CN113555687A - 一种可重构天线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于两端电阻式存储器的可重构天线，包括基底，金属主传输线，谐振结构，接地板，以及电阻式存储器开关。提出一种可重构天线制备方法。以RRAM为例实现的柔性可重构天线，基底采用弯折性透光性良好的PET材料，通过真空蒸镀将金属制作在柔性基底上，RRAM开关在结构交叠部分垂直方向上实现。利用RRAM在一定电压下阻态改变且具有非挥发性的特性，通过对开关施加电压的方式实现开关的断开与闭合，改变天线表面电流路径，实现天线频率重构特性。经两种不同结构下的仿真验证，基于两端电阻式存储技术的开关方式对于天线频率可重构具有良好效果。

Description

一种可重构天线及其制备方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体是一种基于两端型电阻式存储器在外加电压作用下实现高低阻态变换的特性实现开关通断功能的可重构天线及其制备方法。
背景技术
天线是无线通信过程的重要一环，天线若能实现多个标准的通信，实现一个天线结构对应多个功能，这对于克服天线对整个通信***发展的制约有着重要意义。
传统可重构天线通常采用光电调谐、机械调谐等方式实现可重构。光电调谐的方式需要加载光电开关（如PIN），从而实现不同的开关状态，改变天线辐射特性；机械调谐需要通过微电子机械调谐（MEMS）开关，改变天线结构来改变辐射特性。按功能进行分类，又可将可重构天线分为频率可重构、方向图可重构、频率和方向图可重构与极化可重构四类。
光电调谐与机械调谐均需采用刚性复杂的器件做开关，结构复杂，体积大，并且不能弯折，对使用环境有限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种可重构天线及其制备方法，以两端型非易失电阻式存储器为开关器件，通过施加电压的方式改变其阻变特性，利用其良好的开关比实现电流通断，从而实现可重构特性。
为了解决技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可重构天线，包括基底板、设置于基底板之上的主传输线、谐振结构和切换开关，切换开关连接在谐振结构之间，所述切换开关为两端型电阻式存储器，通过施加电压的方式实现两端型电阻式存储器的高低阻态的变化，从而改变天线的电流路径，从而实现天线的可重构特性。
进一步的，根据天线结构形式，将两端型电阻式存储器连接到谐振结构之间，多个两端型电阻式存储器形成开关阵列，在两端型电阻式存储器的两端连接控制开关状态的导线，所有两端型电阻式存储器两端的导线引出至馈线端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
进一步的，两端型电阻式存储器包括分层布置的顶电极、介质层和底电极，施加顶电极高于底电极的电压时，实现两端型电阻式存储器由断开到导通的过程；施加底电极高于顶电极的电压时，实现两端型电阻式存储器由导通到断开的过程。
进一步的，开关阵列通过n个两端型电阻式存储器实现2n种状态，n为正整数，对每种状态进行编码，形成可编程阵列。
进一步的，谐振结构包括多个相对主传输线平行设置的L型谐振体，切换开关设置在相邻两个L型谐振体与主传输线平行的边之间。
进一步的，谐振结构包括多组谐振体，每组谐振体由两条垂直设置的条形谐振体构成，每组谐振体的切换开关设置在俩条形谐振体的交叉区域。
本发明还公开了一种可重构天线的制备方法，包括以下步骤：
S01）、在基底板上使用电流体喷印机在不需要金属部分涂覆掩膜材料，使用热真空蒸镀技术制作金属材质的主传输线和谐振结构；
S02）、使用掩膜版控制切换开关位置，使用热真空蒸镀技术在切换开关位置制作金属材质的两端型电阻式存储器的底电极；
S03）、在底电极上使用真空磁溅射技术制作介质层，溅射结束后，同样使用掩膜版控制顶电极区域，采用热真空蒸镀技术在顶电极区域制作金属材质的顶电极结构；
上述过程中，底电极和顶电极均与谐振结构相连，以确保导电特性；
S04）、在顶电极和底电极引出点分别引出导线至馈电端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
进一步的，步骤S01和步骤S02的热蒸镀结束后，使用超声净洗去除掩膜材料。
进一步的，所述基底板为刚性基底或柔性基底。
进一步的，主传输线和谐振结构材质为AL，底电极材质为Cu，厚度为100nm，介质层材质为HfZrO，溅射时间为2h，厚度为70nm；顶电极材质为Ag，厚度为100nm。
本发明的有益效果：本发明采用两端型电阻式存储器作为天线的切换开关，可以实现辐射结构体的几何改变。所述几何改变是指采用两端型电阻式存储器作为天线的切换开关后，除切换开关以外的其他部件保持最简单的结构即可，不需要为了实现可重构设计复杂的结构，对基底无要求，可以采用钢性基底或者柔性基底。并且两端型电阻式存储器具有非挥发性，开关状态可稳定保持；两端型电阻式存储器具有耐久性，开关过程可重复实现。
与传统可重构天线切换方式相比，基于电阻式存储器的可重构天线具有结构简单（一般为两端型器件），体积小，可弯折性能好等优势，突破了传统开关器件使用的环境限制。使用电阻式存储技术作为实现可重构天线的关键技术，对于器件实现功能的创新性和未来柔性电子的发展有重要意义。
附图说明
图1是RRAM工作原理示意图；
图2是RRAM电压扫描I-V特性曲线；
图3是柔性RRAM结构示意图；
图4是可重构天线整体功能模块示意图；
图5是设计一和设计二结构示意图；
图6是5b中切换开关的局部放大图；
图7是一种可重构天线制备工艺流程示意图；
图8是设计一开关断开和闭合的天线结构表面电流分布示意图和谐振曲线示意图；
图9是设计二开关断开和闭合的天线结构表面电流分布示意图和谐振曲线示意图；
图中：1、活性电极，2、惰性电极，3、基底板，4、主传输线，5、谐振结构，6、切换开关，7、顶电极，8、介质层，9、底电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
电阻式存储器是指在外加电压/电流作用下能够进行阻态转换，具有类似开关器件的性能。两端型电阻式存储器是指在其两端均有可控导线与之连接。
目前，具有电阻转换特性的非挥发性存储器主要有：阻变存储器（RRAM）、铁电存储器（FRAM）、磁存储器（MRAM）、相变存储器（PCRAM）等。其中RRAM由于具有工作速度快、成本低、兼容性好等优点成为最具潜力的存储技术。以RRAM为例说明作用机理及应用方式。
RRAM的基本工作机理如图1所示。初始状态，RRAM的电阻很高，相当于断路。在对RRAM结构施加一个相对活性电极1为正的足够高的电压后，发生氧化还原机制，活性电极1被氧化释放出金属离子，并在外加电场的作用下到达惰性电极2发生还原反应，生成的金属原子附着在惰性电极2并不断堆积，最终与活性电极实现连接，变为低阻态。
RRAM阻变特性可以通过I-V曲线进行体现，如图2所示。施加的正向电压将在阻变层建立起导电细丝，导电细丝接通的过程为SET过程，即电阻由高阻变为低阻；施加的反向电压将导电细丝的结构破坏，导电细丝破裂的过程为RESET过程，即电阻由低阻恢复到高阻态。如此实现一个阻变循环过程。
类似的，又如MRAM，通过对器件施加正向大电流使自旋方向相同，处于低阻态，等效于开关器件的导通状态；通过施加反向大电流使自旋方向相反，处于高阻态，等效于开关器件的断开状态，实现相同的功能。
利用这种新型的RRAM非易失性存储技术作为一种新的可重构天线的开关器件，可以实现辐射结构体的几何改变。使用施加直流电压的方式，改变开关的通断状态，改变天线的电流路径，实现不同的谐振特性，从而建立可重构特性。
实施例1
针对通信领域的可重构天线，本实施例提出一种以两端型非易失电阻式存储技术为开关器件的可重构天线，通过施加电压的方式改变其阻变特性，利用其良好的开关比实现电流通断，从而实现可重构特性。
如图5所示，所述可重构天线包括基底板3、设置于基底板3之上的主传输线4、谐振结构5和切换开关6，切换开关6连接在谐振结构5之间。
本实施例中，所述切换开关6为两端型电阻式存储器，通过施加电压的方式实现两端型电阻式存储器的高低阻态的变化，从而改变天线的电流路径，从而实现天线的可重构特性。
具体如图3所示，两端型电阻式存储器包括分层布置的顶电极7、介质层8和底电极9，施加顶电极7高于底电极9的电压时，实现两端型电阻式存储器由断开到导通的过程；施加底电极9高于顶电极7的电压时，实现两端型电阻式存储器由导通到断开的过程。
在其他实施例中，切换开关6也可以采用其他电阻性存储器，如铁电存储器（FRAM）、磁存储器（MRAM）、相变存储器（PCRAM）。
本实施例所述天线可用于编码天线，实现方式为：如图4所示，根据天线结构形式，将两端型电阻式存储器连接到谐振结构之间，多个两端型电阻式存储器形成开关阵列，在两端型电阻式存储器的两端连接控制开关状态的导线，所有两端型电阻式存储器两端的导线通过馈电导线引出至馈线端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
开关阵列通过n个两端型电阻式存储器实现2n种状态，n为正整数，对每种状态进行编码，形成可编程阵列。可编程阵列有2n种状态，可混合编码。
本实施例所述可重构天线具有两种结构，分别如图5a和5b所示，5a和5b所示的可重构天线均包括基底板3和主传输线4，基底板3采用Si材料，相对介电常数为11.9，长为20mm，宽为20mm，高为0.5mm。主传输线4在基底板3上表面中央位置，长为20mm，与基板长度一致，宽为0.41mm，满足50Ω的阻抗匹配要求。
不同之处在于5a所示可重构天线的谐振结构包括多个相对主传输线平行设置的L型谐振体（本实施例中，L型谐振体为两个），切换开关设置在两个L型谐振体与主传输线平行的边之间。5b所示可重构天线的谐振结构包括多组谐振体（本实施例中为一组），每组谐振体由两条垂直设置的条形谐振体构成，每组谐振体的切换开关设置在俩条形谐振体的交叉区域。
如图6所示，5b所示切换开关的顶电极7和底电极9垂直设置，介质层8位于顶电极7和底电极9之间。
当两个谐振体缝隙之间的RRAM开关处于高阻态HRS时，阻值很高，近似开路，谐振结构分为两个部分分别起谐振作用；当RRAM开关处于低阻态LRS时，阻值很低，近似导通，谐振结构相互影响，表面电流分布发生变化，谐振频率发生偏移，从而实现频率可重构。
实施例2
本实施例公开一种可重构天线的制备方法，如图7所示，包括以下步骤：
S01）、使用电流体喷印机在基底板上不需要金属部分涂覆掩膜材料，使用热真空蒸镀技术制作金属材质的主传输线和谐振结构；
S02）、使用掩膜版控制切换开关位置和区域，使用热真空蒸镀技术在切换开关位置制作金属材质的两端型电阻式存储器的底电极；
S03）、在底电极上使用真空磁溅射技术制作介质层，溅射结束后，同样使用掩膜版控制顶电极区域，采用热真空蒸镀技术在顶电极区域制作金属材质的顶电极结构；
上述过程中，底电极和顶电极均与谐振结构相连，以确保导电特性；
S04）、在顶电极和底电极引出点分别引出导线至馈电端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
具体的，步骤S01和步骤S02的热蒸镀结束后，使用超声净洗去除掩膜材料。
本实施例中，所述基底板为刚性基底（如Si）或柔性基底（如PET、PI）。
本实施例中，主传输线和谐振结构材质为AL，底电极材质为Cu，厚度为100nm，介质层材质为HfZrO，溅射时间为2h，厚度为70nm；顶电极材质为Ag，厚度为100nm。
本制备工艺采用热真空蒸镀与真空磁溅射技术，制作结构整体柔性化。
为了确保导电特性，本实施例将底电极直接蒸镀在一部分AL谐振结构上，并且要求顶电极与AL谐振结构有连接部分。
从顶电极和底电极引出的导线要求非常细，具体以对整个天线辐射特性的影响可忽略为准。
为了验证本发明所述可重构天线的技术效果，本实施例进行仿真实验。
在商业仿真软件HFSS环境中搭建仿真环境，包括空气盒子（提供边界条件），波端口（提供辐射源），介质基板，接地板，主传输线及谐振结构。
将RRAM开关的作用机制进行近似，通过开关部分金属长度的变化模拟RRAM阻变层在施加直流电压前后金属细丝的生长和断裂。
对结构一进行仿真，通过改变水平方向上开关结构长度模拟开关通断。金属结构在0.48mm时两L谐振体间存在空气隙，处于开关断开状态，在0.5mm时两L谐振体直接连接，处于开关闭合状态。得到分别在开关断开、闭合情况下俯视方向金属结构的表面电流分布图和波端口一提供源，波端口二测试谐振强度的谐振曲线，如图8所示。在RRAM开关断开与闭合的情况下，表面电流分布有明显的不同，且频率谐振点发生偏移，变化较为明显的一个谐振点由开关断开状态下的4.35G变为开关闭合下的2.62G。
对结构二进行仿真，通过改变垂直方向上开关结构高度模拟开关通断。金属结构在8μm时处于开关断开状态，在1μm时处于开关闭合状态。得到分别在开关断开、闭合情况下俯视方向金属结构的表面电流分布图和波端口一提供源，波端口二测试谐振强度的谐振曲线，如图9所示。在RRAM开关断开与闭合的情况下，表面电流分布有明显的不同，且频率谐振点位置和强度均发生较大的变化，例如开关断开状态下位于4.4G，强度为-65DB的谐振点变为位于6.1G，强度为-51DB的谐振点。
以上仿真结果表明，通过RRAM导电细丝通断的开关器件对于频率可重构天线谐振点变化的作用效果有效。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可重构天线，包括基底板、设置于基底板之上的主传输线、谐振结构和切换开关，切换开关连接在谐振结构之间，其特征在于：所述切换开关为两端型电阻式存储器，通过施加电压的方式实现两端型电阻式存储器的高低阻态的变化，从而改变天线的电流路径，实现天线的可重构特性。
2.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于：根据天线结构形式，将两端型电阻式存储器连接到谐振结构之间，多个两端型电阻式存储器形成开关阵列，在两端型电阻式存储器的两端连接控制开关状态的导线，所有两端型电阻式存储器两端的导线引出至馈线端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
3.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于：两端型电阻式存储器包括分层布置的顶电极、介质层和底电极，施加顶电极高于底电极的电压时，实现两端型电阻式存储器由断开到导通的过程；施加底电极高于顶电极的电压时，实现两端型电阻式存储器由导通到断开的过程。
4.根据权利要求2所述的可重构天线，其特征在于：开关阵列通过n个两端型电阻式存储器实现2n种状态，n为正整数，对每种状态进行编码，形成可编程阵列。
5.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于：谐振结构包括多个相对主传输线平行设置的L型谐振体，切换开关设置在相邻两个L型谐振体与主传输线平行的边之间。
6.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于：谐振结构包括多组谐振体，每组谐振体由两条垂直设置的条形谐振体构成，每组谐振体的切换开关设置在两条形谐振体的交叉区域。
7.一种可重构天线的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01）、在基底板上使用电流体喷印机在不需要金属部分涂覆掩膜材料，使用热真空蒸镀技术制作金属材质的主传输线和谐振结构；
S02）、使用掩膜版控制切换开关位置，使用热真空蒸镀技术在切换开关位置制作金属材质的两端型电阻式存储器的底电极；
S03）、在底电极上使用真空磁溅射技术制作介质层，溅射结束后，同样使用掩膜版控制顶电极区域，采用热真空蒸镀技术在顶电极区域制作金属材质的顶电极结构；
上述过程中，底电极和顶电极均与谐振结构相连，以确保导电特性；
S04）、在顶电极和底电极引出点分别引出导线至馈电端口，封装后，通过对馈线端口的电压控制实现对可重构天线的状态切换。
8.根据权利要求7所述的可重构天线的制备方法，其特征在于：步骤S01和步骤S02的热蒸镀结束后，使用超声净洗去除掩膜材料。
9.根据权利要求7所述的可重构天线的制备方法，其特征在于：所述基底板为刚性基底或柔性基底。
10.根据权利要求7所述的可重构天线的制备方法，其特征在于：主传输线和谐振结构材质为AL，底电极材质为Cu，厚度为100nm，介质层材质为HfZrO，溅射时间为2h，厚度为70nm；顶电极材质为Ag，厚度为100nm。
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