[发明专利]一种低剖面频率可重构介质贴片天线

说明书

本发明涉及一种低剖面频率可重构介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，微带线部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，微带线和变容管二极管构成频率调谐结构，用于调谐介质贴片谐振器的频率；下介质基板的下表面设置有一根微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙。本发明首次提出一种新型的变容二极管加载方案，来设计工作在主模TM₁₀₁下的低剖面频率可重构的介质贴片天线，同时，所使用的微带线和变容二极管对天线的辐射方向图几乎没有影响。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及低剖面频率可重构介质贴片天线单元及天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，在设备中装配多个天线以满足多样化的通信标准是十分必要的，但这将增加通信系统的尺寸和成本。同时，这些天线之间的电磁兼容问题也可能使系统的稳定性下降。在这种背景下，可重构天线受到了广泛的研究，它可以动态调整自身的参数来实现功能的多样性，从而代替多个天线的使用。近年来，已经设计出了各种各样的可重构天线，包括极化可重构、方向图可重构和频率可重构天线，实现的方法主要分为两类。一类是基于机械调谐的可重构天线。通过控制密闭容器中液态材料（如液态金属、变压器油、水等）或基板中固态材料（如金属柱、介质块、短路针等）的位置或体积占比，来使天线获得不同的功能或状态。尽管这种方法损耗低，但是机械可重构天线的调谐速度较慢，并且需要大的空间来存放液态或固态材料，这无法满足现代无线通信系统的快速时变和高集成度的要求。另一类是基于电调谐的可重构天线。通常将小尺寸、结构简单的半导体二极管或基于二极管的开关用作调谐组件。其中，具有快速调谐速度的变容二极管通常用来设计具有频率连续调谐或者方向图连续扫描特性的可重构天线。

微带贴片天线由于具有剖面低、重量轻、增益较高以及易于加载变容二极管等优点而被广泛应用于可重构天线，尤其是频率可重构天线的设计中。通常，变容二极管被加载在微带贴片的中间或者侧面。然而，随着低频频谱逐渐拥挤，现代无线通信系统的工作频率持续上升，微带贴片天线的金属损耗将变得严重，从而降低辐射效率。作为一个良好的替代品，导体损耗几乎为零的介质谐振器天线被考虑用来设计频率可重构天线。但是，在介质谐振器上直接加载变容二极管是很困难的。为了解决加载问题，已经提出了一些设计方法。在设计一中，在介质谐振器天线两个相对的侧壁上印刷导电条来焊接变容二极管，但是该天线的频率调谐范围小于6％。在设计二中，在介质谐振器天线的侧壁上印刷了带有垂直缝隙的导电片来连接变容二极管，可以实现55％的宽频率调谐范围。但是，这些天线的辐射性能都会受到捆绑在介质谐振器上的变容二极管的负面影响。同时，上述设计具有很高的剖面，并且缺少对加载有变容二极管的介质谐振器天线的辐射效率进行详细地分析。

为了降低介质谐振器天线的剖面，已经开发了一种准平面的介质贴片天线。它的谐振器由位于上层的介质贴片和下层的基板融合而成，并具有和微带贴片天线类似的特性。先前的研究表明，就剖面、增益、效率和设计自由度而言，介质贴片天线是传统微带贴片天线和介质谐振器天线之间良好的折中选择。因此，介质贴片天线具有巨大的应用潜力，但到目前为止，基于介质贴片天线的频率可重构设计还没有人提出。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的低剖面频率可重构介质贴片天线。

为实现本发明目的，本发明提出的一种低剖面频率可重构介质贴片天线单元，具有下介质基板和介质贴片谐振器，所述介质贴片谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述上介质基板上表面的垂直中分面上设置有一对微带线，所述微带线部分地插入到介质贴片和上介质基板之间，所述微带线的外端与金属反射地板之间加载有变容二极管，微带线和变容管二极管构成频率调谐结构，用于使连续地调谐所述介质贴片谐振器的频率；所述下介质基板的下表面的垂直中分面上设置有一根用于耦合馈电的微带馈线，金属反射地板开设有与微带馈线对应的耦合缝隙。