CN101183743A - 单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线。普通双频天线单个辐射单元的性能较低，已有双频背腔天线体积大、结构复杂，制造成本高。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有排列为长方形的多个金属化通孔，形成腔体，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辐射缝隙。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。与已有背腔双频天线需要精密的机械加工相比，制造速度快，成本低廉。

Description

单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线
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单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，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，特别适合需要高增益和多频段工作的应用场合。
背景技术
随着通信技术的快速发展，对天线的要求也越来越高，不光是需要天线具有高性能的辐射功能，而且需要其具有低轮廓轻重量低成本可集成易共形等特性。而现阶段越来越多的场合需要天线具有多频段工作特性，比如在综合孔径雷达、个人通信系统和全球定位系统等等。因此设计具有体积紧凑质轻且制作成本低廉，同时能够平面集成的高增益多频段天线具有非常重要的意义，它不但可以获取良好的接收效果，同时可以缓解后续射频电路的指标压力，在提高系统的性能的同时降低系统的成本。
目前多频段天线主要分为两大类，一类是基于多谐振单元天线，这类天线结构中包含有多个独立的谐振器单元，在不同的工作频段由不同的谐振器单元产生谐振，再通过辐射单元辐射出去从而形成天线。最典型的应用包括不同贴片形状的多层贴片天线，这种类型的天线一般体积较大制造成本高。另一类是电抗性加载天线，这类天线只有一个辐射单元，通过其本身内在的多模谐振或者通过微扰结构产生的多模谐振，再通过辐射单元辐射出去形成天线。电抗性加载一大类有在微带天线的辐射边沿连接同轴线、微带支节线，或在贴片的轴线上加载短路针。另一大类是在贴片上进行缝隙加载。综合目前多频段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多频段天线。
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单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，这种新型背腔双频线极化天线辐射性能好，增益高，体积小易共形，能够和平面电路无缝集成，而且结构简单，易于设计加工，制造成本低，综合了现有双频天线和背腔天线的优点。
本发明的单馈低轮廓背腔双频双线性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长方形，形成长方形的基片集成波导腔体，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔的孔间距相同。共面波导传输线由基片集成波导腔体的一角伸入基片集成波导腔体内，其金属条带的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合；下金属层对应基片集成波导腔体的区域内蚀刻有两条宽度相同且垂直相交的长条形辐射缝隙，其中较长的辐射缝隙与基片集成波导腔体的短边平行，较短的辐射缝隙与基片集成波导腔体的长边平行；两条辐射缝隙的交叉点与基片集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。
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基片集成波导腔体同一边上相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
本发明的单馈低轮廓背腔双频双线性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的闭合金属腔的腔体结构，激发其不同模式的谐振，通过不同长度的缝隙将谐振能量向空间辐射，形成背腔双频线极化天线。它与普通的电抗加载双频天线相比由于引入了腔体结构，所以辐射特性好，增益高。而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长方形基片集成波导腔体。在双面金属层的上金属层蚀刻出用于馈电的微带线，然后通过共面波导结构将电磁波引入长方形的基片集成波导腔体。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垂直相交的两条长条形缝隙，可以辐射不同频率的电磁能量。
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长方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。其中谐振在不同频率的二阶模和三阶模的电流分布在腔体的两条对称轴线位置处于最大而且流向唯一。在腔体两条对称轴线位置金属层上蚀刻的相互正交的两条长条形缝隙最大程度地切割电流线，从而将两个不同谐振频率的电磁波能量最大程度地向空间辐射形成天线。
有益效果：基于基片集成波导技术构成的单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线具有以下优点：
a.这种新型的背腔双频线极化天线保留了传统的金属背腔天线高增益的优良辐射特性，同时又保留了传统电抗性加载双频天线的低轮廓特性。整个天线包括馈电结构和腔体结构都可以在介质基片上实现，天线的体积极为紧凑，整个天线可以与平面电路完全无缝集成，提高了系统的集成度。
b.这种新型的背腔双频线极化天线结构简洁，工作原理简单明了。在设计过程中只需要调节共面波导传输线的长度，辐射缝隙的长度，以及由金属通孔构成的长方形基片集成波导腔体的长度和宽度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.这种新型的背腔双频线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增益的仿真测试结果的对比图；
图7是本发明一实施例在9.5GHz时辐射方向图的测试结果图；
图8是本发明一实施例在10.5GHz时辐射方向图的测试结果图；
具体实施方式
如图1和2所示，单馈低轮廓背腔双频双线性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6和下金属层7，其中下金属层7作为地层。如图3，上金属层6蚀刻有用于馈电的微带线2和共面波导传输线3(虚线框包含部分)，共面波导传输线3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7.5毫米。贯穿上金属层6、介质基片1和下金属层7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顺序排列为边长为17.9毫米和16.1毫米的长方形，形成长方形的基片集成波导腔体，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔4的孔间距相同，均为1.5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5.54毫米，中间金属条带的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合。如图4，下金属层7对应基片集成波导腔体的区域内蚀刻有宽度同为1毫米长度分别为12.5毫米和10.5毫米的两条垂直相交的长条形辐射缝隙5，其中12.5毫米的辐射缝隙5与基片集成波导腔体的16.1毫米的边平行，10.5毫米的辐射缝隙5与基片集成波导腔体的17.9毫米的边平行。辐射缝隙5的交叉点与基片集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。
具体结构几何参数如下：
其中Lc和Wc分别为长方形基片集成波导腔体的长度和宽度，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，Ls1、Ls2和Ws分别为两条不等长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，d为通孔直径，dp为通孔的孔心距，h为基片厚度。
Lc(mm)Lms(mm)Lcpw(mm)Ls1(mm)Ws(mm)d(mm)h(mm)  17.94.07.512.51.01.00.5   Wc(mm)Wms(mm)gcpw(mm)Ls2(mm)dc(mm)dp(mm)   16.11.450.710.55.541.5
该单馈低轮廓背腔双频双线性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垂直相交的缝隙，最后在整个基片上围绕两条垂直相交缝隙以均匀的间隔打一系列金属化通孔，构成与两条缝隙中心重合、边沿分别与其平行的长方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。这种新型背腔双频线极化天线保留了传统金属背腔天线的高增益辐射特性，同时又保留了传统电抗性加载双频天线的低轮廓特性。选择合适大小的辐射缝隙和长方形基片集成波导腔体的尺寸，可方便地调节这种天线的工作频率。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为该线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9.5GHz和10GHz的两个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两个工作频带内具有高达5.5dBi的增益。图7～8的方向图测试结果表面该天线在两个工作频带内无论在E面还是H面具有良好的定向性，低交叉极化电平等的优良辐射特性。

Claims (2)

1.单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，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长方形，形成长方形的基片集成波导腔体，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔的孔间距相同；共面波导传输线由基片集成波导腔体的一角伸入基片集成波导腔体内，其金属条带的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合；下金属层对应基片集成波导腔体的区域内蚀刻有两条宽度相同且垂直相交的长条形辐射缝隙，其中较长的辐射缝隙与基片集成波导腔体的短边平行，较短的辐射缝隙与基片集成波导腔体的长边平行；两条辐射缝隙的交叉点与基片集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。
2.如权利要求1所述的单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，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基片集成波导腔体同一边上相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于0.5。
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