一种低剖面LTCC毫米波双极化天线的制作方法

本发明涉及毫米波天线技术领域，更具体地，涉及一种低剖面低温共烧陶瓷(lowtemperatureco-firedceramic，ltcc)毫米波双极化天线。

背景技术

随着无线通讯的不断发展，微波及以下的频谱资源日益紧张，为解决这一问题，人们逐渐将目光转移向了毫米波频段。相较于微波频段，毫米波具有频带宽，波束窄，传输速率快，探测能力强，抗干扰能力强，穿透性好等优点。这使得毫米波系统在高速数据传输，空间通信，精确制导和高分辨率成像雷达等领域有着广泛的应用。毫米波天线作为毫米波系统中的关键部件，其性能的好坏在一定程度上决定了整个毫米波系统的性能。由于毫米波在大气中传播时会有较大的衰减，同时为了满足毫米波系统小型化的需求，一般要求毫米波天线具有高增益、小体积、质量轻等特点。

双极化天线，顾名思义，可以同时接收或发射两个极化方式相互垂直的信号，而且互不干扰。双极化天线可以根据系统实际应用的需求动态地改变其工作的极化方式，从而提供极化分集以对抗多径衰落和增加信道容量。由于其具有极化多样性这一巨大优势，在通信和雷达领域应用较为广泛。

现有的双极化天线形式主要是微带天线，但是当到达毫米波频段，微带线的巨大损耗会大大降低天线的效率，难以获得广泛应用。因此，能否研制出一种兼具双极化、宽频带、高隔离度和低剖面的双极化天线在毫米波通讯系统中至关重要。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有双极化天线在毫米波频段，微带线的巨大损耗会大大降低天线的效率，难以获得广泛应用，其无法兼具宽频带、高隔离度和低剖面优势的技术问题。

为实现上述目的，本发明基于ltcc特有的多层平面工艺，通过采用基片集成腔辐射结构，利用腔体的高次模进行辐射，同时腔体结构可以抑制基板表面波，提高天线的辐射效率，实现天线的高增益；通过分离贴片谐振模式和腔体谐振模式，实现天线工作频带展宽；采用基片集成波导馈电结构及独特的输入输出耦合结构，增加两个极化端口的隔离度。

本发明提供一种低剖面ltcc毫米波双极化天线，包括：逐层由上到下分布的基片集成腔、上层基片集成波导、中间过渡结构以及下层基片集成波导；

所述基片集成腔下表面设置有十字交叉缝隙，所述十字交叉缝隙包括第一缝隙和第二缝隙，所示第一缝隙沿第一方向，所述第二缝隙沿第二方向，所述第一方向与第二方向垂直；所述上层基片集成波导的下表面设置有第三缝隙，所述第三缝隙沿第二方向；所述中间过渡结构的下表面设置有第四缝隙，所述第四缝隙沿第二方向，所述第二缝隙、第三缝隙以及第四缝隙垂直位置相对应；所述上层基片集成波导的侧面设置有第一端口，所述下层基片集成波导的侧面设置有第二端口；

由第一端口输入的电磁波在上层基片集成波导传输，通过第一缝隙耦合进入基片集成腔，产生第一方向极化辐射；由第二端口输入的电磁波通过下层基片集成波导传输，通过第四缝隙耦合进入中间过渡结构，通过第三缝隙耦合进入上层基片集成波导，通过第二缝隙耦合进入基片集成腔，产生第二方向极化；

当天线接收第一方向极化的电磁波时，基片集成腔体内产生第一方向的电场，电磁能量通过第一缝隙进入上层基片集成波导；当天线接收第二方向极化的电磁波时，基片集成腔体内产生第二方向的电场，电磁能量通过第二缝隙进入上层基片集成波导，并且通过第三缝隙耦合进入中间过渡结构，再通过第四缝隙耦合进入下层基片集成波导。

其中，可将上层基片集成波导、中间过渡结构以及下层基片集成波导构成的结构称为双极化馈电网络。

具体地，基片集成腔作为天线的主要辐射体，使由双极化馈电网络输入的电磁波在腔体内产生谐振，并通过口径面向外辐射；或通过口径面接收电磁波，使电磁波在腔体内产生谐振，并通过双极化馈电网络输出。

需要说明的是，基片集成腔的下表面与上层基片集成波导的上表面共金属电极，即基片集成腔的下表面为上层基片集成波导的上表面。相应地，上层基片集成波导的下表面为中间过渡结构的上表面，中间过渡结构的下表面为下层基片集成波导的上表面。也就是说，第一缝隙和第二缝隙也位于上层基片集成波导的上表面，第三缝隙也位于中间过渡结构的上表面，第四缝隙也位于下层基片集成波导的上表面。

采用ltcc特有的多层工艺使得天线的结构设计更加多样化，天线的结构从二维平面空间向三维立体空间发展，天线结构更加紧凑，天线实现小型化。同时，采用基片集成波导技术，大大减小天线结构的剖面。

其中，毫米波天线指工作在毫米波段的天线，具体波长为1～10毫米的电磁波称毫米波。毫米波频率范围为26.5ghz～300ghz。

可选地，所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙以及第四缝隙的长度为波导波长的二分之一，所述波导波长为电磁波在上层基片集成波导或下层基片集成波导中的波长，所述上层基片集成波导和下层基片集成波导的结构相同。

可选地，所述第一方向为平行于x轴的方向，所述第二方向为平行于y轴的方向，所述金属贴片、基片集成腔、上层基片集成波导、中间过渡结构以及下层基片集成波导沿z轴方向逐层分布。

可选地，所述基片集成腔、上层基片集成波导、中间过渡结构以及下层基片集成波导的能量传输区域均为矩形结构，所述基片集成腔和中间过渡结构矩形结构的四个面均由多个金属通孔围成，所述第一端口为上层基片集成波导矩形结构的一个面，所述第二端口为下层基片集成波导矩形结构的一个面，所述上层基片集成波导和下层基片集成波导矩形结构的另外三个面由多个金属通孔围成。

可选地，低剖面ltcc毫米波双极化天线还包括：位于基片集成腔上表面的金属贴片；基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生第一方向或第二方向的极化辐射。

具体地，金属贴片位于基片集成腔表面，即天线口径面，当天线工作于接收或发射状态下，电磁波在基片集成腔内发生谐振时，金属贴片上感应出谐振场，进而引入另一个谐振模式，使天线工作带宽得以扩展。

可选地，所述基片集成腔由4层ltcc基片与相邻ltcc基片间的金属层压制而成。

可选地，所述金属贴片与所述基片集成腔和所述十字交叉缝隙中心对齐。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明基于ltcc的多层平面工艺，通过采用基片集成腔辐射结构，利用腔体的高次模进行辐射，同时腔体结构可以抑制基板表面波，提高天线的辐射效率，实现天线的高增益。

本发明通过分离金属贴片谐振模式和腔体谐振模式，实现天线工作频带展宽。

本发明采用基片集成波导馈电结构及双极化馈电网络的输入输出耦合结构，增加两个极化端口的隔离度。

附图说明

图1为本发明提供的ltcc毫米波双极化口径天线的三维结构示意图；

图2(a)为本发明提供的实施例中双极化天线的s参数仿真结果；

图2(b)为本发明提供的实施例中天线s11随基片集成腔体尺寸变化的示意图；

图2(c)为本发明提供的实施例中天线s11随寄生金属贴片尺寸变化的示意图；

图3(a)为本发明提供的实施例中1端口和2端口在77ghz处的e面辐射方向图；

图3(b)为本发明提供的实施例中1端口和2端口在77ghz处的h面辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的在于提供一种低剖面ltcc毫米波双极化天线，旨在较低的剖面高度下，实现天线的高增益、宽频带和双端口的高隔离度。本发明基于ltcc的多层平面工艺，通过采用基片集成腔辐射结构，利用腔体的高次模进行辐射，同时腔体结构可以抑制基板表面波，提高天线的辐射效率，实现天线的高增益；通过分离贴片谐振模式和腔体谐振模式，实现天线工作频带展宽；采用基片集成波导馈电结构及独特的输入输出耦合结构，增加两个极化端口的隔离度。

在一个实施例中，本发明提供的采用ltcc技术的低剖面毫米波双极化天线，包括：

基片集成腔，作为天线的主要辐射体，使由双极化馈电网络输入的电磁波在腔体内产生谐振，并通过口径面向外辐射；或通过口径面接收电磁波，使电磁波在腔体内产生谐振，并通过双极化馈电网络输出。

金属贴片，位于基片集成腔表面，即天线口径面，当天线工作于接收或发射状态下，电磁波在基片集成腔内发生谐振时，金属贴片上感应出谐振场，进而引入另一个谐振模式，使天线工作带宽得以扩展。

双极化馈电网络，由三层基片集成波导组成，由端口1输入的电磁波通过上层基片集成波导传输，通过平行于波导短路面的第一缝隙耦合进入基片集成腔，并通过基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生x方向极化辐射。由端口2输入的电磁波通过下层基片集成波导传输，通过平行于波导短路面的第四耦合进入中间层的过渡结构，再通过过渡结构顶层第三缝隙耦合进入上层基片集成波导，然后通过垂直于上层波导短路面的第二缝隙耦合进入基片集成腔，并通过基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生y方向极化。

当天线处于接收状态时，当接收x方向极化的电磁波时，基片集成腔体内产生x方向的电场，则能量通过平行于上层基片集成波导短路面的第一缝隙进入上层基片集成波导，而第二缝隙位于上层基片集成波导的中心线上，能量不能通过第二缝隙进入下面的结构，只能通过上层基片集成波导传输；而当天线接收y方向极化的电磁波时，基片集成腔体内产生y方向的电场，则电磁能量通过垂直于上层基片集成波导短路面的第二缝隙进入上层基片集成波导，并且通过第三缝隙和第四缝隙耦合进入下层基片集成波导，能量在下层基片集成波导中传输。

进一步地，基片集成腔中的谐振模式为高次谐振模式。

进一步地，金属贴片用以调整天线口径面中场分布的作用，使基片集成腔产生有效辐射。

进一步地，基片集成腔体下表面刻有用于电磁波传输的十字交叉缝隙。

进一步地，金属贴片与基片集成腔体和十字交叉馈电缝隙呈中心对齐。

进一步地，上层基片集成波导包含三层ltcc基片，由两排平行的金属过孔和一排与之正交排列的金属过孔构成。

进一步地，中间过渡结构包含三层ltcc基片，由金属过孔围成。

进一步地，下层基片集成波导包含三层ltcc基片，由两排平行的金属过孔和一排与之正交排列的金属过孔构成。

进一步地，所有结构基片集成腔、上层基片集成波导、中间过渡结构以及下层基片集成波导通过缝隙耦合。

图1是本发明提供的ltcc毫米波双极化口径天线的三维结构示意图。如图1所示，ltcc毫米波双极化口径天线包括基片集成腔体1、金属贴片101和双极化馈电网络。金属贴片101位于基片集成腔体1上表面正中心。双极化馈电网络分为三层，分别为上层基片集成波导2，中间过渡结构3和下层基片集成波导金属波导4。基片集成腔体1下表面金属层设置十字交叉缝隙201和202，201和202分别平行于y轴和x轴，上层金属波导下表面和中间过渡结构下表面金属层，分别设置有平行于x轴的缝隙301和401。

基片集成波导腔体由4层厚度为0.096mm，相对介电常数为6的ltcc基片和与相邻介质间的金属层压制而成，通过金属过孔围成一个矩形基片集成腔。金属过孔直径为0.1mm，相邻两个金属过孔中心距离为0.25mm。相应的金属层在金属过孔围成的基片集成腔内刻蚀出与之对应的矩形窗口。正方形的基片集成腔尺寸为2.87mm×2.87mm。

金属贴片101位于基片集成腔体1的上表面，位于基片集成腔体1的中心，为正方形，与基片集成腔体的方向一致，尺寸为1.4mm×1.4mm。

电磁波通过基片集成腔体下表面的缝隙进入基片集成腔，在腔体中产生高次模谐振。金属贴片通过改变基片集成腔内电磁场分布从而使基片集成腔正常辐射。基片集成腔体内的电磁波存在高次模，其辐射口径大于只存在基模的基片集成腔体口径，大的辐射口径能够提高毫米波天线的增益，因此本发明提出的毫米波天线具有高增益的特点。

本实施例中，上层基片集成波导馈电时，平行于x轴的缝隙202、301、401与上层基片集成波导的中心线在竖直方向上投影重合，能量不会通过这些缝隙辐射，此时，电磁场只会通过平行于y轴的缝隙201辐射，对基片集成腔进行馈电。基片集成腔接收缝隙102辐射的电磁波产生谐振，产生x方向的极化。

当下层基片集成波导馈电时，平行于x轴缝隙401偏离下层基片集成波导中心线，能产生辐射，辐射能量通过中间基片集成波导上层的缝隙301传递给上层基片集成波导，此时，平行于y轴的缝隙201不辐射能量，只能通过平行于x轴的缝隙202辐射能量，能量进入基片集成腔体是，产生谐振，产生y方向的极化。

进一步地，通过改变缝隙201的长度和距离上层波导短路边的距离调节第一极化的阻抗匹配；通过调节缝隙401的长度和位置、缝隙301的长度、缝隙202的长度、金属过孔402的位置可实现第二极化的阻抗匹配。

图2(a)为本发明提供的双极化天线的s参数仿真结果，如图2(a)端口1的回拨损耗曲线为s11，端口2的回波损耗曲线为s22，两个端口的隔离度为s21。从图中可知，双极化天线的两个端口的阻抗带宽分别为74.64ghz-84.67ghz和75.18ghz-85.77ghz，端口隔离度在相应的频段内低于-40db，端口隔离度较高。可以发现天线包含两个谐振峰，图2(b)为本发明提供的天线s11随腔体尺寸变化而变化的示意图，可以发现当增大腔体尺寸时，低频谐振点几乎不变，而高频谐振点持续向低频移动；图2(c)为本发明提供的天线s11随金属贴片尺寸变化而变化的示意图，可以发现当增大金属贴片长度时，高频谐振点几乎不变，而低频谐振点持续向更低频移动。即证明天线由贴片和基片集成腔体分别产生两个谐振点，因此可以通过调节参数使两个谐振点分离，从而增大天线的阻抗带宽。

图3(a)、图3(b)分别为本发明提供的实施例中的端口1和端口2在77ghz处的e面方向图和h面方向图，实线表示天线的e面方向图，虚线表示天线的h面方向图，图3(a)为端口1的方向图，图3(b)为端口2输入时的方向图。可以发现两端口在77ghz处，天线增益(gain)为9.87dbi，可知两端口方向图一致性很高，说明两个极化方式都正常辐射。

本发明提供的ltcc毫米波双极化天线不仅限于用ltcc流延片压制而成，也可以通过多层印刷电路版制成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。