专利名称：频带展宽的低轮廓背腔集成天线的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，涉及一种频带展宽的低轮廓背腔集成天线，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：
作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。当前已有的低轮廓易共形天线主要采用微带天线或缝隙天线的形式，这类天线虽 然具有低轮廓易共形易平面集成的优点，但它们带宽较窄且单个辐射单元性能较低。为了 提高这类天线的辐射特性，提供在这类天线单元附加金属背腔可以显著提高天线的辐射特 性，但传统的金属背腔体积较大、难于加工且加工成本高昂，破坏了微带天线或缝隙天线的 低轮廓易集成的优点。近年来采用基片集成波导技术构成的新型背腔天线在保留了微带天 线低轮廓易集成优点的基础上又同时保留了背腔天线的高辐射特性，但受限于工作原理所 能实现的工作带宽比较窄，限制了该类天线的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种频带展宽的低轮廓背腔集成天线，这种新型线极化天线 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，该天线与已有的低轮 廓背腔线极化天线相比匹配阻抗带宽得到极大地展宽。本发明的频带展宽的低轮廓背腔集成天线包括介质基片；
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和在腔体区域内部的金属层上的缝隙。所述的介质基片为单层介质基片。所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。所述的电互连阵列为一边具有开口的矩形；所述的馈电单元为由电互连阵列的开 口处伸入的微带线、共面条带线或共面波导传输线；所述的缝隙为与电互连阵列具有开口 的一边平行的直条形缝隙。本发明的频带展宽的低轮廓背腔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。与已有低轮廓背腔天线只利用单个二阶腔体谐振模式来形成辐射相 比，本发明的天线通过设置馈电线伸入腔体中合适的尺寸以及缝隙在腔体中合适的位置， 可以同时激励起二阶腔体谐振模式和一个准一阶腔体谐振模式，其中准一阶腔体谐振模式 的谐振区域位于非馈电端方向、由长方形缝隙和腔体宽边壁围成的长方形区域。这两种腔 体谐振模式都可以产生有效辐射，从而在不增大天线尺寸的基础上使得低轮廓的背腔集成 天线匹配阻抗带宽极大展宽。具体长方形腔体中，在腔体中同时激励起一个二阶腔体模式谐振和一个准一阶腔 体谐振模式。当腔体处于这两种谐振模式时，在靠近腔体中心位置附件蚀刻的非谐振的长 方形缝隙几乎不影响其场分布且可以产生有效的辐射。调节长方形缝隙偏移腔体的中心位 置的距离可以方便地调节在腔体中激励起的两种谐振模式的谐振频率，并使之相互远离， 从而有效展宽天线的匹配阻抗带宽。本发明的频带展宽的低轮廓背腔集成天线具有以下有益效果
a.这种新型背腔集成天线在保留已有低轮廓背腔天线的高辐射特性的基础上，通过 在腔体中心附近合适的位置设置的非谐振长方形缝隙并设置合适的馈电线尺寸，可在腔体 中同时激励起两个不同的腔体谐振模式，从而使得天线的匹配阻抗带宽极大展宽。整个结 构包括馈电网络和腔体都可以在介质基片上实现，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，提高了系统的集成度。b.这种新型背腔集成天线结构简洁，工作原理简单明了。在设计过程中只需要调 节馈电线伸入腔体中的长度、缝隙在腔体中所处的相对位置和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.这种新型背腔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是图1的上金属层结构示意图3是图1的下金属层结构示意图； 图4是本发明实施例的回波损耗曲线图； 图5是本发明实施例在频率9. 7GHz时的辐射方向图； 图6是本发明实施例在频率10. 3GHz时的辐射方向图。
具体实施例方式如图1所示，频带展宽的低轮廓背腔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 序排列为具有长方形轮廓线的且长方形边长分别为17. 8毫米和12. 3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长方形腔体。如图2，金属层5有用于馈电的带地共面波导传输线2 (虚 线方框包含部分)，共面波导传输线2的长度1. 5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从长方形腔体宽边的中心位置垂直伸 入腔体内。如图3，金属层6对应腔体的区域内有一条长度和宽度分别为16. 5毫米和0. 5 毫米的长方形缝隙4，缝隙4的宽边与长方形腔体的宽边平行，且两者在宽边方向的中心线 重合，缝隙4在窄边方向的中心线与腔体在馈电端的宽边壁和非馈电端的宽边壁距离分别 为6. 3毫米和6. 0毫米。
具体结构几何参数如下
Lc(mm)17. 8K(mm)12. 3(mm)16. 5Ifr,(mm)0. 5心(mm)6. 3ds,(mm)6. 0d(mm)1. 0dn(mm)1. 5L CPW(mm)1. 5SCDW(mm)0. 7^CDW(mm)1. 45
其中Lc和Wc分别为长方形腔体的窄边壁和宽边壁的边长，Ls和Ws分别为缝隙的长度 和宽度，和^ 分别为共面波导传输线的长度、空气间隙的宽度和中间金属条带的 宽度，<· 和分别为缝隙的中心线与腔体在馈电端宽边壁和非馈电端宽边壁的距离，J为 通孔直径，dp为通孔的孔心距。该频带展宽的低轮廓背腔集成天线的具体制造过程为首先选取对应参数的介质 基片，在介质基片的金属层制作用于馈电的带地共面波导传输线和用于辐射能量的一条长 方形缝隙。贯穿基片和两面金属层打一系列金属化通孔，构成宽边壁与长方形缝隙平行的 长方形腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免腔体内能量向外泄露。这种新型背腔线极化 天线保留了传统金属背腔天线高增益的辐射特性。选择合适的缝隙位置可方便地调节这种 天线的匹配阻抗带宽。整个天线可完全由普通的平面电路加工工艺实现，可与射频收发前 端乃至整个系统完全无缝集成。图4的回波损耗表明该天线的匹配阻抗带宽达到630MHz。图5和图6的方向图表 面该天线在工作频带内无论在E面还是H面具有高增益，低交叉极化电平等的优异辐射特 性。虽然为了说明的目的参考附图已经描述了一实施例，但是将会理解的是本发明并 不限于这一具体的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明的范围的前提下可以实施 各种其他的改变和改进。
权利要求
1.频带展宽的低轮廓背腔集成天线，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； 所述的电互连阵列为一边具有开口的矩形；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和在腔体区域内部的金属层上的缝隙。
2.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，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所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的电互连单 元为金属化通孔或金属柱。
4.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的馈电单元 为由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。
5.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的缝隙为与 电互连阵列具有开口的一边平行的直条形缝隙。
6.如权利要求1所述的频带展宽的低轮廓背腔集成天线，其特征在于构成电互连阵列 的任意两个相邻电互连单元之间的占空比大于1。
全文摘要
本发明涉及一种频带展宽的低轮廓背腔集成天线。传统天线的金属背腔体积较大、难于加工且加工成本高昂。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，在腔体区域内部的金属层上开有直线型缝隙。本发明在极大减小背腔天线的体积同时显著提高了该类型低轮廓天线的工作带宽，且制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。
文档编号H01Q13/18GK102142616SQ20111002422
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, 李文钧, 江坤, 罗国清 申请人:杭州电子科技大学