CN107785671B - 一种频率可重构微带贴片八木天线及重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率可重构微带贴片八木天线，包括三层结构，第一层结构包括第一层介质基板，在第一层介质基板的上表面设置耦合微带线、直流偏置电路和金属通孔，在第一层介质基板的下表面安装阻抗变换线、反射贴片、有源贴片和引向贴片重构方法为向液晶材料两端加入直流电压，直流电压由T型偏置器通过金属通孔加载在有源贴片下方的介质，即液晶材料两端，改变直流偏置电路的电压即可改变液晶材料的有效介电常数，从而改变八木天线工作频率。本方案采用上述天线及方法，频率重构方便，该重构天线易于集成，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。

Description

一种频率可重构微带贴片八木天线及重构方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种频率可重构微带贴片八木天线及重构方法。
背景技术
现有的可重构天线大多数采用PIN二极管和变容二极管作为调控手段，但是对于天线内部电磁波的电调控手段并不局限于PIN二极管和变容二极管这两种形式。对于不同种类的电调控手段，其技术的成熟度、可应用性、电调性能以及其他特征(兼容性、集成和馈电网络的难易度以及工作频率等)都是电调天线设计中要考虑的问题。
PIN二极管和变容二极管属于集总式电调谐元件，这一类元件因其集成特性可以方便的嵌入天线结构本身。由于这一类元件在原理和特性的研究上相对成熟并且“即插即用”，总参数元件作为调控手段实现天线电磁特性的重构特性。但是PIN二极管和变容二极管也由于封装参数影响不能满足毫米波频段天线设计的需要，因此RF-MEMS这一技术被引入到天线设计中。
在毫米波波段，RF-MEMS最大的优点在于其毫米波波段低损耗，高线性性，并且可以完整的集成与天线系统中。但是MEMS也有它自身的缺点，例如MEMS本身为机械结构，因此多次的开关会造成一定程度的材料疲劳，导致其和PIN二极管等集成元件相比，耐久度较差。同时MEMS也和PIN二极管相同，只能提供两种状态的转换。虽然MEMS的集成度很高而且频率响应特性非常优秀，但是其加工工艺要求相较于集总参数元件更高。铁电体作为一种常用的电磁材料，其应用也拓展至电调天线中，但是与MEMS相比，它的高损耗仍然是函待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是使重构天线易于集成，且主瓣波束在边射方向和端射方向之间，目的在于提供一种频率可重构微带贴片八木天线及重构方法，频率重构简单，该重构天线易于集成，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。
本发明通过下述技术方案实现：
一种频率可重构微带贴片八木天线，包括三层结构，第一层结构包括第一层介质基板，在第一层介质基板的上表面设置耦合微带线、直流偏置电路和金属通孔，在第一层介质基板的下表面安装阻抗变换线、反射贴片、有源贴片和引向贴片，有源贴片连接阻抗变换线一端，射频信号由耦合微带线耦合馈至阻抗变换线，直流通过直流偏置电路，经过金属通孔加载至有源贴片；第二层结构包括第二层介质基板和液晶腔体，液晶腔体内填充液晶材料，液晶材料只位于有源贴片的正下方，其它贴片下方不含液晶材料；第三层结构为金属地板，位于第二层结构底部。
本方案将液晶材料这种普遍应用于光波段的微波新宠被引入可重构天线的设计中，液晶材料具有介电各向异性，其介电常数会随电场改变而改变，与其他电控材料相比，具有更低的插入损耗，并且其应用范围跨越微波频段太赫兹频段直至光频段，并且由于其本身的特殊形态，封装参数不会对其性能产生影响。如申请号为201610096052.2中提到的重构天线，液晶材料是灌注在金属地板和上玻璃基板之间，天线从T形辐射单元的底部馈电，液晶封装结构将整个天线四边围住并密封，若密封不当或者密封损坏，则将导致馈电不佳，影响天线接收信号的效果；并且密封增加了加工难度。本方案中的液晶材料仅位于有源贴片的正下方，使用的液晶材料少，避免液晶材料带电产生的多余热量损坏其它贴片，有效节省液晶材料，并且与对比文件的整个表面均放置液晶材料相比，仅在有源贴片的正下方设置液晶材料，电场完全加载在液晶材料两端，提高液晶材料工作效率，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。该天线的结构包括3层结构，可以每层分别加工然后再集成到一起，与现有结构相比，更易于集成。直流偏置电路的设置能够更好的接收射频信号，避免其它信号对射频信号的干扰，使得天线接收的信号更稳定可靠；当需要改变八木天线的工作频率时只需改变直流偏置电路的电压即可，操作更加的方便简单。本方案还设置专门的金属通孔，根据金属有更好的导电性，该设置能更好更快速的将直流信号传递给有源贴片。
优选的，所述直流偏置电路包括电感和电容，电容设置在耦合微带线接收射频信号端，电感设置在电容后方，用以避免直流电路对射频信号的影响。电容的设置可有效保护该测试电路。
优选的，所述液晶材料为向列型液晶。向列型液晶分子具有介电各向异性，在外加电场下，分子的排列方向会出现偏转。介电各向异性可正可负，但是对于微波频段的液晶来说，通常情况下有效介电常数的垂直分量小于平行分量，因而介电各向异性均为正值。本方案只在有源贴片的正下方设置，能更好的让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，提高接收信号的效果。
优选的，所述反射贴片有两个、有源贴片有一个，引向贴片有两个。
优选的，向液晶材料两端加入直流电压，直流电压由T型偏置器通过金属通孔加载在有源贴片下方的介质，即液晶材料两端，改变直流偏置电路的电压即可改变液晶材料的有效介电常数，从而改变八木天线工作频率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明中的液晶材料仅位于有源贴片的正下方，使用的液晶材料少，避免液晶材料带电产生的多余热量损坏其它贴片，有效节省液晶材料，并且与对比文件的整个表面均放置液晶材料相比，仅在有源贴片的正下方设置液晶材料，电场完全加载在液晶材料两端，提高液晶材料工作效率，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。
2、本发明中天线的结构包括3层结构，可以每层分别加工然后再集成到一起，与现有结构相比，更易于集成。
3、本发明中直流偏置电路的设置能够更好的接收射频信号，避免其它信号对射频信号的干扰，使得天线接收的信号更稳定可靠；当需要改变八木天线的工作频率时只需改变直流偏置电路的电压即可，操作更加的方便简单。
4、本发明设置专门的金属通孔，根据金属有更好的导电性，该设置能更好更快速的将直流传递给有源贴片。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明改变偏压前后对应的S参数曲线。
图3为本发明天线所加偏压分别为0V，f＝14.2GHz和所加偏压为20V,f＝13.15GHz时H 面方向图。
图4为本发明天线所加偏压分别为0V，f＝14.2GHz和所加偏压为20V,f＝13.15GHz时E 面方向图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一层介质基板；2-第二层介质基板；3-金属地板；4-直流偏置电路；5-金属通孔；6- 反射贴片；7-有源贴片；8-引向贴片；9-液晶腔体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-4所示，本发明包括一种频率可重构微带贴片八木天线，包括三层结构，第一层结构包括第一层介质基板1，在第一层介质基板的上表面设置耦合微带线、直流偏置电路4 和金属通孔5，在第一层介质基板的下表面安装阻抗变换线、反射贴片6、有源贴片7和引向贴片8，有源贴片7连接阻抗变换线一端，射频信号由耦合微带线耦合馈至阻抗变换线，直流通过直流偏置电路，经过金属通孔加载至有源贴片；第二层结构包括第二层介质基板2和液晶腔体9，液晶腔体内填充液晶材料，液晶材料只位于有源贴片的正下方，其它贴片下方不含液晶材料；第三层结构为金属地板3，位于第二层结构底部。
本方案将液晶材料这种普遍应用于光波段的微波新宠被引入可重构天线的设计中，液晶材料具有介电各向异性，其介电常数会随电场改变而改变，与其他电控材料相比，具有更低的插入损耗，并且其应用范围跨越微波频段太赫兹频段直至光频段，并且由于其本身的特殊形态，封装参数不会对其性能产生影响。如申请号为201610096052.2中提到的重构天线，液晶材料是灌注在金属地板和上玻璃基板之间，天线从T形辐射单元的底部馈电，液晶封装结构将整个天线四边围住并密封，若密封不当或者密封损坏，则将导致馈电不佳，影响天线接收信号的效果；并且密封增加了加工难度。本方案中的液晶材料仅位于有源贴片的正下方，使用的液晶材料少，避免液晶材料带电产生的多余热量损坏其它贴片，有效节省液晶材料，并且与对比文件的整个表面均放置液晶材料相比，仅在有源贴片的正下方设置液晶材料，电场完全加载在液晶材料两端，提高液晶材料工作效率，降低了加工难度，还能让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，接收信号效果更好。该天线的结构包括3层结构，可以每层分别加工然后再集成到一起，与现有结构相比，更易于集成。直流偏置电路的设置能够更好的接收射频信号，避免其它信号对射频信号的干扰，使得天线接收的信号更稳定可靠；当需要改变八木天线的工作频率时只需改变直流偏置电路的电压即可，操作更加的方便简单。本方案还设置专门的金属通孔，根据金属有更好的导电性，该设置能更好更快速的将直流传递给有源贴片。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上优选如下：直流偏置电路包括电感和电容，电容设置在耦合微带线接收射频信号端，电感设置在电容后方，用以避免直流电路对射频信号的影响。电容的设置可有效保护该测试电路。
液晶材料为向列型液晶。当向列型液晶处于向列相位时，分子取向具有长程序。向列型液晶分子具有介电各向异性，在外加电场下，分子的排列方向会出现偏转。介电各向异性可正可负，但是对于微波频段的液晶来说，通常情况下有效介电常数的垂直分量小于平行分量，因而介电各向异性均为正值。
本方案只在有源贴片的正下方设置，能更好的让主瓣波束集中在边射方向和端射方向之间，提高接收信号的效果。
反射贴片有两个、有源贴片有一个，引向贴片有两个。
本实施例以设计中心调谐频率可由14.2GHz调制13.15GHz的频率可重构微带贴片八木天线为例，最终确定的尺寸如下：有源贴片尺寸为5mm*6mm，反射贴片尺寸为5.5mm*3mm，引向贴片尺寸为6.8mm*5mm，液晶腔体尺寸为5mm*6mm*0.254mm，直流偏置电路中电容为100pF，电感为100nH，介质基板选用Rogers4350B，介电常数为3.66，损耗为0.004。液晶材料选用默克公司的GT3-23001，ε⊥＝2.5，ε||＝3.3，Δε＝0.8，即未加电压时液晶的有效介电常数为2.5，达到阀值电压(随着电压的增大液晶的有效介电常数不再发生改变)液晶的有效介电常数为3.3，随着电压从0V变至20V，液晶的有效介电常数可由2.5变至3.3，有效介电常数变化的绝对值为0.8。天线结构图如图一所示。电压由直流偏置电路馈至液晶两端，加载在有源贴片和地板之间，当电压改变时液晶的有效介电常数会随之改变，最终完成有效介电常数从2.5到3.3的变化。
由图二可以看出当电压由0V变至20V，即液晶材料的介电常数由2.5变至3.3时，该微带贴片八木天线工作频率由14.1GHz-14.3GHz变至13GHz-13.3GHz，中心频率调谐范围可达 1.05GHz，图三、图四所示天线方向图变化较小，天线工作性能稳定。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上优选如下：向液晶材料两端加入直流电压，直流电压由 T型偏置器通过金属通孔加载在有源贴片下方的介质，即液晶材料两端，改变直流偏置电路的电压即可改变液晶材料的有效介电常数，从而改变八木天线工作频率。当需要改变八木天线的工作频率时只需改变直流偏置电路的电压即可，操作更加的方便简单。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种频率可重构微带贴片八木天线，其特征在于，包括三层结构，第一层结构包括第一层介质基板，在第一层介质基板的上表面设置耦合微带线、直流偏置电路和金属通孔，在第一层介质基板的下表面安装阻抗变换线、反射贴片、有源贴片和引向贴片，有源贴片连接阻抗变换线一端，射频信号由耦合微带线耦合馈至阻抗变换线，直流通过直流偏置电路，经过金属通孔加载至有源贴片；第二层结构包括第二层介质基板和液晶腔体，液晶腔体内填充液晶材料，液晶材料只位于有源贴片的正下方，其它贴片下方不含液晶材料；第三层结构为金属地板，位于第二层结构底部；
所述直流偏置电路包括电感和电容，电容设置在耦合微带线接收射频信号端，电感设置在电容后方，用以避免直流电路对射频信号的影响。
2.根据权利要求1所述的一种频率可重构微带贴片八木天线，其特征在于，所述液晶材料为向列型液晶。
3.根据权利要求1所述的一种频率可重构微带贴片八木天线，其特征在于，所述反射贴片有两个、有源贴片有一个，引向贴片有两个。
4.一种重构方法，采用权利要求1-3任意一项所述八木天线，其特征在于，向液晶材料两端加入直流电压，直流电压由T型偏置器通过金属通孔加载在有源贴片下方的介质，即液晶材料两端，改变直流偏置电路的电压即可改变液晶材料的有效介电常数，从而改变八木天线工作频率。
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