CN110797652B - 一种cpw结构的周期性漏波天线及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CPW结构的周期性漏波天线及制备方法，天线包括介质基板和位于介质基板上的金属贴片，在金属贴片上刻蚀有上下对称的天线结构；所述天线结构包括在金属贴片上刻蚀得到的周期性漏波单元，周期性漏波单元包括多个顺次连接的漏波单元，每个漏波单元包括刻蚀有用于产生漏波效应并联电感器结构。信号线与接地面在同一个平面上，便于与其他微带电路集成；中心金属带宽度W的变化对工作频率的影响较小，产生的微小频偏可通过微调所述周期漏波单元的周期长度T进行补偿，因此在实际应用中可根据需要灵活选择中心金属带的宽度。

Description

一种CPW结构的周期性漏波天线及制备方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种CPW结构的周期性漏波天线及制备方法。
背景技术
天线作为无线系统中发射与接收电磁波的装置，广泛应用于无线通信、广播、医疗、航天、雷达和电子对抗等相关领域。1940年，Hansen通过在一个矩形波导上开槽，第一次实现了漏波天线。近些年来，由于具有方向性强、带宽较宽、结构简单以及扫描角度随频率变化的优点，漏波天线受到了越来越多研究人员的广泛关注。周期性漏波天线作为漏波天线的一种，以其具有更宽的扫描范围的优点而普遍应用于现代雷达及各种无线通信系统中，周期性漏波天线是一种行波天线，电磁波在传播的过程中同时进行辐射，通过调节周期的长度和单元个数可以控制天线的工作频率和增益。
传统的周期漏波天线基于微带线，通过激励起微带线的高次模产生辐射；或者增加信号线到地面的过孔，激励起主模辐射。但以上两种激励方式，前者信号线宽度不可控，后者信号与地面不共面，都限制了漏波天线在平面微波集成电路中的应用。因此，传统的周期性漏波天线，为了提高在平面微波集成电路中的应用，需要设计复杂的转换装置，大大增加了设计的复杂度，设计成本也随之提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种CPW结构的周期性漏波天线及制备方法，解决了传统周期性漏波天线存在的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种CPW结构的周期性漏波天线，包括介质基板和位于介质基板上的金属贴片，在金属贴片上刻蚀有上下对称的天线结构；所述天线结构包括在金属贴片上刻蚀得到的周期性漏波单元，周期性漏波单元包括多个顺次连接的漏波单元，每个漏波单元包括刻蚀有用于产生漏波效应并联电感器结构。
每个漏波单元包括短路金属带、第三中心金属带和位于第三中心金属带两侧的第三接地面；第三中心金属带和第三接地面之间刻蚀有两个垂直部靠近的倒T型沟槽，短路金属带位于两个倒T型沟槽的垂直部之间，短路金属带连接第三中心金属带和第三接地面，两个倒T型沟槽和短路金属带构成并联电感器结构；每个漏波单元包括两个并联电感器结构，相邻的漏波单元通过各自的倒T型沟槽的水平部连接。
所述天线结构还包括位于所述周期性漏波单元两端的CPW传输线和阻抗变换器；阻抗变换器的一端连接CPW传输线，另一端连接所述CPW结构的周期性漏波单元。
CPW传输线包括第一中心金属带和位于第一中心金属带两侧的第一接地面；阻抗变换器包括第二中心金属带和位于第二中心金属带两侧的第二接地面；第一中心金属带、第二中心金属带和第三中心金属带顺次连接为一体；第一接地面、第二接地面和第三接地面顺次连接为一体；
第一中心金属带和第一接地面之间刻蚀有条状沟槽，第二中心金属带和第二接地面之间刻蚀有条状沟槽；两条条形沟槽连接，第二中心金属带和第二接地面之间的条状沟槽与周期性漏波单元端部的漏波单元中倒T型沟槽的水平部连接。
所述第一接地面的宽度大于第二接地面的宽度，第二接地面的宽度大于第三接地面的宽度；第二中心金属带的宽度小于第一中心金属带的宽度，第一中心金属带的宽度小于第三中心金属带的宽度。
所述倒T型沟槽中的垂直部两端延伸刻蚀有与水平部平行的延伸部。
一种CPW结构的周期性漏波天线的制备方法，所述方法包括周期性漏波单元刻蚀步骤；其包括以下内容：
在金属贴片上从一端到另一端刻蚀两条由多个倒T型沟槽组成的刻蚀凹槽，且两条刻蚀凹槽呈上下对称结构；
得到位于两条刻蚀凹槽之间的为第三中心金属带和位于两条刻蚀凹槽外侧的第三接地面；
在两个倒T型沟槽之间留有短路金属带，用于连接第三中心金属带和第三接地面，且短路金属带和两个倒T型沟槽之间组成并联电感器。
所述方法还包括CPW传输线刻蚀步骤和阻抗变换器刻蚀步骤；阻抗变换器的一端连接CPW传输线，另一端连接周期性漏波单元。
所述阻抗变换器刻蚀步骤包括以下内容：
在周期性漏波单元两端的金属贴片上刻蚀两条呈上下对称的条形沟槽，且两条条形沟槽与两条刻蚀凹槽中两端的倒T型沟槽连通；
得到位于两条条形沟槽之间的第二中心金属带和位于两条条形沟槽外侧的第二接地面，且第二中心金属带的宽度小于第三中心金属带的宽度，第二接地面的宽度大于第三接地面的宽度。
所述CPW传输线刻蚀步骤包括以下内容：
在阻抗变换器两端的金属贴片上刻蚀两条呈上下对称的条形沟槽，且两条条形沟槽与阻抗变换器中两端的两条条形沟槽连通；
得到位于两条条形沟槽之间的第一中心金属带和位于两条条形沟槽外侧的第一接地面，且第一中心金属带的宽度位于第二中心金属带和第三中心金属带之间，第一接地面的宽度位于第二接地面和第三接地面之间。
本发明的有益效果是：一种CPW结构的周期性漏波天线及制备方法，首先利用CPW的主模进行辐射，第三中心金属带宽度W的变化对工作频率的影响较小，产生的微小频偏可通过微调周期漏波单元的周期长度T进行补偿，因此在实际应用中可根据需要灵活选择第三中心金属带的宽度，其次利用CPW传输线与接地面共面的特点，便于与其他微带电路集成，在保持周期性漏波天线原有强方向性、高增益、宽频带以及扫描角度随频率变化等优点的基础上，降低了漏波天线在平面微波集成电路中的应用成本，拓展了漏波天线的应用场景。
附图说明
图1为本发明一个实施例中周期性漏波天线的三维结构示意图；
图2为本发明一个实施例中周期性漏波天线的俯视示意图；
图3为本发明一个实施例中周期性漏波天线漏波单元的三维结构示意图；
图4为本发明一个实施例中周期性漏波天线漏波单元的俯视示意图；
图5为本发明一个实施例中周期性漏波天线漏波单元第三中心金属带宽度为12mm时的S11与S21参数仿真曲线；
图6为本发明一个实施例中周期性漏波天线漏波单元第三中心金属带宽度为12mm时，扫描角度随频率的变化图；
图中，1-介质基板，2-金属贴片，3-CPW传输线，31-第一中心金属带，4-阻抗变换器，42-第二中心金属带，5-周期性漏波单元，61-第一接地面，62-第二接地面，63-第三接地面，7-倒T型沟槽，71-条形沟槽，83-第三中心金属带，9-垂直部，91-延伸部，10-短路金属带。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1和图2所示，一种CPW结构的周期性漏波天线，包括介质基板1和位于介质基板1上的金属贴片2，在金属贴片2上刻蚀有上下对称的天线结构；所述天线结构包括在金属贴片2上刻蚀得到的周期性漏波单元5，周期性漏波单元5包括多个顺次连接的漏波单元，每个漏波单元是在刻蚀CPW共面波导的过程中刻蚀得到的；每个漏波单元包括刻蚀有用于产生漏波效应并联电感器结构。
进一步地，每个漏波单元包括短路金属带10、第三中心金属带83和位于第三中心金属带83两侧的第三接地面63；第三中心金属带83和第三接地面63之间刻蚀有两个垂直部9靠近的倒T型沟槽7，短路金属带10位于两个倒T型沟槽7的垂直部9之间，短路金属带10连接第三中心金属带83和第三接地面63，两个倒T型沟槽7和短路金属带10构成并联电感器结构；每个漏波单元包括两个并联电感器结构，相邻的漏波单元通过各自的倒T型沟槽7的水平部连接。
CPW共面波导一般包括位于中间的中心金属带和位于两侧的接地面，其之间刻蚀有条状沟槽，本发明的周期性漏波单元在CPW共面波导的中心金属带和两侧的接地面之间留有连接中心金属带和接地面的短路金属带10，并在每个短路金属带10的两侧刻蚀倒T型沟槽7，构成并联电感器，用于产生漏波效应；使得整个周期性漏波单元5具备漏波结构的特性。
周期性漏波单元5中的第三中心金属带83的宽度为W，周期长度为T，具体的宽度W可以根据实际需要进行灵活选择设计，其所产生的微小频偏可以通过微调周期长度T进行补偿。
进一步地，如图3和图4所示，所述天线结构还包括位于所述周期性漏波单元5两端的CPW传输线3和阻抗变换器4；阻抗变换器4的一端连接CPW传输线3，另一端连接所述CPW结构的周期性漏波单元5。
CPW传输线3和阻抗变换器4的数量皆为两个，每个阻抗变换器4的长度为四分之一的波导波长，两个CPW传输线的特征阻抗匹配皆为50欧姆；两个阻抗变换器4分别连接在周期性漏波单元5的两端，两个CPW传输线3分别连接在两个阻抗变换器4的另一端上。
本发明采用的介质基板1的相对介电常数为2.65厚度为2mm。
进一步地，CPW传输线3包括第一中心金属带31和位于第一中心金属带31两侧的第一接地面61；阻抗变换器4包括第二中心金属带42和位于第二中心金属带42两侧的第二接地面62；第一中心金属带31、第二中心金属带42和第三中心金属带83顺次连接为一体；第一接地面61、第二接地面62和第三接地面63顺次连接为一体；
第一中心金属带31和第一接地面61之间刻蚀有条状沟槽，第二中心金属带42和第二接地面61之间刻蚀有条状沟槽；两条条形沟槽71连接，第二中心金属带42和第二接地面61之间的条状沟槽71与周期性漏波单元5端部的漏波单元中倒T型沟槽7的水平部连接。
所述第一接地面61的宽度大于第二接地面62的宽度，第二接地面62的宽度大于第三接地面的宽度；第二中心金属带42的宽度小于第一中心金属带31的宽度，第一中心金属带31的宽度小于第三中心金属带83的宽度。
对于周期性漏波单元5而言，第三中心金属带83的宽度是可控的，可以根据实际需要调整，本发明的实施例中12mm只是一种实现方式，并不是对宽度做一个限定。
对于CPW传输线3而言，当条形沟槽71宽度不变时，第一中心金属带31的宽度也是固定的，因为在CPW传输线3中，条形沟槽71的宽度与第一中心金属带31的宽度对CPW传输线3的特征阻抗都有影响，因此，不管两者宽度如何变化，只需要保证条形沟槽71宽度与第一中心金属带31的宽度的组合，能够使得CPW传输线3的特征阻抗为50欧姆即可。
对于阻抗变换器4而言，当周期性漏波单元结构确定以后，其输入阻抗也就确定了，假设其输入阻抗为Zin，令Z0＝sqrt(Zin*50)，则阻抗变换器中沟槽宽度与中心金属带的宽度组合也就确定了，只要满足阻抗变换器的特征阻抗为Z0即可。
进一步地，所述倒T型沟槽7中的垂直部9两端延伸刻蚀有与水平部平行的延伸部91。增加延伸部91可以增加并联电感量，更利于电磁波的泄漏。
进一步地，倒T型沟槽7和条形沟槽71的沟槽宽度一般设置为0.1mm～1mm。
本发明另一实施例涉及一种CPW结构的周期性漏波天线的制备方法，所述方法包括周期性漏波单元5刻蚀步骤；其包括以下内容：
在金属贴片2上从一端到另一端刻蚀两条由多个倒T型沟槽7组成的刻蚀凹槽，且两条刻蚀凹槽呈上下对称结构；
得到位于两条刻蚀凹槽之间的为第三中心金属带83和位于两条刻蚀凹槽外侧的第三接地面63；
在两个倒T型沟槽7之间留有短路金属带10，用于连接第三中心金属带83和第三接地面63，且短路金属带10和两个倒T型沟槽7之间组成并联电感器。
所述方法还包括CPW传输线3刻蚀步骤和阻抗变换器4刻蚀步骤；阻抗变换器4的一端连接CPW传输线3，另一端连接周期性漏波单元5。
所述阻抗变换器4刻蚀步骤包括以下内容：
在周期性漏波单元5两端的金属贴片2上刻蚀两条呈上下对称的条形沟槽71，且两条条形沟槽71与两条刻蚀凹槽中两端的倒T型沟槽7连通；
得到位于两条条形沟槽71之间的第二中心金属带42和位于两条条形沟槽71外侧的第二接地面62，且第二中心金属带42的宽度小于第三中心金属带83的宽度，第二接地面的宽度62大于第三接地面63的宽度。
所述CPW传输线3刻蚀步骤包括以下内容：
在阻抗变换器4两端的金属贴片2上刻蚀两条呈上下对称的条形沟槽71，且两条条形沟槽71与阻抗变换器4中两端的两条条形沟槽71连通；
得到位于两条条形沟槽71之间的第一中心金属带31和位于两条条形沟槽71外侧的第一接地面61，且第一中心金属带31的宽度位于第二中心金属带42和第三中心金属带83之间，第一接地面61的宽度位于第二接地面62和第三接地面63之间。
进一步地，CPW传输线3刻蚀步骤、阻抗变换器4刻蚀步骤和周期性漏波单元5刻蚀步骤不分先后顺序，可以先进行其中的某一步，只需要保证在周期性漏波单元5的两端刻蚀阻抗变换器4，在阻抗变换器4的两端刻蚀CPW传输线3，且三者的沟槽连通为一体；或者只需保证在金属贴片2的刻蚀CPW传输线3，然后接着CPW传输线3刻蚀阻抗变换器4，在两个阻抗变换器4中间刻蚀周期性漏波单元5，且三者的沟槽连通为一体。
在制备过程中第一接地面61、第二接地面62和第三接地面63是一个整体，第一中心金属带31、第二中心金属带42和第三中心金属带83也是一个整体，只是因为CPW传输线3、阻抗变换器4和周期性漏波单元5三者都采用CPW结构，对各自的宽度进行了不同设计。
对于每一个周期单元而言，短路金属带10的存在，相当于在均匀CPW传输线3上加载了并联的电感。由于这个电感的作用，当电磁波在周期性漏波单元5上传播时，在某个频率范围内会有β<k0，其中β为周期性漏波单元上所传播电磁波的相位常数β，k0为自由空间中的电磁波的相位常数。根据漏波天线理论，β<k0的区域为漏波区，该频率范围内传输的波为快波，快波是一种辐射波，电磁波会在周期性漏波单元上一边传播，一边辐射，形成漏波天线。
漏波天线的特点之一是就是扫描角度随频率变化，假设天线平面与xoz面平行，天线纵向方向为z轴正方向，则理想的扫描范围可以根据如下公式得到：
θMB＝cos-1(β/k0)
其中θMB为漏波天线的主波束方向与z轴的夹角，称作扫描角度，β和k0即为上文所提到的两个相位常数。
周期性漏波天线的中心工作频f0＝5.8GHz，长度为297mm，漏波天线所包含的漏波单元个数为30个，周期性漏波单元5中的中心金属带(第三中心金属带83)宽度W＝12mm，周期长度T＝9mm，中心金属带与接地面(第三接地面63)之间的沟槽(倒T型沟槽)宽度为1mm，中心金属带在沿纵向二分之一周期长度出通过宽度为0.5mm的短路金属带10与接地面相连接，短路金属带两侧的长方形沟槽(即倒T型沟槽7中的垂直部9)宽度为1mm，在连接点处增加的沟槽(即倒T型沟槽7中的垂直部9两端延伸刻蚀有与水平部平行的延伸部91)宽度为2mm。
如图5和图6所示，在周期性漏波天线的一端口接入输入信号，另一端口(二端口)接入50欧姆的匹配负载，S11参数值小于-10dB，表示一端口反射回来的能量不超过10％，有90％以上的能量由一端口进入了漏波天线；S21参数值小于-5dB表示有少于30％的能量到达二端口，说明在漏波天线上辐射的能量达到了70％。当频率从5.2GHz增加到6.0GHz时，本发明提出的周期性漏波天线实现了θ从58°至33°的扫描范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种CPW结构的周期性漏波天线，包括介质基板(1)和位于介质基板(1)上的金属贴片(2)，在金属贴片(2)上刻蚀有上下对称的天线结构；其特征在于：所述天线结构包括在金属贴片(2)上刻蚀得到的周期性漏波单元(5)，周期性漏波单元(5)包括多个顺次连接的漏波单元，每个漏波单元包括刻蚀有用于产生漏波效应的并联电感器结构；
每个漏波单元包括短路金属带(10)、第三中心金属带(83)和位于第三中心金属带(83)两侧的第三接地面(63)；第三中心金属带(83)和第三中心金属带(83)两侧的第三接地面(63)之间均刻蚀有两个垂直部(9)靠近的倒T型沟槽(7)，短路金属带(10)位于两个倒T型沟槽(7)的垂直部(9)之间，短路金属带(10)连接第三中心金属带(83)和第三接地面(63)，两个倒T型沟槽(7)和短路金属带(10)构成并联电感器结构；每个漏波单元包括两个并联电感器结构，相邻的漏波单元通过各自的倒T型沟槽(7)的水平部连接；
所述天线结构还包括位于所述周期性漏波单元(5)两端的CPW传输线(3)和阻抗变换器(4)；阻抗变换器(4)的一端连接CPW传输线(3)，另一端连接所述CPW结构的周期性漏波单元(5)。
2.根据权利要求1所述的一种CPW结构的周期性漏波天线，其特征在于：CPW传输线(3)包括第一中心金属带(31)和位于第一中心金属带(31)两侧的第一接地面(61)；阻抗变换器(4)包括第二中心金属带(42)和位于第二中心金属带(42)两侧的第二接地面(62)；第一中心金属带(31)、第二中心金属带(42)和第三中心金属带(83)顺次连接为一体；第一接地面(61)、第二接地面(62)和第三接地面(63)顺次连接为一体；第一中心金属带(31)和第一接地面(61)之间刻蚀有第一条状沟槽，第二中心金属带(42)和第二接地面(61)之间刻蚀有第二条状沟槽；所述第一条状沟槽和所述第二条形沟槽连接，第二中心金属带(42)和第二接地面(61)之间的第二条状沟槽与周期性漏波单元(5)端部的漏波单元中倒T型沟槽(7)的水平部连接。
3.根据权利要求2所述的一种CPW结构的周期性漏波天线，其特征在于：所述第一接地面(61)的宽度小于第二接地面(62)的宽度，第二接地面(62)的宽度大于第三接地面(63)的宽度；第二中心金属带(42)的宽度小于第一中心金属带(31)的宽度，第一中心金属带(31)的宽度小于第三中心金属带(83)的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种CPW结构的周期性漏波天线，其特征在于：所述倒T型沟槽(7)中的垂直部(9)两端延伸刻蚀有与水平部平行的延伸部(91)。
5.一种CPW结构的周期性漏波天线的制备方法，其特征在于：所述方法包括周期性漏波单元(5)刻蚀步骤；其包括以下内容：在金属贴片(2)上从一端到另一端刻蚀两条由多个倒T型沟槽(7)组成的刻蚀凹槽，且两条刻蚀凹槽呈上下对称结构；得到位于两条刻蚀凹槽之间的第三中心金属带(83)和位于两条刻蚀凹槽外侧的第三接地面(63)；在每一条刻蚀凹槽中任意相邻的两个倒T型沟槽(7)之间留有短路金属带(10)，用于连接第三中心金属带(83)和第三接地面(63)，且短路金属带(10)和两个倒T型沟槽(7)之间组成并联电感器；
所述方法还包括CPW传输线(3)刻蚀步骤和阻抗变换器(4)刻蚀步骤；阻抗变换器(4)的一端连接CPW传输线(3)，另一端连接周期性漏波单元(5)。
6.根据权利要求5所述的一种CPW结构的周期性漏波天线的制备方法，其特征在于：所述阻抗变换器(4)刻蚀步骤包括以下内容：在周期性漏波单元(5)两端的金属贴片(2)上刻蚀两条呈上下对称的第二条形沟槽，且两条第二条形沟槽与两条刻蚀凹槽中两端的倒T型沟槽(7)的水平部连通；得到位于两条第二条形沟槽之间的第二中心金属带(42)和位于两条第二条形沟槽外侧的第二接地面(62)，且第二中心金属带(42)的宽度小于第三中心金属带(83)的宽度，第二接地面的宽度(62)大于第三接地面(63)的宽度。
7.根据权利要求6所述的一种CPW结构的周期性漏波天线的制备方法，其特征在于：所述CPW传输线(3)刻蚀步骤包括以下内容：在阻抗变换器(4)两端的金属贴片(2)上刻蚀两条呈上下对称的第一条形沟槽，且两条第一条形沟槽与阻抗变换器(4)中两端的两条第二条形沟槽连通；得到位于两条第一条形沟槽之间的第一中心金属带(31)和位于两条第一条形沟槽外侧的第一接地面(61)，且第一中心金属带(31)的宽度位于第二中心金属带(42)和第三中心金属带(83)之间，第一接地面(61)的宽度位于第二接地面(62)和第三接地面(63)之间。
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