CN114614261B - 一种基于mems开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线 - Google Patents
一种基于mems开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，属于天线技术领域，其由底层微带馈电网络、中间层金属地和十字馈电槽、顶层圆微带中央贴片、四个风车形寄生单元、四个太赫兹MEMS开关、两层介质基板组成。通过底层微带线与上层金属的能量耦合，顶层辐射结构形成两个圆极化模式，使波束偏转；当顶层其中一个MEMS开关导通，而其它MEMS开关断开时，天线波束由导通一侧指向断开一侧。本发明利用MEMS开关切换风车形寄生单元的方向图可重构天线具有二维大角度波束偏转与独特双圆极化模式辐射的特征，可实现偏离法线方向30°以上的偏转角，同时最大辐射方向上轴比小于3dB，波束宽度覆盖至法线方向50°以上。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是指一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线。
背景技术
基于方向图切换的可重构天线单元，由于其波束指向可切换、组阵扫描角度宽、增益平坦度好等优势，在民用、军用等领域的卫星通信系统、宽带网络系统以及雷达系统中具有广泛且重要的应用需求。世界范围内关于可重构天线的研究比较多，主要包括频率可重构天线、方向图可重构天线和极化可重构天线三种。其中方向图可重构天线单元可以在不调节信号幅度和相位的情况下自身完成最大辐射方向的变化，为相控阵阵列设计提供了新的维度，并增强了其大角度扫描能力；但方向图可重构天线的缺点是天线结构较为复杂，加工较难，偏置电路影响大，且大多数应用于相控阵的天线单元只能在一维方向实现宽角扫描。
现今圆极化方向图可重构天线研究成果较少，圆极化波束在偏转时还需考虑轴比因素，天线结构设计难度大；已出现的圆极化方向图可重构天线往往需要多个子单元共同工作才有较为理想的辐射性能，天线尺寸较大。例如中野久松等人基于阶梯相位四臂螺旋线于2018年研制出可覆盖大角度的2×2阵列。随后2021年郝张成团队在IEEETransactions on Antennas and Propagation发表了关于可以实现一维扫描的圆极化宽角扫描天线阵的论文，论文所述阵列主波束在一维方向可以实现±50°的扫描，但是存在系统复杂度高、扫描角步长较大、无法以单元实现圆极化等问题。
由于圆极化方向图可重构天线单元存在天线结构复杂、馈电网络复杂、天线尺寸较大的缺点，目前难于达到在各种射频通信设备应用上的要求。而太赫兹频段的相控阵目前还没有与方向图可重构天线相关的研究出现。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，其可以满足太赫兹频段下相控阵大角度二维扫描的要求，并且该天线具有小型化、设计方便、可重构波束多、后瓣低、极化纯度高等特点。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，包括从上至下依次层叠的辐射层、耦合层和馈电网络层，且相邻层之间均通过介质基底隔开；所述辐射层包括中央圆贴片和寄生单元；所述寄生单元均匀分布在中央圆贴片的外围，且寄生单元为一弧形贴片，弧形贴片的圆心与中央圆贴片的圆心重合；靠近中央贴片的弧形贴片一侧的其中一端具有朝于圆心的延伸，另一端通过MEMS开关与中央圆贴片连接；所述辐射层为中心对称结构；
每一MEMS开关均包括金属桥墩、膜桥(41)、下拉电极和金属接触点；所述膜桥的下拉金属层与金属桥墩连接，下拉金属层位于下拉电极的正上方，且下拉金属层和膜桥的金属接触点不导通；电压偏置线的两个高阻线分别连接金属桥墩和下拉电极；所述中央圆贴片和寄生单元均位于金属接触点的正下方，并且中央圆贴片和寄生单元无接触；
所述耦合层为一开有十字耦合槽的金属板，且十字耦合槽位于中央圆贴片的正下方；所述十字耦合槽的四个槽枝节中心到槽末端的宽度逐渐增大，且每个槽枝节通过幅度相位差为90°的馈电网络耦合馈电；
所述馈电网络位于馈电网络层的介质板上，且所述馈电网络为威尔金森馈电网络，威尔金森馈电网络包括两个二级功分器和两组时延线，每组时延线均包括第一时延线和第二时延线，且第一时延线的长度小于第二时延线的长度，每组时延线通过各自对应的二级功分器输出，且第一时延线比第二时延线更靠近于威尔金森馈电网络的输入端。
进一步的，所述寄生单元具有4个，每一寄生单元均通过对应的MEMS开关与中央圆贴片连接。
进一步的，所述膜桥的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的整体尺寸小于工作频率处电磁波长的二分之一，实现了圆极化波束可重构天线单元的小型化，便于组阵；
2、本发明可二维扫描，采用单端口设计即实现了在两个正交方向的大角度扫描；
3、本发明结构简单、制造方便，相对于圆极化偏转子阵，设计结构简单，平面微带结构可以实现快速制造和大规模集成。
附图说明
图1是本发明实施例的辐射层结构示意图；
图2是本发明实施例的MEMS开关示意图；
图3是本发明实施例天线耦合槽的结构示意图；
图4是本发明实施例天线底层馈电网络示意图；
图5是本发明实施例的侧面剖视图；
图6是方向图可重构天线单元的反射系数曲线图；
图7是本发明实施例各偏转状态下的二维俯仰方向图；
图8是本发明实施例各偏转状态下的最大辐射方向轴比结果图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于MEMS开关控制的方向图可重构天线包括MEMS开关1、2、3、4，中央圆贴片5以及风车形寄生单元6、7、8、9。通过对电压偏置线11、12、13、14施加电压可以分开控制MEMS开关的通断；四个风车形寄生结构基本相同，位置关于中心对称，一端连接MEMS开关，一端有沿径向的倒钩10，该末端的倒钩10的长度可独立变化。
前述方向图可重构天线单元有独特的馈电结构，包括十字耦合槽19和耦合馈电网络。十字耦合槽具有渐变的宽度，从中心到槽末端逐渐增大，各个槽被幅度相同相位差为90°的馈电网络耦合馈电；馈电网络的较短时延线30和31以及较长时延线32和33分别由不同的二级功分器25和26输出；较短时延线分布在功分网络内侧，而较长时延线分布在外侧。
可重构天线中四个MEMS开关结构相同，位置关于中心对称，均包括金属桥墩39、弹性金属-介质膜桥41、下拉电极40、金属接触点42和电压偏置线11。弹性金属-介质膜桥41为非对称结构，且主要由介质支撑，下拉电极40和金属接触点42分别位于弹性金属-介质膜桥41两侧。MEMS开关连接中央贴片5和各风车形寄生单元，四个MEMS开关可以由各自对应的电压偏置线独立控制。
下面为一更具体的实施例：
参照图1至图5，本实施例由四个MEMS开关1-4及其高阻值的电压偏置线11-14，中央圆贴片5，风车形的寄生单元6-9和介质基板36组成。
其中四个风车形寄生单元6-9和四组高阻的电压偏置线11-14，关于中央圆贴片5圆点中心对称；中央圆贴片5是直径15约为谐振频率三分之一个波导波长的金属贴片，寄生辐射单元6-9是具备一定宽度和弧度的环形，各寄生单元通过MEMS开关1-4连接中央圆贴片5，总长度包括径向长度16、弧长与倒钩10的长度之和略大于中央圆贴片的直径15。寄生单元末端倒钩10的尺寸用于调节各重构状态下天线的谐振频率。中央圆贴片5用于调节无偏转状态下天线辐射结构的中心频率，其尺寸增大，天线单元中心频率减小，尺寸减小，中心频率增大；偏转状态辐射特性，包括最大辐射方向的偏转角以及该角度上的轴比特性，也和中央圆贴片形成圆极化的水平有关。
MEMS开关如附图2所示，以MEMS开关1结构为例，其利用直流电压驱动，四组电压偏置线(11-14)位置上各有两条高阻线用于施加电压，分别连接开关金属桥墩39与下拉电极40。当施加电压到偏置线上，二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅材料的膜桥41被金属静电力下拉，金属接触点42连接中央圆贴片5和寄生单元6，开关1即导通；当电压被置零，金属静电力释放，介质膜桥41由弹性力恢复，开关1即断开。
当MEMS开关1导通而2、3、4断开时，寄生单元6充当反射器和激励的作用；由于开关2、3、4断开，寄生单元7、8、9和中央圆贴片5断开，这三个寄生单元充当引向器的作用。电流从导通寄生单元6的环状臂以逆时针依次耦合到其他断开的寄生单元上，形成独立于中央贴片圆极化模式的另一模式，辐射主波束由导通的一侧指向断开的一侧。例如，当开关1导通而开关2、3、4断开时，主波束方向由结构6指向结构8。在附图3显示的中间耦合层结构中，金属地18用于将波束反射，指向上半平面的空间，即主波束偏向辐射结构的上半空间，偏转角度与介质36的厚度以及金属地18的尺寸有关。介质厚度越大，主波束与微带线所在平面所成的偏转角越小；金属地尺寸在一定范围时，主波束有最大偏转角度。
如前文所述，四个MEMS开关的其中一个导通，其余均断开时，该状态为一个偏转状态；当全部开关断开时，该状态为一个无偏转状态。所以共有四种偏转状态和一个无偏转状态，在无偏转状态中只由中央圆贴片5完成辐射。
为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如金等，介质基底36和37采用损耗小的材料，如高阻硅，石英玻璃等。
十字馈电槽的尺寸会对可重构天线的性能产生重要影响，具体表现为：
a)馈电槽宽度21、22影响天线的阻抗带宽，因此宽度21过大或过小会使得天线带宽过小甚至阻抗失配；
b)馈电槽长度20影响天线的谐振频率和方向图，槽长和辐射结构尺寸共同确定天线的工作频带；
c)馈电槽各个方向最大长度20和最大宽度22并不完全一致，用于调节各偏转状态的匹配与辐射效果；
在构成天线时，附图4显示的馈电网络特性会对各偏转状态的性能产生重要影响，具体表现为：
d)四个馈电端口30-33的幅度一致性和相位差浮动影响天线在形成圆极化时的轴比水平；
e)输入端口23与四个馈电端口30-33的隔离度，以及四个馈电端口之间的隔离度会显著影响天线端口匹配和轴比带宽；
f)馈电端口末尾宽度30和长度34直接影响馈电网络和十字馈电槽的耦合水平，其取值过大和过小均会导致天线各辐射状态性能一致性变差。
以附图4为例的典型馈电网络由两级功分器和时延线组成，信号被输入端口23之后，经过功分器24、25和26进入四路时延线，四路信号在输出端口30-33处，相邻端口间幅度相同，相位差90°。方阻27-29显示该功分器网络是威尔金森功分器，在实际应用中还可使用串联馈电网络或其它功分器实现相同效果。馈电网络的较短时延线30和31以及较长时延线32和33分别由不同的二级功分器输出；较短时延线分布在功分网络内侧，而较长时延线分布在外侧。该方案可实现更高的相邻端口幅度一致性和更高的隔离度。
因此选择合理的功分器网络形式、微带线宽度和耦合槽尺寸对提升方向图可重构天线单元性能具有重要意义，天线最终结构参数是综合优化的结果。
该基于MEMS开关的方向图可重构天线在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明，(以下数据单位为微米)：
当图1结构的尺寸为：
结构15＝178，结构16＝105，结构17＝28.5，寄生单元6-9最大弧长＝101.5，寄生单元6-9宽度＝45，倒钩10长度＝50；
当图3结构的尺寸为：
结构20＝157，结构21＝25，结构22＝45；
当图4结构的尺寸为：
结构34＝35，结构35＝45；
当图5结构的尺寸为：
结构38＝1200；
介质基底36总厚度为50，介质基底37总厚度为25，微带线和金属地的金属层厚度为1。
此时太赫兹圆极化方向图可重构天线单元的反射系数仿真图为：
图6中显示的是该基于MEMS开关的方向图可重构天线的反射系数曲线，显示该天线单元在320-355GHz的频率范围内S11显著小于-15dB。
此时天线在各状态的方向图为：
图7中显示的是该基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线的在350GHz频率下俯仰面的波束扫描图，不同标记的曲线表示在不同开关切换状态下的右旋圆极化辐射波束曲线,在不同状态下，天线分别在0°、90°、180°、270°水平方位角上形成偏转波束，波束偏移角可以达到30°，3dB波束可覆盖至50°，且该天线方向图具有较低的后瓣。
此时天线在各状态的轴比特性仿真图为：
图8中显示的是该基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线的轴比特性，不同标记的曲线表示在不同开关切换状态下的轴比曲线,在不同切换状态下，天线在320-350GHz频段内的轴比均在3dB以下。
可见，通过寄生单元控制的方向图可重构天线单元，可以实现太赫兹频段的圆极化可重构倾斜波束。
上述仅为一个例子，若想得到不同中心频率下的圆极化波束可重构天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以调整中央圆贴片、寄生结构的长度、金属地的大小以及十字馈电槽的尺寸来调整工作中心频率，调整波束偏转角度以及调节阻抗匹配等；该可重构天线还可通过其他可实现通断的开关类型实现。
Claims (3)
1.一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，包括从上至下依次层叠的辐射层、耦合层和馈电网络层，且相邻层之间均通过介质基底隔开；其特征在于，所述辐射层包括中央圆贴片和寄生单元；所述寄生单元均匀分布在中央圆贴片的外围，且寄生单元为一弧形贴片，弧形贴片的圆心与中央圆贴片的圆心重合；靠近中央贴片的弧形贴片一侧的其中一端具有朝于圆心的延伸，另一端通过MEMS开关与中央圆贴片连接；所述辐射层为中心对称结构；
每一MEMS开关均包括金属桥墩、膜桥(41)、下拉电极和金属接触点；所述膜桥的下拉金属层与金属桥墩连接，下拉金属层位于下拉电极的正上方，且下拉金属层和膜桥的金属接触点不导通；电压偏置线的两个高阻线分别连接金属桥墩和下拉电极；所述中央圆贴片和寄生单元均位于金属接触点的正下方，并且中央圆贴片和寄生单元无接触；
所述耦合层为一开有十字耦合槽的金属板，且十字耦合槽位于中央圆贴片的正下方；所述十字耦合槽的四个槽枝节中心到槽末端的宽度逐渐增大，且每个槽枝节通过幅度相位差为90°的馈电网络耦合馈电；
所述馈电网络位于馈电网络层的介质板上，且所述馈电网络为威尔金森馈电网络，威尔金森馈电网络包括两个二级功分器和两组时延线，每组时延线均包括第一时延线和两条第二时延线，且第一时延线的长度小于第二时延线的长度，每组时延线通过各自对应的二级功分器输出，且第一时延线比第二时延线更靠近于威尔金森馈电网络的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，其特征在于，所述寄生单元具有4个，每一寄生单元均通过对应的MEMS开关与中央圆贴片连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的太赫兹圆极化方向图可重构天线，其特征在于，所述膜桥的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
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| CN114614261A (zh) | 2022-06-10 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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