CN201966319U - 一种宽带低轮廓背腔集成天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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。本实用新型包括介质基片、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。本实用新型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。
Description
技术领域
本实用新型属于微波技术领域，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***，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***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***的性能。高性能的天线不但可以显著提高***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***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***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
本实用新型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30%~50%，极大地拓宽了低轮廓背腔天线的应用场合。
本实用新型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。
本实用新型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，本实用新型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宽。
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。
本实用新型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***完全平面无缝集成，提高了***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。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的立体结构示意图；
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26GHz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是本实用新型另一实施例的上表面结构示意图。
具体实施方式
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“∩”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1-2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：
| L c (mm) | 10 | W c (mm) | 6.12 |
| L cps(mm) | 4.93 | L dip (mm) | 3.1 |
| W cps(mm) | 0.2 | W dip (mm) | 0.3 |
| g cps(mm) | 0.15 | g dip (mm) | 0.15 |
| W l (mm) | 0.25 | W g (mm) | 0.16 |
| d (mm) | 0.3 | d p (mm) | 0.45 |
其中L c 和W c 为长方形腔体的长度和宽度，L cps 、W cps 和g cps 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，L dip 、W dip 和g dip 分别为折叠偶极子的长度、宽度和中间空气间隙的宽度，W l 为腔体边壁与腔体内的金属条带边沿在长度方向距离，W g 为腔体边壁与腔体内的金属条带边沿在宽度方向距离，d为构成电互连单元的通孔直径，d p 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“∩”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匀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“∩”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***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。
Claims (10)
1.一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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。
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