CN108023177A - 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵 - Google Patents

一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵 Download PDF

Info

Publication number
CN108023177A
CN108023177A CN201711192599.3A CN201711192599A CN108023177A CN 108023177 A CN108023177 A CN 108023177A CN 201711192599 A CN201711192599 A CN 201711192599A CN 108023177 A CN108023177 A CN 108023177A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase shifter
ferroelectric thin
bst
interdigitation
capacitance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711192599.3A
Other languages
English (en)
Inventor
金杰
张赟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201711192599.3A priority Critical patent/CN108023177A/zh
Publication of CN108023177A publication Critical patent/CN108023177A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/181—Phase-shifters using ferroelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，包括介质基板、接地板、辐射贴片、微带馈电网络和BST薄膜移相器，所述辐射贴片设置为扇形结构，所述BST薄膜移相器包括信号线、BST铁电薄膜和叉指型电容，所述叉指型电容相对称的设置于信号线两侧形成有共面波导(CPW)结构，所述接地板对称设置于叉指型电容外侧，所述介质基板的厚度为280～320mm。本发明采用共面叉指型电容波导型BST铁电薄膜移相器，作为工作于15GHz与18GHz双频段天线阵列的移相单元。并改变原有矩形微带贴片天线阵，创新使用了1×4扇形微带贴片天线阵。借助电磁仿真软件HFSS进行整体建模仿真。通过模拟给定不同的偏置电场，调试天线阵辐射转向角实现天线阵±22°转向。

Description

一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵
技术领域
本发明属于微波天线领域，具体涉及一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵。
背景技术
相控阵天线自出现以来就因其优越的电扫描特性而被广泛的应用于军事和民用通信***。双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关设计包括使用多层金属片、具槽孔负载之矩形金属片、具矩形缺口的正方形金属片等。现有设计中大多采用切角、表面开槽、正交双馈等来实现双频工作。微带扇形天线可通过对矩形贴片的切角与导角来实现，它可以提供双频谐振点并极大的缩小天线的截面大小，便于实现天线阵的小型化。
移相器作为相控阵天线的一个重要器件，决定了每一个天线单元中信号相位形成的波束。传统的相控阵天线通常用铁氧体材料、半导体二极管或微机电***来作为移相单元的开关器件，铁氧体移相器设计复杂且体积过大，半导体二极管移相器在微波频段功耗过大，微机电移相器开关速度慢，相位灵敏度低。因此介电调谐量高、相对损耗较低、开关速度快的钛酸锶钡(BST)铁电薄膜移相器引起了社会的广泛关注。使用该移相器的相控阵天线能大大地减少辐射单元、移相单元以及驱动电路的数量,从而大幅度的降低相控阵天线的制造成本，改善相控阵天线的性能。
现阶段，已有国内外研究人员将铁电厚膜移相器、波导移相器等小型化移相器应用至相控阵天线，但对基于铁电薄膜移相器的相控阵天线的研究较少，且天线的转向角度有限，大多局限于±10°以内。因此，提高铁电薄膜移相器的移相性能，并将其与天线阵进行阻抗匹配是本课题的研究重点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，本发明采用共面叉指型电容波导型BST铁电薄膜移相器，作为工作于15GHz与18GHz双频段天线阵列的移相单元。并改变原有矩形微带贴片天线阵，创新使用了1×4扇形微带贴片天线阵。借助电磁仿真软件HFSS进行整体建模仿真。通过模拟给定不同的偏置电场，调试天线阵辐射转向角实现天线阵±22°转向。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，包括介质基板、接地板、辐射贴片、微带馈电网络和BST薄膜移相器，所述辐射贴片设置为扇形结构，所述BST薄膜移相器包括信号线、BST铁电薄膜和叉指型电容，所述叉指型电容相对称的设置于信号线两侧形成有共面波导(CPW)结构，所述接地板对称设置于叉指型电容外侧，所述介质基板的厚度为280～320mm。
进一步的，所述介质基板由罗杰斯(Rogers RT/duroid5880)构成，其相对介电常数为2.2，厚度为0.25mm。
进一步的，所述辐射贴片的扇形结构的夹角为120°。
进一步的，所述天线阵为1×4的天线阵列。
进一步的，所述天线阵有±22°辐射转向角。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明在共面波导型BST移相器的基础上，加载了四组叉指型电容，并提出了具有转向能力的1×4扇形天线阵列，实现了天线阵的双频工作。有效缩小了天线阵列的尺寸，通过调节BST铁电薄膜的介电常数，可以实现天线阵主波束的控制，实现主瓣轴转向±22度的扫描。
附图说明
图1是本发明中天线阵的结构示意图。
图2是本发明中BST薄膜移相器及其部分放大结构示意图。
图3-1是移相器在不同频率下的回波损耗图。
图3-2是移相器在不同频率下的***损耗图。
图4是天线阵的辐射方向图。
附图标记：1-介质基板，2-辐射贴片，3-微带馈电网络，4-BST薄膜移相器，5-BST铁电薄膜，6-接地板，7-叉指型电容，8-信号线
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，本发明保护一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，包括介质基板1、接地板6、辐射贴片2、微带馈电网络3和BST薄膜移相器4，本实施例中辐射贴片2设置为扇形结构，采用加载叉指型电容的共面波导(CPW)结构，并与BST铁电薄膜5结合，形成共面叉指型电容波导型BST薄膜移相器4；图2中BST薄膜移相器内的BST铁电薄膜与介质基板等长等宽；微带信号线8是与介质基板等长度的窄矩形结构，接地板6是长0.2mm，宽0.5mm的双对称窄矩形结构。
钛酸锶钡(BST)薄膜移相器与扇形天线阵进行阻抗匹配后，作为相移单元加载到1X4的天线阵列中，选用厚度为0.25mm，介电常数为2.2的罗杰斯Rogers RT/duroid5880(tm)作为天线阵介质基板1。同过全波电磁仿真软件(HFSS)仿真加该天线阵，观察天线阵的辐射方向随着BST介电常数的改变。
经参数优化后，本实施中天线阵的最佳尺寸如下：L＝3.45mm，L1＝13.96mm，L2＝3.43mm，L3＝4.3mm，L4＝3.43mm，L5＝6.98mm，L6＝3.25mm，L7＝2.3mm，L8＝2.23mm，d1＝3mm，d2＝5.196mm，扇形辐射贴片的夹角为120°，介质基板厚度为0.2mm。
利用全波电磁仿真软件HFSS，建立本发明中的BST薄膜移相器模型，仿真并优化。为模拟不同偏压下的移相器，设置BST薄膜的介电常数为200、300、400、500；移相器的仿真结果如回波损耗、***损耗、相移量如图3-1和3-2所示：
图3-1为BST薄膜移相器的全波仿真得到的回波损耗，并且对在不同介电常数下的损耗状况进行了对比。从图3-1可以看出：(1)εr＝500时，移相器中心频率在13.6GHz处；εr＝400时，移相器中心频率为14.7GHz；εr＝300时，移相器中心频率16GHz；εr＝200时，移相器中心频率为17.9GHz。不同的介电常数下，中心频率发生了偏移。(2)中心工作频率的偏移不影响移相器回波损耗。在12GHz～18GHz频段的回波损耗均小于-10dB。
图3-2为天线阵的全波仿真得到的***损耗，并且对在不同介电常数下的损耗状况进行了对比。从中可知：不同介电常数下导致的中心工作频率偏移对移相器的***损耗影响较小，在10GHz～20GHz时，移相器的***损耗处于-0.1dB～-0.9dB之间，远小于-5dB，符合设计要求。
建立本发明相控天线阵列结构，使用HFSS软件仿真实现并优化。通过设置不同相控单元中钛酸锶钡薄膜的不同介电常数，模拟BST薄膜移相器在加载不同偏置电压时，天线阵的辐射情况。在组合中，相邻分支之间的电压差是恒定的，导致它们之间相位恒定。当介电常数设置成ε1＝500、ε2＝450、ε3＝400、ε4＝350时，天线阵的主瓣的最大辐射方向在-22°即天线阵可达到22°的转向角。当介电常数设置成ε1＝350、ε2＝400、ε3＝450、ε4＝500时，天线的最大辐射方向在22°。综上，该相控阵天线可获得±22°的转向角。由于移相器的***损耗和调谐，为天线阵整体的阻抗匹配增加了难度和复杂性，使得天线阵存在旁瓣现象。但由于移相器的***损耗较小，旁瓣电平的影响可以忽略不计。辐射方向图，如图4所示。
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)

1.一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，其特征在于，包括介质基板、接地板、辐射贴片、微带馈电网络和BST薄膜移相器，所述辐射贴片设置为扇形结构，所述BST薄膜移相器包括信号线、BST铁电薄膜和叉指型电容，所述叉指型电容相对称的设置于信号线两侧形成有共面波导(CPW)结构，所述接地板对称设置于叉指型电容外侧，所述介质基板的厚度为280～320mm。
2.根据权利要求1所述一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为2.2，厚度为0.1～0.3mm。
3.根据权利要求1所述一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，其特征在于，所述辐射贴片的扇形结构的夹角为120°。
4.根据权利要求1所述一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，其特征在于，所述天线阵为1×4的天线阵列。
5.根据权利要求1所述一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵，其特征在于，所述天线阵有±22°辐射转向角。
CN201711192599.3A 2017-11-24 2017-11-24 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵 Pending CN108023177A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711192599.3A CN108023177A (zh) 2017-11-24 2017-11-24 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711192599.3A CN108023177A (zh) 2017-11-24 2017-11-24 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108023177A true CN108023177A (zh) 2018-05-11

Family

ID=62080150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711192599.3A Pending CN108023177A (zh) 2017-11-24 2017-11-24 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108023177A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112201934A (zh) * 2020-09-23 2021-01-08 华中科技大学 一种双频天线及天线阵列
CN112864549A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 南京邮电大学 一种新型多路宽带小型化差分移相器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201508914U (zh) * 2009-10-26 2010-06-16 中国计量学院 双频微带阵列天线
CN102593588A (zh) * 2011-11-21 2012-07-18 中国科学院合肥物质科学研究院 基于bst薄膜移相器的可扫描端射阵列天线
CN102882005A (zh) * 2012-06-12 2013-01-16 电子科技大学 一种微带天线及其组成的阵列、阵列组和阵列组群
CN202977738U (zh) * 2012-11-20 2013-06-05 安徽四创电子股份有限公司 一种双频宽带定向天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201508914U (zh) * 2009-10-26 2010-06-16 中国计量学院 双频微带阵列天线
CN102593588A (zh) * 2011-11-21 2012-07-18 中国科学院合肥物质科学研究院 基于bst薄膜移相器的可扫描端射阵列天线
CN102882005A (zh) * 2012-06-12 2013-01-16 电子科技大学 一种微带天线及其组成的阵列、阵列组和阵列组群
CN202977738U (zh) * 2012-11-20 2013-06-05 安徽四创电子股份有限公司 一种双频宽带定向天线

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112201934A (zh) * 2020-09-23 2021-01-08 华中科技大学 一种双频天线及天线阵列
CN112864549A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 南京邮电大学 一种新型多路宽带小型化差分移相器
CN112864549B (zh) * 2021-01-07 2021-10-19 南京邮电大学 一种新型多路宽带小型化差分移相器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Weedon et al. MEMS-switched reconfigurable antennas
CN110707421A (zh) 基于末端重叠的双极化紧耦合相控阵天线
CN107978858B (zh) 一种工作于60GHz频段的方向图可重构天线
CN208690502U (zh) 基于77GHz毫米波雷达的微带阵列天线***
CN109301470B (zh) 低雷达截面的极化可重构圆极化天线
CN110380233A (zh) 一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线
Mpele et al. A small dual band (28/38 GHz) elliptical antenna for 5G applications with DGS
CN111129765A (zh) 一种基于超表面的多波束天线
Bin et al. The research of broadband millimeter-wave Vivaldi array antenna using SIW technique
CN115360528A (zh) 加载聚苯胺的雷达开关频率选择表面
CN108023177A (zh) 一种加载铁电薄膜移相器的双频相控天线阵
Bialkowski et al. Reflectarrays: Potentials and challenges
Khabba et al. Beam-steering millimeter-wave antenna array for fifth generation smartphone applications
Jebabli et al. Phased millimeter-wave antenna array for 5G handled devices
CN116315625A (zh) 一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列
Ali et al. Design Broadband MIMO Antenna to meet 5G communication systems requirements
Hong et al. A High-Performance Radome for Millimeter Wave Antenna Applications
Bansal et al. Leaky Wave Antenna on a Half-Mode Integrated Digitated Capacitor-based Corrugated Substrate Integrated Waveguide with Tilted Vertical Slots
CN113258307A (zh) E面宽窄波束切换可重构天线
Hallbjörner et al. Millimetre-wave switched beam antenna using multiple travelling-wave patch arrays
Liu et al. A planar MM-wave beam-steerable array antenna for 5G mobile terminal applications
Uddin et al. Switchable beamsteering antenna array using 3-bit phase quantization at 28 GHz
Sreegiri et al. Tilted beam microstrip array antenna
Kaushal et al. Millimeter-wave Array Antennas Based on Liquid Crystal Polymer
CN219658959U (zh) 一种毫米波匹配负载及毫米波雷达

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180511

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication