基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線的制作方法
本發明涉及一種基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線，屬于微波技術領域。
背景技術：
無線通信系統中，天線作為發射或接收信號的重要電子部件，其性能的好壞直接關系到整個系統性能的優劣，因此研發小型化、集成化和性能高的射頻天線已經成為一種迫切的現實需求。
平面縫隙天線由于具有高效率、易組陣、可集成化等優點，剛好順應了現代無線電子通信系統的發展趨勢，越來越受到廣大科學研究人員和工程設計者的青睞。由于金屬面上縫隙的輻射是雙向的，在實際工程應用中，天線通常是需要安裝在系統平臺上，此時向下輻射的電磁波可能對其它組件的性能造成影響，同時反射回來的電磁波對天線本身也會產生干擾，所以，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，提高天線的增益。
背腔縫隙天線出現以來，由于其具有輻射性能好、結構簡單等優點，已經被廣泛應用于衛星、雷達等一些軍事通信系統。但是這種傳統的背腔縫隙天線具有體積大、結構復雜和成本高等缺點，因此需要去設計重量輕、成本低和易于與平面電路集成的低剖面高增益縫隙天線。
技術實現要素：
為了減小天線體積，降低加工成本，提高天線輻射效率，本發明提出了一種基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線。較傳統背腔縫隙天線而言，本發明的天線在保持較高輻射效率的同時，又具有簡單的結構，加工成本低，并且易于和平面電路集成。同時由于使用的三角形基片集成波導諧振腔體，和采用圓形或者矩形腔體的背腔縫隙天線相比，本天線結構更加緊湊，且在相同的模式或者面積下，能獲得更高的輻射效率，同時更方便布局，且易組成結構緊湊的陣列天線。
本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
本發明提供一種基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線，包括上、下表面均涂覆有金屬層的介質基板；介質基板設置有三排首尾相連的金屬化通孔，與介質板上下表面金屬層、介質板構成等邊三角形基片集成波導諧振腔；介質基板上表面的金屬層還開有兩條相互垂直的矩形縫隙，兩條矩形縫隙位于等邊三角形基片集成波導諧振腔上表面金屬層的中心區域；介質基板的下表面設置有一個用于饋電的接地共面波導，該接地共面波導從等邊三角形基片集成波導諧振腔的一角接入等邊三角形基片集成波導諧振腔，且該接地共面波導的中心導帶與前述等邊三角形基片集成波導諧振腔的一角的對邊垂直；介質基板的下表面還設置有一條從介質基板一邊向內延伸的微帶線，該微帶線與接地共面波導的中心導帶連接，且，該微帶線兩側的介質基板上未涂覆金屬層。
作為本發明的進一步優化方案，金屬化通孔的直徑大于等于金屬化通孔之間的間距的二分之一。
作為本發明的進一步優化方案，介質基板的厚度遠小于介質波長。
作為本發明的進一步優化方案，兩條所述矩形縫隙的長度不等。
作為本發明的進一步優化方案，接地共面波導伸入等邊三角形基片集成波導諧振腔內，且達到兩條矩形縫隙的中間。
作為本發明的進一步優化方案，微帶線的寬度等于接地共面波導中心導帶的寬度。
本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：在保留了傳統背腔縫隙天線高輻射性能優點基礎上，本發明簡化了低剖面縫隙天線的結構，降低了天線的加工成本，更易于和平面電路集成。與矩形或者圓形諧振腔天線相比，三角形諧振腔天線有著方便布局、結構緊湊的有點，并且在面積和工作模式相同的條件下，三角形諧振腔天線有著更高的輻射效率。
附圖說明
圖1是本發明的三維結構圖。
圖2是本發明的俯視圖。
圖3是本發明的仰視圖。
其中，1-兩條垂直的矩形輻射縫隙；2-上層金屬層；3-金屬通孔；4-下層金屬層；5-接地共面波導；6-微帶線；7-介質基板。
圖4是本實施例仿真的電場等值線分布圖，其中，（a）為te120模，（b）為te210模。
圖5是本發明實施例仿真的s11參數和增益隨頻率變化圖。
圖6是本發明實施例仿真的軸比。
圖7是本發明實施例仿真的x-z面方向圖。
圖8是本發明實施例仿真的y-z面方向圖。
具體實施方式
本發明提供一種基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線，整個天線包括輻射結構、激勵源和諧振腔都是被完全設計在單層介質基板上，其中諧振腔是由介質基板上三排首尾相接的金屬化通孔陣列、上層金屬層和下層金屬層構成。兩條垂直的矩形輻射縫隙蝕刻在上層金屬面，接地共面波導位于下層金屬面，從腔體一角伸入，并且和一排金屬化通孔垂直，為滿足阻抗匹配要求，可通過調節共面波導深入腔體的長度。同時為了方便測量，將50歐姆微帶線和共面波導的中心金屬帶相接。
對于工作在te120和te210模式的等邊三角形基片集成波導諧振腔，和傳統金屬腔體中的電場分布相同，電場變化最劇烈的區域均位于腔體邊緣和中心區域，本發明天線選擇將兩條十字交叉輻射縫隙蝕刻在腔體上表面中心區域，這時由于縫隙切斷了金屬面上的表面電流，從而引起腔體中分布電場的裂變，形成在縫隙處電場強度最大的兩種簡并諧振模式，由此縫隙上便會產生橫向電場，電磁能量被輻射出去。
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
本發明提供一種基于三角形基片集成波導諧振腔的圓極化縫隙天線，其結構如圖1至3所示。該天線包括上、下表面均涂覆有金屬層的介質基板；介質基板設置有三排首尾相連的金屬化通孔，與介質板上下表面金屬層、介質板構成等邊三角形基片集成波導諧振腔；介質基板上表面的金屬層還開有兩條相互垂直的矩形縫隙，兩條矩形縫隙位于等邊三角形基片集成波導諧振腔上表面金屬層的中心區域；介質基板的下表面設置有一個用于饋電的接地共面波導，該接地共面波導從等邊三角形基片集成波導諧振腔的一角接入等邊三角形基片集成波導諧振腔，且該接地共面波導的中心導帶與前述等邊三角形基片集成波導諧振腔的一角的對邊垂直；介質基板的下表面還設置有一條從介質基板一邊向內延伸的微帶線，該微帶線與接地共面波導的中心導帶連接，且，該微帶線兩側的介質基板上未涂覆金屬層。
本發明的天線是通過在等邊三角形基片集成波導諧振腔的上層金屬面蝕刻兩條長度不同且過腔體中心點的交叉十字縫隙，并由位于諧振腔下層金屬面且伸入腔體內部的接地共面波導進行饋電，使天線順序工作在
本發明中，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工作波長的十分之一，且介質基板的厚度要遠小于介質波長，才能使諧振腔體中的電磁場在垂直于介質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。兩條正交矩形縫隙作為輻射縫隙，位于天線的上層金屬面中心區域，并且長度都和介質波長的二分之一相近，這樣才能保證天線在其他結構參數相同的情況下，有著更好的輻射效率。通過優化兩縫隙長度間的差異，可以引起腔體中兩種簡并模式的分裂，并使得兩縫隙的諧振頻率相近，當兩條縫隙輻射的線極化波在某些頻率處滿足等幅且相位差為90度的條件時，兩輻射分量在遠場疊加，便形成了圓極化電磁波波。另外，天線在選擇激勵源位置時，需要選擇在腔體所需工作模式電場幅度較大的位置，所以在本發明天線結構中，接地共面波導位于腔體一個角處，并且伸入達到腔體上兩縫隙的中間位置，這樣才能夠同時兼顧到這兩種正交的簡并模式。
本發明交叉十字縫圓極化背腔縫隙天線是通過單一饋源以90度相位差順序激勵兩條長度不同的縫隙，從而使腔體內產生兩種相應的諧振模式，并通過縫隙將電磁能量輻射出去，當兩條縫隙所產生的線極化波等幅且相差為90度時，遠場進行疊加便形成了圓極化電磁波。同時，由于本發明天線采用的三角形基片集成波導諧振腔體，和矩形或者圓形背腔縫隙天線相比，結構更加緊湊，方便布局。另外，對于基于基片集成波導諧振腔的線極化天線，由于其低剖面結構和獨特的工作機理，導致天線只能工作在非常窄的頻段內，但是對于兩條輻射縫隙可以順序工作在不同模式下的圓極化天線而言，不同縫隙的諧振中心頻率不同，因為當這兩個縫隙諧振頻率點相距較近時，便形成了圓極化天線的工作頻段，因而使圓極化天線獲得了比線極化天線帶寬較大的工作帶寬。本發明天線保留了傳統背腔縫隙天線較好輻射性能的優點，同時整個天線中，輻射縫隙、共面波導饋電結構和諧振腔完全制作在單層介質板上，結構簡單，輻射效率高，大大減小了加工復雜度，降低了加工成本，也讓平面電路集成變得更加容易。
本發明的實施例是在厚度為0.5mm的rogersduroid5880單層介質板上實現的，該基板材料的介電常數為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；兩正交矩形輻射縫隙的寬度均為1mm，長度分別為12.1mm和11.1mm；共面波導的中心導帶寬度為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本發明實施例所提出的天線結構進行仿真，可得到如圖4所示的諧振腔體中電場等值線的分布圖。從圖4中的（a）和（b）可以看出，天線的兩條輻射縫隙順序地工作在te120模式和te210模式。圖5是本發明實施例仿真的s11參數和增益隨頻率變化圖，從圖5中可以看出，天線的中心工作頻率為9.35ghz，-10db工作帶寬范圍為9.25~9.45ghz，相對帶寬為2.1%，在工作頻段內回波損耗的最低值為-45.3db，最大增益值為5.83db，是在9.35ghz頻點實現的。除此之外，直觀可見這種結構的背腔縫隙天線只能工作在較窄的頻段內，這是由于天線的低剖面結構和獨特的工作機理造成的。圖6表示該圓極化天線的軸比隨工作頻率的變化關系，可以看出其3db軸比帶寬為9.33~9.365ghz。圖7和圖8分別表示天線工作在9.35ghz時，x-z面和y-z面的左旋圓極化分量和右旋圓極化分量的遠場輻射方向圖，可以看出，在-60度到60度之間，天線兩輻射切面的右旋圓極化方向圖幾乎一致，x-z面和y-z面右旋圓極化方向圖的半功率波束寬度分別為88度和75度。除此之外，兩個切面的左旋圓極化分量都處于較低的水平，因此這兩個切面的右旋圓極化分量和輻射總方向圖大小和變化趨勢基本上一樣，天線有較好的右旋圓極化特性。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
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