，構(gòu)成電互連陣列的任意兩 個(gè)相鄰電互連單元之間的占空比大于1。金屬條帶2-2、金屬地層和電互連陣列所包含區(qū)域 形成上表面具有圓形開口的圓形腔體。在金屬條帶2-2的中間開口處有作為輻射單元的圓 形貼片2-4，作為饋電單元的同軸線的內(nèi)部探針貫穿金屬地層和介質(zhì)基片后與貼片相連。雖然為了說明的目的參考附圖已經(jīng)描述了兩個(gè)實(shí)施例，但是將會(huì)理解的是本發(fā)明 并不限于這兩個(gè)具體的實(shí)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(shí)施各種其他的改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.寬帶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)基片上表面的環(huán)型的金屬條帶和完整涂覆在介質(zhì)基片下表面的金屬地層，多個(gè)貫穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層的電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列，饋電單元和輻射單元；金屬條帶、金屬地層和電互連陣列圍合成腔體結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶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所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述環(huán)型的金屬條帶為 具有開口的環(huán)型結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述環(huán)型的金屬條帶為 閉合的環(huán)型結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的電互連單元為貫 穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層的金屬化通孔。
6.如權(quán)利要求1所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的電互連單元為貫 穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層的金屬柱。
7.如權(quán)利要求1所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的輻射單元為設(shè)置 在環(huán)型的金屬條帶中間空白區(qū)域的介質(zhì)基片的上表面的單極子天線、偶極子天線、折疊偶 極子天線或貼片天線。
8.如權(quán)利要求3所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的饋電單元為由環(huán) 型金屬條帶開口處伸入，并與輻射單元相連的微帶線、共面條帶線或共面波導(dǎo)傳輸線。
9.如權(quán)利要求4所述的寬帶低輪廓背腔集成天線，其特征在于所述的饋電單元為設(shè)置 在環(huán)型金屬條帶中間空白區(qū)域，并穿過金屬地層和介質(zhì)基片，同時(shí)與輻射單元相連的同軸 線。
10.如權(quán)利要求1所述的寬帶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(gè)相鄰電互連單元之間的占空比大于1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬帶低輪廓背腔集成天線。現(xiàn)有產(chǎn)品體積大、加工成本高。本發(fā)明包括介質(zhì)基片、涂覆在介質(zhì)基片上表面的環(huán)型的金屬條帶和完整涂覆在介質(zhì)基片下表面的金屬地層、多個(gè)電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列、饋電單元和輻射單元。金屬條帶、金屬地層和電互連陣列圍合成腔體結(jié)構(gòu)。構(gòu)成電互連陣列的任意兩個(gè)相鄰電互連單元之間的占空比大于1。電互連單元為貫穿金屬條帶、介質(zhì)基片和金屬地層的金屬化通孔或金屬柱。本發(fā)明的寬帶低輪廓背腔集成天線工作頻帶寬，增益高，輻射效率好，體積緊湊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)加工，成本低廉。
文檔編號(hào)H01Q1/48GK102142607SQ20111002422
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)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, 羅國清, 胡志方, 鄭治昌 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)