CN107275793A - 基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构，包括介质基板、金属地板、金属贴片，金属贴片印制于介质基板的上表面，金属地板设置于介质基板的下表面；金属贴片设置成若干均匀分布的UC‑AMC单元且每一行的相邻UC‑AMC单元的微带分支之间通过一条二氧化钒薄膜相连。本发明涉及的人工磁导体结构能在较低的剖面下实现入射波的大范围频率调谐。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率可调谐的人工磁导体结构，特别是一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构。
背景技术
在无线通信系统中，频率可调谐是一项非常重要的功能，通过激励可控制器件来改变谐振频率，实现多功能化。目前实现频率调谐的方法大多是通过变容二极管、PIN二极管等固态器件来控制电路通断，但当频率升高达到毫米波频段时，这些器件的性能就会变差，损耗变大，隔离度降低。
二氧化钒是一种具有强电荷关联性的材料，通过电压激励就能在很短的时间内产生可逆的绝缘体—导体转变。在绝缘体—导体转变过程中，这种材料的电阻率在这两种状态之间的变化可以达到4个数量级，而且转变速度非常快。这种电气性能方面的剧烈的变化能在很宽的频率范围内产生，从直流到射频/微波频段，甚至能达到毫米波和太赫兹频段。与传统的变容二极管等控制器件相比，二氧化钒在高频插入损耗更小，隔离度更好。
共面紧凑型人工磁导体是一种具有同相反射特性的结构。传统的反射板一般为电导体，反射相位为180°，厚度约为四分之一波长。而人工磁导体在特定频率处反射相位能达到0°，这样便能大大地减小厚度，降低剖面。但是现在尚无将共面紧凑型人工磁导体结构和二氧化钒薄膜相结合运用于频率调谐的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构，该人工磁导体结构能在较低的剖面下实现入射波的大范围频率调谐。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构，包括介质基板、金属地板、金属贴片，金属贴片印制于介质基板的上表面，金属地板设置于介质基板的下表面；金属贴片设置成若干均匀分布的UC-AMC单元且每一行的相邻UC-AMC单元的微带分支之间通过一条二氧化钒薄膜相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，可以在较高的频段实现入射波的频率调谐，适用频段可达毫米波甚至太赫兹；(2)本发明提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，当二氧化钒薄膜的电阻率改变时，能够实现大范围的频率调谐，频率调谐比可达1:1.65；(3)本发明提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，二氧化钒薄膜损耗的能量少，和PIN二极管、变容二极管等传统的控制器件相比功耗更小；(4)本发明提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，具有低剖面反射特性。该结构厚度仅为0.09λ，远小于普通反射板0.25λ的厚度；(5)本发明提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，控制电路简单，可控性强，而且两个频率之间的切换时间非常短。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构的俯视图。
图2为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构的相邻两个单元的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。
图3为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下的反射系数相位图。
图4为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构在不同间距G下的反射系数相位图，其中图(a)为VO2薄膜绝缘时的反射系数相位，图(b)为VO2薄膜导通时的反射系数相位。
图5为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构在不同微带分支宽度W3下反射系数相位图，其中图(a)为VO2薄膜导通时的反射系数相位，图(b)为VO2薄膜绝缘时的反射系数相位。
图6为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构在不同金属贴片边长W下的反射系数相位图，其中图(a)为VO2薄膜导通时的反射系数相位，图(b)为VO2薄膜绝缘时的反射系数相位。
图7为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构与线极化宽带偶极子天线相结合构成的频率可调天线的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。
图8为宽带偶极子天线的三维图和俯视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图。
图9为本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构与线极化宽带偶极子天线相结合构成的频率可调天线的反射系数和方向图，其中图(a)为VO2薄膜绝缘时的反射系数曲线和增益曲线，图(b)为VO2薄膜绝缘时的方向图，图(c)为VO2薄膜导通时的反射系数曲线和增益曲线，图(d)为VO2薄膜导通时的方向图。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明一种基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构，该结构基于二氧化钒的相变特性，通过改变二氧化钒薄膜的电阻率，从而改变周期性UC-AMC结构间的通断状态，使该结构的等效谐振电路发生变化，实现频率可调谐。该频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构具体包括介质基板(4)、金属地板(5)、金属贴片(3)，金属贴片(3)印制于介质基板(4)的上表面，金属地板(5)设置于介质基板(4)的下表面。
金属贴片(3)设置成若干个呈周期性排列的UC-AMC单元[1]，所谓UC-AMC单元[1]的周期性排列指UC-AMC单元1按照横排和数列分布，且每一横排的UC-AMC单元[1]与下一行的UC-AMC单元[1]对齐。二氧化钒薄膜[2]放置在两个UC-AMC单元[1]间的微带分支之间且与微带分支相连。
所述介质基板[3]的介电常数εr为2～20，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
相邻的UC-AMC单元[1]的间距G为0.001λ～0.04λ，UC-AMC单元[1]的边长W均为0.05λ～0.2λ，其中，中间的正方形边长W1为0.03λ～0.1λ，四角的正方形边长W2为0.02λ～0.1λ，四边的微带线宽W3为0.009λ～0.03λ，相邻UC-AMC单元[1]左右两根微带线之间的间距为0.001λ～0.006λ。二氧化钒薄膜[2]的尺寸为0.5mm×0.5mm，厚度为200nm，导电率变化前后每0.5mm×0.5mm的方形膜的阻值分别为40kΩ和40Ω(可根据工艺略有调整)。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
相邻UC-AMC单元[1]之间的间距G为0.3mm，UC-AMC单元[1]的边长W为1.5mm，其中，中间的正方形边长W1为0.9mm，四角的正方形边长W2为0.5mm，四边的微带分支宽W3为0.1mm，相邻UC-AMC单元[1]左右两根微带分支之间的间距为0.05mm；介质基板[4]材料为蓝宝石(AL2O3)，介电常数εr为10，厚度H为0.5mm，约为0.04λ0(其中λ0为中心频率24GHz处的自由空间波长)。两相邻微带分支之间的二氧化钒薄膜[2]的尺寸为0.5mm×0.05mm，厚度为200nm，导电率变化前后的阻值分别为4kΩ和4Ω。
结合图3，在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下，反射系数相位0°对应的频率发生了变化，当VO2薄膜为绝缘体时，反射系数相位0°对应的频率约为18.9GHz，当VO2薄膜为导体时，反射系数相位0°对应的频率约为28.6GHz，频率调谐比约为1:1.5。表明在低剖面的条件下，该人工磁导体结构的工作频率会根据VO2薄膜的导电率变化而发生变化，实现频率调谐。
下面阐述UC-AMC的结构参数对VO2薄膜绝缘和导通时谐振频率的影响。
结合图4，相邻金属贴片之间的间距G对反射系数相位0°对应的频率有很大影响。在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下，保持其他参数不变，只改变两相邻金属贴片之间的间距G，随着间距G不断减小，反射系数相位0°对应的频率均不断提高，即在低剖面的条件下，该电磁带隙结构的工作频率会随着金属贴片间的间距减小而向高频偏移。
结合图5，在VO2薄膜绝缘状态下，随着微带分支宽度W3的减小，该电磁带隙结构的工作频率向高频偏移；而在VO2导通状态下，随着微带分支宽度的减小，该电磁带隙结构的工作频率向低频偏移。这一结果表明金属贴片中微带分支的宽度影响频率调谐的范围，微带分支越窄，频率调谐范围越小，微带线越分支，频率调谐范围越大。
结合图6，在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下，保持其他参数不变，只改变金属贴片边长W，随着边长W减小，反射系数相位0°对应的频率均不断提高，即在低剖面的条件下，该电磁带隙结构的工作频率会随着金属贴片的尺寸减小而向高频偏移，但对调谐范围几乎没有影响。
由上可知，本发明基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构可以有效地实现频率调谐特性。调整其结构参数(相邻金属贴片之间的间距G、微带分支宽度W3和金属贴片边长W)，便可以改变VO2薄膜绝缘和导通两种状态下的谐振频率。
实施例2
结合图7，所述基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构和宽带偶极子天线结合，可实现一种大范围频率可调超材料天线。该天线以所述基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构为底部反射板，偶极子天线在其上方，在反射板上放置四个柱子以支撑偶极子天线。柱子的高度为1mm。偶极子天线由介质基板、金属贴片、微带巴伦和同轴馈电接头组成。金属贴片印制在介质基板的上表面，微带巴伦放置在介质基板的下表面，同轴馈电接头由介质基板的上方插入，贯穿整个介质基板，在上表面与金属贴片相连，在下表面与微带巴伦相连接，通过微带巴伦进行馈电。本例中的可调谐共面紧凑型人工磁导体结构尺寸参数和上例相同。偶极子天线中，介质基板长a为7.4mm，宽b为4mm，厚度为0.254mm，材料选用Rogers RT/duroid 5880，介电常数2.2，损耗角正切为0.0009。金属贴片中的两对天线臂长DL为6.4mm，臂宽DW为0.6mm，两天线臂之间的间距d为0.14mm。
结合图8、图9，将所述基于二氧化钒薄膜的频率可调谐共面紧凑型人工磁导体结构和宽带偶极子天线结合构成的大范围频率可调超材料天线，当VO2薄膜为绝缘状态时，反射系数低于-10dB的工作频带为16～19GHz，相对带宽为17.1％，最大增益可达7.6dBi；当VO2薄膜为导体状态时，反射系数低于-10dB的工作频带为21.7～26.5GHz,相对带宽为16.6％，最大增益可达8.6dBi，可见该天线能够实现大范围频率可调。
Claims (4)
1.一种基于二氧化钒薄膜的频率可调共面紧凑型人工磁导体结构，包括介质基板(4)、金属地板(5)、金属贴片(3)，金属贴片(3)印制于介质基板(4)的上表面，金属地板(5)设置于介质基板(4)的下表面，其特征在于，
金属贴片(3)设置成若干均匀分布的UC-AMC单元(1)且每一行的相邻UC-AMC单元(1)的微带分支之间通过一条二氧化钒薄膜(2)相连。
2.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于，介质基板(3)的介电常数εr为2～20，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于，相邻两个UC-AMC单元(1)的间距G为0.001λ～0.04λ；
每个UC-AMC单元(1)的边长W均为0.05λ～0.2λ，其中，中间的正方形边长W1为0.03λ～0.1λ，四角的正方形边长W2为0.02λ～0.1λ，四边的微带线宽W3为0.009λ～0.03λ，相邻UC-AMC单元(1)左右两根微带分支之间的间距为0.001λ～0.006λ。
4.根据权利要求1所述的人工磁导体结构，其特征在于，二氧化钒薄膜(2)的尺寸为0.5mm×0.5mm～1mm×1mm，厚度为100nm～400nm，导电率变化前后每块方阻膜的阻值分别为10kΩ～100kΩ和10Ω～100Ω。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210212 |