專利名稱：基于高階腔體諧振模式的高增益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，涉及一種基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線， 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(dá)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)：
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。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(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(yán)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。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(shè)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(dǎo)縫隙天線等，其中微帶形式構(gòu) 成的天線具有低輪廓易共形的優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛，但同樣它單個輻射單元的性能也較低。 波導(dǎo)縫隙開槽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，需要精密的機械加工工藝 才能實現(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完全由平面電路加工技術(shù)實現(xiàn)的基于高階腔體諧振模 式的高增益集成天線，這種新型天線輻射性能好，增益高，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，易 于加工，成本低，該天線與已有低輪廓背腔線極化天線相比在尺寸僅增大30%的基礎(chǔ)上增 益可提高3dB。根據(jù)本發(fā)明提供的設(shè)計思路，通過利用更高階的腔體諧振模式，可在保持緊 湊的天線尺寸前提下實現(xiàn)更高的天線增益。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；
在腔體內(nèi)部區(qū)域內(nèi)貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的多個電互連單元組構(gòu)成的多個調(diào)諧電互連組，構(gòu)成調(diào)諧電互連組的任意兩個相鄰電互連單元之間的占空比大于1 ； 和在腔體區(qū)域內(nèi)部的上金屬層的開設(shè)的多條相互平行的輻射縫隙。所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，其特征在于所述的介質(zhì)基片為 單層介質(zhì)基片。所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，其特征在于所述的電互連陣列 為具有開口的環(huán)形，饋電單元為由環(huán)型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。所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，其特征在于所述的電互連單元 為金屬化通孔或金屬柱。本發(fā)明基于高階腔體諧振模式的高增益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。與已有低輪廓背腔單縫天線利用在腔體中心附近設(shè)置一條縫隙切 割TE21tl或TE12tl模式的電流回路來產(chǎn)生輻射相比，本發(fā)明利用多條平行縫隙切割高階腔體 模式(如三條平行縫隙對應(yīng)的TE,模式、六條平行縫隙對應(yīng)的TE33tl模式等)的電流回路產(chǎn)生 的輻射定向性增強(如利用TE,模式通過三條平行縫隙形成輻射的天線在尺寸增加約30% 的情況下天線增益提高約3dB)。具體工作原理電磁能量由饋電線引入到由電互連陣列和兩金屬層構(gòu)成的腔體 中，并在腔體內(nèi)激勵起高階腔體諧振模式(如TE,、TE33(I等)。當(dāng)腔體處于高階腔體諧振模 式時，在諧振場相位轉(zhuǎn)換位置和靠近腔體邊壁位置蝕刻的多條平行長方形縫隙幾乎不影響 諧振場分布。這些縫隙能夠有效地切割同相分布的電流，且從這些縫隙輻射出去的能量在 天線輻射的正向能夠同相疊加，從而使得輻射強度在主輻射方向顯著增加。通過調(diào)節(jié)縫隙 的長度、腔體的邊長就可以方便地調(diào)節(jié)天線的工作頻率。本發(fā)明的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線具有以下有益效果
a.這種新型高增益集成天線在保留以往低輪廓背腔天線的高輻射特性的基礎(chǔ)上，利 用腔體在處于高階腔體諧振模式時腔體內(nèi)部諧振場相位轉(zhuǎn)換區(qū)域和在腔體邊壁附近設(shè)置 的多條平行縫隙具有同相電流分布的特點，使得天線輻射的電磁波在主向形成同相疊加， 從而使天線的增益顯著提高。整個結(jié)構(gòu)包括饋電網(wǎng)絡(luò)和腔體都可以在基片上實現(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)集成度。b.這種新型高增益集成天線結(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)縫隙的長度、縫隙所處的位置、以及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.這種新型高增益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為圖1的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖1的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例隨頻率變化的輻射增益圖； 圖5是本發(fā)明實施例在中心頻率12GHz時的輻射方向圖。
具體實施例方式如圖1所示，基于高階腔體諧振模式的高增益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順序排列為具有正方形輪廓線的且正方形邊長為20.0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)域形成正方形的腔體。如圖2，金屬層5有用于饋電的共面波導(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8. 0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從腔體的一條對角線方向伸入腔體內(nèi)，其頂端 距離腔體的中心7. 14毫米。在金屬層5的腔體區(qū)域內(nèi)有三條相同且平行的長度9. 2毫米、 寬度0. 4毫米的長方形輻射縫隙4，其中一條縫隙處在腔體的中心線上，另外兩條縫隙處于 離腔體邊壁1. 4毫米處，三條縫隙4的頂端與離其最近的腔體邊壁的距離均為1. 2毫米。 如圖2和圖3所示，在腔體中心線合適位置貫穿介質(zhì)基片1、金屬層5和金屬層6有三組六 個金屬化通孔構(gòu)成的調(diào)諧電互連組7，這些調(diào)諧電互連組7的孔直徑為0. 6毫米，孔間距為 0. 9毫米，三組調(diào)諧電互連組7與腔體中心的距離相同，均為4. 4毫米。具體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，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， 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；在腔體內(nèi)部區(qū)域內(nèi)貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的多個電互連單元組構(gòu)成的多 個調(diào)諧電互連組，構(gòu)成調(diào)諧電互連組的任意兩個相鄰電互連單元之間的占空比大于1 ；和在腔體區(qū)域內(nèi)部的上金屬層的開設(shè)的多條相互平行的輻射縫隙。
2.如權(quán)利要求1所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，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所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，其特征在于所述的 電互連陣列為具有開口的環(huán)形，饋電單元為由環(huán)型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。
4.如權(quán)利要求1所述的基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線，其特征在于所述的 電互連單元為金屬化通孔或金屬柱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于高階腔體諧振模式的高增益集成天線。傳統(tǒng)天線的背腔由光滑的金屬腔體構(gòu)成，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)；在腔體內(nèi)部區(qū)域內(nèi)貫穿上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的多個電互連單元組構(gòu)成的多個調(diào)諧電互連組；在腔體區(qū)域內(nèi)部的上金屬層的開設(shè)的多條相互平行的輻射縫隙。本發(fā)明極大地減小了背腔天線的體積，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H01Q13/18GK102142617SQ201110024228
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, 羅國清, 董林璽, 黃剛 申請人:杭州電子科技大學(xué)