CN102142619A - 增益提高的背腔双缝集成天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增益提高的背腔双缝集成天线。传统背腔天线尺寸大难加工，而已有的低轮廓背腔单缝天线增益小。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一边具有开口的矩形的电互连阵列，上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成的长方体腔体，馈电单元伸入腔体内，在腔体区域内部的金属层上的两条平行的直条形的缝隙。本发明的背腔双缝集成天线辐射性能好、增益高、体积小、结构简单、成本低，易于设计和加工。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种由单个背腔双缝构成的增益提高的线极化天线，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增益提高的背腔双缝集成天线，这种新型线极化天线辐射性能好，增益高，体积小，结构简单，易于设计，易于加工，成本低，该天线与现有的背腔单缝线极化天线相比增益提高约2dB。
本发明的增益提高的背腔双缝集成天线包括：
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；所述的电互连阵列为一边具有开口的矩形；
上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成的长方体腔体, 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；
伸入腔体内的馈电单元和在腔体区域内部的金属层上的两条平行的直条形的缝隙。
所述的介质基片为单层介质基片。
所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。
所述的馈电单元为由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。
所述的两条平行的缝隙的长度和宽度相同，且均与电互连阵列具有开口的一边平行，其中一条缝隙与馈电单元垂直相交。
本发明的增益提高的背腔双缝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位置附件的一条长方形缝隙切割二阶模的电流回路来产生辐射相比，本发明的天线通过在腔体两宽边壁附近设置的两条平行长方形缝隙切割二阶模的电流回路来产生辐射。两条长方形缝隙具有等幅同相的场分布，因此在主方向的辐射强度显著增大，在天线轮廓不变的情况下增益提高约2dB。
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长方形腔体中，在腔体中同时激励起二阶腔体谐振模式。当腔体处于二阶谐振模式时，在靠近腔体壁位置的两条长方形缝隙几乎不影响其场分布。这两条缝隙能够有效地切割同相分布的电流，从两条缝隙辐射出去的能量在天线辐射的正向同相叠加，从而使得辐射强度在主辐射方向增大一倍。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。
有益效果：增益提高的背腔双缝集成天线具有以下优点：
a. 这种新型背腔集成天线在保留现有低轮廓背腔天线的优异辐射特性的基础上，利用在腔体平行宽边壁附近的两条平行缝隙有等幅同相的电流分布特点，从而使得构成的天线增益显著提高。整个天线包括馈电网络和腔体都在介质基片上实现，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，提高了系统的集成度。
b. 这种新型背腔集成天线结构简洁，工作原理简单。在设计过程中只需要调节缝隙的长度、缝隙中心线与腔体宽边壁的距离和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. 这种新型背腔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。与传统背腔天线需要精密的机械加工相比，制造速度快，成本低廉。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构示意图；
图2是图1的上金属层结构示意图；
图3是图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增益曲线图；
图5是本发明实施例在中心频率10GHz时的辐射方向图。
具体实施方式
如图1所示，增益提高的背腔双缝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顺序排列为具有长方形轮廓线的且长方形边长分别为18.2毫米和15.9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长方形腔体。如图2，金属层5有用于馈电的带地共面波导传输线2（虚线方框包含部分），共面波导传输线2的长度11.3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从长方形腔体宽边的中心位置垂直伸入腔体内。如图3，金属层6对应腔体的区域内有两条平行的完全相同的长方形缝隙4，缝隙4的长度和宽度分别为16毫米和1毫米的，缝隙4的宽边与长方形腔体的宽边壁平行且中心线重合，缝隙4在窄边方向的中心线和与之对应平行的腔体边壁的间距均为1.5毫米。
具体结构几何参数如下：
| L c (mm) | 15.9 | W c (mm) | 18.2 |
| L cpw (mm) | 11.3 | g cpw (mm) | 0.7 |
| W cpw (mm) | 1.45 | d s (mm) | 1.5 |
| d s (mm) | 16 | W s (mm) | 1.0 |
| d (mm) | 1.0 | d p (mm) | 1.5 |
其中L c 和W c 分别为长方形腔体的窄边壁和宽边壁的边长， L cpw 、g cpw 和W cpw 分别为共面波导传输线的长度、空气间隙的宽度和中间金属条带的宽度，d s 为缝隙在窄边的中心线与腔体宽边壁的距离，L s 和W s 分别为缝隙的长度和宽度，d为通孔直径，d p 为通孔的孔心距。
该增益提高的背腔双缝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，在介质基片的一金属层制作用于馈电的带地共面波导传输线，在介质基片的另一金属层制作用于辐射能量的两条平行长方形缝隙。贯穿基片和两面金属层打一系列金属化通孔，构成宽边壁与两条长方形缝隙宽边平行的长方形腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体内能量向外泄露。这种新型背腔集成天线保留了传统金属背腔天线高增益的辐射特性。选择合适的缝隙大小和腔体的尺寸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，可与射频收发前端乃至整个系统完全无缝集成。
图4的增益曲线表明该天线在工作频带内具有高达7.5dBi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面具有高增益，低交叉极化电平等优异的辐射特性。
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 (6)
1.增益提高的背腔双缝集成天线，其特征在于该天线包括：
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；所述的电互连阵列为一边具有开口的矩形；
上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成的长方体腔体；
伸入腔体内的馈电单元和在腔体区域内部的金属层上的两条平行的直条形的缝隙。
2.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，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所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。
4.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的馈电单元为由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。
5.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的两条平行的缝隙的长度和宽度相同，且均与电互连阵列具有开口的一边平行，其中一条缝隙与馈电单元垂直相交。
6.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于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。
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