CN106450722A - 一种加载bst铁电薄膜移相器的天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，包括由介质基板、接地板、辐射贴片和微带馈电网络构成的天线，所述接地板和所述辐射贴片等宽度，所述天线等间距的排列形成有天线阵，所述天线阵内加载有CPW移相器，所述CPW移相器内加载有BST铁电薄膜。本发明天线阵采用CPW型铁电薄膜移相器作为天线阵的移相单元，通过给定不同的介电常数，是每一路微波信号的延迟时间不同，实现移相的目的。借助全波电磁仿真软件(HFSS)建模仿真了加载BST铁电薄膜移相器的1×4天线阵列，能够实现天线阵最大辐射方向控制。

Description

一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体的说，是涉及一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵。
背景技术
高速率，大容量的现代通信***已经成为人们生活中不可缺少的组成部分，日益增长的各种通信业务使得频谱资源日趋弥贵。由于频谱资源具有不可再生性，因此为了满足通信***急速发展的需求，要求微波元件向高频段拓展。同时为了实现较高的频谱利用率，满足设备复杂性的要求，需要微波集成电路及天线在频率上具有可调谐性。由于铁电材料具有较大的介电常数，且在不同的电压控制下，介电常数调节范围较宽，其制成的器件高频特性优良，频率可调范围宽，功率容量高，控制速度快，***损耗低，因此备受青睐。
移相器是相控阵技术的核心器件，常用的移相器有铁氧体移相器，半导体PIN二极管移相器，MEMS移相器与铁电介质移相器。铁电介质移相器主要利用铁电材料介电常数与外加电场的关系，外加电场的变化导致介质介电常数的变化，介电常数的改变又会使微波信号的相速度发生改变从而实现移相的目的。CPW以其优越的特性得到广泛的研究。CPW型铁电薄膜移相器是在传输线与衬底之间加入铁电薄膜。当微波信号通过移相器时，通过改变偏置电场使BST薄膜的介电常数发生变化，从而改变微波信号的相速度，使微波信号移相。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，该天线阵采用CPW型铁电薄膜移相器作为天线阵的移相单元，通过给定不同的介电常数，是每一路微波信号的延迟时间不同，实现移相的目的。借助全波电磁仿真软件(HFSS)建模仿真了加载BST铁电薄膜移相器的1×4天线阵列，能够实现天线阵最大辐射方向控制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，包括由介质基板、接地板、辐射贴片和微带馈电网络构成的天线，所述接地板和所述辐射贴片等宽度，所述天线等间距的排列形成有天线阵，所述天线阵内加载有CPW移相器，所述CPW移相器内加载有BST铁电薄膜。
所述介质基板由FR4环氧树脂板材料制成，其相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02。
所述介质基板的规格尺寸为100mm×80mm×0.5mm。
所述微带馈电网络由50Ω、70.7Ω和100Ω的微带线相互连接组成，其输入阻抗为50Ω。
所述天线阵为1×4的天线阵列。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明采用加载BST铁电薄膜的CPW型移相器作为天线阵的辐射单元，设计了1X4贴片天线阵，建立天线阵的仿真模型并进行优化，研究结果表明：天线阵的辐射方向能够随着介电常数的变化而改变，并且具有良好的辐射性能，能够实现相控天线阵的特性。
附图说明
图1是天线阵结构的俯视结构示意图。
图2是本发明加载CPW型BST薄膜移相器天线阵的俯视结构示意图及CPW移相器的放大结构示意图。
图3(a)和图3(b)均为本发明天线阵辐射方向随介电常数的改变的示意图。
附图标记：1-介质基板 2-微带馈电网络 3-CPW移相器 4-BST铁电薄膜
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1和图2所示，一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，包括由介质基板1、接地板、辐射贴片和微带馈电网络2构成的天线，接地板和所述辐射贴片等宽度，天线等间距的排列形成有天线阵，本实施例中的天线阵为1×4的天线阵列，天线阵内加载有CPW移相器3，CPW移相器3内加载有BST铁电薄膜4。介质基板1由FR4环氧树脂板材料制成，其相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，天线通过蚀刻方法制作在规格尺寸为100mm×80mm×0.5mm的介质基板1上，微带馈电网络2由50Ω、70.7Ω和100Ω的微带线相互连接组成，其输入阻抗为50Ω。
本发明天线阵经过优化设计后的具体的尺寸参数如下：L1＝3.43mm,W1＝13.96mm,W2＝3.48mm,W3＝4.21mm,L2＝1.73mm,W4＝6.98mm,L3＝3.76mm,W5＝0.55mm,W6＝0.22mm,W＝7.3mm,L＝6mm。介质基板1的厚度h＝0.5mm。介质基板1的底部是金属接地板。图中W1、W2和W3分别代表阻值为50Ω、70.7Ω和100Ω的微带线的尺寸参数。
为了研究本发明天线的辐射特性，运用全波三维电磁仿真，将BST铁电薄膜4的介电常数设置成变量，通过修改变量的值模拟偏置电压的作用，为了观察辐射方向随着介电常数的改变，我们选择了四组介电常数作比较。介电常数分别为[500,400,300,200],[200,300,400,500],[600,500,400,300],[300,400,500,600]。图3(a)和图3(b)分别为四组介电常数的天线辐射方向图。
经过仿真分析，可知加载了BST铁电薄膜4的天线阵的最大辐射方向随着介电常数的变化而改变，通过不同的介电常数组合可以实现天线阵辐射方向的正负扫描，扫面的角度范围为正负15°。通过增加辐射单元的个数，能够实现过全向扫描。当介电常数组合为[500,400,300,200],[200,300,400,500]时，天线阵在最大辐射方向的增益分别为10.2dB与9.8dB。当介电常数的组合为[600,500,400,300],[300,400,500,600]时，天线阵在最大辐射方向的增益分别为11.2dB和10.8dB。第二组介电常数组合回波损耗小，天线的增益比第一组介电常数大，且辐射波束较窄，能够更好地实现定向扫描。
改变介电常数的使天线阵辐射方向变化的同时，天线阵的输入阻抗也发生改变，选取介电常数时要考虑阻抗匹配的问题，上面四组介电常数是在HFSS中优化得到的结果，其他组合形式的介电常数都使天线阵的回波损耗变大，天线阵增益降低。因此在实际应用中，必须权衡损耗和增益的关系。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，包括由介质基板、接地板、辐射贴片和微带馈电网络构成的天线，其特征在于，所述接地板和所述辐射贴片等宽度，所述天线等间距的排列形成有天线阵，所述天线阵内加载有CPW移相器，所述CPW移相器内加载有BST铁电薄膜。
2.根据权利要求1所述一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，其特征在于，所述介质基板由FR4环氧树脂板材料制成，其相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02。
3.根据权利要求1或2所述一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，其特征在于，所述介质基板的规格尺寸为100mm×80mm×0.5mm。
4.根据权利要求1所述一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，其特征在于，所述微带馈电网络由50Ω、70.7Ω和100Ω的微带线相互连接组成，其输入阻抗为50Ω。
5.根据权利要求1所述一种加载BST铁电薄膜移相器的天线阵，其特征在于，所述天线阵为1×4的天线阵列。
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