CN101102012A - 多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线 - Google Patents

Abstract

一种属于通信技术领域的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，包括金属圆形缝隙引导层、微波介质层、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、支撑层、金属圆形截止波导反射缝隙层，金属圆形缝隙引导层设置在微波介质层一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、金属圆形截止波导反射缝隙层、支撑层处于微波介质层的另一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元与微波介质层相连，金属圆形截止波导反射缝隙层通过支撑层与共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元相连。本发明易于调节共面波导馈线尺寸和阻抗匹配，加工方便，达到圆极化和宽频带要求，实现单向辐射，并显著提高原有天线增益。

Description

多层三维悬空结构的单向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，具体是一种多层三维悬空结构的单向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，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，增益低，并且未实现圆极化。对于如雷达通讯等应用，除了需要较宽的频带，还对天线增益有一定要求，并且有时要求单向辐射；圆极化天线单元也较线极化单元性能优越。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。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也需重新设计。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种多层三维悬空结构的共面波导馈电单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，使其能够具有小型化、平面化、宽频带的特点，实现了平面缝隙天线圆极化、单向辐射与高增益的技术特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括5层结构，从上到下依次为：金属圆形缝隙引导层、微波介质层、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、支撑层、金属圆形截止波导反射缝隙层，连接关系为：金属圆形缝隙引导层设置在微波介质层的一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、金属圆形截止波导反射缝隙层、支撑层处于微波介质层的另一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元与微波介质层相连，金属圆形截止波导反射缝隙层通过支撑层与共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元相连。金属圆形缝隙引导层、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元以及金属圆形截止波导反射缝隙层是同心的圆形，从上到下依次逐渐变小。

所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元，包括共面波导馈线、圆环形辐射缝隙、微扰短路调节支、中心金属圆形贴片和外围接地板，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均处于同一平面，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。

本发明工作时，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一侧引入一个微扰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，圆环形辐射缝隙单元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单元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单元的右侧，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单元的左边，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。

原本平面缝隙天线辐射方向是在共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元的法向方向上，呈两边对称的双向辐射，当共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元设置在微波介质层上时，微波介质层对电磁波有一定的引向作用，并在微波介质层的另一面设置比共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元更大的金属圆形缝隙引导层，可以起到波束引导作用，天线更多地向有微波介质层和金属圆形缝隙引导层的一面辐射。

金属圆形截止波导反射缝隙层对反向辐射的电磁波起到一定的截止反射作用，和金属圆形缝隙引导层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。

本发明基于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，并且可以通过叠加多层截止波导反射缝隙结构进一步提高增益和单向性；本发明中截止波导反射缝隙结构和波束引导结构可以作为一般性实现方法推广应用到其它形式的双向辐射天线，用于实现单向辐射和提高增益。

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，且馈线部分与辐射单元共面，加工方便；采用圆环形缝隙辐射单元，通过在圆形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，驻波比≤2时的阻抗带宽达到约24％，轴比＜2时的轴比带宽约为30％；通过背面的圆形截止波导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5.2dB提高到约为7.9dB，实现单向辐射而不影响其它性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构俯视图；

图3为本发明共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元结构示意图。

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或图2所示，本实施例包括5层结构，从上到下依次为：金属圆形缝隙引导层1、微波介质层2、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3、支撑层4、金属圆形截止波导反射缝隙层5。连接关系为：金属圆形缝隙引导层1设置在微波介质层2的一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3、金属圆形截止波导反射缝隙层5、支撑层4处于微波介质层2的另一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3与微波介质层2相连，金属圆形截止波导反射缝隙层5通过支撑层4与共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3相连。金属圆形缝隙引导层1、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3以及金属圆形截止波导反射缝隙层5是同心的圆形，从上到下依次逐渐变小。

如图3所示，所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3，包括共面波导馈线6、圆环形辐射缝隙7、微扰短路调节支8、中心金属圆形贴片9和外围接地板10，共面波导馈线6和圆环形辐射缝隙7、微扰短路调节支8、中心金属圆形贴片9和外围接地板10处于同一平面，设置在微波介质层2上。共面波导馈线6在纵向与中心金属圆形贴片9直接相连，微扰短路调节支8处于圆环形辐射缝隙7的水平方向一侧，将中心金属圆形贴片9与外围接地板10短路连接起来。

所述金属圆形缝隙引导层1，其中心设有圆形通孔，通孔半径为3.2mm。

所述微波介质层2，其介电常数为2.2、厚度为0.5mm。

所述支撑层4，采用具有高深宽比的SU-8胶来制作。

所述支撑层4，其厚度为0.5mm。

所述支撑层4，其中心设有圆形通孔，通孔半径为3mm。

所述金属圆形截止波导反射缝隙5，其中心设有圆形通孔，通孔半径为1.2mm。

所述共面波导馈线6，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7，其外径为2.4mm、内径为1.8mm。

所述微扰短路调节支8，其宽度约为1.6mm。

所述微扰短路调节支8，其下边缘位于圆环形辐射缝隙水平中心线下方0.2mm处。

所述中心金属圆形贴片9，其半径为1.8mm。

所述外围接地板10，为正方形，其边长为8mm。

所述金属圆形缝隙引导层1，采用掩膜、光刻、电镀的方法制作在微波介质基底2一面上。

所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3，在其与微波介质层2相连的另一面采用甩胶、光刻方法制作出金属圆形截止波导反射缝隙层5的支撑层4。

所述支撑层4，在其上面利用牺牲层技术电镀出悬空的金属圆形截止波导反射缝隙层5。

在本实施例工作时，在纵向由于共面波导馈线6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7水平方向右侧引入微扰短路调节支8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8边缘的水平切向电场分量为零，圆环形辐射缝隙7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7与微扰短路调节支8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8加在圆环形辐射缝隙7的右侧，即可产生左旋圆极化(LHCP)；若把微扰短路调节支8加在圆环形辐射缝隙7的左边，则可以产生右旋圆极化(RHCP)。

原本平面缝隙天线辐射方向是在共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3的法向方向上，呈两边对称的双向辐射。当共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3设置在微波介质层2上时，微波介质层2对电磁波有一定的引向作用，并在微波介质层2的另一面设置比共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3更大的金属圆形缝隙引导层1，可以起到波束引导作用，天线更多地向有微波介质层2和金属圆形缝隙引导层1的一面辐射。

金属圆形截止波导反射缝隙层5对反向辐射的电磁波起到一定的截止反射作用，和金属圆形缝隙引导层1一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。

本实施例可以实现圆极化和宽频带目标，驻波比≤2时的阻抗带宽达到约24％，轴比＜2时的轴比带宽约为30％，使增益从原来的约为5.2dB提高到约为7.9dB。

如图2所示，可以看到金属圆形缝隙引导层1、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元3，逐渐缩小的尺寸关系。

Claims (10)

1、一种多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，包括5层结构，从上到下依次为：金属圆形缝隙引导层、微波介质层、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、支撑层、金属圆形截止波导反射缝隙层，其特征在于，金属圆形缝隙引导层设置在微波介质层的一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元、金属圆形截止波导反射缝隙层、支撑层处于微波介质层的另一面，共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元与微波介质层相连，金属圆形截止波导反射缝隙层通过支撑层与共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元相连，金属圆形缝隙引导层、共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元以及金属圆形截止波导反射缝隙层是同心的圆形，从上到下依次逐渐变小。

2、根据权利要求1所述的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述共面波导馈电的圆极化缝隙辐射单元，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，处于同一平面，设置在微波介质层上；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。

3、根据权利要求2所述的多层三维悬空结构的单向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的外径为2.4mm，内径为1.8mm。

4、根据权利要求2所述的多层三维悬空结构的单向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，其下边缘位于圆环形缝隙辐射单元水平方向中心线的下方0.2mm处。

5、根据权利要求2所述的多层三维悬空结构的单向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。

6、根据权利要求2所述的多层三维悬空结构的单向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；所述外围接地板，为正方形，其边长为8mm。

7、根据权利要求1所述的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述微波介质层，其介电常数为2.2、厚度为0.5mm。

8、根据权利要求1所述的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述金属圆形缝隙引导层，其中心设有圆形通孔，通孔半径为3.2mm。

9、根据权利要求1所述的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述支撑层，其厚度为0.5mm，其中心设有圆形通孔，通孔半径为3mm。

10、根据权利要求1所述的多层三维悬空结构的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线，其特征是，所述金属圆形截止波导反射缝隙层，其中心设有圆形通孔，通孔半径为1.2mm。

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