專利名稱：左右旋圓極化可重構(gòu)天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種左右旋圓極化可重構(gòu)天線，可作為射頻收發(fā) 前端的天線，廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等無(wú)線通信系統(tǒng)，用于解決法拉第電磁 旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、雨霧干擾等造成的極化失配問(wèn)題，同時(shí)該天線可克服多徑能量衰落、實(shí)現(xiàn)頻率復(fù) 用、增大系統(tǒng)容量。
背景技術(shù)：
作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，天線被廣泛地應(yīng)用于無(wú)線通信場(chǎng)合。由于空間中電磁 波傳播的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，以及移動(dòng)通信中的接收天線位置的不確定性，如果采用傳統(tǒng)的 單極化天線做為收發(fā)單元，需要收發(fā)天線極化匹配對(duì)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)較好的接收效果。而圓極 化天線輻射出來(lái)的等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)可以分解為幅度相等相位相差90度的兩個(gè)正交線極化波， 普遍應(yīng)用于無(wú)線通信中解決極化失配的問(wèn)題。同時(shí)由于圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)的旋向 逆轉(zhuǎn)特性，可應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信領(lǐng)域抑制雨霧干擾和抗多徑反射，同時(shí)左右旋圓極 化可重構(gòu)天線可避免多徑能量衰弱，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用從而提高系統(tǒng)容量。因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 且高性能的左右旋圓極化可重構(gòu)天線不但可以顯著提高系統(tǒng)的性能及容量，同時(shí)可極大地 緩解后續(xù)射頻電路的指標(biāo)壓力，降低系統(tǒng)的成本。左右旋圓極化可重構(gòu)天線的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，微帶形式的圓極化天線因?yàn)榫哂?低輪廓易共形的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用最為廣泛。它的饋電方式主要有縫隙耦合饋電和同軸波導(dǎo)饋電 兩種方式，其中縫隙耦合饋電主要采用多層印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)，對(duì)于國(guó)內(nèi)的工藝來(lái)說(shuō)價(jià) 格高昂而且工藝不是很穩(wěn)定。而同軸饋電方式雖然簡(jiǎn)單，但它不能和平面電路無(wú)縫集成，導(dǎo) 致體積較大。它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)圓極化可重構(gòu)特性所需要的偏置電路比較復(fù)雜，所需要的開關(guān)二 極管和隔直流電容等集總元件比較多導(dǎo)致加工復(fù)雜成本高昂。綜合目前左右旋圓極化可重 構(gòu)天線的研究現(xiàn)狀可知，仍然需要研究采用新工藝新結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本低輪廓的高性能左 右旋圓極化可重構(gòu)天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種完全由平面電路加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的左右旋圓極化可重構(gòu) 的低輪廓背腔天線，這種新型圓極化天線輻射性能好，增益高，輪廓低，可無(wú)縫平面集成，集 總元件中只需要兩個(gè)開關(guān)二極管，不需要隔直流電容、偏置電路簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，易于加工， 成本低廉。該天線與現(xiàn)有同類型天線相比輻射性能好更好，偏置電路更簡(jiǎn)潔，制造成本顯著 降低。本發(fā)明的左右旋圓極化可重構(gòu)天線包括
介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上表面涂覆的上金屬層和介質(zhì)基片下表面涂覆的下金屬層； 上金屬層開有用于隔斷直流回路的隔直流縫隙，所述的隔直流縫隙為貫穿上金屬層的 環(huán)型縫隙；
直流電源的兩端分別連接隔直流縫隙兩邊的上金屬層；下金屬層開有用于將電磁波從腔體耦合到空間或從空間耦合進(jìn)入腔體的輻射縫隙，所 述的輻射縫隙為貫穿下金屬層的環(huán)型縫隙；
跨輻射縫隙兩邊的下金屬層連接有兩個(gè)反相偏置的二極管；
多個(gè)貫穿隔直流縫隙外圍的上金屬層、介質(zhì)基片和輻射縫隙外圍的下金屬層的電互連 單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列；構(gòu)成電互連陣列的任意兩個(gè)相鄰電互連單元之間的占空 比大于1 ；
由上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體，饋電單元伸入該腔體內(nèi)； 貫穿隔直流縫隙包圍的上金屬層、介質(zhì)基片和輻射縫隙包圍的下金屬層的導(dǎo)電元。所述的隔直流縫隙位于輻射縫隙的投影區(qū)域內(nèi)；
所述的輻射縫隙具有平面對(duì)稱性；所述的饋電單元和電互連陣列的輪廓線均以輻射縫 隙的對(duì)稱面對(duì)稱。所述的介質(zhì)基片為單層介質(zhì)基片，饋電單元為帶地共面波導(dǎo)傳輸線。所述的電互連單元為金屬化通孔或金屬柱。本發(fā)明的左右旋圓極化可重構(gòu)天線是在普通的介質(zhì)基片上通過(guò)采用平面電路加 工技術(shù)制造等效于傳統(tǒng)金屬腔的新型腔體結(jié)構(gòu)，從而極大地減小了背腔圓極化天線的體 積。與傳統(tǒng)背腔天線需要精密的機(jī)械加工不同的是這種新型天線包括饋電網(wǎng)絡(luò)可以采用普 通的平面電路工藝制作(如印刷電路板、低溫共燒陶瓷等)，制作成本顯著降低，并可與平面 電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。同時(shí)巧妙利用具有兩個(gè)反相偏置二極管加載的環(huán)型縫隙作為輻射單 元，通過(guò)簡(jiǎn)單的偏置電路就可實(shí)現(xiàn)左右旋圓極化可重構(gòu)天線。具體工作原理電磁能量由饋電線引入到由電互連陣列和兩金屬層構(gòu)成的腔體 中，并在腔體內(nèi)且大環(huán)形縫隙外所限的區(qū)域激勵(lì)起多個(gè)簡(jiǎn)并諧振模式。通過(guò)改變直流偏置 電路的偏置電壓或電流可以調(diào)節(jié)跨接在大環(huán)型縫隙上的兩個(gè)開關(guān)二極管的導(dǎo)通或截止?fàn)?態(tài)。當(dāng)開關(guān)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于將大環(huán)型縫隙在該導(dǎo)通開關(guān)二極管所在位置短 路，而當(dāng)開關(guān)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，相當(dāng)于將大環(huán)型縫隙在該導(dǎo)通開關(guān)二極管所在位置 開路。大環(huán)型縫隙上引入短路點(diǎn)，可以將腔體內(nèi)大環(huán)型縫隙外的多個(gè)簡(jiǎn)并諧振模式分離并 產(chǎn)生圓極化輻射。短路點(diǎn)位置的改變可以切換左旋或右旋圓極化輻射，從而使得天線成為 左右旋圓極化可重構(gòu)天線。調(diào)節(jié)腔體和大環(huán)型縫隙的尺寸可以方便地調(diào)節(jié)天線的工作頻 率。本發(fā)明的左右旋圓極化可重構(gòu)天線具有以下有益效果
a.這種新型的左右旋圓極化可重構(gòu)天線保留了傳統(tǒng)的金屬背腔圓極化天線高增益等 的優(yōu)良輻射特性，同時(shí)整個(gè)天線包括背腔結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)都可以在基片上實(shí)現(xiàn)，不但使得 天線的體積極大減小，而且整個(gè)天線可以與系統(tǒng)完全平面無(wú)縫集成，提高了系統(tǒng)的集成度。b.這種新型的左右旋圓極化可重構(gòu)天線偏置電路簡(jiǎn)單，除了兩個(gè)開關(guān)二極管外不 再需要任何集總元件，偏置電路與以有左右旋圓極化可重構(gòu)天線相比大大簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制作成本低廉。c.這種新型的背腔圓極化天線制造簡(jiǎn)單方便，用普通的平面電路工藝就可以實(shí) 現(xiàn)。與傳統(tǒng)的需要精密機(jī)械加工的背腔天線相比，制造速度快，成本低廉。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的上表面金屬層所處平面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1的下表面金屬層所處平面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例在IOGHz時(shí)左旋圓極化輻射方向圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例在IOGHz時(shí)右旋圓極化輻射方向圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，左右旋圓極化可重構(gòu)天線包括厚度為0. 5毫米的介質(zhì)基片1，介質(zhì)基 片1的兩面有金屬層，分別是金屬層2和金屬層3。貫穿介質(zhì)基片1、金屬層2和金屬層3 有直徑為1毫米的通孔，通孔內(nèi)壁鍍有金屬，形成電互連單元4。多個(gè)電互連單元4順序排 列為具有正方形輪廓線的且正方形邊長(zhǎng)為18. 5毫米的電互連陣列，構(gòu)成正方形的電互連 陣列的電互連單元孔間距相同，均為1. 5毫米。金屬層2、金屬層3和電互連陣列所包含區(qū) 域形成正方形的腔體。如圖2，金屬層2有用于饋電的共面波導(dǎo)傳輸線5 (虛線方框包含部 分)，共面波導(dǎo)傳輸線5的長(zhǎng)度8. 2毫米，空氣間隙的寬度和中間金屬條帶的寬度分別為0.7 毫米和1. 45毫米。共面波導(dǎo)傳輸線5伸入腔體內(nèi)，其頂端距離腔體的中心6. 0毫米，共面 波導(dǎo)傳輸線5的對(duì)稱面與腔體的一個(gè)對(duì)稱面重合。金屬層2在腔體區(qū)域內(nèi)，有寬度0. 2毫 米、邊長(zhǎng)1. 6毫米且四邊與腔體邊壁平行、中心重合的一個(gè)正方形小環(huán)型縫隙7。在由小環(huán) 型縫隙7分隔開的內(nèi)部金屬片和外部金屬片上焊接有兩根導(dǎo)線，導(dǎo)線連接直流電源構(gòu)成直 流偏置電路10 (虛線橢圓框包含部分);如圖3，金屬層3在腔體區(qū)域內(nèi)有寬度1毫米、邊長(zhǎng) 9. 7毫米、且四邊與腔體邊壁平行、中心重合的一個(gè)正方形大環(huán)型縫隙6。在大環(huán)型縫隙6 與共面波導(dǎo)傳輸線5的對(duì)稱面垂直的一條中心線上的對(duì)稱位置，有兩個(gè)反相偏置的開關(guān)二 極管8和9 (虛線圓框包含部分)用于連接大環(huán)型縫隙6兩邊的金屬；在腔體的中心位置貫 穿介質(zhì)基片1、金屬層2和金屬層3有一個(gè)由直徑0. 4毫米的金屬化通孔構(gòu)成的導(dǎo)電元11， 將處于不同層的小環(huán)型縫隙內(nèi)部的金屬片和大環(huán)型縫隙內(nèi)部的金屬片連通形成等勢(shì)體。具 體結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于該天線包括介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上表面涂覆的上金屬層和介質(zhì)基片下表面涂覆的下金屬層；上金屬層開有用于隔斷直流回路的隔直流縫隙，所述的隔直流縫隙為貫穿上金屬層的 環(huán)型縫隙；直流電源的兩端分別連接隔直流縫隙兩邊的上金屬層；下金屬層開有用于將電磁波從腔體耦合到空間或從空間耦合進(jìn)入腔體的輻射縫隙，所 述的輻射縫隙為貫穿下金屬層的環(huán)型縫隙；跨輻射縫隙兩邊的下金屬層連接有兩個(gè)反相偏置的二極管；多個(gè)貫穿隔直流縫隙外圍的上金屬層、介質(zhì)基片和輻射縫隙外圍的下金屬層的電互連 單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列；構(gòu)成電互連陣列的任意兩個(gè)相鄰電互連單元之間的占空 比大于1 ；由上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體，饋電單元伸入該腔體內(nèi)；貫穿隔直流縫隙包圍的上金屬層、介質(zhì)基片和輻射縫隙包圍的下金屬層的導(dǎo)電元。
2.如權(quán)利要求1所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的隔直流縫隙位于 輻射縫隙的投影區(qū)域內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的輻射縫隙具有平 面對(duì)稱性。
4.如權(quán)利要求3所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的饋電單元和電互 連陣列的輪廓線均以輻射縫隙的對(duì)稱面對(duì)稱。
5.如權(quán)利要求1所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的介質(zhì)基片為單層 介質(zhì)基片。
6.如權(quán)利要求5所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的饋電單元為帶地 共面波導(dǎo)傳輸線。
7.如權(quán)利要求1所述的左右旋圓極化可重構(gòu)天線，其特征在于所述的電互連單元為金 屬化通孔或金屬柱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種左右旋圓極化可重構(gòu)天線?，F(xiàn)有產(chǎn)品價(jià)格高且工藝復(fù)雜。本發(fā)明包括介質(zhì)基片、介質(zhì)基片上表面涂覆的上金屬層和下表面涂覆的下金屬層；上金屬層開有環(huán)型的隔直流縫隙，直流電源的兩端分別連接隔直流縫隙兩邊的上金屬層；下金屬層開有環(huán)型的輻射縫隙，跨輻射縫隙兩邊的下金屬層連接有兩個(gè)反相偏置的二極管；多個(gè)貫穿隔上金屬層、介質(zhì)基片和下金屬層的電互連單元順序排列構(gòu)成的電互連陣列；由上金屬層、下金屬層和電互連陣列包圍的區(qū)域構(gòu)成腔體，饋電單元伸入該腔體內(nèi)；貫穿隔直流縫隙包圍的上金屬層、介質(zhì)基片和輻射縫隙包圍的下金屬層的導(dǎo)電元。本發(fā)明輻射性能好、增益高、輪廓低，可無(wú)縫平面集成，易于設(shè)計(jì)和加工，成本低廉。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102074795SQ20111002422
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者孫玲玲, 張曉紅, 羅國(guó)清, 胡志方 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)