專利名稱：一種c/x雙頻段微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于空中點對點通信的C/X雙頻段微帶貼片 天線。
背景技術(shù)：
空中通信節(jié)點技術(shù)，涉及飛行器，衛(wèi)星等載體。隨著數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)技 術(shù)、MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，空中通信節(jié)點技術(shù)有較大的變化?？偟募夹g(shù)發(fā)展要求是設(shè)備的 輕型化，即減小體積，減輕重量，降低功耗。利用數(shù)字技術(shù)、軟件技術(shù)、MEMS技術(shù)、高密度組 裝技術(shù)等，實現(xiàn)空中通信節(jié)點設(shè)備的多功能集成，這些是滿足現(xiàn)代通信需求的必然趨勢。以往空中通信節(jié)點裝備體積大、重量重，對空中通信載體要求高。例如，安裝在載 體外部的通信天線體積大，影響載體的飛行性能。應(yīng)用MEMS技術(shù)制造微帶天線，使其體積 大大地縮小，并可與飛行器共形，這對縮小空中通信裝置的體積和重量，提高其綜合功能是 十分必要的。從五十年代微帶天線概念的提出，到七十年代實用微帶天線的研制，至而八十年 代微帶天線在理論與應(yīng)用上的進一步發(fā)展，今天這一類型的天線已趨于成熟，廣泛的應(yīng)用 于衛(wèi)星通信、控制、制導(dǎo)、雷達等領(lǐng)域中。微帶天線憑借其剖面薄、體積小、重量輕，具有平面 結(jié)構(gòu)等優(yōu)點在航空航天飛行器、移動通訊設(shè)備、手持通信設(shè)備中都具有良好的表現(xiàn)。隨著數(shù)據(jù)通信日益頻繁，雙頻微帶天線的優(yōu)勢也更加突出。在不增加天線尺寸的 前提下，能使同一個天線工作于不同的頻段。它具有的空間、重量和成本上的優(yōu)勢保證其具 有良好的發(fā)展前景。由于雙頻天線能夠同時工作于兩個頻段，不僅可以更加方便地利用不 同的頻段接收和發(fā)射信號，減少單一頻段的信息擁堵和信號間的相互干擾，在雷達應(yīng)用上 還可以獲得更加豐富的地物信息，便于目標(biāo)識別，因此民用、軍用都具有很高的價值。在雙頻微帶天線中使用MEMS技術(shù)是目前一個嶄新的發(fā)展方向，使天線在幾何尺 寸、功能、物理性能等許多方面具有一般傳統(tǒng)器件所無法比擬的優(yōu)越性。利用MEMS技術(shù)制 作的射頻通信系統(tǒng)的雙頻微型天線即RF-MEMS雙頻天線，除了具有體積小、重量輕、成本低 等優(yōu)點外，還可與射頻前端集成在一起，無需外加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，易于大批量生產(chǎn)。在文獻"Dual-frequency array for ACTS ground terminal，，(Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3,20-24, PP. 1824-1827, June 1994)中，由美國俄亥俄州Analex公司的Martin L. Zimmerma等人設(shè)計的一種工作在 20GHz和30GHz的用于衛(wèi)星收發(fā)的雙頻天線，具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該天線采用雙層 RTDuroid 5880襯底結(jié)構(gòu)，兩個頻段共用一個口面，并獲得在兩個頻段相互垂直的極化特 性。其中，30GHz頻段采用微帶共面饋電的結(jié)構(gòu)，為了使微帶天線與饋線阻抗匹配，將饋電 點向天線貼片的中心移動，因此在貼片上開一個矩形槽，槽的深度就是微帶線的饋電點深 度，槽的大小由微帶天線的輸入阻抗和微帶饋線的特性阻抗共同決定。阻抗匹配后，30GHz 頻段的回波損耗Sn = -13dB。20GHz頻段是以貼片的另一對邊作為輻射邊采用縫隙耦合 饋電的方式，同時縫隙也參與諧振以增大帶寬。該天線的耦合縫隙設(shè)計在矩形貼片邊沿，在下層襯底使用一段具有階梯不連續(xù)性的微帶線饋電。阻抗匹配后，20GHz頻段的回波損耗 Sn = -8dB。這種雙頻天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就是設(shè)計靈活，能夠方便地選擇兩個頻段的單元形式 和饋電結(jié)構(gòu)；饋線分別位于接地板兩側(cè)，饋線間的隔離較好，不僅能方便對兩個頻段分別調(diào) 節(jié)，也減小了兩路信號之間的干擾，這樣的結(jié)構(gòu)也能方便的組成陣列。但是由于該天線屬于 雙層結(jié)構(gòu)，引入了工藝誤差，機械可靠性下降；另外，兩頻段的輻射單元之間的串?dāng)_等影響 較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種C/X雙頻段微帶天線，該天線采用高阻硅為基本介質(zhì)材料，采用 雙波段饋電及輻射，同時借助于MEMS工藝，在高阻硅介質(zhì)層中刻蝕出一定的空腔以降低介 質(zhì)層復(fù)合介電常數(shù)、減小基底損耗、減小天線尺寸和重量。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種C/X雙頻微帶天線，如圖3至圖6所示，包括下層高阻硅介質(zhì)層4、上層高阻硅 介質(zhì)層2，位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層5、位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的 金屬圖形層3和位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層1。所述下層高阻硅介質(zhì)層4 和上層高阻硅介質(zhì)層2粘接在一起，其中上層高阻硅介質(zhì)層2下表面具有矩形凹槽，上下兩 層高阻硅介質(zhì)層粘接在一起后中間形成一個空腔6 ；所述位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的 金屬圖形層1包括一個矩形輻射貼片和X波段共面饋電微帶線；所述位于下層高阻硅介質(zhì) 層上表面的金屬圖形層3為與下層高阻硅介質(zhì)層上表面同尺寸的矩形金屬接地板，其中正 對于位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層1中矩形輻射貼片中心的地方具有一條 耦合縫隙；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層5為一條C波段耦合饋線。所 述X波段共面饋電微帶線和C波段耦合饋線的饋電結(jié)構(gòu)相互垂直，且C波段耦合饋線和金 屬接地板中的耦合縫隙相互垂直。本發(fā)明采用雙層高阻硅介質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩個頻段共用一個矩形輻射貼片；上層高阻硅 介質(zhì)承載矩形貼片和X頻段饋線，并且在上層高阻硅刻蝕出空氣腔，以降低其復(fù)合介電常 數(shù)，下層高阻硅介質(zhì)承載C頻段饋線。X頻段采用微帶共面饋電，在X頻段饋線后端先串聯(lián) 后并聯(lián)一段特定長度的微帶線，使天線輸入阻抗達到50 Q，完成與其饋電系統(tǒng)的匹配；C頻 段采用縫隙耦合饋電，其耦合縫隙設(shè)計在矩形貼片中心，最大程度地增加了縫隙和貼片之 間的耦合，通過改變縫隙尺寸來調(diào)節(jié)天線輸人阻抗的實部；改變饋線伸出長度來調(diào)節(jié)輸人 阻抗的虛部，從而獲得良好的駐波比，實現(xiàn)天線的阻抗匹配。這樣的天線單元結(jié)構(gòu)能方便地 組成陣列，能很好地提高天線的輸出功率和增益。順應(yīng)了空中通信小型化、輕型化、多頻化 和集成化要求。在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，若在高阻硅介質(zhì)層表面的三個金屬圖形層均采用并排的 二元結(jié)構(gòu)，即可得到下述的C/X雙頻二元微帶天線。一種C/X雙頻二元微帶天線，包括下層高阻硅介質(zhì)層4、上層高阻硅介質(zhì)層2，位于 下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層5、位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層3 和位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層1 ；所述下層高阻硅介質(zhì)層4和上層高阻硅 介質(zhì)層2粘接在一起，其中上層高阻硅介質(zhì)層2下表面具有矩形凹槽，上下兩層高阻硅介質(zhì) 層粘接在一起后中間形成一個空腔6 ；所述位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層1包括兩個矩形輻射貼片和X波段共面饋電微帶線；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金 屬圖形層3為與下層高阻硅介質(zhì)層上表面同尺寸的矩形金屬接地板，其中正對于位于上層 高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層1中兩個矩形輻射貼片中心的地方各具有一條耦合縫 隙；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層5為兩條C波段耦合饋線；所述X波段 共面饋電微帶線和C波段耦合饋線的饋電結(jié)構(gòu)相互垂直，且C波段耦合饋線和金屬接地板 中的耦合縫隙相互垂直。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下四個優(yōu)點1.單片雙模，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活本發(fā)明天線兩個頻段的饋線分別位于接地板兩側(cè)，饋線間的隔離較好；不僅能方 便對兩個頻段分別調(diào)節(jié)，也減小了兩路信號之間的干擾。這樣的結(jié)構(gòu)能方便地組成陣列。2.多頻化由于本發(fā)明天線能夠同時工作在C/X兩個頻段，不僅可以更加方便地利用不同的 頻段接收和發(fā)射信號，減少單一頻段的信息擁堵和信號間的相互干擾。另外，在不增加天線 尺寸的前提下，能使同一個天線工作于不同的頻段，也就實現(xiàn)了多頻段天線系統(tǒng)的小型化 和集成化。3.小型化、輕型化根據(jù)矩形貼片天線的理論計算公式可知，介質(zhì)襯底的相對介電常數(shù)越高，天線貼 片的尺寸越小。因為硅基底的相對介電常數(shù)較高，所以本發(fā)明天線貼片的尺寸較小，同時減 小了天線襯底和接地板的尺寸，實現(xiàn)了天線的小型化。本發(fā)明C/X雙頻段二元天線陣的尺 寸僅為37. 757mm*25. 193mm = 951. 212mm2。由于在硅基底上刻蝕了空腔，減小了硅基底的 損耗，進一步降低天線重量，實現(xiàn)了天線的輕型化。二元天線陣的總質(zhì)量僅為1.537g。4.集成化由于本發(fā)明天線采用高阻硅基底，所以它可以與RF-MEMS開關(guān)等其它射頻器件集 成，連接多個單頻段天線子系統(tǒng)構(gòu)成多頻段天線系統(tǒng)。由于采用MEMS工藝，該天線陣列制 造精度高，有利于進行批量生產(chǎn)，可以與集成電路或MMIC電路進一步集成。


圖1是Martin L. Zimmerma等人設(shè)計的20GHz/30GHz雙頻天線的俯視圖。其中1是矩形貼片，2是30G頻段天線單元的微帶共面饋線，3是金屬接地板上的 縫隙，4是20G頻段天線單元的縫隙耦合饋線。圖2是Martin L. Zimmerma等人設(shè)計的20GHz/30GHz雙頻天線單元結(jié)構(gòu)的A-A剖面圖。其中1是上層RTDuroid 5880襯底，2是金屬接地板，3是下層RTDuroid 5880襯底。圖3是本發(fā)明提供的C/X雙頻微帶天線的橫向截面剖視圖。圖4是本發(fā)明提供的C/X雙頻微帶天線中位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖 形層(輻射貼片及X波段饋電結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明提供的C/X雙頻微帶天線中位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖 形層(金屬接地板)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明提供的C/X雙頻微帶天線中位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖 形層(C波段饋電結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明提供的C/X雙頻二元微帶天線C波段的增益方向圖。圖8是本發(fā)明提供的C/X雙頻二元微帶天線C波段的回波損耗Sn曲線。圖9是本發(fā)明提供的C/X雙頻二元微帶天線X波段的增益方向圖。圖10是本發(fā)明提供的C/X雙頻二元微帶天線X波段的回波損耗Sn曲線。
具體實施方案下面對本發(fā)明作進一步說明1.介質(zhì)基板介電常數(shù)越高，天線尺寸越小，半功率波束寬度越大，而帶寬、效率越 差。為了與電路或MEMS開關(guān)等射頻器件集成，采用高介電常數(shù)的高祖硅做介質(zhì)，此時常規(guī) 設(shè)計的微帶天線帶寬不能滿足設(shè)計要求，并且效率也很低，在小型化和大寬帶相互矛盾的 情況下，采用在硅基板底部挖出適當(dāng)厚度的空氣腔來降低復(fù)合介電常數(shù)以實現(xiàn)小型化、輕 型化和寬帶要求。因此，本天線采用高阻硅(相對介電常數(shù)為11.9，電導(dǎo)率為0.0338/!11，損 耗角正切為0.005)為介質(zhì)材料。綜合考慮到基板厚度對天線帶寬、效率等性能的影響；結(jié) 合硅片的厚度規(guī)格大?。籑EMS加工工藝限制等因素；最終選擇0. 450mm厚的硅片作為上層 介質(zhì)，在上層硅襯底用MEMS干法腐蝕工藝刻蝕出0. 225mm厚的空氣腔，最后以0. 225mm厚 的硅片作下層介質(zhì)。2.由于對矩形兩個邊正交饋電時對各自諧振頻率的影響不大，可以先按照設(shè)計單 頻貼片天線的方法設(shè)計雙頻矩形貼片尺寸，理論上矩形貼片的長寬比與頻率比幾乎一致。 在這里根據(jù)典型的經(jīng)驗公式計算出貼片尺寸初值后，再經(jīng)HFSS仿真優(yōu)化最后得出天線矩 形貼片長為12. 262mm，寬為9. 565mm。天線貼片、饋線和接地板的金屬材料皆為金，厚度為 0. 015mmo3. X頻段側(cè)饋天線單元的輸入阻抗很大，而在高介電常數(shù)的基片上，天線尺寸更 小，輸入阻抗更大，而相同寬度的微帶線特性阻抗更小，所以要滿足天線到饋線的匹配有些 困難。利用Agilent公司的先進設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Design System, ADS)軟件對微帶天 線進行阻抗匹配，使其達到與50 Q饋電系統(tǒng)的匹配先使用一段基于空腔硅基上的50ohm 微帶線饋電，其寬度為0. 927mm,長度為2. 697mm。經(jīng)HFSS計算出X頻段天線單元的輸入阻 抗為22. 997ohm-j9. 280，阻抗失配嚴(yán)重?？蓪⑻炀€等效為一個電阻R和電容C的串連，由計 算公式R+= 22.997ohm-j9.280(其中fr為X頻段天線單元的諧振頻率)可計算得出電阻R為22.997ohm,電容 C為1.710pF。理論上可以在天線的饋線后端先串聯(lián)后并聯(lián)一根50ohm的微帶傳輸線，使 輸入阻抗達到50ohm+j0，完成與饋電系統(tǒng)的匹配。利用ADS軟件可計算出串聯(lián)的微帶線長 為1. 561mm,并聯(lián)的微帶線長為1. 356mm。而基于0. 450mm厚硅層上50ohm微帶線寬度為 0. 346mm。X頻段(10. 01GHz)阻抗匹配后，其回波耗損Sn = -37. 460dB,遠遠優(yōu)于Martin L. Zimmerman 天線的-13dB。4. C頻段天線單元采用縫隙耦合饋電，該耦合縫隙尺寸的選擇是本頻段天線設(shè)計的又一關(guān)鍵。增加縫隙尺寸可以增加縫隙和下層貼片之間的耦合，提高天線的諧振頻率，然 而縫隙尺寸過大時，又引起天線后瓣輻射增強，前后比變差。縫隙長度引起的后瓣輻射可以 通過減小下層介質(zhì)厚度來降低，但這又將增加了天線的Q值，減小了天線帶寬。故要對天線 的性能進行綜合考慮。另一個影響天線性能的是饋線開路端到中心點的伸出長度。它的值 可以用來調(diào)節(jié)天線阻抗匹配。改變縫隙尺寸來調(diào)節(jié)天線輸人阻抗的實部；通過改變饋線伸 出長度來調(diào)節(jié)輸人阻抗的虛部；從而獲得良好的駐波比，實現(xiàn)天線的匹配。當(dāng)然改變縫隙尺 寸對輸人阻抗虛部會有一定的影響，但是這種影響可以通過調(diào)節(jié)饋線伸出長度的長度來抵 消。本C頻段天線的耦合縫隙設(shè)計在矩形貼片中心，最大程度地增加了縫隙和貼片之間的 耦合，并實現(xiàn)了更好的阻抗匹配。最終耦合縫隙長為4. 495mm，寬為0. 450mm，饋線伸出長 度為5. 126mm?；?. 225mm厚硅層上50ohm微帶線寬度為0. 166mm。C頻段(7. 40GHz)阻 抗匹配后，其回波耗損Sn = -32. 505dB，遠遠優(yōu)于Martin L. Zimmerman天線的_8dB。5.為了提高天線的輸出功率和增益，可將C/X雙頻天線單元組成C/X雙頻天線陣 列。為避免柵瓣效應(yīng)，各陣列單元之間的間距要小于一個波長。先取二元陣列天線單元間 距的初值為C頻段的半個波長，再利用HFSS對其進行優(yōu)化仿真，調(diào)整單元間距、改變天線陣 饋線的特性阻抗與長度。另外，為保證達到各單元同幅同相的要求，必須使端口到各單元的 饋線等長。最后在天線陣饋線末端采用四分之一波長阻抗變換器，以實現(xiàn)天線陣的阻抗匹 配。最終使天線陣的駐波比、增益、效率滿足設(shè)計要求，并使饋線損耗降到最小，力求結(jié)構(gòu)緊 湊而又滿意的方向圖。最優(yōu)的單元間距為20. 300mm，二元天線陣列的接地板、硅基底的最終 尺寸均為 37. 757mm*25. 193mm = 951. 212mm2。上述C/X雙頻段二元微帶天線具有良好的雙頻輻射特性C頻段陣中心頻率為 7. 400GHz，增益為8. 198dB(增益方向圖如圖7所示)，帶寬為170M,輻射效率為74. 024%, 輸入阻抗為48. 046ohm-jl. 257，Sn = -32. 505dB (其回波損耗Sn曲線如圖8所示)，VWSR =1.049。X頻段陣中心頻率為10.010GHz，增益為9. 328dB(增益方向圖如圖9所示)，帶 寬為230M,輻射效率為74. 429%,輸入阻抗為51. 178ohm-j0. 670，Sn = -37. 460dB (其回波 損耗Sn曲線如圖10所示)，VWSR = 1. 027。
權(quán)利要求
一種C/X雙頻微帶天線，包括下層高阻硅介質(zhì)層(4)、上層高阻硅介質(zhì)層(2)，位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層(5)、位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(3)和位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(1)；所述下層高阻硅介質(zhì)層(4)和上層高阻硅介質(zhì)層(2)粘接在一起，其中上層高阻硅介質(zhì)層(2)下表面具有矩形凹槽，上下兩層高阻硅介質(zhì)層粘接在一起后中間形成一個空腔(6)；所述位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(1)包括一個矩形輻射貼片和X波段共面饋電微帶線；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(3)為與下層高阻硅介質(zhì)層上表面同尺寸的矩形金屬接地板，其中正對于位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(1)中矩形輻射貼片中心的地方具有一條耦合縫隙；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層(5)為一條C波段耦合饋線；所述X波段共面饋電微帶線和C波段耦合饋線的饋電結(jié)構(gòu)相互垂直，且C波段耦合饋線和金屬接地板中的耦合縫隙相互垂直。
2.—種C/X雙頻二元微帶天線，包括下層高阻硅介質(zhì)層(4)、上層高阻硅介質(zhì)層(2)，位 于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層(5)、位于下層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形 層(3)和位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(1)；所述下層高阻硅介質(zhì)層(4)和 上層高阻硅介質(zhì)層(2)粘接在一起，其中上層高阻硅介質(zhì)層(2)下表面具有矩形凹槽，上下 兩層高阻硅介質(zhì)層粘接在一起后中間形成一個空腔(6)；所述位于上層高阻硅介質(zhì)層上表 面的金屬圖形層(1)包括兩個矩形輻射貼片和X波段共面饋電微帶線；所述位于下層高阻 硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(3)為與下層高阻硅介質(zhì)層上表面同尺寸的矩形金屬接地 板，其中正對于位于上層高阻硅介質(zhì)層上表面的金屬圖形層(1)中兩個矩形輻射貼片中心 的地方各具有一條耦合縫隙；所述位于下層高阻硅介質(zhì)層下表面的金屬圖形層(5)為兩條 C波段耦合饋線；所述X波段共面饋電微帶線和C波段耦合饋線的饋電結(jié)構(gòu)相互垂直，且C 波段耦合饋線和金屬接地板中的耦合縫隙相互垂直。
全文摘要
一種C/X雙頻段微帶天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用雙層高阻硅介質(zhì)結(jié)構(gòu)，兩個頻段共用一個矩形輻射貼片；上層高阻硅介質(zhì)承載矩形貼片和X頻段饋線，并且在上層高阻硅刻蝕出空氣腔，以降低其復(fù)合介電常數(shù)，下層高阻硅介質(zhì)承載C頻段饋線。X頻段采用微帶共面饋電，C頻段采用縫隙耦合饋電。本發(fā)明提供的C/X雙頻段微帶天線或C/X雙頻段二元微帶天線具有以下四個優(yōu)點1、單片雙模，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活；2、多頻化；3、小型化、輕型化；4、集成化。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、控制、制導(dǎo)、雷達等空中點對點的通信工具中。
文檔編號H01Q1/48GK101931122SQ201010264750
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者劉曉明, 魏景輝 申請人:電子科技大學(xué)