三角形半模基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線的制作方法

本發(fā)明涉及一種三角形半?；刹▽?dǎo)背腔縫隙天線，特別涉及一種基于三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔的縫隙線極化天線，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線通信系統(tǒng)中，天線作為發(fā)射或接收信號的重要電子部件，其性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，因此研發(fā)小型化、集成化和性能高的射頻天線已經(jīng)成為一種迫切的現(xiàn)實需求。平面縫隙天線由于具有高效率、易組陣、可集成化等優(yōu)點，剛好順應(yīng)了現(xiàn)代無線電子通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，越來越受到廣大科學(xué)研究人員和工程設(shè)計者的青睞。但是傳統(tǒng)縫隙天線的輻射是雙向的，當需要單向輻射的縫隙天線時，通常會在輻射縫隙的背面加一個金屬腔體來抑制后向輻射的電磁能量，但是這種傳統(tǒng)的背腔縫隙天線具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等缺點，因此需要去設(shè)計重量輕、成本低和易于與平面電路集成的低剖面高增益縫隙天線。

基片集成波導(dǎo)是近年來工程研究和應(yīng)用較多的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它不僅保留了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的輻射損耗小、插入損耗低、功率容量大、加工工藝簡單等特點，同時具有成本低、尺寸小、重量輕、易集成等優(yōu)點，采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)的背腔縫隙天線不僅保留了傳統(tǒng)金屬背腔縫隙天線輻射性能高的優(yōu)點，并且大大減小了天線體積，同時又能非常方便的和平面電路進行集成。因此，對于基于基片集成諧振腔的小型化平面縫隙天線的研究，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進一步減小天線體積和加工成本，降低天線集成復(fù)雜度，本發(fā)明在三角形基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線的基礎(chǔ)上，提出了一種基于三角形半?；刹▽?dǎo)諧振的背腔縫隙天線。將半?；刹▽?dǎo)技術(shù)應(yīng)用到諧振腔中，用半封閉基片集成波導(dǎo)諧振腔來代替背腔縫隙天線中通常采用的封閉基片集成波導(dǎo)諧振腔，并將切割腔體形成的開放側(cè)壁作為輻射縫隙，本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)更加簡單，并且在保持較高輻射效率的同時，又大大減小了天線的幾何尺寸，提高了天線集成度。由于使用的三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔體，本發(fā)明天線同時又具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便布局的特性。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種三角形半?；刹▽?dǎo)背腔縫隙天線，包括上、下表面均涂覆有金屬層的介質(zhì)板；介質(zhì)板上設(shè)置有兩排相連的等間距金屬化通孔，與介質(zhì)板上下表面金屬層、介質(zhì)板構(gòu)成三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔；該三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔為半封閉腔體，其開放側(cè)壁作為輻射縫隙，且開放側(cè)壁與其中一排金屬化通孔垂直；介質(zhì)板下表面設(shè)置有一個作為激勵源的接地共面波導(dǎo)，該接地共面波導(dǎo)從三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔的斜邊接入三角形半模基片集成波導(dǎo)諧振腔，且該接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶與前述三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔的斜邊垂直；介質(zhì)基板的下表面還設(shè)置有一條從介質(zhì)基板一邊向內(nèi)延伸的微帶線，該微帶線與接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶連接。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，微帶線的寬度等于接地共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶的寬度。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，金屬化通孔的直徑大于或等于金屬化通孔間距的二分之一。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，介質(zhì)板的厚度遠小于介質(zhì)波長。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，微帶線兩側(cè)的介質(zhì)板上未涂覆金屬層。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明在三角形基片集成波導(dǎo)背腔平面縫隙天線的基礎(chǔ)上，將封閉的三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔沿中心對稱面切割形成半封閉的三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔，并作為本發(fā)明的背腔結(jié)構(gòu)，將切割形成的開放側(cè)壁作為輻射縫隙，同時采用接地共面波導(dǎo)進行饋電，通過調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)伸入半模腔體中的深度來達到阻抗匹配的要求，從而使天線的輻射效率最高?？梢钥闯觯瑢肽；刹▽?dǎo)技術(shù)應(yīng)用到諧振腔中，用半封閉諧振腔來代替?zhèn)鹘y(tǒng)天線中的封閉諧振腔，在保持天線增益幾乎不變的同時，又大大減小了天線的幾何尺寸，提高了天線集成度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的俯視圖。

圖3是本發(fā)明的仰視圖。

其中，1-上層金屬層；2-介質(zhì)板；3-金屬化通孔；4-微帶線；5-接地共面波導(dǎo)；6-下層金屬層。

圖4是本實施例仿真的電場等值線分布圖。

圖5是本發(fā)明實施例腔體截面的矢量電場分布。

圖6是本發(fā)明實施例仿真的s11參數(shù)和增益隨頻率變化圖。

圖7是本發(fā)明實施例仿真的e面方向圖。

圖8是本發(fā)明實施例仿真的h面方向圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

本發(fā)明三角形半模基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線，是一種基于三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔的線極化縫隙天線，整個天線包括輻射結(jié)構(gòu)、激勵源和半模諧振腔都是被完全設(shè)計在單層介質(zhì)板上。其中，三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔是由介質(zhì)板上兩排等間距的金屬化通孔陣列、上層金屬層和下層金屬層構(gòu)成，相當于將等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔沿其中心對稱軸垂直切割而形成的新型半封閉腔體結(jié)構(gòu)，切割面處的電場強度最大，三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔的開放側(cè)壁作為輻射縫隙。為了使天線能夠?qū)崿F(xiàn)單向輻射，開放側(cè)壁和底層涂覆有金屬層的介質(zhì)板相接，從而提高天線的方向性。作為激勵源的接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)蝕刻在介質(zhì)板的下層金屬層，從三角形半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的斜邊伸入，使天線工作在te110模式下。為滿足阻抗匹配要求，可通過調(diào)節(jié)接地共面波導(dǎo)深入腔體的長度實現(xiàn)。同時，為了方便實物測量，將50歐姆微帶線和50歐姆接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶相接。

對于工作在主模式下的等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔，腔體內(nèi)電場呈對稱分布，腔體對稱面處的電場強度最大，當沿著對稱面切割時，便形成了兩個三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔，開放側(cè)壁便表現(xiàn)為理想磁壁的特性。對于三角形半模基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線，由于半模諧振腔中仍然存在駐波，因此開放側(cè)面（等效磁壁）就相當于等效輻射縫隙結(jié)構(gòu)，因此天線的能量輻射是由半模三角形腔體中模激勵等效縫隙產(chǎn)生的。

本發(fā)明提供一種三角形半?；刹▽?dǎo)背腔縫隙天線，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示，包括上、下表面均涂覆有金屬層的介質(zhì)板；介質(zhì)板上設(shè)置有兩排相連的等間距金屬化通孔，與介質(zhì)板上下表面金屬層、介質(zhì)板構(gòu)成三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔；該三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔為半封閉腔體，其開放側(cè)壁作為輻射縫隙；介質(zhì)板下表面設(shè)置有一個作為激勵源的接地共面波導(dǎo)，該接地共面波導(dǎo)從三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔開放側(cè)壁的對邊接入三角形半模基片集成波導(dǎo)諧振腔，且該接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶與前述三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔開放側(cè)壁的對邊垂直；介質(zhì)基板的下表面還設(shè)置有一條從介質(zhì)基板一邊向內(nèi)延伸的微帶線，該微帶線與接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶連接。

本發(fā)明天線是由位于三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔下層金屬層且伸入諧振腔體內(nèi)部的接地共面波導(dǎo)進行饋電，其中，三角形半?；刹▽?dǎo)諧振腔是通過在上下表面均涂覆有金屬的介質(zhì)板上打兩排金屬化通孔陣列來實現(xiàn)的。為了方便天線測量，介質(zhì)板的下表面還有一條與接地共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶以等寬度連接的50歐姆微帶線。

本發(fā)明中，金屬化通孔直徑大于金屬化通孔間距的二分之一且小于波導(dǎo)工作波長的十分之一，且介質(zhì)基板的厚度要遠小于介質(zhì)波長，才能使腔體中的電磁場在垂直于介質(zhì)表面方向上基本沒有變化。滿足以上兩個條件之后，能量泄露基本可以被抑制到可忽略的水平。本發(fā)明天線的金屬層上并沒有蝕刻矩形輻射槽，而是將三角形半模諧振腔體的開放側(cè)壁作為輻射結(jié)構(gòu)，電磁能量通過該側(cè)壁縫隙被輻射到自由空間。

本發(fā)明實施例是在厚度為0.5mm的rogersduroid5880單層介質(zhì)板上實現(xiàn)的，該介質(zhì)板材料的介電常數(shù)為2.2，損耗正切角為0.001；金屬化通孔的直徑為1mm，金屬化通孔的間距為1.5mm；和三角形半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的開放側(cè)壁相接的矩形介質(zhì)板長度為22.5mm，寬度為4mm；共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶寬度為1.45mm，兩邊縫隙寬度為0.7mm，長度為11.1mm；微帶線寬度為1.45mm，長度為4mm。利用三維電磁仿真軟件對所提出的天線結(jié)構(gòu)進行仿真，可得到如圖4所示的半?；刹▽?dǎo)諧振腔體中電場等值線的分布圖，可以看出，天線的工作模式為模，開放側(cè)壁處電場強度最大。因為在天線的半?；刹▽?dǎo)諧振腔中，駐波仍然存在，因此開放側(cè)面（等效磁壁）就相當于等效輻射結(jié)構(gòu)，能量便通過側(cè)壁縫隙輻射到自由空間，輻射原理如圖5所示。本發(fā)明實施例的s11和增益的仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，天線仿真的工作中心頻率為10.23ghz，-10db阻抗帶寬范圍為10.18~10.30ghz，在工作頻段內(nèi)回波損耗的最低值為-29.3db，可見天線較好地滿足了阻抗匹配的要求。另外，在工作頻段內(nèi)天線增益最大值為6.23，是在中心工作頻點實現(xiàn)的。圖7和圖8分別表示天線工作在10.23ghz時，e面和h面的主極化和交叉極化的遠場輻射方向圖，從這兩個方向圖可以看出，在130度到220度之間，天線兩輻射面的主極化方向圖幾乎一致，兩個切面的交叉極化都處于較低的水平，e面和h面的半率波束寬度分別為72度和88度。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。