CN113782972A - 一种多波段可重构微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多波段可重构微带天线，在传统截角天线的基础上进行改进，引入RF MEMS开关控制各截角贴片与主贴片的通断，使得在改变表面电流路径方向的同时改变平均工作电流路径的长度，从而在K波段以及Ka波段实现频率的可重构，大幅度提高了可重构微带天线的通用性和集成度，基本覆盖了从20GHz到40GHz的大部分频段。

Description

一种多波段可重构微带天线
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，尤其涉及一种多波段可重构微带天线。
背景技术
移动互联网的飞速演进使得各种通信设备的小型化与集成化成为了当前重要的发展趋势。在各种应用场景下，天线设计越来越倾向于在更小的设计空间内，实现更大容量和更可靠的数据通信，也因此，对于可重构天线的需求越来越高。
可重构天线能够基于单独的一个天线实现多个频段、多个极化形式和不同方向图的辐射，因此，可重构天线主要包括极化可重构天线、频率可重构天线和方向图可重构天线。当前技术中，通过改变天线的有效谐振长度，通过设计一些微带枝节类型的天线或者缝隙天线并在上面加载pin二极管开关等来控制表面电流的平均工作电流路径长度，以达到频率可重构的目的。也可以通过加载可变电抗元件或采用一定的方法和手段改变天线的电抗值等，如在天线上面加载变容二极管或者可调的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电***)谐振器等，改变天线的阻抗匹配特性，从而实现频率的连续调节。
但是，现有的多波段频率可重构天线面临着频率偏低(多集中于Sub-6波段，即450MHz-6GHz)以及可重构频率覆盖频谱范围较小的问题。而随着5G的逐渐普及与应用，其在毫米波频段的众多频谱资源往往相隔较远，分布于K波段(即12～18GHz)及Ka波段(即26.5～40GHz)。此时传统的频率可重构天线往往需要通过增加天线的数量来满足多个上述多个频段的发射与接收，造成通信***的体积庞大，功耗问题也日益凸显。
发明内容
本发明实施例提供了一种多波段可重构微带天线，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，针对K波段和Ka波段实现多频率重构，并解决通信***体积大功耗高的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种多波段可重构微带天线，包括：
金属地，作为基底用于保持公共地区域电压等势；
基片，设置在所述金属地上方用于承载天线结构；
辐射贴片，设置在所述基片上，所述辐射贴片为矩形，所述辐射贴片沿长度方向第一端的两个直角分割为两个第一类截角贴片，沿长度方向第二端的两个直角分割为两个第二类截角贴片，所述辐射贴片的剩余部分为主贴片，所述第一类截角贴片与所述第二类截角贴片的斜边长度不同；每个所述第一类截角贴片和所述第二类截角贴片分别通过一个RFMEMS(射频微电子机械***)开关连接所述主贴片，通过各RF MEMS开关的通断组合对发射频率进行重构；
馈电微带线，连接所述主贴片用于馈电。
在一些实施例中，所述RF MEMS开关包括：
分别设置在两侧的第一开关匹配微带线和第二开关匹配微带线，用于提供阻抗匹配；
开关锚区，设置在所述第一开关匹配微带线或所述第二开关匹配微带线上；
开关悬臂梁，第一侧连接固定所述开关锚区，第二侧悬空；
下拉电极，设置在所述开关悬臂梁的底部，在加载直流电的情况下，吸附所述开关悬臂梁的并导通所述第一开关匹配微带线或所述第二开关匹配微带线。
在一些实施例中，所述金属地的材料为铝，所述基片的材料为石英玻璃，所述开关悬臂梁与所述辐射贴片的材料相同。
在一些实施例中，所述主贴片上还设有天线原型端口，用于采集所述天线结构在运行过程中的阻抗信息。
在一些实施例中，所述馈电微带线采用T型结微带功分器进行馈电。
在一些实施例中，所述第一类截角贴片和所述第二类截角贴片为等腰直角三角形。
在一些实施例中，所述辐射贴片的厚度为1±0.5μm，所述辐射贴片的长度的宽度为6±0.01mm；所述辐射贴片的长度为4±0.01mm，所述辐射贴片的长度的宽度为4±0.01mm；所述第一类截角贴片的直角边长度为1.5±0.01mm；所述第二类截角贴片的直角边长度为0.8±0.01mm。
在一些实施例中，所述馈电微带线的长度为0.5±0.01mm，宽度为0.24±0.01mm；所述RF MEMS开关的长度为0.25±0.01mm，宽度为0.15±0.01mm。
在一些实施例中，所述金属地和所述基片的长度为5.5±0.01mm，宽度为6±0.01mm；所述金属地的厚度为1±0.5μm；所述所述基片的厚度为0.4±0.01mm。
在一些实施例中，各RF MEMS开关分别连接控制器模块，并通过所述控制器模块自动控制各RF MEMS开关的通断组合以调节发射频率。
本发明的有益效果至少是：
所述多波段可重构微带天线，在传统截角天线的基础上进行改进，引入RF MEMS开关控制各截角贴片与主贴片的通断，使得在改变表面电流路径方向的同时改变平均工作电流路径的长度，从而在K波段以及Ka波段实现频率的可重构，大幅度提高了可重构微带天线的通用性和集成度，基本覆盖了从20GHz到40GHz的大部分频段。
进一步地，引入RF MEMS开关对截角贴片和主贴片进行通断控制，在运行过程中具有功耗低、隔离度高、***损耗低、互相调制分量低以及成本低的优点。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明一实施例所述多波段可重构微带天线的立体图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明一实施例所述多波段可重构微带天线中RF MEMS开关的结构示意图；
图5为本发明一实施例所述多波段可重构微带天线中T型结微带功分器的结构示意图；
图6为本发明一实施例所述多波段可重构微带天线中T型结微带功分器的传输线模型示意图。
附图说明：
110：金属地；120：基片；130：辐射贴片；
131：第一类截角贴片；132：第二类截角贴片；133：主贴片；
134：RF MEMS开关；1341：第一开关匹配微带线；1342：第二开关匹配微带线；
1343：开关锚区；1344：开关悬臂梁；1345：下拉电极；
140：馈电微带线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
随着经济社会的快速发展，各行各业对通信容量及速率的要求越来越高。与此同时，移动互联网的飞速演进也使得各种通信设备的小型化与集成化成为了当前重要的发展趋势。这就导致天线设计面临如下挑战：在越来越小的设计空间内，实现更大容量，更可靠的数据通信。针对上述挑战，世界各国的研究人员对此展开了广泛而深入的研究，形成了高频段、小型化、集成化、可重构的研究与设计趋势。
基于射频微机电***(Radio Frequency Micro-electromechanical Systems,RFMEMS)技术的射频开关具有功耗小、隔离度高、***损耗小、高频性能好、线性度优良等性能，对实现毫米波天线的频率、极化以及方向图可重构具有极其重要的作用。本发明基于截角天线，通过RF MEMS开关控制各截角贴片和主贴片之间的通断，在改变表面电流路径方向的同时改变平均工作电流路径的长度，使得在多个波段频率实现重构。
具体的，本发明提供一种多波段可重构微带天线，采用基于RF MEMS开关的非均匀微带天线大截角结构，通过对表面电流的控制与调节，从而可以利用少数RF MEMS开关的通断控制，实现面向K波段及Ka波段的多波段频率可重构。如图1至图3所示，所述多波段可重构微带天线包括：金属地110、基片120、辐射贴片130和馈电微带线140。
其中，金属地，作为基底用于保持公共地区域电压等势。基片120设置在金属地110上方用于承载天线结构。
辐射贴片130，设置在基片120上，辐射贴片130为矩形，辐射贴片130沿长度方向第一端的两个直角分割为两个第一类截角贴片131，沿长度方向第二端的两个直角分割为两个第二类截角贴片132，辐射贴片130的剩余部分为主贴片133，第一类截角贴片131与第二类截角贴片132的斜边长度不同；每个第一类截角贴片131和第二类截角贴片132分别通过一个RF MEMS(射频微电子机械***)开关连接主贴片133，通过各RF MEMS开关134的通断组合对发射频率进行重构。
馈电微带线140，连接主贴片133用于馈电。
本实施例中所述多波段可重构微带天线是基于微带天线的原理实现的，微带天线的辐射机理实际上是高频电磁泄露，一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射(泄露)。当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此电磁泄露小；但是随着频率的增高，电尺寸增大，泄露就大。通过放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态，辐射明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。
在本实施例中，金属地110可以采用铝片，用于保持公共地区域电压等势，同时反射电磁波。基片120主要用于承载上层的辐射贴片130，基片120可以采用石英玻璃制成，介电常数为3.78。
辐射贴片130是产生电磁波辐射并进行多波段频率重构的主要部件。在本实施例中，将辐射贴片130分割为一个主贴片133以及4个截角贴片，沿主贴片133长度方向上的第一端分割出两个尺寸相同第一类截角贴片131，沿主贴片133长度方向上的第二端分割出两个尺寸相同第二类截角贴片132。第一类截角贴片131和第二类截角贴片132分别通过一个RF MEMS开关134连接主贴片133，通过控制各截角贴片与主贴片133之间连接的通断，能够调节天线表面的平均工作电流路径长度，即天线的有效尺寸，从而实现频率的可重构。进一步地的，设置第一类截角贴片131与第二类截角贴片132的斜边长度不同，分布在两种截角贴片边缘分布的平均工作电流路径长度有所差别，再加上开关的通断，使得表面电流的变化更加丰富，最终形成了比较多样化的频率可重构，并基本覆盖了K波段及Ka波段。
在一些实施例中，各RF MEMS开关134分别连接控制器模块，并通过控制器模块自动控制各RF MEMS开关134的通断组合以调节发射频率。
馈电微带线140是一种导体带，一般具有较窄的宽度。在另一些实施例中，也可以根据实际应用场景中的需求，也可以以同轴线探针馈电或耦合馈电的形式进行馈电。
在一些实施例中，如图4所示，各RF MEMS开关134的结构包括：分别设置在两侧的第一开关匹配微带线1341和第二开关匹配微带线1342，用于提供阻抗匹配；开关锚区1343，设置在第一开关匹配微带线1341或第二开关匹配微带线1342上；开关悬臂梁1344，第一侧连接固定开关锚区1343，第二侧悬空；下拉电极1345，设置在开关悬臂梁1344的底部，在加载直流电的情况下，吸附开关悬臂梁1344的并导通第一开关匹配微带线1341或第二开关匹配微带线1342。
在本实施例中，第一开关匹配微带线1341和第二开关匹配微带线1342分别设置在主贴片133和其中之一的截角贴片上，用于提供阻抗匹配，开关锚区1343设置在其中一侧，用于固定开关悬臂梁1344。开关悬臂梁1344在下拉电极1345的控制下进行上下运动，在下拉电极1345加载直流电的情况下吸附开关悬臂梁1344，使得吸附开关悬臂梁1344连接导通第一开关匹配微带线1341和第二开关匹配微带线1342，也使得相应主贴片133与截角贴片实现导通。在另一些实施例中，基于具体应用场景的需求，还可以设置其他结构的静电驱动型、电磁驱动型、电热驱动型或压电驱动型的RF MEMS开关134。
其中，静电驱动式开关主要依靠开关上下极板之间的静电力来控制开关的闭合，优点是制作简单、易集成，缺点是驱动电压高、易受环境影响、稳定性差。电磁驱动式开关利用电流产生的磁场力驱动可动构件来实现开关通断，优点是驱动电压低、驱动力高、不易受环境影响、不易被击穿，缺点是稳定性差、不易控制。电热驱动式开关利用材料通电产生的热膨胀效应来实现开关动作，热驱动的优点是制作简单、驱动电压低、接触力大、开关动作幅度大，缺点是开关时间长、功耗高。压电驱动的开关是利用压电材料通电产生的逆压电效应实现开关的通断，优点是稳定性较强、驱动电压低、功耗低，缺点是工艺复杂。
在一些实施例中，金属地110的材料为铝，具有良好的导电能力，能够保障底部电势均衡。基片120的材料为石英玻璃，具有良好的绝缘性能，在承载微带天线主体结构的同时，不会对其产生影响。开关悬臂梁1344与辐射贴片130的材料相同，能够减小材料差异引入误差，保证频率重构的效果和稳定性。
在一些实施例中，主贴片133上还设有天线原型端口，用于采集天线结构在运行过程中的阻抗信息。
在一些实施例中，馈电微带线140采用T型结微带功分器进行馈电。本实施例可以用于构建微带阵列天线，本实施例提供一种1*4的T型结微带功分器，T型结功分网络如图5和图6所示，图中负载端D、F处接入阻抗为Z0的负载，则经过特征阻抗为
Figure BDA0003190139190000061
电长度为λ/4的传输线阻抗变换之后，在交汇点看BC端输入阻抗Zin,BC可以表示为计算式(1)，
Figure BDA0003190139190000062
同理，从B点看BE段的输入阻抗也Zin,be＝2Z0。因此从端A看入，总输入阻抗为Zin＝Z0。使用上述T型功分网络还有一个好处是可以使得在A端输入的射频信号在到达输出端D、F端之后，有相同的幅度和相位。T型支节功分网络设计如结构示意图所示，可以看到其在工作频率处达到了较好的匹配，功率平均分配。
在一些实施例中，第一类截角贴片131和第二类截角贴片132为等腰直角三角形。进一步地，辐射贴片130的厚度为1±0.5μm，辐射贴片130的长度的宽度为6±0.01mm；辐射贴片130的长度为4±0.01mm，辐射贴片130的长度的宽度为4±0.01mm；第一类截角贴片131的直角边长度为1.5±0.01mm；第二类截角贴片132的直角边长度为0.8±0.01mm。
基于本实施例的辐射贴片130结构，为了实现在K波段和Ka波段内多个频率的重构，通过优化仿真和模拟测试，不断调整结构尺寸参数和比例关系，经过理论和实践分析，得到本实施例的尺寸参数，可以在K波段和Ka波段内构建多个频率，以实现重构。
在一些实施例中，馈电微带线140的长度为0.5±0.01mm，宽度为0.24±0.01mm；RFMEMS开关134的长度为0.25±0.01mm，宽度为0.15±0.01mm。
在一些实施例中，金属地和基片120的长度为5.5±0.01mm，宽度为6±0.01mm；金属地的厚度为1±0.5μm；基片120的厚度为0.4±0.01mm。
提供一种多波段可重构微带天线的实施例，包括：金属地、基片、辐射贴片和馈电微带线。金属地作为基底用于保持公共地区域电压等势。基片设置在金属地上方用于承载天线结构。辐射贴片，设置在基片上，辐射贴片为矩形，辐射贴片沿长度方向第一端的两个直角分割为两个第一类截角贴片，沿长度方向第二端的两个直角分割为两个第二类截角贴片，辐射贴片的剩余部分为主贴片，第一类截角贴片与第二类截角贴片的斜边长度不同；每个第一类截角贴片和第二类截角贴片分别通过一个RF MEMS(射频微电子机械***)开关连接主贴片，通过各RF MEMS开关的通断组合对发射频率进行重构。馈电微带线连接主贴片用于馈电。各RF MEMS开关的结构包括：分别设置在两侧的第一开关匹配微带线和第二开关匹配微带线，用于提供阻抗匹配；开关锚区，设置在第一开关匹配微带线或第二开关匹配微带线上；开关悬臂梁，第一侧连接固定开关锚区，第二侧悬空；下拉电极，设置在开关悬臂梁的底部，在加载直流电的情况下，吸附开关悬臂梁的并导通第一开关匹配微带线或第二开关匹配微带线。
具体的，本实施例中，辐射贴片的厚度为1μm，辐射贴片的长度的宽度为6mm；辐射贴片的长度为4mm，辐射贴片的长度的宽度为4mm；第一类截角贴片的直角边长度为1.5mm；第二类截角贴片的直角边长度为0.8mm。馈电微带线的长度为0.5mm，宽度为0.24mm；RFMEMS开关的长度为0.25mm，宽度为0.15mm金属地和基片的长度为5.5mm，宽度为6mm；金属地的厚度为1μm；基片的厚度为0.4mm
采用“0”和“1”标记本实施例中的第一类截角贴片、第二类截角贴片与主贴片的连接状态，“0”表示断路，“1”表示通路。采用4位码标记两个第一类截角贴片以及两个第二类截角贴片对应的RF MEMS开关通断状态，前两位分别标记左上角和右上角的第一类截角贴片对应的RF MEMS开关，后两位分别标记左下角和右下角的第二类截角贴片对应的RF MEMS开关。对于本实施例中的多波段可重构微带天线可以工作在11个模式下并获得11种状态。通过改变主贴片与四个截角贴片之间断开与连接，可以在20GHz到40GHz的频段内实现多达13个频段的辐射，其中还包括3个带宽在2.5GHz以上的宽频带。具体的，各RF MEMS开关的通断状态和相应状态下微带天线发射信号的频率对应关系，如下表1所示：
表1各RF MEMS开关通断状态与辐射频段对照表
Figure BDA0003190139190000081
下面对几个典型的开关状态进行分析，从天线结构可知，上面两块截角贴片的斜边长度大于下面两块截角贴片的斜边长度。因此，分别在两种截角贴片边缘分布的平均工作电流路径长度有所差别，再加上开关的通断，从而使得表面电流的变化更加丰富，最终形成了比较多样化的频率可重构，并基本覆盖了K波段及Ka波段。对于0100状态下的天线，在右上角第一类截角贴片与主贴片的缝隙处产生25.96GHz的辐射；对于0000状态下的天线，在左下角的第二类截角贴片与主贴片的缝隙处产生32.42GHz和35.07GHz的辐射；对于0001状态下的天线，在右下角的第二类截角贴片与主贴片的缝隙处产生34.89GHz的辐射。可见，在本实施的天线结构下，通过控制各RF MEMS开关的通断状态能够对各频率进行有效的重构。
综上所述，所述多波段可重构微带天线，在传统截角天线的基础上进行改进，引入RF MEMS开关控制各截角贴片与主贴片的通断，使得在改变表面电流路径方向的同时改变平均工作电流路径的长度，从而在K波段以及Ka波段实现频率的可重构，大幅度提高了可重构微带天线的通用性和集成度，基本覆盖了从20GHz到40GHz的大部分频段。
进一步地，引入RF MEMS开关对截角贴片和主贴片进行通断控制，在运行过程中具有功耗低、隔离度高、***损耗低、互相调制分量低以及成本低的优点。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、***和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波段可重构微带天线，其特征在于，包括：
金属地，作为基底用于保持公共地区域电压等势；
基片，设置在所述金属地上方用于承载天线结构；
辐射贴片，设置在所述基片上，所述辐射贴片为矩形，所述辐射贴片沿长度方向第一端的两个直角分割为两个第一类截角贴片，沿长度方向第二端的两个直角分割为两个第二类截角贴片，所述辐射贴片的剩余部分为主贴片，所述第一类截角贴片与所述第二类截角贴片的斜边长度不同；每个所述第一类截角贴片和所述第二类截角贴片分别通过一个RFMEMS开关连接所述主贴片，通过各RF MEMS开关的通断组合对发射频率进行重构；
馈电微带线，连接所述主贴片用于馈电。
2.根据权利要求1所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述RF MEMS开关包括：
分别设置在两侧的第一开关匹配微带线和第二开关匹配微带线，用于提供阻抗匹配；
开关锚区，设置在所述第一开关匹配微带线或所述第二开关匹配微带线上；
开关悬臂梁，第一侧连接固定所述开关锚区，第二侧悬空；
下拉电极，设置在所述开关悬臂梁的底部，在加载直流电的情况下，吸附所述开关悬臂梁的并导通所述第一开关匹配微带线或所述第二开关匹配微带线。
3.根据权利要求2所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述金属地的材料为铝，所述基片的材料为石英玻璃，所述开关悬臂梁与所述辐射贴片的材料相同。
4.根据权利要求1所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述主贴片上还设有天线原型端口，用于采集所述天线结构在运行过程中的阻抗信息。
5.根据权利要求1所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述馈电微带线采用T型结微带功分器进行馈电。
6.根据权利要求1所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述第一类截角贴片和所述第二类截角贴片为等腰直角三角形。
7.根据权利要求6所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述辐射贴片的厚度为1±0.5μm，所述辐射贴片的长度的宽度为6±0.01mm；所述辐射贴片的长度为4±0.01mm，所述辐射贴片的长度的宽度为4±0.01mm；所述第一类截角贴片的直角边长度为1.5±0.01mm；所述第二类截角贴片的直角边长度为0.8±0.01mm。
8.根据权利要求7所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述馈电微带线的长度为0.5±0.01mm，宽度为0.24±0.01mm；所述RF MEMS开关的长度为0.25±0.01mm，宽度为0.15±0.01mm。
9.根据权利要求8所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，所述金属地和所述基片的长度为5.5±0.01mm，宽度为6±0.01mm；所述金属地的厚度为1±0.5μm；所述所述基片的厚度为0.4±0.01mm。
10.根据权利要求1所述的多波段可重构微带天线，其特征在于，各RF MEMS开关分别连接控制器模块，并通过所述控制器模块自动控制各RF MEMS开关的通断组合以调节发射频率。
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