CN101179150A - 基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线。已有的背腔圆极化天线结构复杂、体积大、无法平面集成、成本高。本发明在介质基片的两面镀有金属层，上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共地共面波导传输线，共面波导传输线的中间金属条带向外延伸，作为微带线。贯穿上金属层、介质基片和下金属层开多个金属化通孔，形成圆形腔体，共面波导传输线伸入腔体内。下金属层在对应腔体的区域内蚀刻有两条相互垂直的长条形缝隙。在其中一条缝隙中心线两端贯穿整个介质基片打有两个微扰金属化通孔。与已有金属腔体构成的背腔圆极化天线相比，本发明采用普通的PCB工艺制作，制作成本低，可与微带电路无缝集成，提高了系统的集成度。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于基片集成波导技术构成的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线，可作为射频收发前端的天线，广泛应用在移动通信、卫星通信、雷达等无线通信系统，用于解决Faraday电磁旋转效应等造成的极化失配问题，同时还可以起到抑制雨雾干扰和抗多径反射的作用。
背景技术
做为通信系统的关键部件，天线被广泛地应用于无线通信场合。由于空间中电波传播的Faraday旋转效应，以及移动通信中的接收天线位置的不确定性，如果采用传统的单极化天线做为收发单元，需要收发天线极化匹配对准才能实现较好的接收效果。而圆极化天线辐射出来的等幅旋转场可以分解为幅度相等相位相差90度的两个正交线极化波，普遍应用于无线通信中解决极化失配的问题。同时由于圆极化波入射到对称目标时的旋向逆转特性，圆极化天线应用于移动通信、卫星通信领域还起到抑制雨雾干扰和抗多径反射的作用。因此设计高性能的圆极化天线不但可以避免极化失配而获取良好的接收效果，同时可以极大地缓解后续射频电路的指标压力，显著提高系统的性能、降低系统的成本。特别在卫星通信、射频识别等体积重量具有严格限制的无线通信应用场合，设计具有低轮廓的高性能圆极化天线尤其重要。
圆极化天线的实现方式多种多样，包括微带贴片天线、微带缝隙开槽天线、波导缝隙开槽天线、背腔圆极化天线以及螺旋天线等几种形式。微带形式的圆极化天线具有低轮廓易共形的优点，应用最为广泛。它的馈电方式主要有缝隙耦合馈电和同轴波导馈电两种方式，其中缝隙耦合馈电主要采用多层PCB工艺实现，对于国内的工艺来说价格高昂而且工艺不是很稳定。而同轴馈电方式虽然简单，但它不能和平面电路无缝集成，导致体积较大。波导缝隙开槽圆极化天线适用于阵列天线应用，单个辐射单元体积小，组成阵列体积紧凑，阵列天线具有主瓣宽度窄，方向图可以赋形，交叉极化电平低等优良特性，广泛应用于微波毫米波雷达通信系统中等。但是基于传统金属波导技术的天线体积大，加工工艺复杂，成本高昂，限制了它的广泛使用；背腔圆极化天线一般是由平面基片上实现的馈电、辐射单元和背面附加的金属腔体构成，这种天线的增益高，定向性好，但同样加工复杂成本高，体积大。为了解决这些问题Sievenpiper等人提出在基片上压嵌金属条的方式构成腔体结构，同时采用同轴在合适的位置对其进行馈电从而形成背腔圆极化天线。这种实现方式和以前的背腔圆极化天线相比体积大大减小，但是其加工成本仍然较高，同样无法平面集成；螺旋天线主要应用于地球站和卫星链路的空间应用当中，它具有增益高、轴率低、轴比带宽大等优点，但它的三维立体螺旋辐射结构决定了其具有体积大无法平面集成等缺点。综合目前圆极化天线的研究现状可知，仍然需要研究采用新工艺新结构来实现低成本低轮廓的高性能圆极化天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于基片集成波导技术构成的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线，这种新型圆极化天线辐射性能好，增益高，轮廓低，可无缝平面集成，结构简单，易于设计，易于加工，成本低。该圆极化天线与现有背腔圆极化天线相比体积大大减小，制造成本显著降低。
本发明的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线包括介质基片，介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层，其中下金属层作为地层；上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共面波导传输线，共面波导传输线是共地共面波导结构，其中间金属条带向外延伸，作为微带线；贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有通孔，通孔内壁镀有金属，形成金属化通孔；多个金属化通孔顺序排列为圆形，形成圆形的基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波导腔体的相邻金属化通孔的孔间距相同；共面波导传输线伸入基片集成波导腔体内，基片集成波导腔体的圆心位于共面波导传输线的金属条带的中心线上；下金属层在基片集成波导腔体的区域内蚀刻有两条垂直相交的长条形的辐射缝隙，两条辐射缝隙长度和宽度都相同，其交叉点与基片集成波导腔体的圆心重合，且两条辐射缝隙均以交叉点作为中心点，两条辐射缝隙以共面波导传输线的金属条带的中心线作为角平分线；在一条辐射缝隙中心线两端的延长线上对称设置有两个微扰通孔，微扰通孔内壁镀有金属，形成两个微扰金属化通孔，两个微扰金属化通孔贯穿上金属层、介质基片和下金属层，并设置在基片集成波导腔体区域内。
所述的金属化通孔的直径小于天线工作的中心频率所对应空气波长的十分之一，金属化通孔的直径和相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
本发明的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线是在普通的介质基片上通过采用基片集成波导技术制造等效于传统金属腔的基片集成波导腔体结构，从而极大地减小了背腔圆极化天线的体积。与传统背腔天线需要精密的机械加工不同的是这种新型天线包括馈电网络可以采用普通的PCB工艺制作，制作成本显著降低，并可与微带电路实现无缝集成。在结构上，基片为具有双面金属层的介质基片，在介质基片上以均匀的间隔设有一系列金属化通孔，形成等效于传统金属腔体的圆形基片集成波导腔体。在双面金属层的上金属层蚀刻用于馈电的微带线，然后通过共面波导结构将电磁波引入圆形基片集成波导腔体。在双面金属层的下金属层对应基片集成波导腔体区域内蚀刻有两条垂直相交的长条形辐射缝隙，可以辐射电磁能量。在腔体内部一条辐射缝隙两端的延长线上关于辐射缝隙的交叉点对称位置贯穿整个介质基片开有两个微扰金属化通孔，激发并分离两个正交的简并谐振模式。
具体工作原理：电磁波由微带线馈电，再通过共面波导传输线将其引入到由基片集成波导技术构成的圆形基片集成波导腔体中，从而激励起腔体中多个模式的谐振。由于腔体是二维对称的结构，因此腔体中存在二阶的两个相互正交的简并谐振模式。两个微扰的金属化通孔的存在可以将两个相互正交的简并谐振模式分离，并通过金属表面的缝隙将能量辐射出去从而形成的天线。此时通过调节两个微扰的金属化通孔的直径和位置可以在需要的频率将由相互正交谐振模式辐射出去的电磁波的相位差调整为90度，从而使得辐射出去的电磁波形成圆极化。
有益效果：基于基片集成波导技术构成的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线具有以下优点：
a.这种新型的背腔圆极化天线保留了传统的金属背腔圆极化天线高增益等的优良辐射特性，同时因为整个结构包括背腔结构和馈电网络可以在同一块介质基片上实现，不但使得天线的体积大大的减小，而且整个天线可以与系统完全平面无缝集成，提高了系统的集成度。
b.这种新型的背腔圆极化天线结构简单，全部结构在一块普通的介质基片上实现。在设计过程中只需要调节微扰金属化通孔的半径和位置、辐射缝隙的长度，以及圆形基片集成波导腔体的半径就可以得到所需要的性能。结构参数少，大大缩短了设计并优化的时间。
c.这种新型的背腔圆极化天线制造简单方便，用普通的PCB工艺就可以实现。与传统的需要精密机械加工的背腔天线相比，制造速度快，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明的上金属层结构示意图；
图4是本发明的下金属层结构示意图；
图5是本发明一实施例的回波损耗仿真和测试结果的比较图；
图6是本发明一实施例的轴比和增益的仿真测试结果的对比图；
图7是本发明一实施例在10GHz时X-Y平面内辐射方向图的测试结果图；
图8是本发明一实施例在10GHz时X-Z平面内辐射方向图的测试结果图；
具体实施方式
如图1和2所示，基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线包括厚度为0.5毫米Rogers5880介质基片1，介质基片1的两面镀有金属层，分别是上金属层7和下金属层8，其中下金属层8作为地层。如图3，上金属层7蚀刻有用于馈电的微带线2和共面波导传输线3(虚线方框包含部分)，共面波导传输线3是共地的共面波导结构，其中间金属条带向外延伸，作为微带线2。微带线2的长度和宽度分别为4毫米和1.45毫米，共面波导传输线3的两条空气间隙的宽度均为0.7毫米，长度为4.2毫米。贯穿上金属层7、介质基片1和下金属层8开有直径为1毫米的通孔，通孔内壁镀有金属，形成金属化通孔4。多个金属化通孔4顺序排列为半径为9.2毫米的圆形，形成圆形基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波导腔体的金属化通孔4阵列的孔间距相同，均为1.35毫米。共面波导传输线3伸入基片集成波导腔体内，其顶端距离腔体的中心6.0毫米，中间金属条带的中心线与基片集成波导腔体的一条直径重合。如图4，下金属层在基片集成波导腔体的区域内蚀刻有长度为11.1毫米宽度为1毫米垂直相交的两条相同辐射缝隙，辐射缝隙的交叉点与基片集成波导腔体的圆心重合，且均以交叉点作为中心点，两条辐射缝隙以共面波导传输线的金属条带的中心线作为角平分线。在基片集成波导腔体内部一条辐射缝隙中心线两端的延长线上距其两端2.15毫米的位置，贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有两个相同的半径为0.3毫米的微扰通孔，微扰通孔内壁镀金属，形成两个微扰金属化通孔，并且关于辐射缝隙的交叉点对称分布。具体结构几何参数如下：
其中rc为基片集成波导圆形腔体的半径，Lms和Wms分别为馈电微带线的长度和宽度，Lcpw和gcpw分别为共面波导缝隙的长度和宽度，Ls和Ws分别为辐射缝隙的长度和宽度，dc为共面波导传输线顶端与腔体中心之间的距离，α为馈线轴线与顶端有微扰金属化通孔的辐射缝隙之间的夹角，rp为微扰的金属化通孔半径，Ld为微扰的金属化通孔与其处于同一直线上的辐射缝隙终端的距离，d为构成腔体的通孔直径，dp为构成腔体的通孔的孔心距，h为基片厚度。
| Lms(mm)Lcpw(mm)Ls(mm)rc(mm)rp(mm)d(mm)h(mm) | 4.04.211.19.20.31.00.5 | Wms(mm)gcpw(mm)Ws(mm)dc(mm)Ld(mm)dp(mm)α(deg) | 1.450.71.06.02.151.3545 |
该共面波导单点馈电背腔圆极化天线的具体制造过程为：首先选取对应参数的基片，在基片的上金属层蚀刻出用于馈电的微带线和共面波导传输线，然后在基片的下金属层上合适的位置蚀刻两条用于辐射能量的相互垂直的缝隙，在其中一条缝隙的轴线上离其两端合适的距离打两个尺寸相同的微扰金属化通孔，最后在整个基片上围绕两条相互垂直的缝隙以均匀的间隔打一系列金属化通孔，构成与两条缝隙交叉点重合的圆形基片集成波导腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体内能量向外泄露。这种新型背腔圆极化天线保留了传统金属背腔圆极化天线的高增益的辐射特性。选择合适大小的辐射缝隙和圆形基片集成波导腔体的尺寸，通过调整微扰金属化通孔的半径和位置可方便地调节这种天线的工作频段和带宽。。整个天线完全由普通的PCB工艺实现，可以与系统完全无缝集成。
图5到图8为该圆极化天线性能的测试结果。图5仿真测试结果表明该天线在中心频率为10GHz的工作频带内能够有效地辐射能量。图6仿真测试结果均表明该天线在工作频带内3dB轴比带宽80MHz，增益高达5.9dBi。图7～8的方向图测试结果表面在工作频率10GHz时该天线无论在X-Y平面还是X-Z平面内都呈现良好的左旋圆极化辐射特性，增益高，定向性好，交叉极化电平、后瓣电平低。
Claims (2)
1.基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线，包括介质基片，其特征在于：介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层，其中下金属层作为地层；上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共面波导传输线，共面波导传输线是共地共面波导结构，其中间金属条带向外延伸，作为微带线；贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有通孔，通孔内壁镀有金属，形成金属化通孔；多个金属化通孔顺序排列为圆形，形成圆形的基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波导腔体的相邻金属化通孔的孔间距相同；共面波导传输线伸入基片集成波导腔体内，基片集成波导腔体的圆心位于共面波导传输线的金属条带的中心线上；下金属层在基片集成波导腔体的区域内蚀刻有两条垂直相交的长条形的辐射缝隙，两条辐射缝隙长度和宽度都相同，其交叉点与基片集成波导腔体的圆心重合，且两条辐射缝隙均以交叉点作为中心点，两条辐射缝隙以共面波导传输线的金属条带的中心线作为角平分线；在一条辐射缝隙中心线两端的延长线上对称设置有两个微扰通孔，微扰通孔内壁镀有金属，形成两个微扰金属化通孔，两个微扰金属化通孔贯穿上金属层、介质基片和下金属层，并设置在基片集成波导腔体区域内。
2.如权利要求1所述的基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线，其特征在于所述的金属化通孔的直径小于天线工作的中心频率所对应空气波长的十分之一，金属化通孔的直径和相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
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