CN101102011A - 共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线 - Google Patents

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陈伟强
宿智娟
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Abstract

一种应用于通信技术领域的共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，包括共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片、外围接地板和微波介质基底，共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板处于同一平面，制作在微波介质基底上。共面波导馈线在圆环形辐射缝隙的下方，共面波导馈线在纵向与中心金属圆形贴片直接相连，微扰短路调节支处于圆环形辐射缝隙的水平方向右侧，将中心金属圆形贴片与外围接地板短路连接起来。本发明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，并可以达到圆极化和宽频带要求。

Description

共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域的天线，具体是一种共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线。
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。毫米波具有极宽的带宽，分辨率高、全天候工作的特点，毫米波元件的尺寸小，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。但是传统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。
贴片天线是符合毫米波要求的形式之一，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)馈电的平面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，H.D.Chen在《天线与传播进展》(《IEEETransactions on Antennas and Propagation》VOL 51，2003，第1982页-1986页)上发表的“Broadband CPW-Fed Square Slot Antennas With a Widened TuningStub”(“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未实现圆极化。对于如雷达通讯等应用，除了需要较宽的频带，圆极化天线单元也较线极化单元性能优越。一般的用于微带天线实现圆极化的双馈法或微扰法对于缝隙天线往往并不有效，需重新设计。由于平面缝隙天线由缝隙进行辐射的特点，天线一般较难实现宽带圆极化。
发明内容
本发明针对上述现有技术问题，提出了一种共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，使其具有小型化、平面化、宽频带的特点，解决了平面缝隙天线不易实现圆极化的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片、外围接地板和微波介质基底。共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板处于同一平面，设置在微波介质基底上，共面波导馈线在纵向与中心金属圆形贴片直接相连，微扰短路调节支处于圆环形辐射缝隙的水平方向一侧，将中心金属圆形贴片与外围接地板短路连接起来。
所述共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波介质基底上。
本发明在工作时，在纵向由于共面波导馈线的存在，纵向电场不对称，沿纵向产生纵向极化；在圆环形辐射缝隙水平方向右侧引入一个金属短路调节支对水平方向电场进行微扰，由于边界条件要求，微扰短路调节支边缘的水平切向电场分量为零，圆环形辐射缝隙沿水平方向由于电场不对称产生另一个与纵向极化正交的极化。调节圆环形辐射缝隙与微扰短路调节支的尺寸和位置可以使两个正交极化的谐振频率略有错开，并且一个模式相位超前，另一个模式相位滞后，若使两个正交的模式幅度相等、相位刚好相差90°，则可以产生圆极化。如微扰短路调节支加在圆环形辐射缝隙的右侧，即可产生左旋圆极化(LHCP)；若把微扰短路调节支加在圆环形辐射缝隙的左侧，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。
本发明是基于MEMS微加工技术制造，可实现小型化、高精度和批量化制造，多个本发明天线单元串联或并联组合可以构成天线阵列。在现有的对称平面缝隙天线中引入不对称的金属微扰短路调节支，可以作为一般性实现方法推广应用到其它形式的平面辐射天线，用于实现圆极化。
与现有技术相比，本发明采用共面波导馈电，易于调节尺寸大小和阻抗匹配，且共面波导馈线与圆环形辐射缝隙共面，加工方便；采用圆环形缝隙辐射，通过在圆环形辐射缝隙中引入不对称的金属微扰短路调节支，可以实现圆极化，并且具有宽频带的特点，当驻波比≤2时，阻抗带宽达到约24％，轴比＜2时的轴比带宽约为30％。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图
图2为本发明天线结构俯视图
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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2所示，本实施例包括：共面波导馈线1、圆环形辐射缝隙2、微扰短路调节支3、中心金属圆形贴片4、外围接地板5和微波介质基底6。共面波导馈线1、圆环形辐射缝隙2、微扰短路调节支3、中心金属圆形贴片4和外围接地板5处于同一平面，设置在微波介质基底6上。共面波导馈线1在纵向与中心金属圆形贴片4直接相连，微扰短路调节支3处于圆环形辐射缝隙2的水平方向一侧与中心金属圆形贴片4直接相连，微扰短路调节支3处于圆环形辐射缝隙2的水平方向右侧，将中心金属圆形贴片5与外围接地板6短路连接起来。
所述共面波导馈线1，其中心线宽度为0.2mm，缝隙宽度为0.1mm。
所述圆环形辐射缝隙2，其外径为2.4mm，内径为1.8mm。
所述微扰短路调节支3，其宽度为1.6mm。
所述微扰短路调节支3，其下边缘位于圆环形辐射缝隙2水平中心线下方0.2mm处。
所述中心金属圆形贴片4，其半径为1.8mm。
所述外围接地板5，为正方形，其边长为8mm。
所述微波介质基底6，其介电常数为2.2。
所述微波介质基底6，其厚度为0.5mm。
所述共面波导馈线1、圆环形辐射缝隙2、微扰短路调节支3、中心金属圆形贴片4、外围接地板5采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波介质基底6上。
在本实施例工作时，在纵向由于共面波导馈线1的存在，纵向电场不对称，沿纵向产生纵向极化；在圆环形辐射缝隙2水平方向一侧引入微扰短路调节支3对水平方向电场进行微扰，由于边界条件要求，微扰短路调节支3边缘的水平切向电场分量为零，圆环形辐射缝隙2沿水平方向由于电场不对称产生另一个与纵向极化正交的极化。调节圆环形辐射缝隙2与微扰短路调节支3的尺寸和位置可以使两个正交极化的谐振频率略有错开，并且一个模式相位超前，另一个模式相位滞后，若使两个正交的模式幅度相等、相位刚好相差90°，则可以产生圆极化。如微扰短路调节支3加在圆环形辐射缝隙2的右侧，即可产生左旋圆极化(LHCP)；若把微扰短路调节支3加在圆环形辐射缝隙2的左边，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。从而可以实现圆极化和宽频带目标，当驻波比≤2时，阻抗带宽达到约24％，轴比＜2时的轴比带宽约为30％。
图2是天线结构的俯视图，可以看到共面波导馈线1、圆环形辐射缝隙2与微扰短路调节支3、中心金属圆形贴片4和外围接地板5的相对位置。

Claims (10)

1.一种共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，包括：共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片、外围接地板和微波介质基底，其特征在于，共面波导馈线和圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板处于同一平面，并设置在微波介质基底上，共面波导馈线在纵向与中心金属圆形贴片直接相连，微扰短路调节支处于圆环形辐射缝隙的水平方向一侧，中心金属圆形贴片与外围接地板通过微扰短路调节支短路连接起来。
2.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化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，缝隙宽度为0.1mm。
3.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述圆环形辐射缝隙，其外径为2.4mm。
4.如权利要求1或3所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述圆环形辐射缝隙，其内径为1.8mm。
5.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微扰短路调节支，其宽度为1.6mm。
6.如权利要求1或5所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微扰短路调节支，其下边缘位于圆环形辐射缝隙水平中心线下方0.2mm处。
7.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述中心金属圆形贴片，其半径为1.8mm。
8.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述外围接地板，为正方形，其边长为8mm。
9.如权利要求1所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微波介质基底，其介电常数为2.2。
10.如权利要求1或9所述共面波导馈电宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微波介质基底，其厚度为0.5mm。
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