[发明专利]宽带低轮廓背腔集成天线

说明书

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种宽带低轮廓背腔集成天线，可作为射频收发前端的天线，广泛应用在移动通信、卫星通信、雷达等无线通信系统，特别适合于接收信号弱，需要宽带高增益天线的应用场合。

背景技术

作为通信系统的关键部件，天线被广泛地应用于无线通信场合。天线性能的好坏直接决定了整个系统的性能。高性能的天线不但可以显著提高系统的性能，获取良好的接收效果，同时可以极大地缓解后续射频电路的指标压力，降低系统的成本。特别在雷达、卫星等空间应用场合，对天线的需求不仅仅是优异的辐射性能，而且对体积重量也具有严格限制。在这些场合下设计具有低轮廓易共形的高性能天线尤其重要。

传统线极化天线的实现方式多种多样，包括振子天线、环型天线、缝隙天线、口径天线和端射天线等等。振子天线、环型天线等具有制作简单易于设计等优点，但这种类型天线单个辐射单元的性能较低。波导缝隙开槽天线适用于阵列天线应用，单个辐射单元体积小，组成阵列尺寸缩减，阵列天线具有主瓣宽度窄，方向图可以赋形，交叉极化电平低等优良特性，主要应用于微波毫米波雷达通信系统中等。但是基于传统金属波导技术的天线体积大，需要精密的机械加工工艺才能实现给定的性能导致其成本高昂，限制了它的大范围使用；口径天线和端射天线的辐射性能都比较好，但在实际应用中他们体积都比较大，结构复杂，制造成本高昂。背腔结构经常应用于天线设计当中用以提高天线辐射性能。但传统的背腔由光滑的金属腔体构成，体积大加工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带低轮廓背腔集成天线，这种新型天线工作频带宽，增益高，辐射效率好，体积紧凑结构简单，易于设计加工，成本低廉。该天线大大突破已有低轮廓背腔缝隙天线工作带宽限制，相对带宽可达30%~50%，极大地拓宽了低轮廓背腔天线的应用场合。

本发明的宽带低轮廓背腔集成天线包括：介质基片，涂覆在介质基片上表面的环型的金属条带和完整涂覆在介质基片下表面的金属地层，多个贯穿金属条带、介质基片和金属地层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列，馈电单元和辐射单元。金属条带、金属地层和电互连阵列围合成腔体结构。构成电互连阵列的任意两个相邻电互连单元之间的占空比大于1。

所述的介质基片为单层介质基片。

所述环型的金属条带为具有开口的环型结构，或闭合的环型结构。

所述的电互连单元为贯穿金属条带、介质基片和金属地层的金属化通孔或金属柱。

所述的辐射单元为设置在环型的金属条带中间空白区域的介质基片的上表面的单极子天线、偶极子天线、折叠偶极子天线或贴片天线。

金属条带为具有开口的环型结构下，所述的馈电单元为由环型金属条带开口处伸入，并与辐射单元相连的微带线、共面条带线或共面波导传输线；金属条带为闭合的环型结构下，所述的馈电单元为设置在环型金属条带中间空白区域，并穿过金属地层和介质基片，同时与辐射单元相连的同轴线。

本发明的宽带低轮廓背腔集成天线是在普通的介质基片上通过采用平面电路加工技术制造等效于传统金属腔体的新型低轮廓背腔结构，从而极大地减小背腔天线的体积。与传统背腔天线需要精密的机械加工不同的是这种新型天线和后续的馈电网络可以采用普通的平面电路工艺制作（如印刷电路板、低温共烧陶瓷等），制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。与由相同的辐射单元构成的平面天线相比，本发明通过引入背腔结构显著提高了天线的效率和增益，同时金属条带开口边沿与辐射单元之间相互耦合使得在金属条带覆盖的腔体区域产生新的寄生腔体谐振模式，从而极大地展宽了天线的工作带宽。

具体工作原理：馈电线将电磁波引入到后面连接的辐射单元，一部分电磁能量由辐射单元直接辐射至空间，另一部分能量由辐射单元耦合到旁边的由金属条带覆盖的腔体区域并形成寄生腔体谐振，并最终从金属条带的开口边沿辐射至空间。两种辐射机制共同作用使得天线的工作带宽极大拓宽，同时背腔结构显著提高了天线的辐射效率和增益。通过调节辐射单元和腔体的尺寸就可以方便地调节天线的工作频率。

本发明的宽带低轮廓背腔集成天线具有以下有益效果：

a. 这种新型天线在保留传统平面天线易加工易集成等优点的基础上，背腔结构的引入不仅通过抑制表面波效应提高了天线的效率和增益，同时辐射单元将能量耦合到金属条带覆盖的腔体区域并产生寄生腔体谐振，从而在金属条带的开口边沿形成新的辐射，两种辐射模式的作用使得天线的工作带宽极大展宽。整个天线完全在介质基片上实现，使得天线的体积极大缩减，整个天线可以与射频收发前端乃至整个系统完全平面无缝集成，提高了系统集成度。