CN102946006A - 基于基片集成波导的磁可调天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于基片集成波导的磁可调天线，包括馈电微带线、有辐射缝隙的基片集成波导、铁氧体；所述基片集成波导的一端短路，包括两侧分别设有一排金属化通孔的介质基片，所述介质基片的上表面和下表面分别覆有上表面金属层和下表面金属层；该磁可调天线通过在下表面金属层蚀刻出不覆金属的缝隙，来实现对外辐射；所述介质基片两侧挖空出和介质基片厚度一样厚的长方槽，再在所述长方槽中***铁氧体材料，再通过控制外加偏置磁场改变铁氧体的磁导率参数，从而改变天线中心工作频率。本发明不需要偏置电源和昂贵的MEMS开关，适合用在微波频段、成本要求低、使用偏置电源困难的地方。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中基于基片集成波导的磁可调天线，特别是工作在微波频段的基于基片集成波导的磁可调天线。
背景技术
目前，现代雷达和通信***迅猛发展。为实现通信、导航等目的，飞机、舰船和卫星等载体上搭载的天线数量越来越多，所负载的重量随之不断增加，搭建天线所需的费用也不断上升。而且，随着搭载的天线密度的不断提高，天线之间的电磁耦合干扰变得非常严重，甚至导致天线无法正常工作。
为了克服天线对整个通信***发展的制约，人们希望能够用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线，通过开关器件等控制方式动态改变其天线的关键特性，如，工作频率和辐射方向图等，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个辐射体。这样有利于降低通信***的整体成本、减轻重量、减小雷达散射截面，而且可以避免存在于多个天线之间的电磁兼容问题。“可重构天线”或“可调天线”的概念正是在这一背景下提出，并获得了发展。可重构天线的研究旨在使天线能根据实际需要实时重构天线特性。按照功能，可重构天线可大体分为以下几种类型：第一类是方向图基本不变，工作频率能够调节的频率可重构天线，这类天线能实现宽频带或多频段工作；第二类是频率不变，最大辐射方向具有扫描特性的方向图可重构天线；第三类是频率和方向图可以同时调节的可重构天线；第四类就是工作频率和辐射方向图不变，而极化方式可变的极化可重构天线。
从目前可重构天线的相关研究来看，实现可调天线主要是采用电调节方法：在天线结构中加入开关器件（如：MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电***）开关、PIN（开关二极管）、单刀双掷射频开关）、FET（Field Effect Transistor，场效应晶体管）、或调节电路等,通过提供可调节偏置电源来改变开关器件的工作状态或可变电容的偏置电压，从而动态改变电结构。而目前专门的用于可重构天线的射频开关器件等的研制相对比较滞后。当电可调天线频率在低于1GHz频率的情况时，所选用常见电子器件很便宜、低损耗、易于集成；但当电子器件在几千兆赫兹以上时，现有的许多射频开关器件的导通电阻相对比较大，对天线辐射会造成较严重影响，损耗开始增加，并变得难于集成，这时候就得选用适合微波频段的低损耗器件，例如，MEMS开关，MEMS开关在电气性能优良但比较贵。这就使得微波频段的电可调天线成本提高。
基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）技术是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的，它的传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子***具有高Q值、高功率容量、易和平面电路集成等优点。目前基于基片集成波导可调天线特性的研究中，绝大多数是电可调天线。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于基片集成波导的磁可调天线，不需要偏置电源和昂贵的MEMS开关，降低了成本。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于基片集成波导的磁可调天线，包括基片集成波导和铁氧体，所述基片集成波导包括介质基片，所述介质基片的上表面和下表面分别覆有上表面金属层和下表面金属层，所述介质基片至少设有两排金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列连接上表面金属层和下表面金属层，所述基片集成波导的一端短路；所述介质基片中***铁氧体材料。
优选地，所述铁氧体为软磁铁氧体。更优选地，所述软磁铁氧体为微波钇铁石榴石铁氧体。
优选地，所述铁氧体的厚度与所述介质基片的厚度相同。
优选地，所述下表面金属层开有长方形缝隙。但缝隙的形状不局限于长方形。该磁可调天线通过在下表面金属层蚀刻出不覆金属的缝隙，来实现对外辐射。
优选地，所述铁氧体材料的形状为细长的长方体。
优选地，还包括分别覆盖所述铁氧体材料的上表面和下表面的铜皮，且该铜皮的四周分别焊接所述上表面金属层和下表面金属层，起到固定铁氧体材料及减少辐射损耗的作用。
本发明通过在基片集成波导天线的介质基片的下表面金属层开缝实现对外辐射；通过在基片集成波导天线的介质基片中***软磁铁氧体材料，再通过控制外加偏置磁场改变铁氧体的磁导率参数，从而改变天线中心工作频率。其中，铁氧体材料需要满足在整个可调频段以内性能稳定、损耗低的要求，优选微波钇铁石榴石(YIG)铁氧体。铁氧体材料加工为和介质基片厚度一样厚的长方细条，在天线磁场较强处挖空出同样形状的长方细条，再将铁氧体材料***；细条形状多采用长方体，但不局限于此，也可根据设计结构采用别的形状。
本发明应用的原理为：
对于铁氧体，当有外加偏置磁场时，若入射平面波极化方向与铁氧体的外加偏置磁场方向一致、且入射平面波传播方向和外加偏置磁场方向垂直，铁氧体的等效磁导率 
为
其中，
式中，和
分别为铁氧体张量导磁率的对角线和非对角线分量， f 为铁氧体中电磁波的频率，f 0 为铁磁共振频率或拉莫频率，H0为外加偏置磁场强度，f m 是和饱和磁化强度相关的旋磁频率，4πMs为铁氧体的饱和磁化强度，△H为铁氧体的线宽，Oe是CGS单位制（高斯单位制）下磁场强度单位：奥斯特，Gs是CGS单位制（高斯单位制）下磁感应强度单位：高斯。可见改变外加偏置磁场强度H0就可以改变铁氧体的等效磁导率。故通过在基片集成波导天线的介质基片中***软磁铁氧体材料，再通过改变外加偏置磁场改变铁氧体的等效磁导率，从而改变天线工作频率。
有益效果：本发明应用软磁铁氧体材料的等效磁导率随外加偏置磁场强度改变而改变的可调特点，实现基于基片集成波导的磁可调天线。比起现有大多数微波频段基于基片集成波导的电可调天线，不需要偏置电源和昂贵的MEMS开关，适合用在微波频段、成本要求低、使用偏置电源困难的地方。
该磁可调天线采用双面单层电路板结构，通过印刷工艺即可实现，具有易于和平面电路集成、结构简单、体积小、易于制造的优点。
实施例显示，随着外加偏置磁场强度从0 Oe增大到3350 Oe，基于基片集成波导的磁可调天线的中心工作频率由9.95GHz变到11.06GHz，且核心性能（包括方向图、增益、反射系数等）在可调频率范围内变化较小、能够满足实际应用需求。
附图说明
图1为基片集成波导磁可调天线的顶面示意图；
图2 为基片集成波导磁可调天线的底面示意图；
图3 示出了随外加偏置磁场强度改变而改变的铁氧体等效磁导率；
图4为基片集成波导磁可调天线随外加偏置磁场工作频率可调图；
图5为基片集成波导磁可调天线的H面辐射方向图；
图6为基片集成波导磁可调天线的E面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本申请受江苏省2012年度普通高校研究生科研创新计划项目支持，项目批准号：CXZZ12_0054。
以下天线尺寸和性能仅是针对采用微波钇铁石榴石(YIG)铁氧体（铁氧体的饱和磁化强度
，铁氧体的线宽△H=20 Oe）条件下优化后的结果，若采用别的类似软磁铁氧体，基于本发明原理和结构进行尺寸上的优化后也能得到。
如图1和图2所示，基于基片集成波导的磁可调天线包括介质基片3，介质基片3的上表面和下表面分别覆有上表面金属层4和下表面金属层5。基于基片集成波导的磁可调天线通过在基片集成波导的下表面金属层5开长方形缝隙2（即长方形缝隙处是不铺金属的介质基片，图1和图2中灰度最浅的区域表示表面无金属层的介质基片）实现对外辐射；基片集成波导是通过在上下底面为金属层（图1和图2中颜色灰度介于最浅和最深之间的区域表示表面铺有金属层）的低损耗介质基片3（介质基片采用厚度为0.8mm的F4BM基板，它的εr=2.2，tanδ=0.001）上，利用两排金属化通孔阵列6和7而实现的；在两排金属化通孔阵列6和7一侧挖空出和介质基片厚度一样厚的长方槽，铁氧体材料加工为同样形状、和介质基片厚度一样厚的长方细条，再将细条铁氧体1***，细条形状多采用长方体，但不局限于此，也可根据设计结构采用别的形状；再用铜皮（未图示）在上下底面将铁氧体盖住，铜皮四周和原有金属层焊在一起，起到固定铁氧体及减少辐射损耗的作用。
经优化设计的天线尺寸为：磁可调天线的总长度L和总宽度W分别为24.8mm、19.8mm；基片集成波导的金属底面所开缝隙2的长度S l 、宽度Sw分别为11.3mm、1mm，体现开缝位置的d1=10mm、d2=1mm；馈电微带线8的宽度Cw为1.45mm、间距Cg=1.3mm，不铺金属层区域的长度Lm=5mm；所有的金属化通孔直径d为1mm，相邻两个金属化通孔圆心的间距Lg为1.5mm；在两排金属化通孔阵列一侧挖空后***铁氧体长方细条1,它和基片厚度一样厚，其长宽分别为Lw=1mm、Lf =15.8mm。
如图3所示，改变外加偏置磁场强度H0就可以改变铁氧体的等效磁导率。图4给出了测量得到的基片集成波导磁可调天线随外加偏置磁场变化工作频率可调图，可见随着外加偏置磁场强度H0从0 Oe增大到3350 Oe，基于基片集成波导的磁可调天线的中心工作频率由9.95GHz变到11.06GHz，可调范围大。
图5和图6是天线在E面和H面辐射方向图的仿真和测量结果，测量和仿真结果基本一致。结果显示天线在可调频率范围内方向图变化较小。
表1给出了基片集成波导磁可调天线随外加偏置磁场变化测得中心工作频率、中心工作频率点对应增益和反射系数S11，测试结果显示天线在可调频率范围内核心性能变化较小、能够满足实际应用需求。
Claims (8)
1.一种基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：包括基片集成波导和铁氧体，所述基片集成波导包括介质基片，所述介质基片的上表面和下表面分别覆有上表面金属层和下表面金属层，所述介质基片至少设有两排金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列连接上表面金属层和下表面金属层，所述基片集成波导的一端短路；所述介质基片中***铁氧体材料。
2.根据权利要求1所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述铁氧体为软磁铁氧体。
3.根据权利要求1所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述铁氧体的厚度与所述介质基片的厚度相同。
4.根据权利要求1所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述下表面金属层开有缝隙。
5.根据权利要求4所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述缝隙的形状为长方形。
6.根据权利要求1所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述铁氧体材料的形状为细长的长方体。
7.根据权利要求2所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：所述软磁铁氧体为微波钇铁石榴石铁氧体。
8.根据权利要求3所述基于基片集成波导的磁可调天线，其特征在于：还包括分别覆盖所述铁氧体材料的上表面和下表面的铜皮，且该铜皮的四周分别焊接所述上表面金属层和下表面金属层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130227 |