三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线的制作方法

本发明涉及一种三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线，特别涉及一种基于三角形半模基片集成波导谐振腔的缝隙线极化天线，属于微波技术领域。

背景技术：

无线通信系统中，天线作为发射或接收信号的重要电子部件，其性能的好坏直接关系到整个系统性能的优劣，因此研发小型化、集成化和性能高的射频天线已经成为一种迫切的现实需求。平面缝隙天线由于具有高效率、易组阵、可集成化等优点，刚好顺应了现代无线电子通信系统的发展趋势，越来越受到广大科学研究人员和工程设计者的青睐。但是传统缝隙天线的辐射是双向的，当需要单向辐射的缝隙天线时，通常会在辐射缝隙的背面加一个金属腔体来抑制后向辐射的电磁能量，但是这种传统的背腔缝隙天线具有体积大、结构复杂和成本高等缺点，因此需要去设计重量轻、成本低和易于与平面电路集成的低剖面高增益缝隙天线。

基片集成波导是近年来工程研究和应用较多的波导结构，它不仅保留了传统金属波导的辐射损耗小、插入损耗低、功率容量大、加工工艺简单等特点，同时具有成本低、尺寸小、重量轻、易集成等优点，采用基片集成波导技术实现的背腔缝隙天线不仅保留了传统金属背腔缝隙天线辐射性能高的优点，并且大大减小了天线体积，同时又能非常方便的和平面电路进行集成。因此，对于基于基片集成谐振腔的小型化平面缝隙天线的研究，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

技术实现要素：

为了进一步减小天线体积和加工成本，降低天线集成复杂度，本发明在三角形基片集成波导背腔缝隙天线的基础上，提出了一种基于三角形半模基片集成波导谐振的背腔缝隙天线。将半模基片集成波导技术应用到谐振腔中，用半封闭基片集成波导谐振腔来代替背腔缝隙天线中通常采用的封闭基片集成波导谐振腔，并将切割腔体形成的开放侧壁作为辐射缝隙，本发明天线结构更加简单，并且在保持较高辐射效率的同时，又大大减小了天线的几何尺寸，提高了天线集成度。由于使用的三角形半模基片集成波导谐振腔体，本发明天线同时又具有结构紧凑、方便布局的特性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线，包括上、下表面均涂覆有金属层的介质板；介质板上设置有两排相连的等间距金属化通孔，与介质板上下表面金属层、介质板构成三角形半模基片集成波导谐振腔；该三角形半模基片集成波导谐振腔为半封闭腔体，其开放侧壁作为辐射缝隙，且开放侧壁与其中一排金属化通孔垂直；介质板下表面设置有一个作为激励源的接地共面波导，该接地共面波导从三角形半模基片集成波导谐振腔的斜边接入三角形半模基片集成波导谐振腔，且该接地共面波导的中心导带与前述三角形半模基片集成波导谐振腔的斜边垂直；介质基板的下表面还设置有一条从介质基板一边向内延伸的微带线，该微带线与接地共面波导的中心导带连接。

作为本发明的进一步优化方案，微带线的宽度等于接地共面波导中心导带的宽度。

作为本发明的进一步优化方案，金属化通孔的直径大于或等于金属化通孔间距的二分之一。

作为本发明的进一步优化方案，介质板的厚度远小于介质波长。

作为本发明的进一步优化方案，微带线两侧的介质板上未涂覆金属层。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在三角形基片集成波导背腔平面缝隙天线的基础上，将封闭的三角形基片集成波导谐振腔沿中心对称面切割形成半封闭的三角形半模基片集成波导谐振腔，并作为本发明的背腔结构，将切割形成的开放侧壁作为辐射缝隙，同时采用接地共面波导进行馈电，通过调节共面波导伸入半模腔体中的深度来达到阻抗匹配的要求，从而使天线的辐射效率最高。可以看出，将半模基片集成波导技术应用到谐振腔中，用半封闭谐振腔来代替传统天线中的封闭谐振腔，在保持天线增益几乎不变的同时，又大大减小了天线的几何尺寸，提高了天线集成度。

附图说明

图1是本发明的三维结构图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的仰视图。

其中，1-上层金属层；2-介质板；3-金属化通孔；4-微带线；5-接地共面波导；6-下层金属层。

图4是本实施例仿真的电场等值线分布图。

图5是本发明实施例腔体截面的矢量电场分布。

图6是本发明实施例仿真的s11参数和增益随频率变化图。

图7是本发明实施例仿真的e面方向图。

图8是本发明实施例仿真的h面方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线，是一种基于三角形半模基片集成波导谐振腔的线极化缝隙天线，整个天线包括辐射结构、激励源和半模谐振腔都是被完全设计在单层介质板上。其中，三角形半模基片集成波导谐振腔是由介质板上两排等间距的金属化通孔阵列、上层金属层和下层金属层构成，相当于将等边三角形基片集成波导谐振腔沿其中心对称轴垂直切割而形成的新型半封闭腔体结构，切割面处的电场强度最大，三角形半模基片集成波导谐振腔的开放侧壁作为辐射缝隙。为了使天线能够实现单向辐射，开放侧壁和底层涂覆有金属层的介质板相接，从而提高天线的方向性。作为激励源的接地共面波导结构蚀刻在介质板的下层金属层，从三角形半模基片集成波导谐振腔的斜边伸入，使天线工作在te110模式下。为满足阻抗匹配要求，可通过调节接地共面波导深入腔体的长度实现。同时，为了方便实物测量，将50欧姆微带线和50欧姆接地共面波导的中心导带相接。

对于工作在主模式下的等边三角形基片集成波导谐振腔，腔体内电场呈对称分布，腔体对称面处的电场强度最大，当沿着对称面切割时，便形成了两个三角形半模基片集成波导谐振腔，开放侧壁便表现为理想磁壁的特性。对于三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线，由于半模谐振腔中仍然存在驻波，因此开放侧面（等效磁壁）就相当于等效辐射缝隙结构，因此天线的能量辐射是由半模三角形腔体中模激励等效缝隙产生的。

本发明提供一种三角形半模基片集成波导背腔缝隙天线，其结构如图1至图3所示，包括上、下表面均涂覆有金属层的介质板；介质板上设置有两排相连的等间距金属化通孔，与介质板上下表面金属层、介质板构成三角形半模基片集成波导谐振腔；该三角形半模基片集成波导谐振腔为半封闭腔体，其开放侧壁作为辐射缝隙；介质板下表面设置有一个作为激励源的接地共面波导，该接地共面波导从三角形半模基片集成波导谐振腔开放侧壁的对边接入三角形半模基片集成波导谐振腔，且该接地共面波导的中心导带与前述三角形半模基片集成波导谐振腔开放侧壁的对边垂直；介质基板的下表面还设置有一条从介质基板一边向内延伸的微带线，该微带线与接地共面波导的中心导带连接。

本发明天线是由位于三角形半模基片集成波导谐振腔下层金属层且伸入谐振腔体内部的接地共面波导进行馈电，其中，三角形半模基片集成波导谐振腔是通过在上下表面均涂覆有金属的介质板上打两排金属化通孔阵列来实现的。为了方便天线测量，介质板的下表面还有一条与接地共面波导中心导带以等宽度连接的50欧姆微带线。

本发明中，金属化通孔直径大于金属化通孔间距的二分之一且小于波导工作波长的十分之一，且介质基板的厚度要远小于介质波长，才能使腔体中的电磁场在垂直于介质表面方向上基本没有变化。满足以上两个条件之后，能量泄露基本可以被抑制到可忽略的水平。本发明天线的金属层上并没有蚀刻矩形辐射槽，而是将三角形半模谐振腔体的开放侧壁作为辐射结构，电磁能量通过该侧壁缝隙被辐射到自由空间。

本发明实施例是在厚度为0.5mm的rogersduroid5880单层介质板上实现的，该介质板材料的介电常数为2.2，损耗正切角为0.001；金属化通孔的直径为1mm，金属化通孔的间距为1.5mm；和三角形半模基片集成波导谐振腔的开放侧壁相接的矩形介质板长度为22.5mm，宽度为4mm；共面波导的中心导带宽度为1.45mm，两边缝隙宽度为0.7mm，长度为11.1mm；微带线宽度为1.45mm，长度为4mm。利用三维电磁仿真软件对所提出的天线结构进行仿真，可得到如图4所示的半模基片集成波导谐振腔体中电场等值线的分布图，可以看出，天线的工作模式为模，开放侧壁处电场强度最大。因为在天线的半模基片集成波导谐振腔中，驻波仍然存在，因此开放侧面（等效磁壁）就相当于等效辐射结构，能量便通过侧壁缝隙辐射到自由空间，辐射原理如图5所示。本发明实施例的s11和增益的仿真结果如图6所示，可以看出，天线仿真的工作中心频率为10.23ghz，-10db阻抗带宽范围为10.18~10.30ghz，在工作频段内回波损耗的最低值为-29.3db，可见天线较好地满足了阻抗匹配的要求。另外，在工作频段内天线增益最大值为6.23，是在中心工作频点实现的。图7和图8分别表示天线工作在10.23ghz时，e面和h面的主极化和交叉极化的远场辐射方向图，从这两个方向图可以看出，在130度到220度之间，天线两辐射面的主极化方向图几乎一致，两个切面的交叉极化都处于较低的水平，e面和h面的半率波束宽度分别为72度和88度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。