专利名称：低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于基片集成波导技术构成的低 轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线，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，用于解决
Faraday电磁旋转效应等造成的极化失配问题，同时还可以起到抑制雨雾
干扰和抗多径反射的作用。
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。由于 空间中电波传播的Famday旋转效应，以及移动通信中的接收天线位置的 不确定性，如果采用传统的单极化天线做为收发单元，需要收发天线极化 匹配对准才能实现较好的接收效果。而圆极化天线辐射出来的等幅旋转场 可以分解为幅度相等相位相差90度的两个正交线极化波，普遍应用于无 线通信中解决极化失配的问题。同时由于圆极化波入射到对称目标时的旋 向逆转特性，圆极化天线应用于移动通信、卫星通信领域还起到抑制雨雾 干扰和抗多径反射的作用。因此设计高性能的圆极化天线不但可以避免极 化失配而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，显著提高系统的性能、降低系统的成本。特别在卫星通信、射频识 别等体积重量具有严格限制的无线通信应用场合，设计具有低轮廓的高性 能圆极化天线尤其重要。
圆极化天线的实现方式多种多样，包括微带贴片天线、微带缝隙开槽 天线、波导缝隙开槽天线、背腔圆极化天线以及螺旋天线等几种形式。微 带形式的圆极化天线具有低轮廓易共形的优点，应用最为广泛。它的馈电 方式主要有缝隙耦合馈电和同轴波导馈电两种方式，其中缝隙耦合馈电主 要采用多层PCB工艺实现，对于国内的工艺来说价格高昂而且工艺不是 很稳定。而同轴馈电方式虽然简单，但它不能和平面电路无缝集成，导致体积较大。波导缝隙开槽圆极化天线适用于阵列天线应用，单个辐射单元 体积小，组成阵列体积紧凑，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，广泛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，加工工艺复杂，成本高 昂，限制了它的广泛使用；背腔圆极化天线一般是由平面基片上实现的馈 电、辐射单元和背面附加的金属腔体构成，这种天线的增益高，定向性
好，但同样加工复杂成本高，体积大。为了解决这些问题Sievenpiper等 人提出在基片上压嵌金属条的方式构成腔体结构，同时采用同轴在合适的 位置对其进行馈电从而形成背腔圆极化天线。这种实现方式和以前的背腔 圆极化天线相比体积大大减小，但是其加工成本仍然较高，同样无法平面 集成；螺旋天线主要应用于地球站和卫星链路的空间应用当中，它具有增 益高、轴率低、轴比带宽大等优点，但它的三维立体螺旋辐射结构决定了 其具有体积大无法平面集成等缺点。综合目前圆极化天线的研究现状可 知，仍然需要研究采用新工艺新结构来实现低成本低轮廓的高性能圆极化 天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于基片集成波导技术构成的低轮廓背腔圆 环形缝隙一点短路圆极化天线，这种新型圆极化天线辐射性能好，增益 高，轮廓低，可无缝平面集成，结构简单，易于设计，易于加工，成本 低。该圆极化天线与现有基于环型缝隙一点短路的背腔圆极化天线相比体 积大大减小，制造成本显著降低。
本发明的低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线包括介质基片， 介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层，其中下金属层 作为地层；上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共面波导传输线，共面波 导传输线是共地共面波导结构，其中间金属条带向外延伸，作为微带线； 贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有通孔，通孔内壁镀有金属，形成 金属化通孔；多个金属化通孔顺序排列为圆形，形成圆形的基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波导腔体的相邻金属化通孔的孔间距相同；共面 波导传输线伸入基片集成波导腔体内，基片集成波导腔体的圆心位于共面 波导传输线的金属条带的中心线上；下金属层在基片集成波导腔体的区域
内蚀刻具有一点短路的圆环形辐射缝隙，辐射缝隙与基片集成波导腔体同 心设置，短路点的中心和辐射缝隙的圆心的连线与馈电结构中金属条带的
中心线垂直。
所述的金属化通孔的直径小于天线工作的中心频率所对应空气波长的 十分之一，金属化通孔的直径和相邻两个金属化通孔的孔心距的比值大于
0.5。
本发明的低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线是在普通的介质 基片上通过采用基片集成波导技术制造等效于传统金属腔的基片集成波导 腔体结构，从而极大地减小了背腔圆极化天线的体积。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 PCB工艺制作，制作成本显著降低，并可与微带电路实现无缝集成。在结 构上，基片为具有双面金属层的介质基片，在介质基片上以均匀的间隔设 有一系列金属化通孔，形成等效于传统金属腔体的圆形基片集成波导腔 体。在双面金属层的上金属层蚀刻用于馈电的微带线，然后通过共面波导 结构将电磁波引入圆形基片集成波导腔体。在双面金属层的下金属层对应 基片集成波导腔体区域内蚀刻具有一点短路的圆环形辐射缝隙，可以辐射 电磁能量。
具体工作原理电磁波由微带线馈电，再通过共面波导传输线将其引 入到由基片集成波导技术构成的圆形基片集成波导腔体中，从而激励起腔 体中多个模式的谐振。由于腔体是二维对称的结构，因此必然会激励起二 阶的两个相互正交的简并模式。此时通过调节圆环形缝隙上短路点的位置 和宽度可以将两个相互正交的简并谐振模式分离，并通过缝隙将能量辐射 出去从而形成天线。调节腔体的尺寸、圆环形缝隙的半径以及短路点的位 置和宽度可以在需要的频率将由相互正交谐振模式辐射出去的电磁波的相
位差调整为90度，从而使得辐射出去的电磁波形成圆极化。
有益效果基于基片集成波导技术构成的低轮廓背腔圆环形缝隙一点 短路圆极化天线具有以下优点
a. 这种新型的背腔圆极化天线保留了传统的金属背腔圆极化天线高增 益等的优良辐射特性，同时整个天线包括背腔结构和馈电网络都可以在同 一块介质基片上实现，不但使得天线的体积大大的减小，而且整个天线可 以与系统完全平面无缝集成，提高了系统的集成度。
b. 这种新型的背腔圆极化天线结构简单，全部结构在一块普通的介质
基片上实现。在设计过程中只需要调节辐射缝隙的半径、短路点的位置， 以及由金属通孔构成的圆形基片集成波导腔体的半径就可以得到所需要的 性能。结构参数少，大大縮短了设计并优化的时间。
C.这种新型的背腔圆极化天线制造简单方便，用普通的PCB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l是本发明的结构示意图2是本发明的立体结构示意图3是本发明的上金属层结构示意图4是本发明的下金属层结构示意图5是本发明一实施例的回波损耗仿真和测试结果的比较图； 图6是本发明一实施例的轴比和增益的仿真测试结果的对比图7是本发明一实施例在12GHz时X-Y平面内辐射方向图的测试结 果图8是本发明一实施例在12GHz时X-Z平面内辐射方向图的测试结 果具体实施例方式
如图l和2所示，低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线包括厚
度为0.5毫米Rogers5880介质基片1，介质基片1的两面镀有金属层，分 别是上金属层7和下金属层8，其中下金属层8作为地层。如图3，上金 属层7蚀刻有用于馈电的微带线2和共面波导传输线3(虚线方框包含部 分)，共面波导传输线3是共地共面波导结构，其中间金属条带向外延 伸，作为微带线2。微带线2的长度和宽度分别为4毫米和1.45毫米，共 面波导传输线3的两条空气间隙的宽度均为0.7毫米，长度为8.2毫米。 贯穿上金属层7、介质基片1和下金属层8开有直径为1毫米的通孔，通 孔内壁镀有金属，形成金属化通孔4。多个金属化通孔4顺序排列为半径 为11.9毫米的圆形，形成圆形基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波 导腔体的金属化通孔4阵列的孔间距相同，均为1.35毫米。共面波导传 输线3伸入基片集成波导腔体内，其顶端距离腔体的中心6.0毫米，中间 金属条带的中心线与基片集成波导腔体的一条直径重合。如图4，下金属 层8在基片集成波导腔体的区域内蚀刻有宽度为1毫米半径为6.2毫米， 圆心与圆形基片集成波导腔体的圆心重合的圆环形辐射缝隙5。在圆环形 辐射缝隙5上具有长度为1.0毫米的一点短路6 (虚线圆框包含部分)， 一点短路6的中心与辐射缝隙的圆心的连线与馈电结构中金属条带的中心 线垂直。
具体结构几何参数如下
其中^为基片集成波导圆形腔体的半径，Z皿和『皿分别为馈电微带 线的长度和宽度，4，和ge"分别为共面波导缝隙的长度和宽度，r,和W 分别为圆形缝隙的半径和宽度，A为圆形缝隙上短路点的长度，Z^为共面 波导顶端与腔体圆心之间的距离，a为馈电金属条带的中心线与短路点和 圆形缝隙圆心之间连线的夹角，"为通孔直径，《为通孔的孔心距，A为 基片厚度。
<formula>formula see original document page 8</formula>
该共面波导单点馈电背腔圆极化天线的具体制造过程为首先选取对 应参数的基片，在基片的上金属层蚀刻出用于馈电的微带线和共面波导传 输线，然后在基片的下金属层上合适的位置蚀刻一点短路的圆环形缝隙， 最后在整个基片上围绕一点短路圆环形缝隙以均匀的间隔打一系列金属化 通孔，构成中心与圆形缝隙圆心重合的圆形基片集成波导腔体。选择合适 的孔径和孔间距，避免腔体内能量向外泄露。这种新型背腔圆极化天线保 留了传统金属背腔圆极化天线的高增益的辐射特性。选择合适大小的辐射 缝隙和圆形基片集成波导腔体的尺寸，可方便地调节这种天线的工作频 率。整个天线完全由普通的PCB工艺实现，可以与系统完全无缝集成。
图5到图8为该圆极化天线性能的测试结果。图5仿真测试结果表明 该天线在中心频率为12GHz的工作频带内能够有效地辐射能量。图6仿 真测试结果均表明该天线在工作频带内3dB轴比带宽90MHz，增益高达 8.0dBi。图7 8的方向图测试结果表面在工作频率12GHz时该天线无论 在X-Y平面还是X-Z平面内都呈现良好的右旋圆极化辐射特性，增益 高，定向性好，交叉极化电平低。
权利要求
1、低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线，包括介质基片，其特征在于介质基片的两面镀有金属层，分别是上金属层和下金属层，其中下金属层作为地层；上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共面波导传输线，共面波导传输线是共地共面波导结构，其中间金属条带向外延伸，作为微带线；贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有通孔，通孔内壁镀有金属，形成金属化通孔；多个金属化通孔顺序排列为圆形，形成圆形的基片集成波导腔体，构成圆形基片集成波导腔体的相邻金属化通孔的孔间距相同；共面波导传输线伸入基片集成波导腔体内，基片集成波导腔体的圆心位于共面波导传输线的金属条带的中心线上；下金属层在基片集成波导腔体的区域内蚀刻具有一点短路的圆环形辐射缝隙，辐射缝隙与基片集成波导腔体同心设置，短路点的中心和辐射缝隙的圆心的连线与馈电结构中金属条带的中心线垂直。
2、 如权利要求1所述的低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天 线，其特征在于所述的金属化通孔的直径小于天线工作的中心频率所对应 空气波长的十分之一，金属化通孔的直径和相邻两个金属化通孔的孔心距 的比值大于0.5。
全文摘要
本发明涉及一种低轮廓背腔圆环形缝隙一点短路圆极化天线。已有的基于环形缝隙一点短路的背腔圆极化天线结构复杂、体积大、无法平面集成、成本高。本发明在介质基片的两面镀有金属层，上金属层蚀刻有用于馈电的微带线和共地共面波导传输线，共面波导传输线的中间金属条带向外延伸，作为微带线。贯穿上金属层、介质基片和下金属层开有排列为圆形的多个金属化通孔，形成腔体，共面波导传输线伸入腔体内。下金属层在对应腔体的区域内蚀刻有一条一点短路的圆环形辐射缝隙。与已有金属腔体构成的背腔圆极化天线相比，本发明采用普通的PCB工艺制作，制作成本低，可与微带电路无缝集成，提高了系统的集成度。
文档编号H01Q1/38GK101170213SQ200710156688
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月12日 优先权日2007年11月12日
发明者孙玲玲, 罗国清 申请人:杭州电子科技大学