CN111969289A - 一种低剖面频率可重构介质贴片谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低剖面频率可重构介质贴片谐振器，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、上介质基板和介质贴片，上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，微带线的一端插入到介质贴片的下方，微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，微带线和变容二极管构成频率调谐结构，用于连续地调谐所述介质贴片谐振器的频率。本发明首次提出一种新型的变容二极管加载方案，来设计工作在主模TM₁₀₁下的低剖面频率可重构的介质贴片谐振器。为了充分挖掘介质贴片谐振器层叠结构的潜力，将一对加载有变容二极管的微带线部分地插入到介质贴片和基板之间，从而获得连续调谐频率的功能。

Description

一种低剖面频率可重构介质贴片谐振器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及低剖面频率可重构介质贴片谐振器。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，在设备中装配多个天线以满足多样化的通信标准是十分必要的，但这将增加通信系统的尺寸和成本。同时，这些天线之间的电磁兼容问题也可能使系统的稳定性下降。在这种背景下，可重构天线受到了广泛的研究，它可以动态调整自身的参数来实现功能的多样性，从而代替多个天线的使用。可重构谐振器是可重构天线的“细胞”单元，它的特性直接决定了天线自身的优缺点，因此对可重构谐振器的研究显得特别重要。近年来，已经设计出了各种各样的可重构谐振器，它们被广泛的应用在极化可重构、方向图可重构和频率可重构天线中。这些可重构谐振器的实现方法主要分为两类。一类是基于机械调谐的可重构谐振器。通过控制用于构成谐振器的密闭容器中液态材料（如液态金属、变压器油、水等）或基板中固态材料（如金属柱、介质块、短路针等）的位置或体积占比，来使谐振器获得不同的功能或状态。尽管这种方法损耗低，但是机械可重构谐振器的调谐速度较慢，并且需要大的空间来存放液态或固态材料，这无法满足现代无线通信系统对可重构天线的快速时变和高集成度的要求。另一类是基于电调谐的可重构谐振器。通常将小尺寸、结构简单的半导体二极管或基于二极管的开关用作调谐组件。其中，具有快速调谐速度的变容二极管通常用来设计能连续调谐状态的可重构谐振器。

微带贴片谐振器由于具有剖面低、重量轻以及易于加载变容二极管等优点而被广泛应用于可重构谐振器，尤其是频率可重构谐振器的设计中。通常，变容二极管被加载在微带贴片的中间或者侧面。然而，随着低频频谱逐渐拥挤，现代无线通信系统的工作频率持续上升，微带贴片谐振器的金属损耗将变得严重，从而降低对应天线的辐射效率。作为一个良好的替代品，导体损耗几乎为零的介质谐振器被考虑用来设计频率可重构谐振器。但是，在介质谐振器上直接加载变容二极管是很困难的。为了解决加载问题，已经提出了一些设计方法。通过在介质谐振器两个相对的侧壁上印刷导电条或者带有垂直缝隙的导电片，来焊接变容二极管。但是，这些谐振器都具有很高的剖面，这将限制它们在一些空间受限应用中的使用。

为了降低介质谐振器的剖面，有学者提出了一种准平面的介质贴片谐振器。它是由位于上层的介质贴片和下层的介质基板融合而成，并具有与传统微带贴片谐振器类似的工作特性，同时又继承了介质谐振器的多模特性。可以发现，介质贴片谐振器是微带贴片谐振器和介质谐振器之间良好的折中选择。因此，介质贴片谐振器具有巨大的应用潜力，但到目前为止，基于介质贴片谐振器的频率可重构设计还没有人提出。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的低剖面频率可重构介质贴片谐振器。

为实现本发明目的，本发明提出的一种低剖面频率可重构介质贴片谐振器，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、上介质基板和介质贴片，所述上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，其特征在于：所述微带线部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，用于调谐介质贴片谐振器的频率，所述微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，用于使微带线能连续地调谐所述介质贴片谐振器的频率。

进一步的，所述上介质基板上表面设置有位于微带线的外端的与金属反射地板短路连接的金属贴片，所述微带线的外端通过变容二极管与金属贴片连接。

进一步的，所述金属贴片通过设于上介质基板的金属化通孔与金属反射地板短路连接，金属贴片与金属化通孔构成短路针。

更进一步的，所述微带线平行于主模TM₁₀₁的极化方向，即平行于x轴，微带线插入介质贴片和上介质基板之间的位置位于主模TM₁₀₁沿y轴方向分布的电场较强处，即位于介质贴片谐振器的垂直中分面上。

本发明首次提出一种新型的变容二极管加载方案，来设计工作在主模TM₁₀₁下的低剖面频率可重构的介质贴片谐振器。为了充分挖掘介质贴片谐振器层叠结构的潜力，将一对加载有变容二极管的微带线部分地插入到介质贴片和基板之间，从而获得连续调谐频率的功能。根据主模TM₁₀₁模式的电场分布，将微带线设置在了介质贴片谐振器的中心线上，以最大程度地提升调谐能力。此外，深入研究了微带线不同的插入长度和总长度对频率调谐范围的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例谐振器的分解图。

图2是本发明实施例谐振器的俯视图。

图3是本发明实施例谐振器的侧视图。

图4是本发明实施例谐振器在电容固定为0.2pF时，在不同的微带线宽度下，频率随微带线总长度的变化曲线。

图5是本发明实施例谐振器在电容固定为0.2pF时，在不同的微带线插入长度下，频率随微带线总长度的变化曲线。

图6是本发明实施例谐振器在电容范围固定为0.2-3.2pF时，在不同的微带线插入长度下的频率变化曲线。

图7是本发明实施例谐振器在电容范围固定为0.2-3.2pF时，在不同的微带线总长度下的频率变化曲线。

图8是本发明实施例谐振器在电容范围固定为0.2-3.2pF时，在不同的微带线插入长度下的频率调谐范围变化曲线。

图9是本发明实施例谐振器在电容范围固定为0.2-3.2pF时，在不同的微带线总长度下的频率调谐范围变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例低剖面频率可重构介质贴片谐振器，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板6、上介质基板5和介质贴片1。本例中，介质贴片1为正方形陶瓷贴片，其介电常数为ε _r1 = 45，损耗角正切为tanδ = 1.9×10^-4，体积为l _d × l _d × h _d 。介质贴片位于上介质基板5的中心处。除此之外，介质贴片1也可以采用圆形。上介质基板5使用的是Rogers RO4003型号板材，其介电常数为ε _r2 ＝ 3.38，损耗角正切为tanδ ＝ 2.7×10^-3，体积为1 _g ×1 _g ×h _s 。上介质基板5为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为微带线2，底层为金属反射地板6。

本实施例将一对加载有变容二极管的微带线作为调谐结构，来实现频率可重构的功能。通过本征模仿真，发现主模TM₁₀₁的极化方向与x轴平行，并且该模式的电场主要集中在介质贴片的与y轴平行的两侧。为了顺应TM₁₀₁模式的极化方向，调谐结构沿x轴方向放置并对称分布在介质贴片1两侧。微带线的一端部分地插入介质贴片1和上介质基板5之间，而另一端向外延伸以连接变容二极管3。通过观察TM₁₀₁模式的电场分布，还可以发现，该模式沿y轴方向的电场在介质贴片侧边的中部附近的强度大于侧部。为了使调谐能力达到最大化，将调谐结构设置在了介质贴片谐振器的中心线上。仿真结果表明，调谐结构的引入几乎不改变TM₁₀₁模式的极化方向，这在天线应用中对于维持稳定的辐射方向图是十分有利的。微带线的总长度和插入长度分别定义为l和l _i 。用两个短路针将变容二极管3与金属反射地板进行连接。短路针由设置于上介质基板5上表面的金属贴片4和设于上介质基板5的金属化通孔构成。

本实施例谐振器中，调谐结构的等效电路可以表示为电容C _i 、C _o 和C串联而成。其中，C _i 表示微带线和介质贴片谐振器之间的耦合电容，C _o 表示微带线的等效电容，C表示变容二极管的电容。在本设计中，谐振频率的下移应归因于微带线插入部分与介质贴片谐振器之间的耦合引起的电容效应（对应于C _i ）。同时，为了实现连续调谐频率的功能，在微带线的末端加载了变容二极管，来动态地调整微带线的电长度，即调整C _o 的大小。

本实施例介质贴片谐振器详细的参数见表I

表I

参数	<i>l</i><sub><i>d</i></sub>	<i>h</i><sub><i>d</i></sub>	<i>l</i><sub>i</sub>	<i>l</i>	<i>w</i>	<i>l</i><sub>g</sub>	<i>h</i><sub>s</sub>
								数值/mm	15	1.5	0.5	3.5	2	56	0.813

仿真软件ANSYS HFSS用于接下来的参数研究。由于这些参数研究着重讨论微带线的尺寸对谐振频率的影响，因此将变容二极管的电容C维持在0.2 pF。

图4展示了本实施例谐振器在不同的微带线宽度w下，频率随微带线总长度l的变化曲线，同时微带线插入长度l _i 固定为0.5 mm。从图中发现，随着w或l的增加，谐振器的频率在下降，这是因为微带线的特性阻抗或电长度增加了，从而导致其等效电容C _o 的增加。这结果表明，谐振器的频率可以通过微带线本身的宽度和长度来进行调整。图5展示了本实施例谐振器在不同的微带线插入长度l _i 下，频率随微带线总长度l的变化曲线，同时微带线宽度w固定为2 mm。可以看到，随着l _i 的增大，对于相同的l变化范围，频率的变化斜率在逐渐变大，这意味着l对频率的调谐能力在逐渐提升，也可以看作是耦合电容C _i 在增大。该结果表明，介质贴片谐振器和微带线之间的耦合强度是可以通过微带线的插入长度来进行合理控制的。

接着，结合变容二极管的连续可调特性，研究实施例谐振器的频率调谐范围。由于变容二极管的电容C、耦合电容C _i 以及微带线等效电容C _o 是串联的，因此它们将共同影响谐振器的频率调谐范围。所以，发明者通过选择不同的微带线长度（包括总长度和插入长度）来观察频率调谐范围的变化。图6和图7分别展示了本实施例谐振器在电容C范围固定为0.2-3.2 pF时，在不同的微带线插入长度l _i 和总长度l下的频率变化曲线。可以看出，主模TM₁₀₁的频率随着C、l _i 和l的增加而下移。同时，当C小于1.2 pF时，随着C的增加，频率是急剧下降的，而当C大于1.2 pF时，随着C的增加，频率的变化趋于稳定，但是流经变容二极管的射频电流仍在增加。为了更直观地观察到谐振器的频率调谐范围的变化，图8和图9分别展示了本实施例谐振器在电容C范围固定为0.2-3.2 pF时，在不同的微带线插入长度l _i 和总长度l下的频率调谐范围变化曲线。可以看到，当C的范围被固定后，l _i 和l可以很好地控制频率调谐范围，l _i 和l越大，频率调谐范围越大。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种低剖面频率可重构介质贴片谐振器，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板（6）、上介质基板（5）和介质贴片（1），所述上介质基板（5）上表面的垂直中分面上设置有一对微带线（2），其特征在于：所述微带线（2）部分地插入到介质贴片（1）和上介质基板（5）之间，所述微带线（2）的外端与金属反射地板（6）之间加载有变容二极管（3），所述微带线（2）和变容二极管（3）构成频率调谐结构，用于调谐所述介质贴片谐振器的频率。

2.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述上介质基板（5）上表面设置有位于微带线（2）的外端的与金属反射地板（6）短路连接的金属贴片（4），所述微带线（2）的外端通过变容二极管（3）与该金属贴片（4）连接。

3.根据权利要求2所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述金属贴片（4）通过设于上介质基板（5）的金属化通孔与金属反射地板（6）短路连接，金属贴片（4）与金属化通孔构成短路针。

4.根据权利要求2所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述上介质基板（5）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的微带线（2）和金属贴片（4），底层为所述的金属反射地板（6）。

5.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述介质贴片（1）为正方形介质贴片，位于上介质基板（5）的中心处。

6.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述微带线（2）伸入介质贴片（1）底部对介质贴片谐振器的频率进行调谐。

7.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述变容二极管（3）设置于上介质基板（5）的上表面。

8.根据权利要求1所述的低剖面频率可重构介质贴片谐振器，其特征在于：所述微带线（2）平行于主模TM₁₀₁的极化方向，即平行于x轴，微带线（2）插入介质贴片（1）和上介质基板（5）之间的位置位于主模TM₁₀₁沿y轴方向分布的电场较强处。

Images