CN1815806A - 介质基片辐射增强腔式天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种介质基片辐射增强腔式天线及其制造方法，所述天线包括地板、辐射增强腔、馈电网络，以及附着在馈电网络之上的天线引向器；其中，辐射增强腔位于地板与馈电网络之间，所述辐射增强腔包括：一介质基板；该介质基板设有封闭环绕一定范围的多个金属化通孔，所述金属化通孔之间的孔距，为使该等金属化通孔能至少部分反射传输于该介质基板中的电磁波。本发明在介质基片的基础上实现了辐射增强腔，其具有高Q值、低损耗的特点；采用印刷电路实现，结构简单、小巧，易于集成。本发明具有带宽宽，效率高、增益高，天线方向图的背瓣小，很好的辐射特性，可广泛应用在无线通信、雷达、电子导航与电子对抗等电子设备中。

Description

介质基片辐射增强腔式天线

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信、雷达、电子导航与电子对抗等电子设备的天线，尤其涉及一种介质基片辐射增强腔式天线。

背景技术

未来无线通信系统所具有的分布式接入、宽带和高数率传输、高移动速度等特征，对天线及相应的射频前端提出了前所未有的要求。天线已成为系统设计的一个重要的部分，其研究涉及电波传播特性、本地环境条件、通信系统的组成、信噪比(信干比)和带宽特性、天线本身的机械结构与制作技术的适应性以及使用的方便性等。现有的背腔天线具有增益高、带宽宽、副瓣低等优点，但其体积大，即便是短背腔依然偏大；其次由于天线背后附有一金属腔体使得其不便与其它高频器件集成，因而在需要体积小、重量轻、高度集成的应用场合受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种介质基片辐射增强腔式天线，其具备频带宽、增益高、体积小、重量轻的特点；采用本发明，可实现双极化电性能的天线，而且便于与高频电路集成，有利于组成所需的天线阵列。

本发明所述的介质基片辐射增强腔式天线，包括：地板、辐射增强腔、馈电网络，以及附着在馈电网络之上的天线引向器；其中，辐射增强腔位于地板与馈电网络之间，所述辐射增强腔包括：一高频介质基板；该介质基板设有封闭环绕一定范围的多个金属化通孔；在本发明的一实施例中，在该高频介质基板的上下两面，对应地分别敷设一用来封闭环绕一定范围的腔壁金属带，每一个腔壁金属带上，均匀地分布着一排金属化通孔；所述金属化通孔之间的孔距，为使该等金属化通孔能至少部分反射传输于该介质基板中的电磁波，最好是实质上等于或小于该介质基板中所传输的电磁波的波长的四分之一。

根据本发明的具体实施例，所述金属化通孔的孔距为其所传输的电磁波的波长的八分之一左右。

根据本发明的具体实施例，所述腔壁金属带所围成的封闭的辐射增强腔区域是矩形的；也可以封闭成一个圆形的区域，或是不完全规则的封闭区域。

本发明还提出了一种制造所述介质基片辐射增强腔式天线的方法，包括：

在一介质基板的中设置封闭环绕一定范围的多个金属化通孔；在本发明的一实施例中，在该高频介质基板的上下两面，对应地分别敷设一用来封闭环绕一定范围的腔壁金属带；每一个腔壁金属带上，均匀地分布有多个金属化通孔；所述金属化通孔之间的孔距，为使该等金属化通孔能至少部分反射传输于该介质基板中的电磁波，最好是实质上等于或小于该介质基板中所传输的电磁波的波长的四分之一；

将该辐射增强腔置于一地板与一馈电网络之间，在该馈电网络之上附着一天线引向器。

本发明所述介质基片辐射增强腔式天线是在介质基片的基础上实现了辐射增强腔，其具有高Q值、低损耗的特点；辐射增强腔形成了类似谐振腔结构，在辐射增强腔体与激励缝、天线引向器之间形成所需的辐射模，使得前向传输波与后向谐振波的同向迭加，实现高增益和天线辐射的定向性。

由于组成本发明所述天线的零部件是在介质基片上，采用印刷电路实现，结构简单、小巧，所以这种介质基片辐射增强腔式天线与微波、毫米波电路易于集成。介质的介电常数高于空气，所以厚度和横向尺寸减小。结构中的金属化通孔可以在微波电路加工时同时实现，工艺简单。

本发明所述天线可使其基板与微波、毫米波前端材料相同，避免了异质金属间的接触电现象，提高了三阶互调的能力。

本发明所述天线的带宽宽，效率高、增益高，天线方向图的背瓣小，具有很好的辐射特性，可广泛应用在无线通信、雷达、电子导航与电子对抗等电子设备中。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例所述介质基片辐射增强腔式天线的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的地板示意图；

图3是图2所示地板的后视图；

图4是根据本发明一个实施例所述辐射增强腔的结构示意图；

图5是图4所示本发明辐射增强腔的后视图；

图6是根据本发明一个实施例的馈电网络具体实施例的示意图；

图7是图6所示本发明馈电网络实施例的后视图；

图8是根据本发明一个实施例所述介质基片辐射增强腔式天线的天线方向图；

图9是根据本发明一个实施例所述介质基片辐射增强腔式双极性天线的天线驻波特性图；

图10是根据本发明一个实施例的介质基片辐射增强腔式天线的驻波测试曲线图；

图11是采用本发明一个实施例介质基片辐射增强腔式双极性天线的双极化隔离测试曲线。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

图1给出了本发明一个实施例所述介质基片辐射增强腔式天线的典型结构。从图1可见，本发明所述介质基片辐射增强腔式天线包括：地板1、辐射增强腔4、馈电网络2，以及附着在馈电网络之上的天线引向器3；其中，辐射增强腔4位于地板1与馈电网络2之间，其作用就是用于在地板1与馈电网络之间形成所需的谐振腔，进而在馈电网络与天线引向器之间形成所需的辐射模，使得前向传输波与后向谐振波的同向迭加，实现高增益和天线辐射的定向性。下面依次地介绍上述四个单元的具体结构。

图2给出了是本发明一个实施例的地板1的结构示意图，图3是图2中地板1中的金属地板13的示意。

图2中，地板1包括高频介质基板11、腰壁金属带12和金属地板13三部分，高频介质基板11位于中部，其上部是封闭的腰壁金属带12，其下部则是金属地板13，且腰壁金属带12通过金属化通孔与金属地板13连接，使得高频介质基板11、腰壁金属带12和金属地板13整体上构成了地板1。三者之间可以通过粘接或机械连接固定，结合图2、图3，所述金属化通孔均匀分布在腔壁金属带12上，穿透至金属地板13，可见，图2和图3所示的金属化通孔是一一对应的。

图4示意的是本发明一个实施例中所述辐射增强腔的结构，图5是图4所示的辐射增强腔的后视图；其以高频介质基板41为基础，在高频介质基板41的上下两面，对应地敷设用来封闭一定范围的腔壁金属带42和43(见图5)。在腔壁金属带上，均匀地分布着金属化通孔44，根据电磁波腔膜理论，金属化通孔之间的孔距，应为其所传输的电磁波的波长的四分之一左右，作为优选，应小于其所传输的电磁波的波长的八分之一。这样才能构成谐振腔的结构。

根据本发明的另一个优选的实施例，腔壁金属带42、43也可以通过腔壁金属带上再在外侧多加上一圈均匀分布的金属化通孔(图4和图5没有示出)。其孔距也应为其所传输的电磁波的波长的四分之一左右，作为优选，应小于其所传输的电磁波的波长的八分之一。需要指出的是，该外侧圈的每一个金属化通孔应对应地位于内圈的两孔之间。这样的布置，可进一步减少电磁泄露。

根据本发明的一个实施例，腔壁金属带42、43所封闭的辐射增强腔区域是矩形的。但其也可以封闭成一个圆形的区域，或是不完全规则的封闭区域。

根据上述腔壁金属带所构成的形状，本领域的技术人员可以联想到，图2中地板单元中的腰壁金属带12所封闭的区域，也应相应地为矩形的、圆形的或是不完全规则的封闭区域。

图6是本发明一个实施例中的馈电网络的一个具体实施例，图7是图6所示本发明馈电网络实施例的后视图；从图6并结合图7，可以看出，本发明中的馈电网络由高频介质基板21、附着于高频介质基板21的上表面的激励电路22、和附着于高频介质基板21的下表面的金属耦合板23叠合而成。

图6给出了两组激励电路，这实际上构成了一种双极性天线，图6中的两激励电路的开口称为激励缝；其布置上要满足两激励电路的激励缝相互正交，使得两组激励电路彼此不发生干扰。当然，如果只布置一组激励电路，就是一种典型的单极性天线了，仍然能完成本发明所要解决的技术问题。

参见图7，附着于高频介质基板21的下表面的金属耦合板23上，刻有耦合缝231，其是在金属耦合板23上去掉该区域的金属敷层后形成的，图7示出的是一个十字交叉的耦合缝，该耦合缝也可以是条形的，其长度为半个导波长。

该耦合缝231正好对着其下方的辐射增强腔，其作用是将由微带激励电路引入的电信号耦合到介质谐振腔中，并将介质谐振腔中的谐振信号辐射到空间中去。

如上所述的实施例中，所述辐射增强腔是在高频介质基板上制作一系列的金属通孔形成圆形或方形阵列的谐振腔，如果一层介质层厚度不够时，可用多层介质来实现，层间留有圆形或方形金属导带，使金属化通孔从中穿过。如上所述的实施例中，结合图1，所述的馈电网络的激励电路22与天线引向器之间，可以设置支撑材料，如低介电常数发泡材料或其它支撑材料，其上布有金属片。

根据上述的实施例，本发明还提出了一种制造所述介质基片辐射增强腔式天线的方法，其重点在于辐射增强腔的制造，具体地，所述方法包括：

在高频介质基板的上下两面，对应地分别敷设一用来封闭环绕一定范围的腔壁金属带；每一个腔壁金属带上，均匀地分布有多个金属化通孔，所述金属化通孔之间的孔距，为其所传输的电磁波的波长的四分之一左右；

将辐射增强腔置于地板与馈电网络之间，在馈电网络之上附着一天线引向器。

在上述的方法中，具体的做法是，在所述的馈电网络与天线引向器之间，设置低介电常数发泡材料或其它支撑材料，其上布有金属片。因为低介电常数发泡材料可以起到支撑和固定金属片的作用，当然，也可用介质螺钉固定。由于高介电常数材料会影响到天线的带宽和辐射，应尽量避免，所以采用低介电常数发泡材料，利用发泡介质比重小，可融入很多空气的特点，使得平均介电常数降低。在低介电常数发泡材料的上面布置金属片来充当天线的引向器，这也是增强辐射提高带宽的手段。

图8-图11所示的是在2.4Ghz频段上实现了本发明的介质基片辐射增强腔式天线的测试结果。所选的辐射增强腔的金属化通孔的直径为0.5mm，通孔之间的间距为2.5mm，介质基片的介电常数为2.65。

图8是本发明所述介质基片辐射增强腔式天线的天线方向图。图8中有两条曲线，较细的一条虚线代表E面的方向图，较粗的一条为H面的方向图。可以看出，方向图是理想的

图9是本发明所述介质基片辐射增强腔式双极性天线的天线驻波特性图；其中实线和虚线分别表示两个双极化天线的驻波特性，从图9中可以看出，从图9中可以看出，低于10分贝所对应的带宽为700MHz。

图10是本发明的介质基片辐射增强腔式天线的驻波测试曲线图；图10中标出了四个点(1、2、3、4)，点1至点3之间的带宽已超过0.5G，即500M，低于10分贝所对应的带宽为700MHz，相对带宽为29％，这表明本发明所述天线的效果可视为超宽带天线。(超宽带天线带宽定义为20％)。

图11是采用本发明的介质基片辐射增强腔式双极性天线的双极化隔离测试曲线。可以看出该曲线低于-20分贝，说明两个端口之间的隔离很好，相互之间的干扰很小。

本发明的技术内容和技术特点已揭示根据上，然而所属领域技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示内容而作出种种不背离本发明精神的替代和修正。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替代和修正，并为上述权利要求书所涵盖。

Claims (10)

1、一种介质基片辐射增强腔式天线包括：地板、辐射增强腔、馈电网络，以及附着在馈电网络之上的天线引向器；其中，辐射增强腔位于地板与馈电网络之间，所述辐射增强腔包括：一个介质基板，该介质基板设有封闭环绕一定范围的多个金属化通孔，所述金属化通孔之间的孔距，为使所述金属化通孔能至少部分反射传输于该介质基板中的电磁波。

2、根据权利要求1所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述金属化通孔的孔距实质上为该介质基板中所传输的电磁波的波长的四分之一。

3、根据权利要求1所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述金属化通孔的孔距实质上小于该介质基板中所传输的电磁波的波长的四分之一。

4、根据权利要求1、2或3所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述金属化通孔的外围，还围绕着另一排金属化通孔。

5、根据权利要求1、2或3所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述地板包括一基板，所述基板的下部叠设金属地板，所述基板设有封闭环绕一定范围的多个金属化通孔穿过该基板与该金属地板。

6、根据权利要求5所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述基板中之多个金属化通孔的位置与辐射增强腔中的多个金属化通孔的位置是对应一致的。

7、根据权利要求1、2或3所述的介质基片辐射增强腔式天线，其中，所述辐射增强腔中的介质基板可用多层结构实现，各层的金属化通孔是对应一致的且相互电性地连通。

8、一种介质基片辐射增强腔式天线的制造方法，包括如下步骤：

在一介质基板的中设置封闭环绕一定范围的多个金属化通孔，所述金属化通孔之间的孔距，为使所述金属化通孔能至少部分反射传输于该介质基板中的电磁波；

将一个包含所述介质基板的辐射增强腔置于一个地板与一个馈电网络之间，以及

在该馈电网络之上附着一个天线引向器。

9、根据权利要求8所述的介质基片辐射增强腔式天线的制造方法，其中，所述金属化通孔的孔距实质上小于或等于该介质基板中所传输的电磁波的波长的四分之一。

10、根据权利要求8所述的介质基片辐射增强腔式天线的制造方法，其中，还包括在所述金属化通孔的外围，围绕地设置另一排金属化通孔。

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