CN101022187A - 单向宽频带毫米波平面缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
一种单向宽频带毫米波平面缝隙天线，属于通信技术领域。本发明中，共面波导馈线和矩形缝隙辐射单元处于同一平面，设置在微波基底的一面上，波束引导缝隙设置在微波基底的另一面，矩形截止缝隙处于微波基底靠矩形缝隙辐射单元一面的下方，分别间隔设置在支撑结构上，波束引导缝隙、矩形辐射缝隙单元以及三层或三层以上矩形截止缝隙是同心且形状几何相似的矩形，从上到下依次逐渐变小。本发明共面波导馈线易于调节尺寸大小和阻抗匹配，且馈线部分与辐射单元共面，加工方便；矩形缝隙辐射单元可达到宽频带要求；通过背面三层或更多层逐渐缩小的同心矩形截止缝隙反射结构以及正面波束引导结构可以实现单向辐射，并可显著提高原有天线增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域的天线，具体是一种基于微机电系统技术的单向宽频带毫米波天线。
背景技术
随着卫星通信的发展和无线电频道的日益拥挤，无线电技术朝越来越短的毫米波、亚毫米波方向发展。毫米波介于微波和光波之间，因而兼有两者的优点，主要特点有：极宽的带宽，通常毫米波频率范围为30GHz～300GHz；分辨率高，毫米波的波长在1～10mm之间，波长比微波要短得多，因而具有更高的分辨率；和激光相比受气候影响小，具有全天候工作特性；与微波相比，毫米波元件的尺寸要小得多，更易小型化、集成化。因此毫米波技术在军事、通信、安全等领域中有着广泛的应用。
现代的雷达系统通常选用天线阵列来提高天线的性能，如目前雷达广泛使用的波导缝隙天线，采用在波导上开一系列缝隙，形成辐射缝隙阵来提高辐射性能。但是此类波导缝隙天线在毫米波段遇到了新的困难。首先，随着频率的提高，对加工精度的要求越来越高，传统的机械加工已经不能满足这种要求了，必须借助于新的高精度的加工技术。而微机电系统微细加工技术正能满足加工精度的要求。它具有精度高、可控性好、可批量制造、与IC工艺相兼容等优点。此外，辐射单元也必需重新设计，以满足毫米波系统小型化、集成化等要求。
贴片天线是符合这一要求的形式之一，它具有体积小、重量轻、低剖面、增益高、便于与有源器件集成等优点。但是传统的微带线馈电的贴片天线也有缺点，如：微带线辐射损耗大、色散大、馈线与辐射元之间隔离度差、衬底厚度对特征阻抗影响较大。另一方面，传统的微带贴片天线频带比较窄，无法适应现代通讯宽频带的要求。而以共面波导(CPW)馈电的薄膜缝隙天线除了继承了传统贴片天线体积小、重量轻、低剖面、增益高、便于与有源器件集成等优点，还具有低损耗和色散小等优点，以及超宽频带的特性，越来越受到研究人员的关注。
经过对现有技术的文献检索发现，由于薄膜缝隙天线由缝隙进行辐射的特点，天线一般为双向辐射。如H.D.Chen在《天线与传播进展》(《IEEE Transactionson Antennas and Propagation》VOL 51，(2003)1982-1986)上发表的“BroadbandCPW-Fed Square Slot Antennas With a Widened Tuning Stub”(“带宽调节支的共面波导馈电宽频带矩形缝隙天线”)，该文中提出采用矩形宽缝作为辐射单元，并附加调节支，实现了60％的频带宽度，但其不足之处在于天线是双向辐射，增益低。对于如雷达通讯等应用，除了需要较宽的频带，还对天线增益有一定要求，并且有时要求单向辐射。按照传统的做法，要获得单向辐射一般可以增加一个反射接地板。但是实践表明仅仅简单的增加一个反射接地板来实现单向辐射，会很大的影响天线的带宽、反射损耗等其它性能。
发明内容
本发明针对毫米波天线中的小型化、高精度，微带馈线贴片天线辐射损耗大、频带窄，薄膜缝隙天线双向辐射、增益低等技术问题，提出了一种基于MEMS微加工技术制造的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，解决了上述的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明天线包括：共面波导馈线、矩形缝隙辐射单元、微波基底、波束引导缝隙、三层或三层以上同心矩形截止缝隙及其支撑结构；共面波导馈线和矩形缝隙辐射单元处于同一平面，制作在微波基底的一面上，波束引导缝隙制作在微波基底的另一面，三层或三层以上同心矩形截止缝隙处于微波基底靠矩形缝隙辐射单元一面的下方，分别相距一定距离制作在支撑结构上。波束引导缝隙、矩形辐射缝隙单元以及三层或三层以上矩形截止缝隙是同心且形状几何相似的矩形，从上到下依次逐渐变小。
本发明采用共面波导馈电，易于调节尺寸大小和阻抗匹配，且馈线部分与辐射单元共面，加工方便；采用矩形缝隙辐射单元，可以实现宽频带目标，的达到80％-100％的阻抗带宽；通过背面三层或三层以上逐渐缩小的同心矩形截止缝隙反射结构以及正面波束引导结构可以使增益从原来的约为3.5dB提高到约为6.8dB，实现单向辐射而不影响其它性能。
上述设计基于MEMS微加工技术制造，可实现小型化、高精度和批量化制造。多个天线单元串联或并联组合可以构成天线阵列，对于其它形状的薄膜缝隙天线亦可采用类似的多层截止缝隙反射结构和波束引导结构实现单向辐射和提高增益。
附图说明
图1是本发明天线结构示意图
图2是天线结构顶视图
图3是辐射单元和引导结构示意图
图4是辐射单元和反射结构示意图
图5是天线单元外观结构示意图
图6是单向宽频带毫米波薄膜缝隙天线的一种变体的俯视图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1是本发明天线结构示意图，其中1是矩形缝隙辐射单元；2是共面波导馈线；9是为共面波导开的上下两个窗口；3是一个比矩形缝隙辐射单元大的矩形波束引导缝隙，7是微波基底，3和7一起组成波束引导结构；4、5、6是三层逐渐缩小的同心矩形截止缝隙，作为反射结构；8是三层矩形截止缝隙4、5、6的支撑结构。
矩形缝隙辐射单元1与共面波导馈线2采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波基底7的一面上。矩形缝隙辐射单元1的矩形缝隙在长、宽尺寸分别等于两个谐振波长的一半(λ/2)，伸入矩形缝隙的共面波导中心线的宽度决定了另一个谐振频率。选取合适的矩形缝隙辐射单元1的长宽尺寸和共面波导中心线宽度、伸入长度可以调节3个谐振峰的位置，使3个谐振峰有部分重叠，可以调节天线中心频率，实现宽频带目标。一种典型的设计是矩形缝隙辐射单元1的长为4mm、宽为3.6mm，共面波导馈线2中心线宽度为0.2mm，伸入长度为1.8mm，可实现约为80％的频带宽度。
在微波基底7的另一面上同样采用掩膜、光刻、电镀的方法制作出比天线辐射单元大的矩形波束引导缝隙3，以及为了不影响共面波导馈线2正常传输性能、避免金属地板屏蔽而在金属地板上开出的窗口9。原本平面缝隙天线辐射方向是在缝隙1的法向方向上，呈两边对称的双向辐射。当矩形缝隙辐射单元1制作在微波基底7上时，微波基底7对电磁波有一定的引向作用，并在微波基底7的另一面制作比矩形缝隙辐射单元1更大的矩形波束引导缝隙3，可以起到波束引导作用，天线更多的向有微波基底7和矩形波束引导缝隙3的一面辐射。根据天线带宽、增益、中心频率等辐射性能要求，微波基底7选取适当的介电常数和厚度。矩形波束引导缝隙3亦可制作更多层，以达到更好的波束引导作用。一种典型的设计是微波基底7的介电常数为2.2、厚度为1mm，矩形波束引导缝隙3的长为4.7mm、宽4.3mm。
在矩形缝隙辐射单元1背面采用甩胶、光刻方法制作出三层矩形截止缝隙4、5、6的支撑结构8，然后在支撑结构8上电镀出三层逐渐缩小的同心矩形截止缝隙4、5、6。支撑结构8可采用具有高深宽比的SU-8胶来制作，亦可通过刻蚀硅片制作。这三层矩形截止缝隙对反向辐射的电磁波起到一定的截止反射作用，和波束引导结构一起使大部分能量都辐射到一个方向上，实现单向辐射，并使辐射增益显著提高。各矩形截止缝隙的尺寸以及相互之间的距离可以采用不同的参数，亦可采用更多或更少的层数，以达到更好的单向辐射性能或更薄的尺寸。典型的设计尺寸是每层矩形截止缝隙的长宽均比上一层矩形截止缝隙小0.5mm，每两层矩形截止缝隙之间的距离为0.5mm，可以使增益从原来的约为3.5dB提高到约为6.8dB。
图6是单向宽频带毫米波平面缝隙天线的一种变体的顶视图。在上述天线其它条件不变的情况下，在辐射单元中共面波导中心线伸入矩形缝隙的部分增加一个小的矩形贴片调节支10，可以更大的展宽频带宽度，达到约为110％的频带宽度，并且同样实现单向辐射与高增益。
图2是天线结构的顶视图，可以看到矩形波束引导缝隙3、矩形缝隙辐射单元1以及三层矩形截止缝隙4、5、6逐渐缩小的尺寸关系；图3是在微波基底7上制作的矩形缝隙辐射单元1、共面波导馈线2和引导结构示意图。图4是辐射单元和反射结构示意图。图5是天线单元外观结构示意图。需要指出的是：图中各部分的尺寸比例并不一定符合本发明的最优化结构尺寸，仅仅表示各部分的相互位置关系。
Claims (7)
1、一种单向宽频带毫米波平面缝隙天线，包括：共面波导馈线、矩形缝隙辐射单元、微波基底、波束引导缝隙、三层或三层以上同心矩形截止缝隙及其支撑结构，其特征在于，共面波导馈线和矩形缝隙辐射单元处于同一平面，设置在微波基底的一面上，波束引导缝隙设置在微波基底的另一面，三层或三层以上同心矩形截止缝隙处于微波基底靠矩形缝隙辐射单元一面的下方，分别间隔设置在支撑结构上，波束引导缝隙、矩形辐射缝隙单元以及三层或三层以上矩形截止缝隙是同心且形状几何相似的矩形，从上到下依次逐渐变小。
2、根据权利要求1所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述矩形缝隙辐射单元，其长为4mm、宽为3.6mm。
3、根据权利要求1所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述共面波导馈线，其中心线宽度为0.2mm，伸入矩形缝隙辐射单元矩形缝隙的长度为1.8mm。
4、根据权利要求1所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微波基底，其介电常数为2.2、厚度为1mm。
5、根据权利要求1所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述波束引导缝隙，其长为4.7mm、宽4.3mm。
6、根据权利要求1所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，每层所述矩形截止缝隙的长宽均比上一层矩形截止缝隙小0.5mm。
7、根据权利要求1或6所述的单向宽频带毫米波平面缝隙天线，其特征是，每两层所述矩形截止缝隙之间的距离为0.5mm。
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