专利名称：一种单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微波技术领域，涉及一种基于基片集成波导技术构成 的单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，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，特别适合需要高增 益和多频段工作的应用场合。
技术背景随着通信技术的快速发展，对天线的要求也越来越高，不光是需要天 线具有高性能的辐射功能，而且需要其具有低轮廓轻重量低成本可集成易 共形等特性。而现阶段越来越多的场合需要天线具有多频段工作特性，比 如在综合孔径雷达、个人通信系统和全球定位系统等等。因此设计具有体 积紧凑质轻且制作成本低廉，同时能够平面集成的高增益多频段天线具有 非常重要的意义，它不但可以获取良好的接收效果，同时可以缓解后续射 频电路的指标压力，在提高系统的性能的同时降低系统的成本。目前多频段天线主要分为两大类， 一类是基于多谐振单元天线，这类 天线结构中包含有多个独立的谐振器单元，在不同的工作频段由不同的谐 振器单元产生谐振，再通过辐射单元辐射出去从而形成天线。最典型的应 用包括不同贴片形状的多层贴片天线，这种类型的天线一般体积较大制造 成本高。另一类是电抗性加载天线，这类天线只有一个辐射单元，通过其 本身内在的多模谐振或者通过微扰结构产生的多模谐振，再通过辐射单元 辐射出去形成天线。电抗性加载一大类有在微带天线的辐射边沿连接同轴 线、微带支节线，或在贴片的轴线上加载短路针。另一大类是在贴片上进 行缝隙加载。综合目前多频段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多频段天线。 发明内容本实用新型的目的是提供一种基于基片集成波导技术构成的单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，这种新型背腔双频线极化天线辐射性能好， 增益高，体积小易共形，能够和平面电路无缝集成，而且结构简单，易于 设计加工，制造成本低，综合了现有双频天线和背腔天线的优点。本实用新型的单馈低轮廓背腔双频双线性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长方形，形成长方形的基片集成波 导腔体，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔的孔间距相同。共面波导 传输线由基片集成波导腔体的一角伸入基片集成波导腔体内，其金属条带 的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合；下金属层对应基片集成波导 腔体的区域内蚀刻有两条宽度相同且垂直相交的长条形辐射缝隙，其中较 长的辐射缝隙与基片集成波导腔体的短边平行，较短的辐射缝隙与基片集 成波导腔体的长边平行；两条辐射缝隙的交叉点与基片集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。本实用新型的单馈低轮廓背腔双频双线性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的闭合金属腔的腔体结 构，激发其不同模式的谐振，通过不同长度的缝隙将谐振能量向空间辐 射，形成背腔双频线极化天线。它与普通的电抗加载双频天线相比由于引 入了腔体结构，所以辐射特性好，增益高。而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长方形基片集成波导腔体。在双面金属层的上 金属层蚀刻出用于馈电的微带线，然后通过共面波导结构将电磁波引入长 方形的基片集成波导腔体。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有垂直相交的两条长条形缝隙，可以辐射不同频率的电磁能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长方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。其中谐振在不同频率的二阶模和三阶模的电流分 布在腔体的两条对称轴线位置处于最大而且流向唯一。在腔体两条对称轴 线位置金属层上蚀刻的相互正交的两条长条形缝隙最大程度地切割电流 线，从而将两个不同谐振频率的电磁波能量最大程度地向空间辐射形成天 线。有益效果基于基片集成波导技术构成的单馈低轮廓背腔双频双线性 极化天线具有以下优点a. 这种新型的背腔双频线极化天线保留了传统的金属背腔天线高增益 的优良辐射特性，同时又保留了传统电抗性加载双频天线的低轮廓特性。 整个天线包括馈电结构和腔体结构都可以在介质基片上实现，天线的体积 极为紧凑，整个天线可以与平面电路完全无缝集成，提高了系统的集成 度。b. 这种新型的背腔双频线极化天线结构简洁，工作原理简单明了。在 设计过程中只需要调节共面波导传输线的长度，辐射缝隙的长度，以及由 金属通孔构成的长方形基片集成波导腔体的长度和宽度就可以得到所需要 的性能。结构参数少，大大縮短了设计并优化的时间。C.这种新型的背腔双频线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1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的立体结构示意图；图3是本实用新型的上金属层结构示意图；图4是本实用新型的下金属层结构示意图；图5是本实用新型一实施例的回波损耗仿真和测试结果的比较图；图6是本实用新型一实施例的增益的仿真测试结果的对比图；图7是本实用新型一实施例在9.5 GHz时辐射方向图的测试结果图；图8是本实用新型一实施例在10.5GHz时辐射方向图的测试结果图。
具体实施方式
如图1和2所示，单馈低轮廓背腔双频双线性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6和下金属层7，其中下金属层7作为地层。如图3，上金属层 6蚀刻有用于馈电的微带线2和共面波导传输线3(虚线框包含部分)，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7.5毫米。贯穿上金属层 6、介质基片1和下金属层7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顺序排列为边长为17.9毫米和 16.1毫米的长方形，形成长方形的基片集成波导腔体，基片集成波导腔体 各边上的金属化通孔4的孔间距相同，均为1.5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5.54毫米，中间金属 条带的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合。如图4，下金属层7对 应基片集成波导腔体的区域内蚀刻有宽度同为1毫米长度分别为12.5毫 米和10.5毫米的两条垂直相交的长条形辐射缝隙5，其中12.5毫米的辐 射缝隙5与基片集成波导腔体的16.1毫米的边平行，10.5毫米的辐射缝隙 5与基片集成波导腔体的17.9毫米的边平行。辐射缝隙5的交叉点与基片 集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。该单馈低轮廓背腔双频双线性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两条用于辐射能量的垂直相交的缝隙，最后在整个基片上围绕两条垂直相交缝隙以均匀的间隔打 一系列金属化通孔，构成与两条缝隙中心重合、边沿分别与其平行的长方 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。这种新型背腔双频线极化天线保留了传统金属背腔天线的高增益辐射 特性，同时又保留了传统电抗性加载双频天线的低轮廓特性。选择合适大 小的辐射缝隙和长方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为该线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9.5GHz和10GHz的两个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两个工作频带内具有高达5.5dBi 的增益。图7 8的方向图测试结果表面该天线在两个工作频带内无论在 E面还是H面具有良好的定向性，低交叉极化电平等的优良辐射特性。
权利要求1、一种单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线，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；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金属化通孔；多个金属化通孔顺序排列为长方形，形成长方形的基片集成波导腔体，基片集成波导腔体各边上的金属化通孔的孔间距相同；共面波导传输线由基片集成波导腔体的一角伸入基片集成波导腔体内，其金属条带的中心线与基片集成波导腔体的对角线重合；下金属层对应基片集成波导腔体的区域内蚀刻有两条宽度相同且垂直相交的长条形辐射缝隙，其中较长的辐射缝隙与基片集成波导腔体的短边平行，较短的辐射缝隙与基片集成波导腔体的长边平行；两条辐射缝隙的交叉点与基片集成波导腔体的中心重合，且均以交叉点作为中心点。
专利摘要本实用新型涉及一种单馈低轮廓背腔双频双线性极化天线。普通双频天线单个辐射单元的性能较低，已有双频背腔天线体积大、结构复杂，制造成本高。本实用新型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长方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两条相互垂直的长条形辐射缝隙。本实用新型制作成本低，可与微带电路无缝集成，提高了系统的集成度。与已有背腔双频天线需要精密的机械加工相比，制造速度快，成本低廉。
文档编号H01Q1/38GK201117807SQ20072019163
公开日2008年9月17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