CN107230831A - 一种可编程的等离子体介质天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可编程的等离子体介质天线，包括贴片天线、介质谐振器，所述的介质谐振器包括具有至少两层上下布置的固态的FR‑4介质和多个气态的等离子体柱介质；其中上层FR‑4介质设置有至少2个上层FR‑4介质穿孔，下层FR‑4介质上设置有至少2个下层FR‑4介质穿孔；所述的上层和下层FR‑4介质穿孔内均嵌有所述的等离子体柱介质；所述的每个上层、下层等离子体柱介质分别通过控制线与激励电源连接；利用独立电源控制的双端激励模式，来控制每个等离子体柱介质的激励状态；改变每个激励电源的电压，来控制等离子体柱介质的等离子频率，从而实现对所述可编程的等离子体介质天线的工作状态和频率的重构。本发明结构简单、便于量产，且频率可调、工作带宽不受限制。

Description

一种可编程的等离子体介质天线
技术领域
本发明涉及无线电微波器件技术领域，涉及可编程控制的可重构天线，特别是一种可编程的等离子体介质天线。
背景技术
随着无线通信、卫星通信和导航、雷达系统与军事上电子对抗设备的迅速发展，对天线的小型化、宽频带、圆双极化及低损耗等性能提出了更高的要求。介质谐振天线相比一般天线具有辐射效率高、馈电方式多样、在高频段可以做到小型化以及加工简单，成本较低，便于集成设计等良好的性能，正受到越来越多的关注、研究与应用，自1960年代末低损耗陶瓷介质研制成功以来，介质谐振器以其尺寸小、Q值高和较高的稳定性等优点，可适应现代电子系统对微波电路小型化、集成化和高可靠性的迫切需求，已成功地应用于滤波器、振荡器等许多微波器件中。同时为了保证通信质量，需要解决现有频带资源的拥堵和天线间干扰问题。
然而，介质天线存在以下不足：首先，其Q值会随着材料介电常数的增大而增大，这相应会减小天线的带宽，因此介质谐振天线将限制其工作带宽；其次，由于介质天线尺寸较小，故对加工工艺要求高而且不易调谐，材料介电常数相对较高因此价格较为昂贵。等离子体介质天线因其频率可调并且易于实现，是介质天线未来发展的主流趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可编程的等离子体介质天线，其结构简单、便于量产，且频率可调、工作带宽不受限制。
为解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种可编程的等离子体介质天线，包括贴片天线、介质谐振器；所述的贴片天线包括接地板、贴片和基板，其特征在于：所述的介质谐振器包括具有至少两层上下布置的固态的FR-4介质和多个气态的等离子体柱介质；其中上层FR-4介质设置有至少2个上层 FR-4介质穿孔，下层FR-4介质上设置有至少2个下层FR-4介质穿孔；其中，上层FR-4介质穿孔内均嵌有所述的上层等离子体柱介质，下层FR-4介质穿孔内均嵌有所述的下层等离子体柱介质；所述的每个上层、下层等离子体柱介质分别通过控制线与激励电源连接；利用独立电源控制的双端激励模式，来控制每个等离子体柱介质的激励状态；改变每个激励电源的电压，来控制等离子体柱介质的等离子频率，从而实现对所述可编程的等离子体介质天线的工作状态和频率的重构。
进一步的，所述的上层FR-4介质设置有4个上层FR-4介质穿孔，下层FR-4介质上设置有4个下层FR-4介质穿孔。
进一步的，所述的上层FR-4介质穿孔内均嵌有所述的上层等离子体柱介质，下层FR-4 介质穿孔内均嵌有所述的下层等离子体柱介质。
进一步的，所述的上层FR-4介质穿孔与下层FR-4介质穿孔的延伸方向投影线相互垂直，但不构成正交关系。
进一步的，各个所述的上层等离子体柱介质和下层等离子体柱介质，可以同时激励，也可以分别单独激励，从而实现多种不同的激励与不激励组合模式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明的谐振器包括固态介质和嵌入其内的气态等离子体介质，通过改变介质中嵌入的不同位置的等离子体介质的激励状态，可实现对天线的可重构，主要包括天线的工作状态和频率的可重构。这种设计的天线具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点。
2.本发明的谐振器等离子体介质在实现调控时，不仅可以改变其激励状态(激励/未激励)，还能调整其频率的大小(电子密度)，从而可使天线具有更多、更宽广的可重构方式和可重构状态，即可以通过编程方式实现对天线的工作状态和工作频率进行调节，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的可编程等离子介质天线结构示意图。
图2a、图2b、图2c为本发明一实施例在三种不同等离子体柱介质激励状态下的S11参数图。
图3为不同的等离子体频率下对介质天线工作频率的影响曲线图。
图4a、图4b、图4c所示，为本发明的另一实施例在三种不同等离子体柱介质激励状态下的S11参数图。
图5是本发明的另一实施例在所有等离子体全部被激励后改变等离子体频率的天线的S11参数图。
其中，10贴片天线，11接地板，12贴片，13基板；20介质谐振器，28上层FR-4介质，281上层FR-4介质穿孔；29下层FR-4介质，291下层FR-4介质穿孔；24下层等离子体柱介质，26上层离子体柱介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明一实施例的可编程等离子介质天线结构示意图。该实施例的一种可编程的等离子体介质天线，包括贴片天线10、介质谐振器20；所述的贴片天线10包括接地板11、贴片12和基板13，其接地板11和贴片12采用铜，基板13采用硅，其特征在于：所述的介质谐振器20包括具有至少两层上下布置的固态的FR-4介质和多个气态的等离子体柱介质；其中上层FR-4介质28设置有至少2个上层FR-4介质穿孔281，下层FR-4介质29 上设置有至少2个下层FR-4介质穿孔291；其中，上层FR-4介质穿孔281内均嵌有所述的上层等离子体柱介质26，下层FR-4介质穿孔291内均嵌有所述的下层等离子体柱介质24；所述的每个上层、下层等离子体柱介质26、24分别通过控制线与激励电源连接；利用独立电源控制的双端激励模式，来控制每个等离子体柱介质26、24的激励状态；改变每个激励电源的电压，来控制等离子体柱介质26、24的等离子频率，从而实现对所述可编程的等离子体介质天线的工作状态和频率的重构。图1中标注了尺寸关系。该实施例的介质谐振器天线，贴片上的介质层层数为n，且n≥2，每介质层中至少有一个孔可以用来填充离子体柱介质，且等离子体的频率可调。现取n＝2、每个介质层含两个等离子体柱的模型为例。设FR-4介质层的长、宽和厚度分别为a、b和td，r为离子体柱介质的半径。则针对上层中的参数，a-4r≥l ≥0，td/2≥r＞0，a-4r≥d≥0。相应的，对下层介质也是同样的范围，但是上限为介质层的宽度b，即b-4r≥l≥0，td/2≥r＞0，b-4r≥d≥0。
根据对天线的工作状态和频率的重构需求的不同，也可以对上述的FR-4介质穿孔设置不同数量，如：所述的上层FR-4介质28可设置有4个上层FR-4介质穿孔281，下层FR-4介质29上设置有4个下层FR-4介质穿孔291。其上层FR-4介质穿孔281内均嵌有所述的上层等离子体柱介质26，下层FR-4介质穿孔291内均嵌有所述的下层等离子体柱介质24。
在位置关系上，所述的上层FR-4介质穿孔281与下层FR-4介质穿孔291的延伸方向投影线相互垂直，但不构成正交关系。
各个所述的上层等离子体柱介质26和下层等离子体柱介质24，可以同时激励，也可以分别单独激励，从而实现多种不同的激励与不激励组合模式。
其贴片天线的接地板和寄生贴片的材质均为铜，其中寄生贴片的长为9.8mm，宽为6.866mm；贴片天线的基板材质为硅，其介电常数为12，损耗正切值为tanδ＝0.0185。
所述的介质谐振器的FR-4介为两层，沿z正方向分别是上层FR-4介质28和下层FR-4 介质29。y方向两边的距离贴片天线基板的边缘的距离为1mm，x正方向与贴片天线的馈点(即yOz面)对齐，负方向距离贴片天线基板边缘距离为2mm。
下层FR-4介质29上设置有2个下层FR-4介质穿孔291，其两个上层FR-4介质穿孔281 的半径为r＝2mm，其径向轴线垂直于y轴。其一个孔281中心距离上层介质的边缘(yOz面) 距离为l＝1mm，两孔281间的中心距离为2d＝7mm。其两个下层FR-4介质穿孔291的径向轴线垂直于x轴，半径也为r′＝2mm，其一个孔291的中心距离介质边缘(xOz面)距离为l ′＝1mm，两孔291之间的中心距离为2d′＝7mm。
在图1所示的可编程等离子介质天线实施例中，可以改变的等离子体介质共有两层四根，每根等离子体柱都有激励和不激励两种状态，即实现24种可控状态。现选择几种状态举例如下，说明如何实现对天线工作状态和工作频率的编程。
如图2a、图2b、图2c所示，为本发明一实施例在三种不同等离子体柱介质激励状态下的 S11参数图。
当只有贴片天线工作时，其可以工作在6.032GHz，其S11参数如图2a中的实线所示，此时贴片天线的回波损耗也比较小。而当贴片天线上的介质中的等离子体全部被激发，则天线处于不正常工作的状态，其S11如图2a中的虚线所示，S11都大于-10dB。当天线上的介质孔中的等离子体全部不计激励时，也就是只有穿孔的FR-4介质，所设计的天线由不正常工作状态变为正常工作状态，而且实现了频率可重构，工作频率由原来的6.032GHz变为5.856GHz，其S11如图2b中的虚线所示。当第一层介质中等离子体柱1和等离子体柱2处于不激励状态时，比较图2a和图2c显示出改变不同位置的等离子体的激励状态，所设计的天线可以使得回波损耗更小，其S11如图2(c)中的虚线所示。从结果可以看出通过等离子体的不同状态实现了天线的可重构。
本发明的介质谐振器天线不仅可以通过等离子体的激励状态进行频率可重构，还可以通过改变等离子体的等离子体频率对工作频率进行重构。如图3所示，为不同的等离子体频率下对介质天线工作频率的影响曲线图。当改变等离子介质的频率时，天线的工作状态相应发生改变。当第一层介质中的等离子体柱都不激励时，改变等离子体的等离子体频率，由30GHz 变化到40GHz，发现天线的工作频率由5.888GHz变为5.98GHz，其工作频率改变了近0.1GHz。结合等离子体的激励状态，其结果表明，等离子体介质天线的频率重构可以有多种形式，并且可以对其工作频率进行任意重构。相应的，对其工作状态也可以用改变等离子体频率的方法进行重构。
图4a、图4b、图4c所示，为本发明的另一实施例在三种不同等离子体柱介质激励状态下的S11参数图。该实施例在结构形制上与上一实施例完全相同，仅存在一些结构参数变化，即等离子体柱的大小、位置发生变化。其结构参数如下：在上层介质中，l＝2mm，2d＝8mm， r＝1mm；在下层介质中，l′＝1.5mm，2d′＝6mm，r′＝1mm。当仅有贴片天线时，其工作频点为6.092GHz，其S11如图4a中实线所示。当贴片天线上覆盖介质层和等离子体柱，且等离子体全部被激励，该介质谐振天线变为不正常工作状态，其S11如图4a虚线所示。不仅工作状态改变，且工作频率也发生变化，中心频率由6.092GHz变为5.888GHz。然而当等离子体不被激励，即介质层中的孔被空气填充，天线处于正常工作状态，其S11如图4b虚线所示，其中心频点为5.892GHz，与贴片天线相比，实现了工作频率的可重构。当只激励上层等离子体时，天线也处于不正常工作的状态，其S11如图4c虚线所示，只激励下层等离子体，天线就可以正常工作，其中心频点为5.9GHz，与贴片天线相比，其工作频率改变量为0.192GHz，可见通过改变等离子体的激发状态能够实现等离子体的工作状态和工作频率的重构。
图5是所有等离子体全部被激励后改变等离子体频率的天线的S11，由图可以看出，当改变等离子体频率后，天线的工作状态发生改变，当ωp＝30GHz时，天线处于不正常工作状态，当ωp＝40GHz时，天线处于正常工作状态，且中心频率发生了变化。可见通过改变等离子体频率也可以实现天线工作状态和工作频率的可重构。

Claims (5)

1.一种可编程的等离子体介质天线，包括贴片天线(10)、介质谐振器(20)；所述的贴片天线(10)包括接地板(11)、贴片(12)和基板(13)，其特征在于：所述的介质谐振器(20)包括具有至少两层上下布置的固态的FR-4介质和多个气态的等离子体柱介质；其中上层FR-4介质(28)设置有至少2个上层FR-4介质穿孔(281)，下层FR-4介质(29)上设置有至少2个下层FR-4介质穿孔(291)；其中，上层FR-4介质穿孔(281)内均嵌有所述的上层等离子体柱介质(26)，下层FR-4介质穿孔(291)内均嵌有所述的下层等离子体柱介质(24)；所述的每个上层、下层等离子体柱介质(26、24)分别通过控制线与激励电源连接；利用独立电源控制的双端激励模式，来控制每个等离子体柱介质(26、24)的激励状态；改变每个激励电源的电压，来控制等离子体柱介质(26、24)的等离子频率，从而实现对所述可编程的等离子体介质天线的工作状态和频率的重构。
2.根据权利要求1所述的一种可编程的等离子体介质天线，其特征在于：所述的上层FR-4介质(28)设置有4个上层FR-4介质穿孔(281)，下层FR-4介质(29)上设置有4个下层FR-4介质穿孔(291)。
3.根据权利要求2所述的一种可编程的等离子体介质天线，其特征在于：所述的上层FR-4介质穿孔(281)内均嵌有所述的上层等离子体柱介质(26)，下层FR-4介质穿孔(291)内均嵌有所述的下层等离子体柱介质(24)。
4.根据权利要求1或2所述的一种可编程的等离子体介质天线，其特征在于：所述的上层FR-4介质穿孔(281)与下层FR-4介质穿孔(291)的延伸方向投影线相互垂直，但不构成正交关系。
5.根据权利要求1或3所述的一种可编程的等离子体介质天线，其特征在于：各个所述的上层等离子体柱介质(26)和下层等离子体柱介质(24)，可以同时激励，也可以分别单独激励，从而实现多种不同的激励与不激励组合模式。
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