CN208674376U - 一种基于固态等离子体的多频全向圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，包括底层金属底板，底板加载的固态等离子体枝节，顶层的金属贴片，所述金属地板和贴片之间的介质基板及贯穿介质基板和上下层贴片的金属过孔。固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性。激励时，即为激励状态，表现为金属特性。本实用新型通过编程方式控制固态等离子体构成的谐振单元的激励区域，从而对不同的枝节长度激励，实现对天线工作频段可调控的目的，使天线在S波段中的三个频段工作，工作范围覆盖2.13~2.67 GHz。本实用新型具有剖面低，结构简单，机械性能稳定，易加工，可编程调控，功能性强等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及固态等离子实用技术和可重构微波器件技术领域，特别是基于固态等离子体的多频全向圆极化天线。
背景技术
天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信系统中起着重要的作用。随着现代无线通讯科技水平的不断发展，人们对性能指标越来越严格，单纯的线极化天线己经难以满足飞速发展的现代通信系统需求。全向圆极化天线因其优良的性能，受到人们的关注，广泛应用于在通讯、遥感遥测、雷达、电子侦察与电子干扰等方面，全向天线能保持车载设备或者移动终端与周围不同方位角的目标进行实时通信，圆极化天线可以有效抑制多径衰落和极化失配带来的损耗，以保证信号传输的稳定性。
然而频谱资源是有限的，很难找到一个未被占用的宽带频带。这种情况下，宽带天线就显示出它的劣势，覆盖了不必要带宽会增加系统中滤波器的工作负担，容易拦截他人有用信号，给其他信道的信号造成不必要的干扰等等。多频天线则恰好能够解决这一问题，我们常采用一个天线用几个信道进行信息传递的办法来达到目的，且多频天线具有减少天线的数量，提高空间的利用率的优势。
传统意义上的天线难以得到可调谐的多个工作频带，而固态等离子体能够很好地解决这一问题，它是采用电或光激励的形式在半导体本征层形成的，当形成的固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其电导性可与金属相比拟。当未激发成固态等离子体时，其就是半导体材料表现出介质的特性，对电磁波没有响应，因此可以用来制成可调谐的微波器件。此外，半导体工艺成熟、成本低廉，能够实现大批量的生产。综上优势，固态等离子体能够制成全向圆极化天线，且在现代无线通信具有非常广的前景。在对采用半导体材料制作的PIN管两端施加激励电压，可产生固态等离子体。利用PIN单元构造基于固态等离子体的全向圆极化天线, 具有工作频段调控灵活（频率可重构）、工作频域广泛、可同时与外部控制的编程控制阵列实现可编程的一体化设计。
本实用新型就是采用固态等离子体来代替金属工作，并且可以用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的改变，实现对不同工作频段的动态调控的目的。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，通过编程可以实现对固态等离子体构成的谐振单元的激励状态进行调控，从而实现该全向圆极化天线在S波段的三个不同频带工作，以达到频率可重构的目的。
本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，包括底层金属底板及其上方的介质基板，所述介质基板上方具有加载的固态等离子体枝节的顶层金属贴片，且所述介质基板与金属底板、金属贴片之间具有贯穿的金属过孔。
作为本实用新型所述的一种基于固态等离子体的多频全向圆极化天线进一步优化方案，所述顶层金属贴片呈“齿轮形”，由半径47 mm的圆形结构旋转后对称地剪去七个6mm´12 mm的矩形结构构成。
进一步的，所述固态等离子体枝节个数为七个，各固态等离子体枝节的谐振长度通过编程方式调控改变。
所述固态等离子体枝节呈“螺旋形”且结构均相同，单个固态等离子体枝节由三部分结构组成，所述三部分结构为连续的三段圆弧绕地板中心旋转14 °扫过的区域且三部分结构呈共圆，三段圆弧对应的圆心角分别为74 °、9°、7°，共圆的半径为52.6 mm。
进一步的，所述枝节由固态等离子体组成，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，所述PIN单元之间有隔离层进行隔离；固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现，并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体谐振单元表现出介质特性，激励时表现为金属特性。
进一步的，所述金属过孔个数为14个，且彼此旋转对称。
进一步的，所述介质基板的材料为FR4环氧板，介电常数2.2，损耗角正切值0.01，半径88 mm，厚度2 mm。所述顶层金属贴片与底层地板材料为铜，厚度为0.018 mm。所述金属过孔与介质基板中心距离为31 mm，直径为1.4 mm。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本实用新型基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，通过编程对固态等离子体构成的谐振结构状态进行调控，改变谐振枝节的长度，以获得可调谐的工作频带。通过合适的参数设置，可以实现在S波段的三个不同频带工作，覆盖2.13~2.67 GHz范围；
（2）本实用新型通过编程可以动态地实现工作频率的重构和方向图重构。
（3）本实用新型具有剖面低，结构简单，机械性能稳定，易加工，可编程调控，功能性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型处于状态一时的底层金属底板和固态等离子体枝节的结构示意图。
图3为本实用新型处于状态二时的底层金属底板和固态等离子体枝节的结构示意图。
图4为本实用新型处于状态三时的底层金属底板和固态等离子体枝节的结构示意图。
图5为图2的立体图。
图6为图1的侧视图。
图7为本实用新型的PIN单元的结构示意图。
图8为本实用新型处于状态一、状态二和状态三的|S11|曲线。
图9为本实用新型处于状态一、状态二和状态三的轴比曲线。
图10为本实用新型处于状态一时的X-Y平面(theta=35 °)方向图。
图11为本实用新型处于状态一时的X-Z平面(phi=0 °)方向图。
图12为本实用新型处于状态二时的X-Y平面(theta=35 °)方向图。
图13为本实用新型处于状态二时的X-Z平面(phi=0 °)方向图。
图14为本实用新型处于状态三时的X-Y平面(theta=35 °)方向图。
图15为本实用新型处于状态三时的X-Z平面(phi=0 °)方向图。
图16为本实用新型处于状态一、状态二和状态三时的增益曲线。
附图标记解释：1—顶层金属贴片，2—介质基板，3—底层金属地板，4—金属过孔，5、6、7—单个固态等离子体枝节的三个部分，8、9、10—单个固态等离子体枝节的激励源，11—固态等离子区域，12—隔离区。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的阐述：
本实用新型基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，该全向圆极化天线有三种工作状态：工作在状态一时，其结构单元包括顶层金属贴片1，介质基板2，底层金属地板3，金属过孔4，以及被激励的固态等离子体谐振单元5、6、7；状态二时，其结构单元包括顶层金属贴片，介质基板，底层金属地板，金属过孔，以及被激励的固态等离子体谐振单元5、6；状态三时，其结构单元包括顶层金属贴片，介质基板，底层金属地板，金属过孔，以及被激励的固态等离子体谐振单元5；编程时我们可以将状态一定义为“11”，将状态二定义为“10”，将状态三定义为“01”。这些编码状态可以通过对激励控制模块中的可编程逻辑阵列进行编程来实现，从而调控由固态等离子体构成的谐振枝节长度，达到工作频带动态调控的目的。
谐振单元由固态等离子体构成，其每个PIN 单元大小 0.1 mm´0.1 mm，选择Drude模型描述固态等离子体的介电常数，其中等离子体频率为2.9´1019 rad/s，其碰撞频率为1.65´1014 1/S，如图2所示。
PIN单元之间有隔离层隔开，通过其两端加载偏置电压进行激励。PIN单元未激励时，固态等离子体构成的谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；类似地，激励时表现为金属特性，即为激励状态，如图7所示。
以单个固态等离子体枝节为例，谐振单元5、6、7分别通过等离子体激励源8、9、10进行激励，等离子体激励源8、9、10的通断状态通过编程来实现控制，如图5所示。
本实用新型基于固态等离子体的多频全向圆极化天线的产生方法，状态一是由固态等离子体构成的谐振单元5、6、7同时被激励时引起的；状态二是由固态等离子体构成的谐振单元5、6被激励时引起的；状态三是由固态等离子体构成的谐振单元5被激励时所引起的。
所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线能够通过编程的方式实现工作频带的可调谐。该全向圆极化天线介质基板的材料为FR4环氧板，介电常数2.2，损耗角正切值0.01。
该全向圆极化天线的相关结构参数如表1所示。
| 参数 | <i>Rsub</i> | <i>Rz</i> | <i>Rg</i> | <i>Rp</i> |
| 值（<i>mm</i>） | 88 | 52.6 | 43 | 47 |
| 参数 | <i>a</i> | <i>b</i> | <i>h</i> | <i>Ra</i> |
| 值（<i>mm</i>） | 31 | 6 | 2 | 1.4 |
基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，该全向圆极化天线有三种工作状态，状态一(“11”状态)其结构如图2所示，包括底层的金属地板和被激励的固态等离子体谐振单元5、6、7，顶层的金属贴片，底层金属地板和顶层贴片之间的介质基板以及金属过孔；状态二(“10”状态)其结构如图3所示，包括底层的金属地板和被激励的固态等离子体谐振单元5、6，顶层的金属贴片，底层金属地板和顶层贴片之间的介质基板以及金属过孔；状态三(“01”状态)其结构如图4所示，包括底层的金属地板和被激励的固态等离子体谐振单元5，顶层的金属贴片，底层金属地板和顶层贴片之间的介质基板以及金属过孔。
如图8和图9分别是该全向圆极化天线在三种状态工作时的|S11|曲线和轴比曲线，由图8和图9可以看出状态一(谐振单元5、6、7同时被激励)，阻抗带宽为15.2%(2.13~2.48 GHz)，3 dB轴比带宽为17.5% (2.03~2.42 GHz)，有效带宽为12.7% (2.13~2.42GHz)；由图8和图9可以看出状态二（谐振单元5和6同时被激励），阻抗带宽为5.6% (2.43~2.57 GHz)，3 dB轴比带宽为14.6% (2.28~2.64 GHz)，有效带宽为5.6% (2.43~2.57 GHz)；由图8和图9可以看出状态三（只有谐振单元5被激励），阻抗带宽为5.0% (2.54~2.67 GHz)，3 dB轴比带宽为12.0% (2.57~2.91 GHz)，有效带宽为3.8% (2.57~2.67 GHz)。
如图10~15是该全向圆极化天线在三种状态工作时的X-Y平面( theta=35 °)和X-Z平面( phi=0 °)的方向图，由图10~15可以看出，三种状态下天线的垂直面（X-Z平面）方向图呈“∞”形，最大辐射角度为theta=35 °，水平面（X-Y平面）方向图为全向辐射。水平面的主极化（右旋圆极化）比交叉极化（左旋圆极化）大至少15 dB，主极化的不圆度小于0.5dB，该天线有良好的全向辐射性能。该天线的后瓣较大，且为左旋圆极化，这是因为地板较小的缘故，但不影响天线在theta为5°~ 45 °有效范围内的正常使用。
如图16是该全向圆极化天线状态一、状态二和状态三的增益曲线，由图16可以看出，三种状态在各自工作频段下，平均增益均大于2.5 dBi。
所述三种状态，实现了全向圆极化天线在S波段的多频段工作。显然，我们可以用编程的方式来调控该全向圆极化天线的工作频段，使得天线在2.13~2.67 GHz中的三个频段可调谐工作。
在经过特定设计（编程控制）后，本实用新型可以工作在S波段中的三个频段，覆盖2.13~2.67 GHz范围。本实用新型具有剖面低，结构简单，机械性能稳定，易加工，可编程调控，功能性强等特点。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：包括底层金属底板及其上方的介质基板，所述介质基板上方具有加载的固态等离子体枝节的顶层金属贴片，且所述介质基板与金属底板、金属贴片之间具有贯穿的金属过孔。
2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述顶层金属贴片呈“齿轮形”，由半径47 mm的圆形结构旋转后对称地剪去七个6 mm´12 mm的矩形结构构成。
3.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述固态等离子体枝节个数为七个，各固态等离子体枝节的谐振长度通过编程方式调控改变。
4.根据权利要求3所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述固态等离子体枝节呈“螺旋形”且结构均相同，单个固态等离子体枝节由三部分结构组成，所述三部分结构为连续的三段圆弧绕地板中心旋转14 °扫过的区域且三部分结构呈共圆，三段圆弧对应的圆心角分别为74 °、9°、7°，共圆的半径为52.6 mm。
5.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述固态等离子体枝节由固态等离子体组成，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，所述PIN单元之间有隔离层进行隔离；固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现，并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励的固态等离子体谐振单元表现出介质特性，激励时表现为金属特性。
6.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述金属过孔个数为14个，彼此旋转对称。
7.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述介质基板的材料为FR4环氧板，介电常数2.2，损耗角正切值0.01，半径88 mm，厚度2 mm。
8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述顶层金属贴片与底层地板材料为铜，厚度为0.018 mm。
9.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的多频全向圆极化天线，其特征在于：所述金属过孔与介质基板中心距离为31 mm，直径为1.4 mm。
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2018
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| CN112164900B (zh) * | 2020-10-26 | 2021-09-28 | 北京邮电大学 | 一种等离子体介质谐振天线 |
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