专利名称：基于高阶腔体谐振模式的高增益集成天线的制作方法
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TE21tl或TE12tl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TE,模式、六条平行缝隙对应的TE33tl模式等)的电流回路产生 的辐射定向性增强(如利用TE,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TE,、TE33(I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。
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。
具体实施例方式如图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
权利要求
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；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。
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。
全文摘要
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。
文档编号H01Q13/18GK102142617SQ201110024228
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者孙玲玲, 罗国清, 董林玺, 黄刚 申请人:杭州电子科技大学