CN107257021B - 可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其结构包括底层贴片天线与其上的介质谐振器。其中，介质谐振器包括高介电参数介质层及其内部开槽内的等离子体，且等离子体被可编程逻辑阵列控制的激励源所激励。采用上述的结构，用对等离子体激励源进行编程控制的方式实现等离子体介质天线的窄频/宽带间相互转换。该种基于可编程介质谐振器的天线窄频/宽频转换器具有结构简单性能好的优点。

Description

可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器
技术领域
本发明涉及一种可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，属于无线电通信、微波器件领域。
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。传统的金属天线在高频段由于金属欧姆损耗大导致辐射效率低和在低频段天线的几何尺寸大而不适合当今小型化的要求，因此对于天线的小型化、宽频带、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。所以介质天线具有较大的价值。
单就介质谐振器天线而言，近年来介质谐振器天线研究主要集中于宽带、多频、圆极化、小型化、特殊应用的设计与阵列的研究。在宽带方面，为了增大天线带宽，单点馈电还可利用不同的馈电方式或结构微扰来实现，但是这种方法具有一定的局限性，等离子体介质天线因等离子体的特殊性质，是介质天线未来发展的主流趋势。等离子体在实现调控时不仅可以改变等离子体的激励状态（激励/未激励），还能调整等离子体频率的大小（电子密度），如此具有更多、更宽广的可重构方式和可重构状态，这意味着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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，通过编程控制高介电常数介质中的椭圆形等离子体环的激发状态实现贴片天线的工作带宽的改变。本发明通过等离子体控制技术与介质谐振器技术的相结合，可以实现对于天线工作频率在窄频/宽频间的转换，达成窄频/宽频转换器的目的。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，包括贴片天线，所述贴片天线的辐射贴片上方设置有固态介质层；其中，介质层内设有n个具有开口的开槽，每个开槽内均填充有等离子体，构成介质谐振器；每个开槽内的等离子体分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个等离子体激励源的通断通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现等离子体介质天线的窄频/宽频的转换。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层的介质为高介电常数介质，其介电常数ε≥100。
作为本发明的进一步技术方案，n≥2。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层内开槽的形状为椭圆形。
作为本发明的进一步技术方案，所述椭圆形开槽的厚度小于介质层的厚度。
作为本发明的进一步技术方案，所述椭圆形开槽的中心均在固态介质层的轴线上。
作为本发明的进一步技术方案，所述介质层内开槽的形状为圆形或方形或三角形。
作为本发明的进一步技术方案，所述固态介质层的层数大于等于1，且每层介质层内的开槽均大于等于2。
作为本发明的进一步技术方案，所述开槽内填充的等离子体为气态等离子体。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过在介质谐振天线的介质中嵌入等离子体柱，从而得到一款新的介质谐振天线，谐振器包含介质和等离子体两部分。通过改变介质中嵌入的不同位置的等离子体柱的激励状态，天线的工作频率范围在窄频和宽频之间相互转换。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。
附图说明
图1为可编程窄频/宽带等离子体介质天线转换器结构示意图。
图2a、图2b、图2c分别为本发明一实施例在不同等离子体激励状态下的S11参数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种编程控制的窄频/宽频等离子体介质天线转换器，由一个贴片天线、介质谐振器和可编程逻辑阵列控制的等离子体激励源组成，介质谐振器必需位于贴片天线的辐射贴片上方。介质谐振器由开槽的高介电常数固态介质层和等离子体柱组成，介质层内设有n个具有开口的开槽，每个开槽内均填充有等离子体，每个等离子体柱可以通过控制线连接激励源来改变等离子体柱的激励状态。本发明中，通过可编程逻辑阵列控制等离子体柱的激励状态，通过对可编程逻辑阵列进行编程来实现等高介电常数介质层中的等离子体柱全部或单个激励状态的控制，从而达到对贴片天线工作带宽在窄频/宽频间相互转换的目的，实现等离子体介质天线的窄频/宽频的转换，达成窄频/宽频转换器的目的。
其中，所述贴片天线的形制可以是任意的，且基板材料可以是任意种类的材料，如Rogers 5880，FR4和共烧陶瓷等。贴片天线的接地板和寄生贴片的材质可以为PEC、金属或者其他材质，如石墨烯、半导体和超导体等。
其中，所述介质谐振器中的介质为高介电常数介质，其介电常数ε≥100，且其中的开槽个数n≥2。嵌入高介电常数介质中的等离子体柱的几何形状（即开槽的形状）可以任意，如椭圆形、圆形、方形、三角形等。
其中，所述介质谐振器中的介质层至少有一层，且每层的开槽个数至少为2个，每个开槽的中心都在介质层的轴线上。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
如图1所示，本实施例一种窄频/宽带等离子体介质天线转换器，由一个贴片天线和高介电常数介质谐振器（包括开槽介质以及等离子体）。所述的贴片天线的接地板1和寄生贴片2都是PEC，基板3是Rogers 5880。介质谐振器包括两部分，开槽的高介电常数介质层4和等离子体5、6，等离子体5、6分别通过等离子体激励源7、8进行激励，等离子体激励源7、8的通断通过对可编程逻辑阵列进行编程来实现控制。在本实施例中，介质层的介电常数ε=400，损耗正切tanδ=0.002。离子体采用气态等离子体，高压激励惰性气体氩气的方式来产生，激励后产生的等离子体频率约为30GHz，其中的等离子体环采用椭圆形结构，该椭圆形等离子体柱的长轴半径为a=20mm，短轴半径为b=12mm，等离子体柱的厚度t d =2mm，宽度w=2mm。采用上述的结构，可以通过编程实现对贴片天线的工作频率范围的窄频/宽频工作状态间的互相转换。
在所设计的等离子体介质天线实施例中，可以改变的等离子体共有一层两个开口椭圆环，每个椭圆形等离子体环都有激励和不激励两种状体，椭圆形等离子体环自天线馈源处开始依次标记为环1、环2。
当只有贴片天线工作时，其可以工作在2.904GHz，其S11参数如图2a中的虚线所示。此时贴片天线的回波损耗比较小。当贴片天线上的高介电常数介质中的椭圆形等离子体柱都不被激发，其S11如图2a中的实线所示，S11比较杂乱，虽然有一定频段的带宽展宽，但是却偏离了原来贴片天线的工作频点。当天线上的高介电常数介质中的椭圆形等离子体柱全部被激励时，其S11如图2b中的实线所示，可以看到不仅对贴片天线的工作频率范围有了明显有效的拓宽，在2.857~2.966GHz内，其S11均在-10dB以下。不仅如此，还在2.64~2.668GHz和3.004~3.057GHz内两个频段都处于良好的工作状态，即通过人为控制椭圆形等离子体柱的激励状态，不仅使得贴片天线可以在工作在一个较宽的频率范围内，还可以在另外不同的三个频段正常工作。图2c中的实线和点线分别是激励不同的椭圆形等离子体柱而得到的S11曲线，从图2c中可以看出，当第一个椭圆形等离子体柱不被激励时，天线的工作频段只是被粗略地分成了三个可工作的频点，其工作带宽并没有被有效地拓宽；而当第二个椭圆形等离子体柱不被激励，贴片天线的工作频点不仅被分为三个有一定宽度的工作频段，分别在2.628~2.687GHz，2.849~2.982GHz，2.996~3.062GHz，其中尤其以2.849~2.982GHz工作带宽最宽，包含了未加介质谐振器时贴片天线的工作频点。与所有椭圆形等离子体柱全部激励状态相比较，拓宽后三个工作频段都要更宽。
该种形制的介质谐振器天线可以通过编程控制不同的椭圆形等离子体柱的激发状态而实现对贴片天线的工作带宽的控制，使其在单频与宽频之间自由相互切换，即实现了贴片天线工作频率的可重构。使得贴片天线具有更为广泛的应用场合。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，包括贴片天线，所述贴片天线的辐射贴片上方设置有固态介质层，所述介质层的介质为高介电常数介质，其介电常数ε≥100；其中，介质层内设有n个具有开口的开槽，每个开槽内均填充有等离子体，构成介质谐振器；每个开槽内的等离子体分别连接一个等离子体激励源进行激励，每个等离子体激励源的通断通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现等离子体介质天线的窄频/宽频的转换。
2.根据权利要求1所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，n≥2。
3.根据权利要求1所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述介质层内开槽的形状为椭圆形。
4.根据权利要求3所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述椭圆形开槽的厚度小于介质层的厚度。
5.根据权利要求 3所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述椭圆形开槽的的中心均在固态介质层的轴线上。
6.根据权利要求1所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述介质层内开槽的形状为圆形或方形或三角形。
7.根据权利要求1所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述固态介质层的层数大于等于1，且每层介质层内的开槽个数均大于等于2。
8.根据权利要求1所述的可编程窄频/宽频等离子体介质天线转换器，其特征在于，所述开槽内填充的等离子体为气态等离子体。
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