CN115084858B - 基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法 - Google Patents

基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法，包括介质基板以及位于介质基板上的圆形辐射贴片、对称梯形地板、共面波导馈线、GeTe相变开关。通过在圆形辐射贴片上开两个U型槽来对WLAN和WiAMX频段进行陷波，同时在两U型槽的中心位置分别添加一个GeTe相变开关，通过外加直流偏置电压来控制GeTe相变开关的通断，进而使天线在WLAN和WiMAX频段具有陷波可重构的特性。本发明提供的天线不仅可靠性好，便于加工和集成，而且能有效减小开关偏置电路对天线辐射性能的影响。

Description

基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法
技术领域
本发明涉及超宽带无线通信领域，具体涉及一种基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法。
背景技术
超宽带天线作为无线通信系统中负责信号收发的装置，是实现超宽带技术的基础，然而超宽带的频段为3.1~10.6 GHz，其频段和WLAN（5.15~5.825 GHz）、WiMAX（3.3~3.6GHz）的频段发生了重合，这会导致它们同时工作时产生互扰。在实际使用中，为了消除这种互扰，通常在天线的辐射贴片和地面开槽来对WLAN和WiMAX频段进行陷波，使得天线在此频段形成驻波，无法向外辐射。但是有时由于工作环境的变化，并不存在以上频段重合的情况，继续陷波会使超宽带天线的工作频段变窄，造成频率资源的浪费，因此就需要天线能根据应用场景的不同按需进行陷波，通过构建可重构陷波天线是可行的。
现有的超宽带可重构陷波天线普遍采用射频开关来实现天线陷波的可重构。2009年Symeon Nikolaou等人采用RF MEMS开关设计了一款用于WLAN频段的陷波可重构天线。2012年B. Chen等人采用PIN二极管开关的设计了一款用于WLAN、WiAMX频段的双陷波可重构天线。2013年Xiaolei L等人采用变容二极管开关设计了一款用于WLAN频段的陷波可重构天线。
上述几种天线的不足之处是，采用二极管开关的可重构陷波天线需要复杂的直流偏置电路来控制开关的状态，而且偏置电路和天线之间无法实现良好的电隔离，这会影响天线的辐射性能。采用RF MEMS开关的可重构陷波天线虽然能减小开关偏置电路对天线辐射性能的影响，但RF MEMS开关的制作难度大，可靠性差。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线及其控制方法，该天线工作在超宽带（3.1~10.6 GHz），并且能够根据应用场景的不同按需对WLAN和WiMAX频段进行陷波。
基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线，包括介质基板以及位于介质基板上的圆形辐射贴片、对称梯形地板、共面波导馈线、GeTe相变开关。通过在圆形辐射贴片上开两个U型槽来对WLAN(3.3~3.6 GHz)和WiAMX(5.15~5.825 GHz)频段进行陷波，同时在两U型槽的中心位置分别添加一个GeTe相变开关，通过外加直流偏置电压来控制GeTe相变开关的通断，进而使天线在WLAN和WiMAX频段具有陷波可重构的特性。
具体技术方案为：
基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线，包括第一介质基板、两个GeTe相变开关，以及位于第一介质基板上的圆形辐射贴片、一对对称梯形地板；
一对对称梯形地板对称的设在第一介质基板表面的下半部，一对对称梯形地板中间留有空隙，圆形辐射贴片位于第一介质基板表面的上半部；
共面波导馈电线位于一对对称梯形地板之间的空隙，并与圆形辐射贴片连接；
圆形辐射贴片上自下到上依次开了两个U型槽，分别为第一U型槽、第二U型槽；第一U型槽内设有第一GeTe相变开关，第二U型槽内设第二GeTe相变开关。
所述的第一GeTe相变开关位于第一U型槽的中间位置；第二GeTe相变开关位于第二U型槽的中间位置。
所述的两个GeTe相变开关即第一GeTe相变开关、第二GeTe相变开关结构一致；所述的GeTe相变开关包括第二介质基板；第二介质基板上设有第二介质隔离层，第二介质隔离层中间有槽，槽内底部设有加热器，加热器上方依次为第一介质隔离层、GeTe相变材料层，GeTe相变材料层两侧为开关电极。
所述的基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线的控制方法，所述GeTe相变开关采用不同的直流电压脉冲来控制开关的状态；第一GeTe相变开关用来实现WLAN频段的陷波可重构，第二GeTe相变开关用来实现WiMAX频段的陷波可重构；
当第一GeTe相变开关、第二GeTe相变开关都导通时，天线工作在超宽带，记为Model；
当第一GeTe相变开关断开，第二GeTe相变开关导通时，天线实现对WLAN频段的陷波，记为Mode2；
当第一GeTe相变开关导通，第二GeTe相变开关断开时，天线实现对WiMAX频段的陷波，记为Mode3；
当第一GeTe相变开关，第二GeTe相变开关都断开时，天线实现对WLAN，WiMAX频段的双陷波，记为Mode4。
本发明的有益效果是：通过控制GeTe相变开关的状态来改变圆形辐射贴片上电流的路径，从而实现天线陷波的可重构。天线不仅可靠性好，便于加工和集成，而且能有效减小开关偏置电路对天线辐射性能的影响。
附图说明
图1是本发明一种基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线的结构示意图；
图2是本发明天线所采用的GeTe相变开关的横截面结构示意图；
图3是本发明天线在Mode1、Mode2、Mode3、Mode4下的回波损耗结果曲线；
图4是本发明实施例Mode1在频率为7 GHz的方向图；
图5是本发明实施例Mode2在频率为7 GHz的方向图；
图6是本发明实施例Mode3在频率为7 GHz的方向图；
图7是本发明实施例Mode4在频率为7 GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线，包括第一介质基板1以及位于第一介质基板1上的圆形辐射贴片2、一对对称梯形地板3、共面波导馈电线4、以及第一GeTe相变开关7A、第二GeTe相变开关7B。
一对对称梯形地板3对称的设在第一介质基板1表面的下半部，一对对称梯形地板3中间留有空隙，圆形辐射贴片2位于第一介质基板1表面的上半部；
共面波导馈电线4位于一对对称梯形地板3之间的空隙，并与圆形辐射贴片2连接；
圆形辐射贴片2上自下到上依次开了两个U型槽，分别为第一U型槽5、第二U型槽6；第一U型槽5内设有第一GeTe相变开关7A，第二U型槽6内设第二GeTe相变开关7B；
天线采用了对称梯形地板3使其能工作在超宽带频段内，为了使天线在WLAN和WiMAX频段内产生陷波，在圆形辐射贴片2上开了两个U型槽，分别为第一U型槽5、第二U型槽6，同时在U型槽的中心位置各添加了GeTe相变开关，即对应的为第一GeTe相变开关7A、第二GeTe相变开关7B，通过给GeTe相变开关的加热器施加直流偏置电压来控制开关的导通与断开。当开关导通时，电流可以顺利的流过开关，此时陷波槽被破坏，天线无法陷波。当开关断开时，电流无法流过开关，陷波槽未被破坏，天线具有陷波功能。因此通过控制GeTe相变开关的状态可使天线在WLAN和WiMAX频段具有陷波可重构特性。
所述第一介质基板1的长度L为30 mm，宽度W为25 mm，厚度为0.5 mm，相对介电常数为11.9，损耗正切角为0.004。圆形辐射贴片的半径R为10 mm。共面波导馈电线的宽W1为2mm，它和两侧梯形地板之间的间距g1为0.53 mm。对称梯形地板的宽度Wg为10.97 mm，Wg1为4mm，高度Lg为8 mm，Lg1为4 mm。
所述第一U型槽5的纵向长度Uy1为2.7 mm，横向长度Ux1为7 mm。第二U型槽6的纵向长度Uy2为4.6 mm，横向长度Ux2为11 mm。两U型槽的槽宽g为0.5 mm。
第一GeTe相变开关7A位于第一U型槽5的中间位置，用来实现WLAN频段的陷波可重构，第二GeTe相变开关7B位于第二U型槽6的中间位置用来实现WiMAX频段的陷波可重构。
两个GeTe相变开关即第一GeTe相变开关7A、第二GeTe相变开关7B结构一致。
图2是所述GeTe相变开关的横截面结构示意图。GeTe相变开关包括第二介质基板10、开关电极8、GeTe相变材料层12、加热器11、第一介质隔离层13以及第二介质隔离层9。
第二介质基板10上设有第二介质隔离层9，第二介质隔离层9中间有槽，槽内底部设有加热器11，加热器11上方依次为第一介质隔离层13、GeTe相变材料层12，GeTe相变材料层12两侧为开关电极8；
开关利用GeTe相变材料层12在晶态和非晶态时电阻率的巨大差异来工作。当给加热器11施加一定幅值窄的电压脉冲，加热器11产生的焦耳热经第一介质隔离层13传导到GeTe相变材料层12可使GeTe非晶化(开关断开)。同样，当给开关电极8施加一定幅值宽的电压脉冲可使GeTe晶化(开关导通)。
所述GeTe相变开关采用不同的直流电压脉冲来控制开关的状态，由于第一介质隔离层13的存在，开关的直流偏置电路和天线之间存在良好的电隔离，因此可有效的减小开关偏置电路对天线辐射性能的影响。同时GeTe相变开关制作简单、射频性能优异、可靠性高，能很好的替代RF MEMS开关。
当第一GeTe相变开关7A、第二GeTe相变开关7B都导通时，天线工作在超宽带（3.1~10.6 GHz），记为Model；当第一GeTe相变开关7A断开，第二GeTe相变开关7B导通时，天线实现对WLAN（5.15~5.825 GHz）频段的陷波，记为Mode2；当第一GeTe相变开关7A导通，第二GeTe相变开关7B断开时，天线实现对WiMAX（3.3~3.6 GHz）频段的陷波，记为Mode3；当第一GeTe相变开关7A，第二GeTe相变开关7B都断开时，天线实现对WLAN，WiMAX频段的双陷波，记为Mode4。
图3是本发明天线在四种工作模式下的回波损耗曲线。在实际工程中，当天线在某一频段的回波损耗大于10 dB，即可认为天线在该频段能够正常工作，相反如果回波损耗小于10 dB，说明天线在该频段无法正常工作，天线具有陷波特性。从图中可以看出：在Mode1下，天线在3.1~10.6 GHz频带范围内回波损耗大于10 dB，符合超宽带天线的标准；在模式Mode2下，天线在3.3~3.6 GHz的回波损耗小于10 dB，而在其余频段回波损耗大于10 dB，天线实现了对WLAN频带的陷波；同样，在Mode3下，天线在5.15~5.825 GHz回波损耗小于10dB，而在其余频带回波损耗大于10 dB，天线实现了对WiMAX频段的陷波；在Mode4下，WLAN和WiMAX两个陷波同时存在，并且陷波频段覆盖良好。
图4、图5、图6、图7分别为天线工作在Mode1、Mode2、Mode3、Mode4四种模式下，在非陷波点7 GHz处的辐射方向图。从图中可以看到，本发明天线的方向图和偶极子天线相似，E面基本为‘8’字形，H 面接近圆形,说明天线可实现全方向辐射，有较好的信号接收范围。
本发明天线采用GeTe相变开关来实现天线陷波的可重构，不仅能减小开关偏置电路对天线辐射性能的影响，而且还具有制作简单，可靠性好等优点。天线实现了对WLAN，WiMAX频段的陷波，能有效的避免与其他通信频段的互扰，适用于超宽带无线通信系统。
当然，除了上述实施方式外，本发明还有其他的实施方式，在不背离本发明的精神实质与原理下对本发明实施的各种改变，组合，修饰，变形都应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线，其特征在于，包括第一介质基板（1）、两个GeTe相变开关，以及位于第一介质基板（1）上的圆形辐射贴片（2）、一对对称梯形地板（3）；
一对对称梯形地板（3）对称的设在第一介质基板（1）表面的下半部，一对对称梯形地板（3）中间留有空隙，圆形辐射贴片（2）位于第一介质基板（1）表面的上半部；
共面波导馈电线（4）位于一对对称梯形地板（3）之间的空隙，并与圆形辐射贴片（2）连接；
圆形辐射贴片（2）上自下到上依次开了两个U型槽，分别为第一U型槽（5）、第二U型槽（6）；第一U型槽（5）内设有第一GeTe相变开关（7A），第二U型槽（6）内设第二GeTe相变开关（7B）；
天线采用对称梯形地板（3）使其能工作在超宽带频段内，在圆形辐射贴片（2）上开两个U型槽，分别为第一U型槽（5）、第二U型槽（6），同时在U型槽的中心位置各添加GeTe相变开关，即对应的为第一GeTe相变开关（7A）、第二GeTe相变开关（7B），第一GeTe相变开关（7A）位于第一U型槽（5）的中间位置，用来实现WLAN频段的陷波可重构，第二GeTe相变开关（7B）位于第二U型槽（6）的中间位置用来实现WiMAX频段的陷波可重构；通过给GeTe相变开关的加热器施加直流偏置电压来控制开关的导通与断开；当开关导通时，电流顺利的流过开关，此时陷波槽被破坏，天线无法陷波；当开关断开时，电流无法流过开关，陷波槽未被破坏，天线具有陷波功能；通过控制GeTe相变开关的状态使天线在WLAN和WiMAX频段具有陷波可重构特性；
第二介质基板（10）上设有第二介质隔离层（9），第二介质隔离层（9）中间有槽，槽内底部设有加热器（11），加热器（11）上方依次为第一介质隔离层（13）、GeTe相变材料层（12），GeTe相变材料层（12）两侧为开关电极8；
开关利用GeTe相变材料层（12）在晶态和非晶态时电阻率的巨大差异来工作；当给加热器（11）施加幅值窄的电压脉冲，加热器（11）产生的焦耳热经第一介质隔离层（13）传导到GeTe相变材料层（12）使GeTe非晶化即开关断开；同样，当给开关电极（8）施加幅值宽的电压脉冲使GeTe晶化即开关导通；
所述GeTe相变开关采用不同的直流电压脉冲来控制开关的状态；第一GeTe相变开关（7A）用来实现WLAN频段的陷波可重构，第二GeTe相变开关（7B）用来实现WiMAX频段的陷波可重构；
当第一GeTe相变开关（7A）、第二GeTe相变开关（7B）都导通时，天线工作在超宽带，记为Model；
当第一GeTe相变开关（7A）断开，第二GeTe相变开关（7B）导通时，天线实现对WLAN频段的陷波，记为Mode2；
当第一GeTe相变开关（7A）导通，第二GeTe相变开关（7B）断开时，天线实现对WiMAX频段的陷波，记为Mode3；
当第一GeTe相变开关（7A），第二GeTe相变开关（7B）都断开时，天线实现对WLAN，WiMAX频段的双陷波，记为Mode4。
2.根据权利要求1所述的基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线，其特征在于，所述的两个GeTe相变开关即第一GeTe相变开关（7A）、第二GeTe相变开关（7B）结构一致。
3.根据权利要求1或2所述的基于GeTe相变开关的超宽带可重构陷波天线的控制方法，其特征在于：
所述GeTe相变开关采用不同的直流电压脉冲来控制开关的状态；第一GeTe相变开关（7A）用来实现WLAN频段的陷波可重构，第二GeTe相变开关（7B）用来实现WiMAX频段的陷波可重构；
当第一GeTe相变开关（7A）、第二GeTe相变开关（7B）都导通时，天线工作在超宽带，记为Model；
当第一GeTe相变开关（7A）断开，第二GeTe相变开关（7B）导通时，天线实现对WLAN频段的陷波，记为Mode2；
当第一GeTe相变开关（7A）导通，第二GeTe相变开关（7B）断开时，天线实现对WiMAX频段的陷波，记为Mode3；
当第一GeTe相变开关（7A），第二GeTe相变开关（7B）都断开时，天线实现对WLAN，WiMAX频段的双陷波，记为Mode4。
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Title
A Broadband Dual-Polarized Notched-Band Antenna for 2/3/4/5G Base Station;Suidao Fu等;《IEEE》;20200131;全文 *
一种陷波可重构的超宽带天线设计与研究;梁青;王超;苏正东;熊伟;;压电与声光;20200615(第03期);全文 *

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CN115084858A (zh) 2022-09-20

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