CN106067601B - 方向图可重构微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的方向图可重构微带天线，包括衬底，衬底上设置有一个阻抗变换器、一个主辐射单元、至少两个副辐射单元以及与副辐射单元的数量相同个微电子机械系统MEMS开关。本发明方向图可重构微带天线，通过MEMS开关控制对应的副辐射单元是否接入，MEMS开关导通时，对应的副辐射单元不与主辐射单元连通；MEMS开关断开时，对应的副辐射单元与主辐射单元连通，使得辐射角方向偏向MEMS开关断开的副辐射单元。相比于现有技术，本发明所设计的天线体积小、质量轻、成本低，适用于微波波段。

Description

方向图可重构微带天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，具体涉及一种方向图可重构微带天线。

背景技术

如图1所示，微带天线，指的是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线对贴片馈电构成的天线。

现有技术中，有时需要实现微带天线的方向图重构，常用的实现的方法为：采用阵列形式实现，也就是采用多个微带天线，构成天线阵列来实现。这种方法存在的技术问题是：阵列体积较大，难以适应一些对灵活机动性要求高的应用场合的需求。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种方向图可重构微带天线，解决了现有技术存在的阵列体积较大，难以适应对灵活机动性要求高的需求的问题。

为达到上述目的，本发明实施例公开了：方向图可重构微带天线，包括衬底，衬底上设置有一个阻抗变换器、一个主辐射单元、至少两个副辐射单元以及与副辐射单元的数量相同个微电子机械系统MEMS开关；

所述主辐射单元通过微带馈线连接设置在衬底边缘的阻抗变换器；

所述的主辐射单元通过所述各个MEMS开关与各个副辐射单元相连接；

所述的副辐射单元设置在主辐射单元相对于所述阻抗变换器的另一侧；

所述MEMS开关导通时，对应的副辐射单元不与主辐射单元连通；所述MEMS开关断开时，对应的副辐射单元与主辐射单元连通，使得辐射角方向偏向MEMS开关断开的副辐射单元。

优选的，所述的各个副辐射单元的形状和大小均相同；当所述副辐射单元的数量为三个或三个以上时，各个副辐射单元在衬底上等间距分布。

优选的，所述的衬底上还设置有与副辐射单元对应的寄生单元。

优选的，所述的副辐射单元和MEMS开关的数量为两个；

所述的主辐射单元为形状左右对称的主辐射贴片；

所述两个副辐射单元为分别设置在主辐射贴片左右两侧的第一副贴片和第二副贴片；

所述主辐射贴片的左右两端各设置有一个凸出部；所述第一副贴片和第二副贴片与主辐射贴片的连接端对应也设置有一个凸出部；

所述主辐射贴片的左右两端分别通过一个MEMS开关与第一副贴片和第二副贴片相连；

所述主辐射贴片的左右两端与所述第一副贴片和第二副贴片连接的位置分别设置有扇形接地端。

优选的，所述的MEMS开关，包括连接主辐射单元与副辐射单元的信号线，信号线表面覆盖有介质层，垂直于信号线在信号线上方水平设置有可下拉的开关梁，所述的介质层面积大于或等于开关梁下拉时和信号线接触的面积，开关梁的一端连接扇形接地端，开关梁的另一端连接高阻线，高阻线的另一端连接直流偏压极板，由直流偏压极板是否提供电源控制MEMS开关的断开和导通。

优选的，所述的开关梁材料选用金，介质层材料选用和金绝缘的材料。

优选的，所述的介质层材料选用氮化硅、氮化铝或二氧化硅中的一种。

优选的，所述的高阻线外包覆有高阻线保护层。

优选的，所述的高阻线保护层材料选用氮化硅。

由上述的技术方案可见，本发明实施例，通过MEMS开关控制对应的副辐射单元是否接入，MEMS开关导通时，对应的副辐射单元不与主辐射单元连通；MEMS开关断开时，对应的副辐射单元与主辐射单元连通，使得辐射角方向偏向MEMS开关断开的副辐射单元。相比于现有技术，本发明所设计的天线体积小、质量轻、成本低，适用于微波波段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是背景技术中微带天线的结构示意图；

图2是本发明方向图可重构微带天线一种实施例的结构示意图；

图3是本发明方向图可重构微带天线第二种实施例的结构示意图；

图4是本发明方向图可重构微带天线第三种实施例的结构示意图；

图5是本发明采用的MEMS开关一种实施例的俯视图；

图6是图5中开关梁的结构示意图；

图7是图5中开关梁的下拉状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方向图可重构微带天线的一种实施例的结构，如图2所示，包括衬底101，衬底101采用硅基109，硅基109的背面涂覆金属层作为接地板110。衬底101提供微带天线结构的介质，实现支撑和固定天线结构的作用。

衬底101上设置有主辐射单元104，主辐射单元104为天线的主要辐射单元，与衬底101背面的接地板110构成微带天线结构，实现信号的辐射。

主辐射单元104的外侧等间距设置有若干个副辐射单元105，副辐射单元105为主辐射单元104的扩展。

主辐射单元104与副辐射单元105通过MEMS开关107中的连接线108连接，主辐射单元104通过微带馈线103连接阻抗变换器102，天线发射和接收的射频信号分别由微带馈线103引入和导出到阻抗变换器102。

本领域技术人员可以理解的是，现有技术中的微带天线，通常都使用阻抗变换器102来实现天线阻抗匹配。本发明中的阻抗变换器102采用本领域的现有技术即可实现。

图2所示天线结构具有以下有益效果：

(1)不需要采用阵列的形式就可以实现方向可重构，通过MEMS开关的通断控制副辐射单元是否接入，从而调整辐射角方向偏向MEMS开关断开的副辐射单元。

(2)由于天线尺寸不变，可以适用于任何波段，包括Ka波段(为一种微波波段)。而现有的采用阵列形式的天线，由于天线的尺寸过大，不能适用于Ka波段。

本发明方向图可重构微带天线的第二种实施例的结构，如图3所示，其包含第一种实施例中的所有结构，此处不再赘述，除此之外，衬底101上还设置有与副辐射单元105对应的若干个寄生单元106。

图3所示天线结构与图2所示天线结构的区别点在于：加载寄生单元106后天线带宽变窄，以适应不同环境下对天线带宽的设计要求。

优选的，本发明方向图可重构微带天线的第三种实施例的结构，如图4所示，衬底201上设置有主辐射贴片204，副辐射单元和MEMS开关的数量为两个，具体为：主辐射贴片204的两侧分别设置有第一副贴片205、第二副贴片206，第一副贴片205对应的两侧分别设置有第一寄生贴片207、第三寄生贴片209，第二副贴片206对应的两侧分别设置有第二寄生贴片208、第四寄生贴片210，主辐射贴片204和第一副贴片205之间设置有第一开关211，主辐射贴片204和第二副贴片206之间设置有第二开关212，第一开关211、第二开关212上分别连接有地线213，主辐射贴片204通过微带馈线203连接阻抗变换器202。

上述整个天线结构是左右对称的，主辐射贴片204、第一副贴片205、第二副贴片206、第一寄生贴片207、第三寄生贴片209、第二寄生贴片208、第四寄生贴片210都是矩形，主辐射贴片204与第一副贴片205、第二副贴片206之间的连接由宽到窄形成凸出部，窄处上设有MEMS开关。

本领域技术人员可以理解的是，主辐射贴片、副贴片、寄生贴片的形状不限制为矩形，根据具体的情况可以选择贴片的形状。

如图5所示，第一开关211、第二开关212的结构，包括设置在衬底201上用于连接主辐射贴片204与第一副贴片205、第二副贴片206的信号线217，信号线217表面覆盖有介质层215，信号线217上方设置有开关梁214，开关梁214作为开关结构的上极板，与信号线217及信号线上方的介质层215共同组成电容结构，通过上、下态的控制，实现射频信号的通过和截止；介质层215覆盖于信号线217上方，其位置在信号线217和其上方开关梁214重叠的区域，当开关梁214下拉处于下态时，介质层215作为介质，使下拉的开关梁214和其下方的信号线217组成电容结构；信号线217作为主辐射帖片204和第一副贴片205和第二副贴片206之间的连接线，同时作为开关结构的下极板，提供直流偏置电压参考位；

开关梁214的一端连接扇形接地端216，开关梁214的另一端连接高阻线218，高阻线218的另一端连接直流偏压极板220，实现开关梁214上直流电压的引入，同时高阻线218起到防止开关梁214上的射频信号泄露至直流控制端的作用；

直流偏压极板220与外部直流驱动电源相连接，实现开关控制电压的接入，高阻线218外包覆有高阻线保护层219。

优选的，介质层215材料选用氮化硅、氮化铝或二氧化硅中的一种；

优选的，高阻线保护层219采用氮化硅介质，起到绝缘和保护高阻线的作用；

优选的，开关梁214材质为金，有弹性，厚度为1微米左右，在静电力作用下可以下拉，开关梁214与介质层215之间的距离为2微米左右，该距离为能实现开关梁214在静电力作用下下拉的最佳距离。断电之后，开关梁214自动回弹。

应该说明的是，选用扇形接地端216是为了方便连接和实现小型化，选用其他形状也可以，只要保证接地端的电长度为四分之一波长即可。

如图6、图7所示，使用本发明第三种实施例方向图可重构微带天线进行方向调整的方法，包括以下步骤：

天线贴片为直流参考地，当天线的第一开关211上的直流偏压极板220无外加直流电压，同时第二开关212上的直流偏压极板220外加直流高电压，第一开关211的哑铃形信号线217与开关梁214之间无电压差，开关梁214处于上态，射频信号可以通过第一开关211的信号线217从主辐射贴片204接入第一副贴片205，而第二开关212由于施加直流电压，开关梁214在静电力的作用下下拉，射频信号被截断，无法进入第二副贴片206，此时，开关实现主辐射贴片204和第一副贴片205的共同工作，从而实现天线辐射方向向第一副贴片205方向偏移；

与上述步骤对应，当天线的第一开关211上的直流偏压极板220外加直流高电压，同时第二开关212上的直流偏压极板220无外加直流电压，开关实现主辐射贴片204和第二副贴片206的共同工作，从而实现天线辐射方向向第二副贴片206方向偏移。

本发明实施例通过第一开关211和第二开关212的通断调整副贴片的接入结构，进而实现天线辐射角的重构。当第一开关211处于零电压状态，处于上态，第二开关212处于高电压状态，处于下态时，射频信号通过第一开关211传输到第一副贴片205，此时天线的最大辐射角方向被调整向第一副贴片205一侧。当第一开关211处于高电压状态，处于下态，第二开关212处于零电压状态，处于上态时，射频信号通过第二开关212传输到第二副贴片206，此时天线的最大辐射角方向被调整向第二副贴片206一侧。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.方向图可重构微带天线，其特征在于，包括衬底，衬底上设置有一个阻抗变换器、一个主辐射单元、至少两个副辐射单元以及与副辐射单元的数量相同个微电子机械系统MEMS开关，所述的衬底上还设置有与副辐射单元对应的寄生单元；

所述主辐射单元通过微带馈线连接设置在衬底边缘的阻抗变换器；

所述的主辐射单元通过所述各个MEMS开关与各个副辐射单元相连接；

所述的副辐射单元设置在主辐射单元相对于所述阻抗变换器的另一侧；

所述MEMS开关导通时，对应的副辐射单元不与主辐射单元连通；所述MEMS开关断开时，对应的副辐射单元与主辐射单元连通，使得辐射角方向偏向MEMS开关断开的副辐射单元。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的各个副辐射单元的形状和大小均相同；当所述副辐射单元的数量为三个或三个以上时，各个副辐射单元在衬底上等间距分布。

3.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述副辐射单元和MEMS开关的数量为两个；

所述的主辐射单元为形状左右对称的主辐射贴片；

所述两个副辐射单元为分别设置在主辐射贴片左右两侧的第一副贴片和第二副贴片；

所述主辐射贴片的左右两端各设置有一个凸出部；所述第一副贴片和第二副贴片与主辐射贴片的连接端对应也设置有一个凸出部；

所述主辐射贴片的左右两端分别通过一个MEMS开关与第一副贴片和第二副贴片相连；

所述主辐射贴片的左右两端与所述第一副贴片和第二副贴片连接的位置分别设置有扇形接地端。

4.根据权利要求3所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的MEMS开关，包括连接主辐射单元与副辐射单元的信号线，信号线表面覆盖有介质层，垂直于信号线在信号线上方水平设置有可下拉的开关梁，所述的介质层面积大于或等于开关梁下拉时和信号线接触的面积，开关梁的一端连接扇形接地端，开关梁的另一端连接高阻线，高阻线的另一端连接直流偏压极板，由直流偏压极板是否提供电源控制MEMS开关的断开和导通。

5.根据权利要求4所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的开关梁材料选用金，介质层材料选用和金绝缘的材料。

6.根据权利要求5所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的介质层材料选用氮化硅、氮化铝或二氧化硅中的一种。

7.根据权利要求4所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的高阻线外包覆有高阻线保护层。

8.根据权利要求7所述的方向图可重构微带天线，其特征在于，所述的高阻线保护层材料选用氮化硅。