CN104638370B - 半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置 - Google Patents

半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，包括两块长方体形的弹性介质、两块长方体形的磁铁、两块长方体形的铁板、两根螺栓、两个锁紧螺母以及一块长方体形的铁氧体；铁氧体嵌在半模基片集成波导天线的天线基板上，并位于半模基片集成波导天线的谐振腔内；两块弹性介质、两块磁铁和两块铁板由内向外依次对称设置在铁氧体的上下两侧，两根螺栓依次穿过上下两侧的两块铁板的两端，并通过锁紧螺母锁紧；两块弹性介质的厚度相同，两块磁铁互相吸引且在同一位置产生的磁场强度相同。本发明的装置可调范围大、实现简单，且不需要偏置电源和电子器件，适合用在微波频段、成本要求低以及偏置电源困难的地方。

Description

半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置
技术领域
本发明涉及一种天线的频率磁可调装置，尤其是一种用于半模基片集成波导天线在宽频带范围内频率磁可调的装置。
背景技术
随着无线通信系统中需要的天线数量增多，造成通信系统的整体成本和重量增加、带来了天线之间的电磁干扰等问题。在此背景下，人们提出了“频率可调天线”这个概念，希望能够用一个天线来实现多个天线的功能。
半模基片集成波导(Half-mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)的传播特性和生产工艺类似基片集成波导，都是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的，但和同频率基片集成波导相比它的尺寸缩小一半。因此，可采用半模基片集成波导技术实现尺寸更小、高Q值、高功率容量、易和平面电路集成的天线。目前半模基片集成波导可调天线的研究中，绝大多数是电可调天线频率可调范围很窄。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的半模基片集成波导天线在宽频率范围内频率不可调。
为了解决上述技术问题，本发明提供了半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，包括两块长方体形的弹性介质、两块长方体形的磁铁、两块长方体形的铁板、两根螺栓、两个锁紧螺母以及一块长方体形的铁氧体；铁氧体嵌在半模基片集成波导天线的天线基板上，并位于半模基片集成波导天线的谐振腔内；两块弹性介质、两块磁铁以及两块铁板由内向外依次对称设置在铁氧体的上下两侧，两根螺栓依次穿过上下两侧的两块铁板的两端，并通过锁紧螺母锁紧；两块弹性介质的厚度相同，两块磁铁互相吸引且对于铁氧体同一位置处产生的磁场强度大小和方向均相同，通过调节两块磁铁的间距，使磁铁提供的偏置磁场从低场区调节到高场区。
采用铁氧体嵌在天线基板上，并通过调节两块磁铁的距离来调节外加偏置磁场的大小，可以让偏置磁场从低场区一直增大到高场区，利用“铁氧体磁导率在铁磁共振出现前的低场区是随着偏置磁场增大由大变小，在铁磁共振出现后的高场区也是由大变小”来实现天线在宽频率范围内频率可调；采用弹性介质既能够相对固定铁氧体，又能够方便铁板压缩来调节磁铁与铁氧体之间的距离。
作为本发明的进一步改进方案，还包括四个中间螺母，四个中间螺母两两分别旋合在两根螺栓上，且位于两块铁板之间。采用四个中间螺母两两分别旋合在两根螺栓上能够对两块铁板之间的相对距离进行限定，防止超过最大压缩量。
作为本发明的进一步限定方案，中间螺母的厚度与磁铁的厚度相等。能够有效防止压缩量过大，对磁铁进行有效保护。
作为本发明的进一步限定方案，两根螺栓和两个锁紧螺母均为塑料材质。采用塑料材质的螺栓和锁紧螺母，能够防止被磁化而干扰磁场，提高了磁场调节的精度。
作为本发明的进一步限定方案，中间螺母为塑料材质。采用塑料材质的中间螺母，能够防止被磁化而干扰磁场，提高了磁场调节的精度。
作为本发明的进一步限定方案，两块弹性介质、两块磁铁以及两块铁板的宽度均相同，且均与半模基片集成波导天线表面的辐射缝隙的位置错开。采用该设计能够有效防止磁铁和铁板对辐射缝隙的辐射性能造成影响。
作为本发明的进一步限定方案，弹性介质为弹性海绵。采用弹性海绵作为弹性介质既能够相对固定铁氧体，又能够方便铁板压缩来调节磁铁与铁氧体之间的距离，同时也不会对磁场造成干扰。
作为本发明的进一步限定方案，弹性介质与磁铁的长度相同，且长于铁氧体的长度而小于铁板的长度。采用该设计能够方便螺栓对铁板两端进行固定。
作为本发明的进一步限定方案，铁氧体为软磁铁氧体，且铁氧体的厚度与天线基板的厚度相同。采用该设计能够使铁氧体不凸出天线基板，使弹性介质与施加在铁氧体和天线基板上的压力相等，提高了铁氧体安装的稳定性。
作为本发明的进一步改进方案，铁氧体的上下侧面上覆有一层铜皮，铜皮的四周与半模基片集成波导天线的表面金属层焊在一起。采用密封的铜皮能够对铁氧体进行进一步固定，并且能够减少辐射损耗。
本发明的有益效果在于：(1)采用铁氧体嵌在天线基板上，并通过调节两块磁铁的距离来调节外加偏置磁场的大小，可以让偏置磁场从低场区一直增大到高场区，利用“铁氧体磁导率在铁磁共振出现前的低场区是随着偏置磁场增大由大变小，在铁磁共振出现后的高场区也是由大变小”来实现天线在宽频率范围内频率可调；(2)采用弹性介质既能够相对固定铁氧体，又能够方便铁板压缩来调节磁铁与铁氧体之间的距离；(3)采用本装置实现的频率磁可调半模基片集成波导天线，比起现有大多数微波频段基于基片集成波导的电可调天线，频率可调范围更大，不需要偏置电源和电子器件，结构简单、体积小、易于制造、成本要求低。
附图说明
图1为本发明的装置前视结构示意图；
图2为本发明的装置左视结构示意图；
图3为本发明的铁氧体在半模基片集成波导缝隙天线中安装位置俯视图；
图4为本发明的铁氧体在半模基片集成波导缝隙天线中安装位置仰视图；
图5为本发明的随偏置磁场强度改变而改变的铁氧体磁导率；
图6为安装本发明装置的半模基片集成波导缝隙天线随外加偏置磁场工作频率可调图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。以下是针对某种特定半模基片集成波导缝隙天线得到结果，若采用别的类似天线，基于本发明原理和结构进行适当的改变后也能得到。
如图1和2所示，本发明的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置包括两块长方体形的弹性介质2、两块长方体形的磁铁3、两块长方体形的铁板4、两根螺栓6、两个锁紧螺母7以及一块长方体形的铁氧体8；铁氧体8嵌在半模基片集成波导天线的天线基板1上，并位于半模基片集成波导天线的谐振腔内；两块弹性介质2、两块磁铁3以及两块铁板4由内向外依次对称设置在铁氧体8的上下两侧，两根螺栓6依次穿过上下两侧的两块铁板4的两端，并通过锁紧螺母7锁紧；两块弹性介质2的厚度相同，两块磁铁互相吸引且对于铁氧体同一位置处产生的磁场强度大小和方向均相同，通过调节两块磁铁的间距，使磁铁提供的偏置磁场从低场区调节到高场区；还包括四个中间螺母5，四个中间螺母5两两分别旋合在两根螺栓6上，且位于两块铁板4之间；中间螺母5的厚度与磁铁3的厚度相等；两根螺栓6和两个锁紧螺母7均为塑料材质；中间螺母5为塑料材质；两块弹性介质2、两块磁铁3以及两块铁板4的宽度均相同，且均与半模基片集成波导天线表面的辐射缝隙的位置错开；弹性介质2为弹性海绵；弹性介质2与磁铁3的长度相同，且长于铁氧体8的长度而小于铁板4的长度；铁氧体8为软磁铁氧体，且铁氧体8的厚度与天线基板1的厚度相同；铁氧体的上下侧面上覆有一层铜皮，铜皮的四周与半模基片集成波导天线的表面金属层焊在一起。
本发明的实施例铁氧体8采用的是微波钇铁石榴石(YIG)铁氧体，铁氧体的饱和磁化强度4πMs＝1800Gs，铁氧体的线宽△H＝20Oe；
如图3和4所示，本发明的实施例中的半模基片集成波导天线在竖向设有一排金属化通孔阵列，在一侧挖空出和介质基片厚度一样厚的长方槽，铁氧体8材料加工为同样形状、和介质基片厚度一样厚的长方细条，再将细条铁氧体8插入长方槽内；铜皮封盖在长方槽，使铁氧体8封盖在长方槽内，铜皮四周与半模基片集成波导天线的表面金属层焊在一起，起到固定铁氧体及减少辐射损耗的作用。两块弹性介质2、两块铁板4和两块磁铁3宽度都为W，都为分别置于铁氧体的上方和下方，且不遮挡天线表面的辐射缝隙；弹性海绵和磁铁3长度相同，长度大于铁氧体8长度Lf而小于等于天线基板1长度L。
如图5所示，随偏置磁场强度H0改变而改变的铁氧体磁导率张量分量μ的实部，通过改变铁氧体8的磁导率，半模基片集成波导天线的谐振频率会随着半模基片集成波导谐振腔内磁导率的变小而增大，随着偏置磁场由零开始逐渐增大(即处于低场区时)，铁氧体磁导率由初始值μ1降低至μ2，故天线的谐振频率升高，随着偏置磁场进一步增大出现铁磁共振峰，在铁磁共振出现后随着偏置磁场接着增大(即处于高场区时)，铁氧体磁导率由一个远大于1的可用峰值μ3逐渐变小，直至逼近μ1，故天线的谐振频率也是升高。但是，由于其磁导率可用峰值μ3比初始值μ1大，磁导率μ3对应天线的谐振频率为fmin，为天线可调频率范围的最小值；磁导率μ2对应天线的谐振频率为fmax，为天线可调频率范围的最大值。
如图6所示，半模基片集成波导频率磁可调天线在偏置磁场从低场区变到高场区的工作频率可调，可随着偏置磁场强度H0从0Oe增大到3200Oe，该半模基片集成波导天线在宽频带范围内频率磁可调，天线的最小谐振频率fmin为5.07GHz，天线的最高谐振频率fmax为6.23GHz，可调范围为1160MHz。
表1给出了该半模基片集成波导频率磁可调天线随外加偏置磁场变化测得谐振工作频率、工作频率点对应反射系数S11，测试结果显示天线在可调频率范围内核心性能变化较小、可调范围大，能够满足实际应用需求。
表1
外加磁场H0(Oe) 频率(GHz) S11(dB)
0 5.64 -18.20
0.1 5.79 -16.67
0.13 6.04 -10.51
0.16 6.23 -9.81
0.21 5.07 -12.59
0.26 5.2 -12.53
0.32 5.38 -18.93
本发明应用的原理为：铁氧体磁导率在铁磁共振出现前随着偏置磁场增大由大变小，在铁磁共振出现后也是由大变小。
天线的谐振频率由构成天线的材料特性、半模基片集成波导谐振腔大小和天线表面辐射缝隙的尺寸、位置等共同决定。半模基片集成波导谐振腔的谐振频率和ur与εr乘积的平方根成反比，ur和εr分别为半模基片集成波导谐振腔总体的相对磁导率和相对介电常数，故可通过改变半模基片集成波导天线谐振腔内的铁氧体相对磁导率和相对介电常数，来实现天线频率可调。
在外部交变场作用下铁氧体的磁导率为一张量：
(偏置场H0平行于z轴时)
式中，μ和κ是磁导率张量分量：
在CGS单位制(高斯单位制)下μ0＝1G/Oe，拉莫角频率ω0＝γμ0H0，ωm是和饱和磁化强度相关的共振角频率ωm＝γμ0Ms，Ms为铁氧体8的饱和磁化强度。当外部交变信号频率ω＝ω0时，μ→∞，κ→∞，发生所谓“铁磁共振”现象。这类共振是当外部交变信号频率等于拉莫角频率，由于铁磁材料中自旋电子的一致进动而引起的。将软磁铁氧体插入半模基片集成波导天线的内部，对于铁氧体8施加偏置磁场，当有外加偏置磁场从0开始逐渐增大时在铁磁共振出现前是低场区，在铁磁共振出现后是高场区。利用“铁氧体磁导率在铁磁共振出现前的低场区是随着偏置磁场增大由大变小，在铁磁共振出现后的高场区也是由大变小”可以扩大天线的频率可调范围。

Claims (9)

1.半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：包括两块长方体形的弹性介质（2）、两块长方体形的磁铁（3）、两块长方体形的铁板（4）、两根螺栓（6）、两个锁紧螺母（7）以及一块长方体形的铁氧体（8）；所述铁氧体（8）嵌在半模基片集成波导天线的天线基板（1）上，并位于半模基片集成波导天线的谐振腔内；所述两块弹性介质（2）、两块磁铁（3）以及两块铁板（4）由内向外依次对称设置在铁氧体（8）的上下两侧，两根螺栓（6）依次穿过上下两侧的两块铁板（4）的两端，并通过锁紧螺母（7）锁紧；两块弹性介质（2）的厚度相同，两块磁铁（3）互相吸引且对于铁氧体（8）同一位置处产生的磁场强度大小和方向均相同，通过调节两块磁铁（3）的间距，使磁铁（3）提供的偏置磁场从低场区调节到高场区；所述两块弹性介质（2）、两块磁铁（3）以及两块铁板（4）的宽度均相同，且均与半模基片集成波导天线表面的辐射缝隙的位置错开。
2.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：还包括四个中间螺母（5），所述四个中间螺母（5）两两分别旋合在两根螺栓（6）上，且位于两块铁板（4）之间。
3.根据权利要求2所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述中间螺母（5）的厚度与磁铁（3）的厚度相等。
4.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述两根螺栓（6）和两个锁紧螺母（7）均为塑料材质。
5.根据权利要求2所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述中间螺母（5）为塑料材质。
6.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述弹性介质（2）为弹性海绵。
7.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述弹性介质（2）与磁铁（3）的长度相同，且长于铁氧体（8）的长度而小于铁板（4）的长度。
8.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述铁氧体（8）为软磁铁氧体，且铁氧体（8）的厚度与天线基板（1）的厚度相同。
9.根据权利要求1所述的半模基片集成波导天线宽频带范围内频率磁可调的装置，其特征在于：所述铁氧体（8）的上下侧面上覆有一层铜皮，所述铜皮的四周与半模基片集成波导天线的表面金属层焊在一起。
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