專利名稱：寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種無線通信技術領域的裝置，具體是一種基于共面波導饋電網
絡的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣。
背景技術：
隨著衛星通信的發展和無線電頻道的日益擁擠，無線電技術朝越來越短的毫米 波、亞毫米波方向發展。毫米波具有極寬的帶寬，分辨率高、全天候工作的特點，毫米波元件 的尺寸小，更易小型化、集成化。因此毫米波技術在軍事、通信、安全等領域中有著廣泛的應 用。但是傳統天線在毫米波段遇到了新的困難。首先，隨著頻率的提高，對加工精度的要求 越來越高，傳統的機械加工已經不能滿足這種要求了 ，必須借助于新的高精度的加工技術。 而微機電系統微細加工技術能滿足加工精度的要求。它具有精度高、可控性好、可批量制 造、與IC工藝相兼容等優點。此外，輻射單元也必須重新設計，以滿足毫米波系統小型化、 集成化等要求。 貼片天線是符合毫米波要求的形式之一，它具有體積小、重量輕、低剖面、增益高、 便于與有源器件集成等優點。但是傳統的微帶線饋電的貼片天線也有缺點，如微帶線輻射 損耗大、色散大、饋線與輻射元之間隔離度差、襯底厚度對特征阻抗影響較大。另一方面，傳 統的微帶貼片天線頻帶比較窄，無法適應現代通信寬頻帶的要求。而以共面波導(CPW)饋 電的平面縫隙天線除了繼承了傳統貼片天線體積小、重量輕、低剖面、增益高、便于與有源 器件集成等優點，還具有低損耗和色散小等優點，以及超寬頻帶的特性，越來越受到研究人 員的關注。 經過對現有技術的文獻檢索發現，H. D. Chen在《天線與傳播進展》 (《IEEETransactions on Antennas and Propagation》V0L 51， 2003，第1982頁-1986頁) 上發表的"Broadband CPW-Fed Square Slot Antennas with a Widened Tuning Stub，，("帶 寬調節支的共面波導饋電寬頻帶矩陣縫隙天線")，該文中提出采用矩形寬縫作為輻射單 元，并附加調節支，實現60%的頻帶寬度，但其不足之處在于天線未實現圓極化。對于如雷 達通訊等應用，除了需要較寬的頻帶，圓極化天線單元也較線極化單元性能優越。 一般的用 于微帶天線實現圓極化的雙饋法或微擾法對于縫隙天線往往并不有效，需重新設計。由于 平面縫隙天線由縫隙進行輻射的特點，天線一般較難實現寬帶圓極化。 對于單個天線，其方向圖不易控制，增益不高，其他參量往往也不能滿足使用要 求，所以在某些應用場合需要使用陣列天線。陣列天線的各組成天線單元應有一定的排列 規律和饋電方式，以獲得所要求的功能。陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各單元輻 射場的總和。由于各單元的位置和饋電電流的振幅和相位均可以獨立調整，這就使陣列天 線具有各種不同的功能，這些功能是單個天線無法實現的。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，具有小型化、平面化、寬頻帶的特點，解決了平面縫隙天線不易實現的圓極化的技術問 題，并且將天線單元結構排成1X4的線陣，提高了增益和頻帶。 本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括圓極化縫隙輻射陣列和微波介 質層，其中圓極化縫隙輻射陣列位于微波介質層上，所述圓極化縫隙輻射陣列包括四個 圓極化縫隙輻射單元和若干饋線，其中每兩個圓極化縫隙輻射單元由饋線并聯形成輻射 支路，兩個輻射支路由饋線并聯形成輻射干路，所述的四個圓極化縫隙輻射單元的圓心位 于同一軸線上。 所述的饋線包括弧形饋線和T字形饋線，其中T字形饋線的三端分別與弧形饋 線相連。
所述的弧形饋線為1/4圓環狀； 所述的圓極化縫隙輻射單元包括共面波導饋線、圓環形輻射縫隙、微擾短路調節 支、中心金屬圓形貼片和外圍接地板，其中共面波導饋線、圓環形輻射縫隙、微擾短路調節 支、中心金屬圓形貼片和外圍接地板處于同一平面且設置在微波介質層上，共面波導饋線 與中心金屬圓形貼片的下端相連，微擾短路調節支的兩端分別與中心金屬圓形貼片的水平 方向一側以及外圍接地板相連接，圓環形輻射縫隙位于外圍接地板和中心金屬圓形貼片之 間。 所述的共面波導饋線、圓環形輻射縫隙、微擾短路調節支采用掩膜、光刻、電鍍的 方法制作在微波介質基底上。 本發明在工作時，在縱向由于共面波導饋線的存在，縱向電場不對稱，沿縱向產生 縱向極化；在圓環形輻射縫隙方向右側引入一個金屬短路調節支對水平方向電場進行微 擾，由于邊界條件要求，微擾短路調節支邊緣的水平切向電量分量為零，圓環形輻射縫隙沿 水平方向由于電場不對稱產生另一個與縱向極化正交的極化。調節圓環形輻射縫隙與微擾 短路調節支的尺寸和位置可以使兩個正交極化的諧振頻率略有錯開，并且一個模式相位超 前，另一個模式相位滯后，若使兩個正交的模式幅度相等、相位剛好相差90。，則可以產生 圓極化。如微擾短路調節支加在圓環形輻射縫隙的右側，即可產生左旋圓極化(LHCP);若 把微擾短路調節支加在圓環形輻射縫隙的左側，則可以產生右旋圓極化(RHCP)。
對于確定的天線單元，天線陣列相對更容易獲得高增益和低副瓣，饋電網絡決定 了陣列的各項性能指標，比如駐波比、主瓣指向、副瓣電平等。該四元天線陣中，四個天線單 元中心位于同一直線上，微擾短路調節支的取向一致，保證了陣列整體的圓極化性質。四個 天線單元的輻射相互疊加，使得整體增益明顯提高，且方向性更好，輻射更集中。饋電網絡 采用50 Q的共面波導饋電，每個陣元的輸入阻抗為200 Q ，采用并聯方式保證了阻抗匹配 的條件。 本發明基于MEMS微加工技術制造，可實現小型化、高精度和批量化制造，通過并 聯或串聯組合可以構成線陣、列陣或者更加復雜、天線單元數更高的天線陣列。并且通過疊 加一層或多層截止波導反射縫隙結構可以進一步提高增益和單向性。在現有的對稱平面縫 隙天線中引入不對稱的金屬微擾短路調節支，可以作為一般性實現方法用在其他形式的平 面輻射天線用于實現圓極化。本發明中的線陣和饋電方式可以推廣到其他天線單元構成的 更復雜的陣列中，用于實現提高增益和方向性。 與現有技術相比本發明采用共面波導饋電，易于調節尺寸大小和阻抗匹配，且饋線部分與輻射單元共面，加工方便；采用圓環形縫隙輻射單元，通過在圓形縫隙中引入不對 稱的金屬微擾短路調節支，可以實現圓極化，并且具有寬頻帶的特點，駐波比《2時的阻抗 帶寬約為26%，軸比《3是的帶寬約為24%;通過組成1X4的天線線陣增益由原來的5dB 變為6. 8dB，波束寬度變窄，而且不影響其他性能。
圖1為本發明結構示意圖。
圖2為本發明結構俯視圖。 圖3為本發明共面波導饋電的圓極化縫隙輻射單元結構示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。 如圖1、圖2所示，本實施例包括圓極化縫隙輻射陣列l和微波介質層2，其中圓 極化縫隙輻射陣列1位于微波介質層2上，所述圓極化縫隙輻射陣列1包括四個圓極化縫 隙輻射單元3、第一弧形饋線4、第一 T字形饋線5、第二弧形饋線6和第二 T字形饋線7，其 中每兩個圓極化縫隙輻射單元3由第一弧形饋線4和第一 T字形饋線5并聯形成輻射支 路，兩個輻射支路由第二弧形饋線6和第二 T字形饋線7并聯形成輻射干路，所述的四個圓 極化縫隙輻射單元3的圓心位于同一軸線上，第一 T字形饋線5的三端分別與第一弧形饋 線4和第二弧形饋線6相連接，第二 T字形饋線7的水平端分別與第二弧形饋線6相連。
所述的第一弧形饋線4和第二弧形饋線6為1/4圓環狀； 如圖2和圖3所示，所述的圓極化縫隙輻射單元3包括共面波導饋線8、圓環形輻 射縫隙9、微擾短路調節支10、中心金屬圓形貼片11和外圍接地板12，其中共面波導饋線 8、圓環形輻射縫隙9、微擾短路調節支10、中心金屬圓形貼片11和外圍接地板12處于同一 平面且設置在微波介質層2上，共面波導饋線8與中心金屬圓形貼片11的下端相連，微擾 短路調節支10的兩端分別與中心金屬圓形貼片11的水平方向一側以及外圍接地板12相 連接，圓環形輻射縫隙9位于外圍接地板12和中心金屬圓形貼片11之間。
所述共面波導饋電的圓極化縫隙輻射陣列1，為長方形，長28mm，寬12mm。
所述微波介質層2，其介電常數為2. 2，厚度為0. 5mm。 所述兩個相鄰共面波導饋電的圓極化縫隙輻射單元3的中心間距為6. 4mm。 所述四分之一圓環形狀的第一弧形饋線4，圓環半徑為0. 5mm。 所述第一 T字形饋線5，其水平支的長度為5. 4mm。 所述四分之一圓環形狀的第二弧形饋線6，圓環半徑為0. 2mm。所述第二 T字形饋線7，其水平支的長度為12mm，豎直支的長度為2. 4mm。所述共面波導饋線8，其中心線寬度為0. 035mm，整個饋線寬度為0. 4mm。所述圓環形輻射縫隙9，其外徑為2. 4mm，內徑為1. 8mm。 所述微擾短路調節支IO，其寬度為1.6mm，上邊界與下邊界與水平軸的夾角分別 為3° ，19. 3° 。
所述微擾短路調節支10，其下邊緣位于圓環形輻射縫隙水平中心線下方0.2mm 處。 所述中心金屬圓形貼片ll，其半徑為1. 8mm。 所述共面波導饋電的圓極化縫隙輻射陣列1采用掩膜、光刻、電鍍的方法制作在 微波介質層2—面上。 在本實施例工作時，在縱向由于共面波導饋線6的存在，縱向電場不對稱，沿縱向 產生縱向極化；在圓環形輻射縫隙7水平方向右側引入微擾短路調節支8對水平方向電場 進行微擾，由于邊界要求，微擾短路調節支8的尺寸和位置可以使兩個正交極化的諧振頻 率略有錯開，并且有一個模式相位超前，另一個模式相位滯后，若使兩個正交的模式幅度相 等、相位剛好相差90。，則可以產生圓極化。如微擾短路調節支8加在圓環形輻射縫隙7的 右側，即可產生左旋圓極化(LHCP);若把微擾短路調節支8加在圓環形輻射縫隙7的左邊， 則可以產生右旋圓極化(RHCP)。 四個天線單元排成線陣，圓極化方向相同，得到的四元陣的電磁場分布方向圖為 四個單元相互影響的結果，增益得到有效提高，帶寬增大。饋電網絡采用并聯方式，共面波 導饋電，尺寸設計符合了阻抗匹配的要求，可以推廣應用到其他的天線陣列饋電網絡中。
本實施例可以實現圓極化和寬頻帶目標，駐波比《2時的阻抗帶寬約為26%，軸 比《3是的帶寬約為24X，增益由原來的5dB變為6. 8dB，波束寬度變窄。
權利要求
一種寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，包括圓極化縫隙輻射陣列和微波介質層，其特征在于圓極化縫隙輻射陣列位于微波介質層上；所述圓極化縫隙輻射陣列包括四個圓極化縫隙輻射單元和若干饋線，其中每兩個圓極化縫隙輻射單元由饋線并聯形成輻射支路，兩個輻射支路由饋線并聯形成輻射干路；所述的四個圓極化縫隙輻射單元的圓心位于同一軸線上。
2. 根據權利要求1所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述的饋線包 括弧形饋線和T字形饋線，其中T字形饋線的三端分別與弧形饋線相連。
3. 根據權利要求2所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述的弧形饋 線為1/4圓環狀，其半徑為0. 2 0. 5mm。
4. 根據權利要求1所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述的圓極化 縫隙輻射單元包括共面波導饋線、圓環形輻射縫隙、微擾短路調節支、中心金屬圓形貼片和外圍接地板，其中共面波導饋線、圓環形輻射縫隙、微擾短路調節支、中心金屬圓形貼片和外圍接地板處于同一平面且設置在微波介質層上，共面波導饋線與中心金屬圓形貼片的 下端相連，微擾短路調節支的兩端分別與中心金屬圓形貼片的水平方向一側以及外圍接地 板相連接，圓環形輻射縫隙位于外圍接地板和中心金屬圓形貼片之間。
5. 根據權利要求1所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述共面波導 饋電的圓極化縫隙輻射陣列為長方形，長28mm，寬12mm。
6. 根據權利要求1所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述微波介質 層2，其介電常數為2. 2，厚度為0. 5mm。
7. 根據權利要求4所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述兩個相鄰 的圓極化縫隙輻射單元的中心間距為6. 4mm。
8. 根據權利要求4所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述共面波導 饋線的中心線寬度為0. 035mm，整個饋線寬度為0. 4mm。
9. 根據權利要求4所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述圓環形輻 射縫隙的外徑為2. 4mm，內徑為1. 8mm。
10. 根據權利要求4所述的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，其特征是，所述微擾短路 調節支，寬度為1.6mm，上邊界與下邊界與水平軸的夾角分別為3°和19.3° ，下邊緣位于 圓環形輻射縫隙水平中心線下方0. 2mm。
全文摘要
一種無線通信技術領域的寬帶圓極化平面縫隙四元天線陣，包括圓極化縫隙輻射陣列和微波介質層，其中圓極化縫隙輻射陣列位于微波介質層上，所述圓極化縫隙輻射陣列包括四個圓極化縫隙輻射單元和若干饋線，其中每兩個圓極化縫隙輻射單元由饋線并聯形成輻射支路，兩個輻射支路由饋線并聯形成輻射干路，所述的四個圓極化縫隙輻射單元的圓心位于同一軸線上。本發明具有小型化、平面化、寬頻帶的特點，解決了平面縫隙天線不易實現的圓極化的技術問題，并且將天線單元結構排成1×4的線陣，提高了增益和頻帶。
文檔編號H01Q13/10GK101702468SQ200910310458
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者丁桂甫, 宿智娟, 陸聞靜 申請人:上海交通大學