專利名稱：雙頻雙極化背腔縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線電天線領(lǐng)域，涉及背腔縫隙天線，尤其適用于認(rèn)知無線電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動著通信系統(tǒng)向小型化、集成化以及高性能化方向發(fā)展。微帶縫隙天線由于其成本低、重量輕、剖面小、相對寬的工作帶寬和易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在微波和毫米波系統(tǒng)中。由于其結(jié)構(gòu)緊湊同時(shí)采用微帶饋電形式，因此它可以直接和系統(tǒng)其它電路集成，解決了天線難以集成的難題。但是當(dāng)天線需要工作在多個(gè)頻段和具有雙極化特性時(shí)，普通微帶縫隙天線不具有此特性，多部天線集成又占有較大的空間，對組陣也帶來困難。認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展對天線技術(shù)提出 了新的要求，在盡可能不增加天線數(shù)目和設(shè)備的情況下，讓天線在盡可能寬的頻帶或者多個(gè)頻帶上工作，具有多個(gè)工作模式并具有良好的傳輸特性是業(yè)界追求的目標(biāo)。背腔縫隙天線以體積小、重量輕、成本低、電性能優(yōu)異的特點(diǎn)受到了業(yè)界的青睞，雙頻雙極化微帶背腔縫隙天線實(shí)現(xiàn)了背腔縫隙天線的雙頻集成和雙極化功能，結(jié)構(gòu)上僅需改變背腔的形狀和增加圓形開縫引向器，即可實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化功能，且使得天線的增益、駐波特性和輻射效率得以改善。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題天線工作受到頻帶的限制，在無線電技術(shù)特別是目前正在興起的認(rèn)知無線電技術(shù)中，如何實(shí)現(xiàn)雙頻天線集成，且要體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、電性能優(yōu)良是ー個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。本發(fā)明的目的就是開發(fā)一種雙頻雙極化背腔縫隙天線，通過增加矩形和橢圓諧振腔引入雙頻模式，合理的引向器使天線在雙頻雙極化狀態(tài)下仍然具有出色的性能，實(shí)現(xiàn)在不同頻段的頻譜共享和信息的高效傳輸，提高頻譜利用率。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙頻雙極化背腔縫隙天線結(jié)構(gòu)，根據(jù)“十”字縫隙天線工作在不同頻段上，通過合理的構(gòu)造和配置，選擇合適的饋電點(diǎn)、背腔和引向器，實(shí)現(xiàn)天線雙頻雙極化工作。該天線包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)，在上層部分中，金屬圓形縫隙引向器作為雙頻雙極化背腔縫隙天線引向器；
在中層部分中，以介質(zhì)板為載體，搭橋和雙臂饋電電路位于介質(zhì)板上方，十字交叉開縫金屬面位于介質(zhì)板下方；
下層部分為矩形金屬波導(dǎo)腔或橢圓形金屬波導(dǎo)腔。雙臂饋電電路為兩個(gè)形狀相同的“凸”字形結(jié)構(gòu)，其饋電端分別位于介質(zhì)板相鄰的兩側(cè)，其中邊長sl+s2為低頻段中心頻率的四分之一波長，邊長s3+s4為高頻段中心頻率的四分之一波長。金屬圓形縫隙引向器的外形為圓形，在其中設(shè)有ー個(gè)與之同圓心的圓形槽，單金屬片形式內(nèi)外圓由兩個(gè)寬q的部分相接，由兩個(gè)或多個(gè)直徑為P的圓孔安裝支撐所需的介質(zhì)螺釘；有介質(zhì)支撐的金屬箔圓形縫隙引向器其兩圓槽連通。
下層部分由Siw金屬化通孔形成矩形基片集成波導(dǎo)SIW腔或橢圓形基片集成波導(dǎo)SIW腔，其中SIW金屬化通孔的直 徑小于十分之一高頻工作波長，通孔的間距小于四分之一高頻工作波長。有益效果
I)天線是由背腔縫隙天線和特別設(shè)置的引向器加一“十”字交叉縫隙的構(gòu)造組合而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了背腔縫隙天線的雙頻雙極化工作。2)天線在工作頻段內(nèi)具有較好帶寬特性。背腔為矩形，工作在低頻率端時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)33%的相對工作帶寬；工作在高頻率端時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)21%的相對工作帶寬；背腔為橢圓形，工作在低頻率端時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)35%的相對工作帶寬；工作在高頻率端時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)24%的相對工作帶寬(天線的駐波VSWR〈2)。3)天線縫隙為十字交叉形，通過雙臂形饋電電路實(shí)現(xiàn)饋電耦合和阻抗匹配，在高頻和低頻兩個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)不同極化形式。4)采用成熟的PCB (印刷電路)加工エ藝，易批量生產(chǎn)，加工精度較高、電性能穩(wěn)定的天線。
圖I是雙頻雙極化背腔縫隙天線三層結(jié)構(gòu)示意 圖2a是第一部分ー種結(jié)構(gòu)的頂視圖，圖2b是第一部分另ー種結(jié)構(gòu)的頂視 圖3a是第二部分的頂視圖；圖3b是第二部分的底視 圖4a是下層部分的矩形結(jié)構(gòu)示意 圖4b是下層部分的橢圓形結(jié)構(gòu)示意 圖4c是下層部分的SIW矩形結(jié)構(gòu)示意 圖4d是下層部分的SIW橢圓形結(jié)構(gòu)示意 圖5、矩形腔天線端ロ的回波損耗 圖6、橢圓腔天線端ロ的回波損耗 圖7、矩形腔天線2. 4GHz頻段仿真方向 圖8、矩形腔天線3. 6GHz頻段仿真方向 圖9、橢圓腔天線2. 4GHz頻段仿真方向 圖10、橢圓腔天線3. 6GHz頻段仿真方向 上層部分1，單金屬片形式金屬圓形縫隙引向器11、介質(zhì)支撐金屬箔形式金屬圓形縫隙引向器12，中層部分2，搭橋21，雙臂饋電電路22，介質(zhì)板23，十字交叉開縫金屬面24。
具體實(shí)施例方式 該天線包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)，上層部分中，圓形金屬縫隙引向器用金屬板制作或用金屬箔制作并依附在介質(zhì)板載體上，并用發(fā)泡材料或介質(zhì)螺釘固定在中層介質(zhì)板上；
中層部分中，以中介質(zhì)板為載體上下兩面均為金屬箔層，雙臂饋電電路位于介質(zhì)板上方金屬層，十字交叉開縫金屬面位于介質(zhì)板下方；
下層部分為金屬波導(dǎo)腔或基片集成波導(dǎo)(SIW)腔。金屬圓形縫隙引向器的外形為圓形，在其中設(shè)有ー個(gè)與之同圓心的圓形槽。
在雙頻寬帶背腔縫隙天線輻射最大方向上加一個(gè)引向器可増加輻射增益，提高天線性能。不開縫的規(guī)則或者不規(guī)則圖形的金屬貼片作為引向器使用時(shí)，不能保證貼片上的電流密度在雙頻上均實(shí)現(xiàn)理想輻射，阻抗匹配亦達(dá)不到滿意的效果。而經(jīng)開兩條優(yōu)化的劣弧環(huán)形縫隙的圓形貼片既可在兩個(gè)頻段上替代兩個(gè)不同大小和位置的引向器，而且可使兩者工作時(shí)互不干擾，實(shí)現(xiàn)較為理想的電磁輻射和阻抗匹配。饋電電路位于介質(zhì)板上方，兩條饋電電路都為雙臂形式，便于激勵和調(diào)節(jié)天線匹配阻杭。雙臂饋電電路為兩個(gè)形狀相同的“凸”字形結(jié)構(gòu)，其饋電端分別位于上介質(zhì)板相鄰的兩側(cè)，其中邊長sl+s2為低頻段中心頻率的四分之一波長，邊長s3+s4為高頻段中心頻率的四分之一波長。介質(zhì)板下方的“十”字交叉開縫金屬面構(gòu)成雙頻段的微帶縫隙天線。在“十”字交叉開縫金屬面下方連接的是背腔金屬或SIW矩形(或橢圓)腔，天線兩個(gè)頻段的中心頻點(diǎn)為腔的兩個(gè)固有諧振頻率，腔可以很好地抑制后向輻射且濾除雜波。在距離介質(zhì)板上方一段距離的圓形開縫金屬片，作為天線引向器。引向器所開環(huán)形劣弧縫關(guān)于I軸對稱，縫隙大 小、弧形大小和金屬圓大小根據(jù)天線的工作頻率、極化特性和阻抗匹配關(guān)系調(diào)節(jié)。下層部分的金屬腔或SIW腔為ー個(gè)矩形或圓形的腔體，
背腔的構(gòu)造。根據(jù)天線雙頻和“十”字交叉縫隙選擇的矩形和橢圓形兩種諧振腔，背腔的大小根據(jù)雙頻段的兩個(gè)中心頻點(diǎn)確定，工作頻率的低頻中心頻點(diǎn)對應(yīng)諧振腔的主模，エ作頻率的高頻中心頻點(diǎn)對應(yīng)諧振腔的高次模，背腔諧振器能夠很好地起到濾波和抑制天線反向輻射的作用。雙頻雙極化背腔縫隙天線是在背腔縫隙天線的開縫金屬面上開不同長度的“十”字交叉雙縫，用兩條雙臂饋電電路進(jìn)行耦合饋電，以矩形或者橢圓形背腔抑制反向輻射增強(qiáng)正向輻射，在介質(zhì)板上方的適當(dāng)距離加ー特別設(shè)計(jì)的圓形開縫引向器，以達(dá)到雙頻雙極化的目的。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在是微帶饋電電路的雙臂設(shè)計(jì)、背腔的選取和圓形開縫引向器的設(shè)計(jì)。雙臂饋電的方式使饋電點(diǎn)可調(diào)性增加、使阻抗匹配更加容易滿足，矩形和橢圓形背腔的選擇使天線的工作頻率諧振在不同模式下且互不干擾，圓形開縫引向器可以提高背腔天線增益、雙頻雙極化效率和改善阻抗匹配特性。在本發(fā)明中，天線長縫隙工作在低頻段，天線短縫隙工作在高頻段。恰當(dāng)?shù)倪x取饋電點(diǎn)的位置和背腔尺寸的大小，合理的在圓形引向器上開環(huán)形縫，使得天線在雙頻段上、雙極化狀態(tài)下都具有出色的性能。實(shí)施實(shí)例
我們在2. 4GHz和3. 6GHz兩個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)了雙頻雙極化背腔縫隙天線。其中基片為高頻介質(zhì)基片。天線的仿真結(jié)果參見圖5 —圖10。雙頻雙極化背腔縫隙天線的工作原理
雙頻雙極化背腔縫隙天線通過在背腔縫隙天線的縫隙金屬面上開“十”字交叉雙縫，微帶饋電電路在介質(zhì)層的上方以耦合饋電方式進(jìn)行饋電，電流流過縫隙時(shí)，一部分繞過縫隙，一部分以位移電流的形式穿過縫隙，井向空間輻射，不同長度的雙縫就可以有不同的輻射頻段。在介質(zhì)層上方的饋電電路為雙臂饋電形式，這就使每一條饋電縫隙都有兩個(gè)饋電點(diǎn)，調(diào)節(jié)兩饋電點(diǎn)與縫隙的相對位置就可以改變天線的阻抗匹配特性。輻射縫隙的下方為腔，合理選擇腔的尺寸大小以保證天線兩個(gè)頻段的中心頻點(diǎn)為腔的兩個(gè)諧振頻點(diǎn)，有效抑制后向輻射。圓形開縫引向器位于介質(zhì)層上方低頻段中心頻率對應(yīng)1/4波長與高頻段中心頻率對應(yīng)的1/4波長之間，合理設(shè)計(jì)開縫的大小和位置有利于天線的阻抗匹配和増益、效率的改善。天線的各部分有效設(shè)計(jì)，就保證了天線優(yōu)良的雙頻雙極化性質(zhì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。雙頻雙極化背腔縫隙天線有以下發(fā)明創(chuàng)造點(diǎn)
將背腔縫隙天線的輻射縫隙處開兩條長度不同的“十”字交叉縫隙，天線就可以工作在雙頻段且具有雙極化特性，即將兩幅背腔縫隙天線合ニ為一，實(shí)現(xiàn)雙頻寬帶性能。該天線的創(chuàng)造點(diǎn)是其一，天線結(jié)構(gòu)緊湊，兩副天線合ニ為ー；其ニ，采用矩形和橢圓諧振腔構(gòu)造了所需的雙頻本征諧振頻率并與相應(yīng)的諧振縫對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了雙頻工作的目的，兩諧振縫正交實(shí)現(xiàn)了雙極化的目的，其三，圓形開縫引向器有效解決了不同頻率引向器大小和位置不同的問題。在電性能上，背腔雙頻天線可以各自獨(dú)立工作在相應(yīng)的寬頻段正交極化狀態(tài)上而 互不干擾。關(guān)鍵點(diǎn)是通過合理設(shè)計(jì)背腔形狀和尺寸、圓形引向器的開縫結(jié)構(gòu)和位置、縫隙的大小和饋電點(diǎn)位置。該設(shè)計(jì)發(fā)明保持了單縫隙背腔天線單ー頻段的原有性能，且有很好的隔離特性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所掲示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙頻雙極化背腔縫隙天線，其特征在于該天線包括上、中、下三層結(jié)構(gòu)，在上層部分(I)中，單金屬片形式金屬圓形縫隙引向器(11)和介質(zhì)支撐金屬箔形式金屬圓形縫隙引向器(12)作為雙頻雙極化背腔縫隙天線引向器；在中層部分(2)中，以介質(zhì)板(23)為載體，搭橋(21)和雙臂饋電電路(22 )位于介質(zhì)板(23 )上方，十字交叉開縫金屬面(24 )位于介質(zhì)板(23)下方； 下層部分(3)為矩形金屬波導(dǎo)腔或橢圓形金屬波導(dǎo)腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙頻雙極化背腔縫隙天線，其特征在于雙臂饋電電路(22)為兩個(gè)形狀相同的“凸”字形結(jié)構(gòu)，其饋電端分別位于介質(zhì)板(23)相鄰的兩側(cè)，其中邊長sl+s2為低頻段中心頻率的四分之一波長，邊長s3+s4為高頻段中心頻率的四分之一波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙頻雙極化背腔縫隙天線，其特征在于金屬圓形縫隙引向器的外形為圓形，在其中設(shè)有一個(gè)與之同圓心的圓形槽，單金屬片形式金屬圓形縫隙引向器(11)兩圓槽連通；介質(zhì)支撐金屬箔形式金屬圓形縫隙引向器(12)內(nèi)外圓由兩個(gè)寬q的部分相接，兩個(gè)或多個(gè)直徑為P的圓孔安裝支撐所需的介質(zhì)螺釘。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙頻雙極化背腔縫隙天線，其特征在于下層部分(3) 由SIW金屬化通孔形成矩形基片集成波導(dǎo)SIW腔或橢圓形基片集成波導(dǎo)SIW腔，其中SIW金屬化通孔的直徑小于十分之一高頻工作波長，通孔的間距小于四分之一高頻工作波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)緊湊的雙頻雙極化背腔縫隙天線，可分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，在上層部分(1)中，金屬圓形縫隙引向器的單金屬片(11)和介質(zhì)支撐金屬箔(12)，作為天線引向器位于介質(zhì)板(23)之上；在中層部分(2)中，雙臂饋電電路(22)位于介質(zhì)板(23)上方，十字交叉開縫金屬面(24)位于介質(zhì)板(23)下方；在下層部分(3)為矩形、橢圓形金屬波導(dǎo)腔或?yàn)榫匦?、橢圓形基片集成波導(dǎo)(SIW)腔。通過設(shè)置矩形或橢圓形波導(dǎo)腔產(chǎn)生所需的雙頻諧振頻率，再經(jīng)過特殊的引向器使天線在雙頻段上產(chǎn)生有效輻射，實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化工作模式，在不同的頻段上實(shí)現(xiàn)頻譜共享和信息的高效傳輸，提高頻譜利用率。
文檔編號H01Q1/38GK102842757SQ20121035989
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者華光, 陳繼新, 洪偉, 岳西平, 張飛 申請人:東南大學(xué)