一种硅基毫米波磁电偶极子天线的制作方法

1.本发明涉及天线与微波技术，特别是一种硅基毫米波磁电偶极子天线。


背景技术：

2.高速率和宽带化是无线通信与雷达系统的发展方向，当前日益拥挤的低频段频谱已经无法满足这一发展需求，拥有丰富频谱资源的毫米波频段无疑成为了未来通信与探测的必然选择。毫米波天线作为毫米波系统的关键部件引起了人们的广泛关注与研究兴趣。磁电偶极子天线是由同时受激励的电偶极子和磁偶极子构成的天线，由于两种偶极子天线的方向图在e面和h面相互交叉，从而使得天线的方向图在两个平面呈现高度一致性，同时具有大带宽、增益稳定、交叉极化低、后向辐射小等优势，因此在通信、探测、广播、军事应用等领域有着重要的应用前景。但是工作在毫米波频段时，传统的磁电偶极子天线面临着很多挑战，例如损耗增加、馈电困难、结构复杂、制造成本高等。
3.为了解决这些问题，很多专家学者提出了一些新型的毫米波磁电偶极子天线形式。虽然这些天线在带宽与增益上取得了较大改善，但是大都采用普通的pcb印制板材料，因此尺寸较大，加工精度受限，不利于应用在毫米波更高频段(例如w波段)，也难以组成阵列应用到当前先进的相控阵体制中。特别的，由于相控阵天线往往需要与后端有源电路互联形成特定的角度扫描功能，因此有必要研究具有宽角扫描、易于集成的毫米波磁电偶极子天线。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种以满足大规模毫米波相控阵体制通信与雷达系统应用的硅基毫米波磁电偶极子天线。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现。
6.一种硅基毫米波磁电偶极子天线，包括2个上下表面镀有不同金属化图形的矩形硅基介质上下叠层，下层硅基介质集成有末端短路的基片集成波导馈电结构，上层硅基介质集成有磁电偶极子天线结构，两结构间通过缝隙耦合，所述末端短路的基片集成波导馈电结构采用基片集成波导形式，在结构上完全由上下表面金属化的硅基介质内部的金属化通孔阵列所构成，并与微带电路实现无隙集成，上层的辐射结构包括电偶极子天线和磁偶极子天线。
7.所述的硅基介质为高阻硅，介电常数为11.9。
8.所述的电偶极子天线为上层硅基介质上表面镀4个两两镜像的切角矩形金属化贴片，每个切角矩形金属化贴片分别通过4个金属化通孔与下层硅基介质的上表面相连接，即与上层硅基介质的下表面相连接。
9.所述的磁偶极子天线为下层硅基介质的上表面刻蚀h型缝隙，位于所述4个切角矩形金属化贴片的正下方。
10.电磁波从下层基片集成波导馈入，通过下层硅基介质上表面的h型缝隙耦合到上
层硅基介质中，从而同时实现对上层电偶极子天线和磁偶极子天线的激励。
11.相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明由于采用了切角矩形金属化贴片与h型缝隙，能够显著增加天线的带宽。该天线采用硅为介质材料，与现有的硅基cmos工艺兼容，非常适合与毫米波微电路集成。该天线尺寸较小、结构简单，易于组成一维阵列，在相控阵雷达中具有重要的工程应用价值。
附图说明
12.图1为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的侧视图。
13.图2为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的上层硅基介质的上表面金属化图形。
14.图3为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的下层硅基介质的上表面金属化图形。
15.图4为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的下层硅基介质的下表面金属化图形。
16.图5为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的电压驻波比与天线增益仿真结果。
17.图6为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的e面方向图仿真结果。
18.图7为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的h面方向图仿真结果。
19.图8为本发明提出的一种硅基毫米波磁电偶极子天线的有源电压驻波比仿真结果。
20.图中：1-上层硅基介质；2-下层硅基介质；3-金属化通孔；4a、4b、4c、4d-切角矩形金属化贴片；5-h型缝隙。
具体实施方式
21.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
22.该磁电偶极子天线由上下两层硅基介质构成。下层硅基介质集成有末端短路的基片集成波导馈电结构，上层硅基介质集成有磁电偶极子天线结构，两结构间通过缝隙耦合。下层的馈电结构采用基片集成波导形式，其作为一种具有低插损、低辐射和低成本特性的导波结构，在结构上完全由上下表面金属化的硅基介质内部的金属化通孔阵列所构成，可以利用硅基加工工艺精确实现，并可与微带电路实现无隙集成，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生产。上层的辐射结构由电偶极子天线和磁偶极子天线共同组成。位于上层硅基介质上表面的4个两两镜像的切角矩形金属化贴片分别通过4个金属化通孔与下层硅基介质的下表面(也即是上层硅基介质的下表面)相连接，在功能上等效于电偶极子天线。在下层硅基介质上表面刻蚀有h型缝隙，其位于4个切角矩形金属化贴片的正下方，在功能上等效于磁偶极子天线。电磁波从下层基片集成波导馈入，通过下层硅基介质上表面的h型缝隙耦合到上层硅基介质中，从而同时实现对上层电偶极子天线和磁偶极子天线的激励。本发明采用切角的矩形金属化贴片，目的在于引导矩形贴片中的电流流向发生弯曲，激励多个模式并形成谐振电路。由于引入了新的谐振点，多个谐振带宽相互交叉可以达到展宽带宽的效果。本发明通过在矩形缝隙的两边开两条对称的缝隙以构成h型缝隙，目的在
于增大上方切角矩形金属化贴片与下方基片集成波导馈电结构之间的耦合强度，进而进一步展宽天线的带宽。需要特别指出的是，本发明采用硅基介质作为天线的介质材料，由于硅介电常数大，利于实现天线的小型化，适合构成阵列应用于对体积尺寸有限制要求的相控阵系统中。
23.实施例
24.参照图1-4，本发明所提供的一种硅基毫米波磁电偶极子由矩形硅基介质1和矩形硅基介质2上下叠层构成。硅基介质1和硅基介质2均采用高阻硅材料，其介电常数通常为11.9，与现有cmos硅基工艺兼容。硅基介质1的上表面、硅基介质2的上表面(也即是硅基介质1的下表面)和硅基介质2的下表面镀金形成特定的金属化图形，如图中阴影部分所示。
25.硅基介质2的上下表面镀金，内部刻蚀由金属化通孔3排列组成的阵列，从而形成末端短路的基片集成波导馈电结构。
26.硅基介质1的上表面镀有4个两两镜像的切角矩形金属化贴片4a、4b、4c和4d，每个切角矩形金属化贴片分别通过4个金属化通孔3与硅基介质2的上表面(也即是上层硅基介质的下表面)相连接，从而形成电偶极子天线。
27.硅基介质2的上表面刻蚀有h型缝隙5，其位于4个切角矩形金属化贴片的正下方，从而形成磁偶极子天线。
28.本发明的优点可通过仿真进一步说明：
29.本发明采用ansys hfss电磁仿真软件对天线模型进行典型实例的分析仿真。通过对硅基介质1、硅基介质2、金属化通孔3、切角矩形金属化贴片4a、4b、4c和4d，以及h型缝隙5自身结构参数的综合优化，最终确定天线的结构参数。该实例工作于w波段。
30.利用仿真软件ansys hfss对上述实例的电压驻波比和天线增益在80～110ghz范围内进行仿真计算，结果如图5所示。仿真结果表明，在频率从87.5ghz到110ghz范围内，该天线电压驻波比均低于2，相对工作带宽达到了23％。天线增益在工作带宽范围内达到8.2db，增益平坦度在
±
0.25db以内。
31.利用仿真软件ansys hfss对上述实例的方向图在88ghz、99ghz和110ghz三个频点上进行仿真计算，结果如图6和图7所示。仿真结果表明，该天线的e面和h面方向图对称性好，交叉极化达到-60db。
32.为了验证本发明天线的宽角扫描特性，利用仿真软件ansys hfss对上述实例的在h面的有源电压驻波比进行仿真计算，结果如图8所示。仿真结果表明，该天线在h面扫描到30
°
时在工作带宽范围内有源电压驻波比均低于2.5，能够满足相控阵宽角波束扫描的应用要求。
33.至此，已经结合附图对本发明一种硅基毫米波磁电偶极子天线进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
34.综上所述，本发明提供一种硅基毫米波磁电偶极子天线，该天线由在功能结构上由末端短路的基片集成波导馈电结构、电偶极子天线和磁偶极子天线三部分组成。由于采用高阻硅为介质材料，本发明天线有利于小型化，且与现有的cmos硅基工艺兼容，非常适合与毫米波微电路集成。本发明天线具有大带宽、对称性好、交叉极化低等优点，在宽角扫描相控阵雷达中具有重要的工程应用价值。
35.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步
详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。