CN102142617A

CN102142617A - 基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线

Info

Publication number: CN102142617A
Application number: CN2011100242280A
Authority: CN
Inventors: 罗国清; 董林玺; 黄刚; 孙玲玲
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明涉及一种基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线。传统天线的背腔由光滑的金属腔体构成，体积大加工成本高。本发明包括介质基片、涂覆在介质基片上表面的上金属层和涂覆在介质基片下表面的下金属层。多个贯穿上金属层、介质基片和下金属层的电互连单元顺序排列构成电互连阵列；上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成腔体，馈电单元伸入腔体内；在腔体内部区域内贯穿上金属层、介质基片和下金属层的多个电互连单元组构成的多个调谐电互连组；在腔体区域内部的上金属层的开设的多条相互平行的辐射缝隙。本发明极大地减小了背腔天线的体积，制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。

Description

基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，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，特别适合于接收信号弱，需要高增益天线的应用场合。

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。天线性能的好坏直接决定了整个系统的性能。高性能的天线不但可以显著提高系统的性能，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，降低系统的成本。特别在雷达、卫星等空间应用场合，对天线的需求不仅仅是优异的辐射性能，而且对体积重量也具有严格限制。在这些场合下设计具有低轮廓易共形的高性能天线尤其重要。

传统线极化天线的实现方式多种多样，包括振子天线、环型天线、缝隙天线、口径天线和端射天线等等。振子天线、环型天线等具有制作简单易于设计等优点，但这种类型天线单个辐射单元的性能较低。缝隙天线包括微带天线和波导缝隙天线等，其中微带形式构成的天线具有低轮廓易共形的优点，应用最为广泛，但同样它单个辐射单元的性能也较低。波导缝隙开槽天线适用于阵列天线应用，单个辐射单元体积小，组成阵列尺寸缩减，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，主要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，需要精密的机械加工工艺才能实现给定的性能导致其成本高昂，限制了它的大范围使用；口径天线和端射天线的辐射性能都比较好，但在实际应用中他们体积都比较大，结构复杂，制造成本高昂。背腔结构经常应用于天线设计当中用以提高天线辐射性能。但传统的背腔由光滑的金属腔体构成，体积大加工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种完全由平面电路加工技术实现的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，这种新型天线辐射性能好，增益高，体积小，结构简单，易于设计，易于加工，成本低，该天线与已有低轮廓背腔线极化天线相比在尺寸仅增大30%的基础上增益可提高3dB。根据本发明提供的设计思路，通过利用更高阶的腔体谐振模式，可在保持紧凑的天线尺寸前提下实现更高的天线增益。

本发明包括：介质基片；

涂覆在介质基片上表面的上金属层和涂覆在介质基片下表面的下金属层；

多个贯穿上金属层、介质基片和下金属层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列，构成电互连阵列的任意两个相邻电互连单元之间的占空比大于1；

上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成腔体；

伸入腔体内的馈电单元；

在腔体内部区域内贯穿上金属层、介质基片和下金属层的多个电互连单元组构成的多个调谐电互连组，构成调谐电互连组的任意两个相邻电互连单元之间的占空比大于1；

和在腔体区域内部的上金属层的开设的多条相互平行的辐射缝隙。

所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的介质基片为单层介质基片。

所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的电互连阵列为具有开口的环形，馈电单元为由环型电互连阵列的开口处伸入的微带线、共面条带线或共面波导传输线。

所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。

本发明基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线是在普通的介质基片上通过采用平面电路加工技术制造等效于传统金属腔的新型腔体结构，从而极大地减小了背腔天线的体积。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平面电路工艺制作（如印刷电路板、低温共烧陶瓷等），制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。与已有低轮廓背腔单缝天线利用在腔体中心附近设置一条缝隙切割TE₂₁₀或TE₁₂₀模式的电流回路来产生辐射相比，本发明利用多条平行缝隙切割高阶腔体模式（如三条平行缝隙对应的TE₂₂₀模式、六条平行缝隙对应的TE₃₃₀模式等）的电流回路产生的辐射定向性增强（如利用TE₂₂₀模式通过三条平行缝隙形成辐射的天线在尺寸增加约30%的情况下天线增益提高约3dB）。

具体工作原理：电磁能量由馈电线引入到由电互连阵列和两金属层构成的腔体中，并在腔体内激励起高阶腔体谐振模式（如：TE₂₂₀ 、TE₃₃₀等）。当腔体处于高阶腔体谐振模式时，在谐振场相位转换位置和靠近腔体边壁位置蚀刻的多条平行长方形缝隙几乎不影响谐振场分布。这些缝隙能够有效地切割同相分布的电流，且从这些缝隙辐射出去的能量在天线辐射的正向能够同相叠加，从而使得辐射强度在主辐射方向显著增加。通过调节缝隙的长度、腔体的边长就可以方便地调节天线的工作频率。

本发明的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线具有以下有益效果：

a. 这种新型高增益集成天线在保留以往低轮廓背腔天线的高辐射特性的基础上，利用腔体在处于高阶腔体谐振模式时腔体内部谐振场相位转换区域和在腔体边壁附近设置的多条平行缝隙具有同相电流分布的特点，使得天线辐射的电磁波在主向形成同相叠加，从而使天线的增益显著提高。整个结构包括馈电网络和腔体都可以在基片上实现，使得天线的体积极大缩减，而且整个天线可以与射频收发前端乃至整个系统完全平面无缝集成，提高了系统集成度。

b. 这种新型高增益集成天线结构简洁，工作原理简单明了。在设计过程中只需要调节缝隙的长度、缝隙所处的位置、以及腔体的边长就可以得到所需要的性能。结构参数少，大大缩短了设计和优化的时间。

c. 这种新型高增益集成天线制造简单方便，用普通的平面电路工艺就可以实现。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是本发明一实施例的立体结构示意图；

图2为图1的上金属层结构示意图；

图3为图1的下金属层结构示意图；

图4是本发明实施例随频率变化的辐射增益图；

图5是本发明实施例在中心频率12GHz时的辐射方向图。

具体实施方式

如图1所示，基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线包括厚度为0.5毫米的介质基片1，介质基片1的两面有金属层，分别是金属层5和金属层6。贯穿介质基片1、金属层5和金属层6有直径为1毫米的通孔，通孔内壁镀有金属，形成电互连单元3。多个电互连单元3顺序排列为具有正方形轮廓线的且正方形边长为20.0毫米的电互连阵列，构成电互连阵列的电互连单元孔间距相同，均为1.5毫米。金属层5、金属层6和电互连阵列所包含区域形成正方形的腔体。如图2，金属层5有用于馈电的共面波导传输线2（虚线方框包含部分），共面波导传输线2的长度8.0毫米，空气间隙的宽度和中间金属条带的宽度分别为0.7毫米和1.45毫米。共面波导传输线2从腔体的一条对角线方向伸入腔体内，其顶端距离腔体的中心7.14毫米。在金属层5的腔体区域内有三条相同且平行的长度9.2毫米、宽度0.4毫米的长方形辐射缝隙4，其中一条缝隙处在腔体的中心线上，另外两条缝隙处于离腔体边壁1.4毫米处，三条缝隙4的顶端与离其最近的腔体边壁的距离均为1.2毫米。如图2和图3所示，在腔体中心线合适位置贯穿介质基片1、金属层5和金属层6有三组六个金属化通孔构成的调谐电互连组7，这些调谐电互连组7的孔直径为0.6毫米，孔间距为0.9毫米，三组调谐电互连组7与腔体中心的距离相同，均为4.4毫米。

具体结构几何参数如下：

W _c (mm)	20.0	W _cpw (mm)	1.45
				L _cpw(mm)	8.0	g _cpw (mm)	0.7
L _s (mm)	9.2	W _s (mm)	0.4
				d _s1 (mm)	1.2	d _s2 (mm)	1.4
d (mm)	1.0	d _p (mm)	1.5
				d _t (mm)	0.6	d _tp (mm)	0.9
L _t (mm)	4.1	d _c (mm)	7.14

其中W _c为正方形腔体的边长，L _cpw、W _cpw和g _cpw分别为共面波导传输线的长度、中间金属条带和空气间隙的宽度，L _s和W _s分别为缝隙的长度和宽度，d _sl和d _su分别为缝隙宽边与腔体边壁的距离和缝隙顶端与腔体边壁的距离，d为构成电互连单元4的通孔的直径，d _p为构成电互连阵列的通孔的孔心距d和d _p为构成电互连阵列的金属化通孔的孔直径和孔心距，d _t和d _tp为构成调谐电互连组的通孔孔直径和孔心距，L _t为调谐电互连组与腔体中心的距离，d _c为共面波导顶端与腔体中心的距离。

该基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线的具体制造过程为：首先选取对应参数的介质基片，在介质基片的金属层的合适位置制作用于馈电的带地共面波导传输线和用于辐射能量的三条平行长方形缝隙，然后围绕三条平行的长方形缝隙、贯穿基片和两面金属层打一系列的金属化通孔，构成边壁与长方形缝隙平行的正方形腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体内能量向外泄露。在腔体内的合适位置以固定间隔打三组金属化通孔形成可激发高阶腔体谐振模式的调谐元件。这种新型天线具有类似阵列天线的高增益辐射特性，同时它的尺寸远小于阵列天线的尺寸。选择合适大小的缝隙和方形腔体的边长，可方便地调节这种天线的工作频率。整个天线可完全由普通的平面电路加工工艺实现，可以与系统完全无缝集成。

图4的增益曲线表明该天线在工作频带内具有高达8.6dBi的增益。图5的方向图表面该天线在工作频带内无论在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。

虽然为了说明的目的参考附图已经描述了一实施例，但是将会理解的是本发明并不限于这一具体的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明的范围的前提下可以实施各种其他的改变和改进。

Claims

1.基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于该天线包括：介质基片；

上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成腔体；

伸入腔体内的馈电单元；

2.如权利要求1所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的介质基片为单层介质基片。

3.如权利要求1所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的电互连阵列为具有开口的环形，馈电单元为由环型电互连阵列的开口处伸入的微带线、共面条带线或共面波导传输线。

4.如权利要求1所述的基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线，其特征在于所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。