CN107104273A - 可调电磁超材料激励型天线 - Google Patents

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CN107104273A CN201710183051.6A CN201710183051A CN107104273A CN 107104273 A CN107104273 A CN 107104273A CN 201710183051 A CN201710183051 A CN 201710183051A CN 107104273 A CN107104273 A CN 107104273A
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朱诚
徐鹏
黄琪
李龙
翟会清
梁昌洪
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Abstract

本发明公开了一种可调电磁超材料激励型天线。它由介质基板和位于介质基板上表面的金属镀层组成，该介质基板的上表面设有金属地板、微带天线、馈电端口、地板上的缺陷三角形谐振单元以及加载的集总电感和变容二极管；微带馈线由一段特性阻抗为50欧姆的微带线构成；辐射单元由大小两个三角形金属环和以及中间的微带线组成，在馈线和辐射单元上加载三个隔直电容和三个变容二极管，形成具有电容可调功能的电路，缺陷结构的引入是为了阻抗匹配。本发明通过调节外部偏置电压改变变容二极管的电容值，实现天线在这两个频段内连续可调并工作，具有小型化、频段选择灵活、抗干扰能力强等优点。

Description

可调电磁超材料激励型天线
技术领域
本发明属于微带器件，涉及电磁超材料激励型天线，可用于无线通信***射频前端。
背景技术
天线是无线通信***的出口和入口，是无线电通信中不可或缺的组成部分，它对电磁波进行感知、能量转换、接收和发射。在使用中，天线不仅对电磁波信号进行增益，同时在能量转换和传输的过程中还能减少信号损耗，因此它的性能不仅影响着整个无线通讯***的性能指标，还确定着***的工作方式。
微带天线是在带有导体的接地板的介质基片上，贴加导体薄片，从而制成微带天线，馈电方式一般为同轴线馈电或微带线馈线。微带天线在接地板之间和导体贴片间激起电磁场，通过接地板与贴片四周的缝隙向外辐射。由于微带天线制作简单、成本低适合组阵、容易与搭载平台共性以及重量轻等优点，被广泛的应用于各种微波电路。但微带贴片天线同时还具有增益低、阻抗带宽窄等明显缺点，而这些缺点也限制了它的应用范围。随着无线电通信设备和微电子器件向着集成化、小型化和智能化的方向发展，使的天线的设计者设计的天线时也应该具有多频段、宽频带和高效率的特性。随着信息时代的高速发展和进步，人们对信息的需求越来越高，在不同的微波频段出现了各种各样的无线通信方式，同时我们的频谱也越来越紧缺，频带单一或窄频带的天线已难以满足现在无线通讯***对频谱资源的要求。但是，如果把多个工作在单一频段或窄频带天线集合在一起，各个天线间必会相互干扰，影响通信质量，而且将多个天线集合在一起也将无法顺应天线向着集成化、小型化和智能化的发展趋势，这就要求天线具有宽频带或频带可调节的能力，有效的利用频谱资源，提高频带利用率。然而，天线的尺寸、带宽和辐射效率之间不能同时达到最优。首先，当天线的尺寸变小时天线的辐射电阻也会随之变小，天线的输入阻抗虚部会变大，难以和传输线良好匹配，天线的宽带特性则不能实现。其次，当天线的辐射面积变小时，天线的辐射效率也会变小。因此，如何在保证天线辐射特性满足用户要求的同时，还确保它的小型化、宽频带或频带可调，成了一项急需解决的问题。这就促使我们去探寻新的天线技术途径去实现天线的多频段、宽频带和频带可调的特性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有天线对其性能上的需求，提出一种基于可变电容的可调电磁超材料激励型天线，以外部输入的直流电压的大小来灵活控制电磁超材料激励型天线频带的左右偏移，实现该天线多频段多频带的可调。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
技术方案：
一种基于三角型谐振环的可调电磁超材料激励型天线，包括微带介质基板，金属接地板，微带馈线，辐射单元和馈电端口，其特征在于，在微带介质基板上方的金属接地板上刻蚀有对称三角型谐振环缺陷结构；不对称三角型谐振环设计为辐射单元并且与微带馈线相连；3个随直流电压变化的可变电容加载在不对称三角型谐振环辐射单元上；1个隔直电容加载在微带馈线上，3个隔直电容加载在辐射单元上，隔绝直流信号。
所述可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，三角型谐振环几何尺寸，a_1＝17mm，a_2＝11mm，g＝2mm，w＝1mm，d＝1mm，，as＝8.0mm，gs＝2.0mm和ws＝0.5mm。
所述可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，三个可变电容分别位于微带天线的中间臂及三角形谐振腔的两腰上。
有以下技术优点：
1.本发明由于在微带金属板上蚀刻有对称三角形谐振环，可增大谐振频率的带宽，稳定谐振频率。
2.本发明由于在三条微带臂上分别增加了一个随电压可变的电容，可有效调节谐振频率，并根据实际需要，可分别调节各个频段的谐振频率，实现频段多样化。
附图说明
图1为本发明技术方案的三维结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明1.9–2.6GHz频段内回波损耗参数曲线图；
图4为本发明3.3–3.7GHz频段内回波损耗参数曲线图；
图5为本发明实物图；
图6为本发明实测的回波损耗频率响应曲线图；
具体实施方案
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
参照图1和图2，本发明的可调电磁超材料激励型天线，具体包括：微带介质基板11，金属接地板12，微带馈线13，馈电端口14，三角形开口环缺陷结构15，隔直电容16(共4个)，变容二极管17(共3个)，天线辐射单元包括小三角形开口环18和大三角形开口环19。
金属接地板12，微带馈线13，馈电端口14，三角形开口环缺陷结构15，隔直电容16(共三个)，变容二极管17(共三个)，天线辐射单元18和19均印制在介质基板11的上表面。辐射单元18和19为两个尺寸不相等的三角形开口金属环，且辐射单元18和19与微带馈线13的左侧相连。微带馈线13由一段特征阻抗为50欧姆的共面波导组成，微带馈线13的右侧与馈电端口14相连。4个隔直电容16位于微带馈线13上以及辐射单元19上，用来隔绝直流信号。1个变容二极管17位于小三角形开口环18的内部直线上，2个变容二极管17位于辐射单元大三角形开口环19的两条金属线上，通过外部直流电压的改变来控制这3个变容二极管的电容值，从而调整整个天线的工作频带。
金属地板12位于微带馈线13的上侧和下侧，其中金属地板12的下侧部分刻蚀出对称型三角形开口环缺陷结构15，对称型三角形开口环缺陷结构15具体由两个对称且尺寸相等的三角形开口环缺陷结构和中间的直线缺陷结构构成。
本发明中的介质基板11的相对介电常数为2.65，基板厚度为1mm，损耗正切为0.0015，基板尺寸为35mm×41mm。
本发明的效果可通过以下测试图进一步说明：
对本发明的回波损耗进行优化仿真，其结果如图3和图4所示。由图3和图4的回波损耗曲线图可见，本发明的可调电磁超材料激励型天线具有双频带工作且可调的特性，第一个可调频段的中心频率变化范围是2.04GHz-2.43GHz，可调频带宽度为0.39GHz，第二个可调频段的中心频率变化范围是3.31-3.74GHz，可调频带宽度为0.43GHz。
对本发明的进行加工和回波损耗测试，其实物图如图5所示，测试结果如图6所示。从图6的回波损耗曲线图可见，本发明的可调电磁超材料激励型天线具有双频带工作且可调的特性，第一个可调频段的中心频率变化范围是1.93GHz-2.44GHz，可调频带宽度为0.51GHz，第二个可调频段的中心频率变化范围是3.28-3.83GHz，可调频带宽度为0.55GHz。实验测试结果与仿真设计结果吻合度很好，证实了本发明的可调电磁超材料激励型天线具有双频带工作且可调的特性。

Claims (10)

1.一种基于三角型谐振环的可调电磁超材料激励型天线，包括微带介质基板(11)，金属接地板(12)，微带馈线(13)，辐射单元和馈电端口(14)，其特征在于，可调电磁超材料激励型天线还包括：
在微带介质基板上方的金属接地板上刻蚀有一对对称三角型谐振环(15)；
不对称三角型谐振环辐射单元，不对称三角型谐振环辐射单元包括第一三角型谐振环(18)和第二三角型谐振环(19)，第二三角型谐振环(19)与第一三角型谐振环(18)是一对不对称三角型谐振环；随直流电压变化的可变电容(17)加载在不对称三角型谐振环辐射单元上；隔直电容加载在辐射单元上，隔绝直流信号。
2.根据权利要求1所述的可调电磁超材料激励型天线，随直流电压变化的可变电容(17)有三个，和/或，隔直电容(16)也有三个，和/或，一个隔直电容加载在微带馈线上。
3.根据权利要求2所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，三个可变电容(17)分别位于第一三角形谐振环(19)的中间臂及第二三角形谐振环(19)的两腰上。
4.根据权利要求2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，三个隔直电容(16)分别位于第二三角形谐振环(19)的中间臂及第二三角形谐振腔(19)的两腰上。
5.根据权利要求1或2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，一对对称三角型谐振环的每个三角型谐振环是三角形开口环缺陷结构，且其中的一个三角型谐振环开口与另一个三角型谐振环开口相对，或者
第一三角型谐振环(18)是小三角形开口环缺陷结构，第二三角型谐振环(19)是大三角形开口环缺陷结构，第一三角型谐振环(18)的开口与第二三角型谐振环(19)的开口相对。
6.根据权利要求5所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，第一三角型谐振环(18)经过第二三角型谐振环(19)与微带馈线(13)的左侧相连。
7.根据权利要求1或2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，微带馈线13由特征阻抗为50欧姆的共面波导组成，微带馈线13的右侧与馈电端口14相连。
8.根据权利要求1或2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，一对对称三角型谐振环(15)位于微带馈线(13)的下方。
9.根据权利要求1或2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，一对对称三角型谐振环(15)尺寸相等，且通过中间的臂相连。
10.根据权利要求1或2或3所述的可调电磁超材料激励型天线，其特征在于，三角型谐振环(15)(18)(19)的尺寸分别为，a_1＝17mm，a_2＝11mm，g＝2mm，w＝1mm，d＝1mm，as＝8.0mm，gs＝2.0mm和ws＝0.5mm。
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