专利名称：宽带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，涉及一种宽带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，需要宽带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。传统线极化天线的实现方式多种多样，包括振子天线、环型天线、缝隙天线、口径 天线和端射天线等等。振子天线、环型天线等具有制作简单易于设计等优点，但这种类型天 线单个辐射单元的性能较低。波导缝隙开槽天线适用于阵列天线应用，单个辐射单元体积 小，组成阵列尺寸缩减，阵列天线具有主瓣宽度窄，方向图可以赋形，交叉极化电平低等优 良特性，主要应用于微波毫米波雷达通信系统中等。但是基于传统金属波导技术的天线体 积大，需要精密的机械加工工艺才能实现给定的性能导致其成本高昂，限制了它的大范围 使用；口径天线和端射天线的辐射性能都比较好，但在实际应用中他们体积都比较大，结构 复杂，制造成本高昂。背腔结构经常应用于天线设计当中用以提高天线辐射性能。但传统 的背腔由光滑的金属腔体构成，体积大加工成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带低轮廓背腔集成天线，这种新型天线工作频带宽， 增益高，辐射效率好，体积紧凑结构简单，易于设计加工，成本低廉。该天线大大突破已有低 轮廓背腔缝隙天线工作带宽限制，相对带宽可达309Γ50%，极大地拓宽了低轮廓背腔天线的 应用场合。本发明的宽带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环 型的金属条带和完整涂覆在介质基片下表面的金属地层，多个贯穿金属条带、介质基片和 金属地层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列，馈电单元和辐射单元。金属条带、金属 地层和电互连阵列围合成腔体结构。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。所述的介质基片为单层介质基片。所述环型的金属条带为具有开口的环型结构，或闭合的环型结构。所述的电互连单元为贯穿金属条带、介质基片和金属地层的金属化通孔或金属 柱。所述的辐射单元为设置在环型的金属条带中间空白区域的介质基片的上表面的单极子天线、偶极子天线、折叠偶极子天线或贴片天线。金属条带为具有开口的环型结构下，所述的馈电单元为由环型金属条带开口处伸 入，并与辐射单元相连的微带线、共面条带线或共面波导传输线；金属条带为闭合的环型结 构下，所述的馈电单元为设置在环型金属条带中间空白区域，并穿过金属地层和介质基片， 同时与辐射单元相连的同轴线。本发明的宽带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体的新型低轮廓背腔结构，从而极大地减小背腔天线的体 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和后续的馈电网络可以采 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。与由相同的辐射单元构成的平面天线相比，本发明通过引入背腔 结构显著提高了天线的效率和增益，同时金属条带开口边沿与辐射单元之间相互耦合使得 在金属条带覆盖的腔体区域产生新的寄生腔体谐振模式，从而极大地展宽了天线的工作带 觅O具体工作原理馈电线将电磁波引入到后面连接的辐射单元，一部分电磁能量由 辐射单元直接辐射至空间，另一部分能量由辐射单元耦合到旁边的由金属条带覆盖的腔体 区域并形成寄生腔体谐振，并最终从金属条带的开口边沿辐射至空间。两种辐射机制共同 作用使得天线的工作带宽极大拓宽，同时背腔结构显著提高了天线的辐射效率和增益。通 过调节辐射单元和腔体的尺寸就可以方便地调节天线的工作频率。本发明的宽带低轮廓背腔集成天线具有以下有益效果
a.这种新型天线在保留传统平面天线易加工易集成等优点的基础上，背腔结构的引 入不仅通过抑制表面波效应提高了天线的效率和增益，同时辐射单元将能量耦合到金属条 带覆盖的腔体区域并产生寄生腔体谐振，从而在金属条带的开口边沿形成新的辐射，两种 辐射模式的作用使得天线的工作带宽极大展宽。整个天线完全在介质基片上实现，使得天 线的体积极大缩减，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 了系统集成度。b.这种新型天线结构简洁，工作原理简单明了。在设计过程中只需要调节辐射单 元尺寸、腔体尺寸、金属条带边沿与辐射单元之间的间距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.这种新型天线制造简单方便，整个结构用普通平面电路就可以完全实现。与传 统背腔天线需要精密机械加工相比，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2是图1的上表面金属条带所处平面的结构示意图； 图3是图1的下表面金属地层所处平面的结构示意图； 图4是实施例1回波损耗曲线图； 图5是实施例1在^GHz时的辐射方向图； 图6是实施例1在35GHz时的辐射方向图； 图7是本发明另一实施例的上表面结构示意图。
具体实施例方式实施例1
如图1所示，一种宽带低轮廓背腔集成天线包括厚度为0.5毫米的介质基片1-1，介 质基片1-1的两面有金属层，分别是金属条带1-2和金属地层1-3。贯穿金属条带1-2、介 质基片1-1和金属地层1-3有直径为0.3毫米的通孔，通孔内壁镀有金属，形成电互连单元 1-4。多个电互连单元1-4顺序排列为具有长方形轮廓线的且长方形边长为10. 0毫米和 6. 12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0. 45毫米。金属 条带1-2、金属地层1-3和电互连阵列所包含区域形成上表面具有长方形开口的长方形腔 体。如图2，金属条带1-2是在上表面金属层的中间部位从最左边往右方向挖去一小长方 形金属层形成的带有开口的“H”形金属条带；在金属条带1-2的开口处中间位置有作为馈 电线的共面条带线1-5 (长方形虚线框包含部分)从最左边进入腔体，共面条带线1-5的两 条金属线的宽度均为0. 2毫米，中间空气间隙的宽度为0. 15毫米，长度为4. 93毫米；共面 条带线1-5的顶端与作为辐射单元的折叠偶极子1-6 (方形虚线框包含部分)连接，折叠偶 极子1-6的长度为3. 1毫米，宽度为0. 3毫米，中间的空气间隙宽度为0. 15毫米，折叠偶极
子1-6的折叠臂与金属条带I -2的
间隙最窄处宽度为0. 16毫米；共面条带线1-5、折叠偶极子1-6和腔体三者的对称面重合。 如图3，下表面金属层为完整覆盖的金属地层1-3。具体结构几何参数如下
Lc (mm)10Wc (mm)6. 12乙咖(丽)4. 93Ldio (nun)3. 1O)0. 2IfdJ0 (mm)0. 3Scbs (mm)0. 15Sdiv (mm)0. 15W1 (mm)0. 25W. (mm)0. 16d (mm)0. 3dB (mm)0. 45
其中Lc和Wc为长方形腔体的长度和宽度，和分别为共面条带线的长度、金 属线的宽度和中间空气间隙的宽度，Ldip, Wdip和分别为折叠偶极子的长度、宽度和中间 空气间隙的宽度，W1为腔体边壁与腔体内的金属条带边沿在长度方向距离，t为腔体边壁 与腔体内的金属条带边沿在宽度方向距离，i/为构成电互连单元的通孔直径，&为构成电互 连阵列的相邻通孔孔心距。该宽带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， 在覆盖介质基片上表面的金属层的中间蚀刻出一个长方形空白区域，使得上金属层形成带 有开口的“η”形环型金属条带。贯穿金属条带、介质基片和金属地层在合适的位置以均勻 的间隔打一系列金属化通孔，构成一条边壁和顶面都具有开口的长方形腔体。在“ η，，形环 型金属条带的长方形空白区域内制作用于馈电的共面条带线和用于产生辐射的折叠偶极 子，共面条带线的顶端与折叠偶极子相连。这种新型天线既保留了传统金属背腔天线高增 益的辐射特性，又因引入新的寄生腔体谐振模式而极大展宽了平面天线的工作带宽。选择 合适的腔体和辐射单元尺寸，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 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的增益曲线表明该天线的匹配工作带宽高达30%。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面具有良好的定向性，低交叉极化电平等的优良辐 射特性。实施例2
如图7所示，一种宽带低轮廓背腔集成天线，包括方形的单层介质基片2-1，涂覆在介 质基片上表面的闭合圆环型的金属条带2-2和完整涂覆在介质基片下表面的金属地层。贯 穿金属条带2-2、介质基片2-1和金属地层有方形的金属柱，作为电互连单元2-3。多个电 互连单元2-3顺序旋转排列为具有圆形轮廓线的电互连阵列，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。金属条带2-2、金属地层和电互连阵列所包含区域 形成上表面具有圆形开口的圆形腔体。在金属条带2-2的中间开口处有作为辐射单元的圆 形贴片2-4，作为馈电单元的同轴线的内部探针贯穿金属地层和介质基片后与贴片相连。虽然为了说明的目的参考附图已经描述了两个实施例，但是将会理解的是本发明 并不限于这两个具体的实施例，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.宽带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环型的金属条带和完整涂覆在介质基片下表面的金属地层，多个贯穿金属条带、介质基片和金属地层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列，馈电单元和辐射单元；金属条带、金属地层和电互连阵列围合成腔体结构。
2.如权利要求1所述的宽带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所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述环型的金属条带为 具有开口的环型结构。
4.如权利要求1所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述环型的金属条带为 闭合的环型结构。
5.如权利要求1所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的电互连单元为贯 穿金属条带、介质基片和金属地层的金属化通孔。
6.如权利要求1所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的电互连单元为贯 穿金属条带、介质基片和金属地层的金属柱。
7.如权利要求1所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的辐射单元为设置 在环型的金属条带中间空白区域的介质基片的上表面的单极子天线、偶极子天线、折叠偶 极子天线或贴片天线。
8.如权利要求3所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的馈电单元为由环 型金属条带开口处伸入，并与辐射单元相连的微带线、共面条带线或共面波导传输线。
9.如权利要求4所述的宽带低轮廓背腔集成天线，其特征在于所述的馈电单元为设置 在环型金属条带中间空白区域，并穿过金属地层和介质基片，同时与辐射单元相连的同轴 线。
10.如权利要求1所述的宽带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
本发明涉及一种宽带低轮廓背腔集成天线。现有产品体积大、加工成本高。本发明包括介质基片、涂覆在介质基片上表面的环型的金属条带和完整涂覆在介质基片下表面的金属地层、多个电互连单元顺序排列构成的电互连阵列、馈电单元和辐射单元。金属条带、金属地层和电互连阵列围合成腔体结构。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。电互连单元为贯穿金属条带、介质基片和金属地层的金属化通孔或金属柱。本发明的宽带低轮廓背腔集成天线工作频带宽，增益高，辐射效率好，体积紧凑结构简单，易于设计加工，成本低廉。
文档编号H01Q1/48GK102142607SQ20111002422
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, 罗国清, 胡志方, 郑治昌 申请人:杭州电子科技大学