本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种单层单馈背腔圆极化滤波天线，可作为小型化无线收发机射频前端的天线，广泛应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中。
背景技术：
低剖面、高增益的宽带圆极化天线由于其轻重量、小体积以及能够对抗多路径干扰等优势在现代通信系统中有十分广泛的应用前景。缝隙天线和微带天线由于其平面结构、结构简单、易于集成等优势能让天线具备低剖面的优势，而背腔天线由于能通过抑制表面波来使天线获得较高的增益。此外，基片集成波导技术的发展实现了背腔天线的平面化，进一步降低了天线的剖面。如今，带宽的拓展是上述低剖面、高增益的宽带圆极化天线进一步发展的关键。然而，目前的单馈圆极化背腔天线的工作带宽普遍不超过5％，而多端口的圆极化背腔天线又会增加结构的复杂度。因此。研发宽带单馈圆极化背腔天线是十分有意义的。
近年来，由于贴合紧凑、高效、稳定的无线通信系统发展趋势，多功能器件的研发受到了研究者们的广泛关注。滤波天线作为多功能器件，不仅很好地集成了天线和滤波器的功能还兼具结构紧凑，插入损耗低等优势。因此，滤波天线的研发呈现了逐年加快的趋势。在诸多滤波天线的设计中，高q值的腔体滤波天线以其更好的选择性和更小的插入损耗而成为了滤波天线的重点研究类型。腔体滤波天线的一般设计思路是将天线作为滤波器的末级谐振器，而遵循这个思路设计出来的滤波天线虽然具有很好的选择性，但同时因为其构造要么是多层结构，要么在用一层中使用多个谐振腔而存在体积较大的问题。因此，若在单层单腔中集成天线和滤波器，滤波天线这种多功能器件的小型化优势将进一步扩大。
综上所述，为了克服腔体滤波天线体积过大以及圆极化背腔天线带宽过窄的问题，本发明提出了单层单腔单馈的背腔圆极化滤波天线。本发明通过结合谐振腔和微带贴片的多个模式，除了使天线具备滤波特性外，还实现了较宽的带宽。值得一提的是，本发明的轴比带宽在单馈单层圆极化天线中是相当可观的。此外，高增益也是该款天线的一个显著优势。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种单层单馈背腔圆极化滤波天线，具体是在单层基片集成波导腔体中进行了天线和滤波器的一体化设计，同时实现了带通滤波器和圆极化辐射器的功能。本发明提出的天线结构简单，只使用了单层介质基板和单个基片集成波导谐振腔，其加工十分简单，制作成本也很低。此外，在结构简单的同时该天线还具有良好的辐射特性，其带宽、增益均十分优良。
实现本发明目的的技术解决方案：
单层单腔单馈的背腔圆极化滤波天线，包括了两个金属面和一个介质基板。
上层金属面m1覆盖在介质基板s的上表面。在上层金属面m1的中心开有一镂空矩形区域，该镂空矩形区域内设有一个切边方形金属贴片p1。切边金属贴片p1与上层金属面m1之间留有环形缝隙p2。
所述的切边方形金属贴片p1为两对边均开有一缺口的方形结构；
作为优选，所述的切边方形金属贴片p1的两缺口与切边金属贴片p1中心位于同一直线上。
作为优选，所述的上层金属面m1，环形缝隙p2与切边金属贴片p1中心重合。
作为优选，所述的环形缝隙p2与切边金属贴片p1的对角线与x轴或y轴平行。
在xoy坐标系中，上层金属面m1的第一象限和第三象限区域刻有轴对称的缝隙s1、s2。缝隙s1、s2的对称轴为切边方形金属贴片p1的两缺口与切边金属贴片p1中心所在的直线。缝隙s1、s2与切边金属贴片p1的边长平行。
作为优选，所述的上层金属面m1与介质基板s同尺寸。
作为优选，所述的介质基板s为正方形。
所述的介质基板s设有两排周期性分布的第一金属化通孔阵列，该金属化通孔阵列与介质基板s边垂直设置。
由第一金属化通孔阵列、基质基板s、上下层金属面构成基片集成矩形波导w。
作为优选，基片集成矩形波导w位于切边金属贴片p1的对角线上。
作为优选，w位于x轴正半轴且关于x轴对称。
所述的介质基板s内蚀刻有由第二金属化通孔围成的缺角方形腔体c，即基片集成波导腔体c；该缺角方形腔体c的其中一个角缺角，且缺角与基片集成矩形波导w连接。
作为优选，缺角方形腔体c的中心与介质基板s的中心重合。
所述的介质基板s的中心刻蚀有一个第二金属化通孔v1。
上述所有金属化通孔均与上下层金属面连接。
作为优选，所述的缺角方形腔体c的对角线与x轴或y轴平行。
下层金属面m2覆盖在介质基板s的下表面。下层金属面m2蚀刻有共面波导传输线t。下层金属面m2的位于第一金属化通孔阵列内区域刻蚀有两条轴对称l形缝隙，上述l形缝隙与下层金属面m2边沿接触的边与下层金属面m2边沿垂直设置。两条轴对称l形缝隙间的下层金属面m2区域与两条l形缝隙构成共面波导传输线t。通过共面波导传输线t向特殊设计的缺角方形腔体c进行馈电时，腔体的tm120模与tm210模会被同时激励。
上述两条l形缝隙作为延伸至基片集成波导内部用于阻抗匹配的枝节。
作为优选，t位于x轴正半轴且关于x轴对称，由金属面边缘向中心延伸。t被包围在上述介质集成矩形波导w内。
作为优选，l形缝隙不与第一、二金属化通孔接触。
作为优选，下层金属面m2与介质基板s同尺寸。
作为优选，缝隙s1、s2不与构成缺角方形腔体c的第二金属化通孔接触，且位于缺角方形腔体c内。
工作过程：
基片集成波导方形腔体c工作在tm120/tm210模式下，长方形窄缝s1、s2通过微扰的方式可使谐振腔c中的tm120模与tm210模发生分离。tm120模与tm210模同时激励环形缝隙p2时，其产生的辐射极化是正交的，而当缝隙s1、s2的尺寸选择合适时两个正交极化的辐射波之间存在90°的相位差，此时圆极化波将会被产生。微带贴片p1的一组对边上的切角使原本简并的tm10/tm20模发生分离。当微带天线分离的tm10/tm20模靠近方形腔体c分离的tm120/tm210模式，阻抗带宽和轴比带宽都能得到显著提升。方形腔体c中心蚀刻的第二金属化通孔可将位于低频区的tm110模向高频移动，而tm110模经由环形缝隙p2辐射出去的电磁波由于电流的反向切割将会在空间中发生抵消，从而在低频区引入一个增益零点。同样的原理，方形腔体c高频区的tm220模也会在高频区产生一个辐射零点。此外，当tm120模的谐振频率低于tm210模时，tm210模单独经由环形缝隙p2辐射出去的电磁波也会在空间中发生抵消，进而在仅靠工作频带边缘的地方出现一个新的增益零点。上述三个增益零点的出现使得该天线具备了良好的滤波特性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)具备较好的滤波特性：有三个增益零点，且增益零点靠近工作频带边缘，天线增益的下降沿十分陡峭。
2)单馈单层单腔平面结构：结构简单，易于加工，制作成本低。尺寸、剖面都比现有的大多数腔体滤波天线小。
3)高增益和宽带宽：利用谐振腔和微带贴片共计四种模式展宽了带宽的同时也保持了背腔天线的高增益优势。
附图说明
图1是本发明的立体结构分解示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明上层金属面的俯视图；
图4是本发明下层金属面的俯视图；
图5是本发明s参数曲线的仿真图；
图6是本发明轴比曲线仿真图；
图7是本发明增益曲线的仿真图；
图8是本发明在右旋圆极化工作状态下9.72ghz处的辐射方向图的仿真图；
图9是本发明在右旋圆极化工作状态下10ghz处的辐射方向图的仿真图；
图10是本发明在右旋圆极化工作状态下10.4ghz处的辐射方向图的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
结合图1和图2，单层单馈背腔圆极化滤波，包括一层厚度为1.575mm的rogers5880介质基板s以及与介质基板同尺寸的上层金属面m1和下层金属面m2。
在介质基板s中蚀刻有一边长为22.7mm、由金属化通孔围成的基片集成波导腔体c。金属化通孔的直径为1mm，小于天线工作的中心频率所对应空气波长的十分之一。相邻两个金属化通孔的孔心距为1.5mm。基片集成波导腔体c关于介质基板中心旋转45°。基片集成矩形波导w的宽度为9.7mm，其与基片集成波导腔体c的一角相连并延伸至介质基板边缘。基片集成矩形波导w与介质基板s的一组边垂直，基片集成波导腔体c与介质基板s中心重合。在介质基板的中心有一金属化通孔，其直径为1mm。
由图3所示，上层金属面m1中心刻有一间隙为2mm方环形缝隙p2，缝隙p2的内侧是一组对边各被切除一个边长为0.9mm的方块的方形贴片p1，方形贴片p1的边长为8.1mm。环形缝隙p2、微带贴片p1关于介质基板s旋转45°且与介质基板s中心重合。在上层金属面还刻有两个关于介质基板中心旋转对称的长方形缝隙s1、s2，其长度为5.3mm，宽度为1mm，与基片集成波导腔体边缘的距离为1.5mm。长方形缝隙s1、s2与微带贴片p1的一组未切边的边平行且关于介质基板的两条对角线对称。
由图4所示，下层金属面边缘起刻有一个向基片集成波导腔体c内部延伸的共面波导传输线t。共面波导传输线t的总宽度为7.1mm，其中两边的缝隙宽均为1.3mm，腔体内部用于阻抗匹配的枝节长为2.5mm，枝节到介质基板中心的距离为8mm。
具体结构几何参数如下：
其中h介质基板的厚度，wc为基片集成波导腔体的边长，ww为与基片集成波导腔体相连的基片集成矩形波导的宽度，构成基片集成波导的金属化空孔的直径为d，相邻金属化空孔的孔间距为dp，介质基板中心处的金属化通孔的直径为dv，lp为微带贴片的边长，gp为环形缝隙的宽度，lpc为微带贴片两对边被切除的方形切片边长，ls和ws为上层金属面两个关于介质基板中心旋转对称的长方形缝隙的长度和宽度，ds为上述缝隙到基片集成波导腔体边缘的距离，wcpw为下层金属面上的共面波导传输线中心微带线宽，gcpw为共面波导传输线的缝隙宽度，ladd为延伸至基片集成波导内部用于阻抗匹配的枝节长度，lcpw为枝节到介质基板中心的距离。
图5～10为该具有滤波功能的单层双圆极化背腔行波天线的仿真结果。由图5可见，该天线的-10db|s11|为16.3％。由图6可见，该天线的3db轴比带宽为7％。由图7可见，该天线的最高增益为7.89dbic，在两边的工作频带外都可以看到明显的快速滚降。图8～10表明该天线在整个工作频带内都有稳定良好的定向辐射。