一种基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线。


背景技术：

2.随着无线移动通信技术的高速发展，用户对通信设备提出了更高的要求。作为无线通信终端中不可或缺的重要部件，天线也必须适应系统不断发展的要求，满足不同的系统和标准要求，兼容更多的工作频段。但传统的天线只能工作在固定频段，无法根据使用要求自由切换通信频段。针对上述问题，频率可重构天线应运而生，这种天线能根据多变的环境和复杂的通信系统调整相应的工作频段，确保无线通信的实时有效。
3.目前，天线主要是利用射频开关器件来实现的频率可重构功能，例如pin二极管、微电子机械系统等。上述几种常见的射频开关器件实现的频率可重构功能一般是非覆盖、非连续的调谐方式，无法覆盖工作频点切换之间存在的盲区。此外，射频开关器件实现的频率可重构功能会存在电子元件与天线集成带来的寄生效应问题，导致天线性能恶化，电子元件也不利于天线的小型化和电路集成。相比之下，液晶材料这种电控材料的引入可以很好地解决上述问题，其电控特性原理源自液晶材料本身的介电各向异性，因此在微波、毫米波甚至太赫兹都具有良好的物理特性。目前研究人员对液晶天线的研究更多的是注重于天线小型化、频率变化范围等，但是这些技术难点更多囿于液晶材料本身的属性。基于现有的液晶材料技术状态和生产工艺，液晶天线依旧存在工作在单一频段、频率变化范围较小的缺点和技术难点。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种液晶天线，用于解决现有天线只能工作在固定的频段，无法根据通信要求进行灵活的频率切换问题，以及解决天线工作在单一频段，频率变化范围变较小等问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种以下技术方案：
6.一种基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线，包括层叠设置的上层介质基板、中间层介质基板和下层导电基板；
7.所述上层介质基板的上表面设置有成两行两列分布的四个矩形的微带寄生贴片；所述上层介质基板下表面设置有开槽矩形金属贴片和阶梯微带传输线，所述开槽矩形金属贴片设有一对以开槽矩形金属贴片的中心点中心对称的t型沟槽，t型沟槽的横向沟槽的一端为开口端，开口于所述开槽矩形金属贴片的宽边；t型沟槽的纵向沟槽沿远离所述开槽矩形金属贴片的中心点的方向设置；所述阶梯微带传输线包括第一微带传输线和第二微带传输线，从所述开槽矩形金属贴片的一个长边的中点一直延伸到所述中间层介质基板的边缘；所述开槽矩形金属贴片位于上表面的四个矩形的微带寄生贴片的正投影区域的中部；
8.所述中间层介质基板的中部挖空形成液晶槽，所述液晶槽充满液晶；所述开槽矩
形金属贴片的正投影位于所述液晶槽内；所述中间层介质基板的边缘设置有第三微带传输线和位于所述第三微带传输线两侧的两个正方形金属贴片，所述第二微带传输线和所述第三微带传输线边缘重合连接，二者和所述第一微带传输线形成天线的馈线结构；
9.所述下层导电基板包括一个完整的导电金属层，所述导电金属层作为接地平面；两正方形金属贴片分别通过金属化过孔和所述下层导电基板的导电金属层电连接，形成电磁带隙结构。
10.进一步的，所述上层介质基板和中间层介质基板为ptfe复合材料制成的高频基板。
11.进一步的，所述上层介质基板和中层介质基板的厚度和液晶材料双频可重构天线的两谐振频点的频率有关，以天线的低频谐振频点的中心波长为参考，所述上层介质基板的厚度约为中心波长的1/25；所述中间层介质基板的厚度约为中心波长的1/25。
12.进一步的，所述开槽矩形金属贴片的尺寸和液晶材料双频可重构天线的两谐振频点的频率有关，以天线的低频谐振频点的中心波长为参考，所述开槽矩形金属贴片的长度约为中心波长的3/5，宽度约为中心波长的3/5；所述t型沟槽包括横向沟槽和纵向沟槽；所述横向沟槽的一端为所述t型沟槽的开口端，另一端为闭口端，所述纵向沟槽的开口端位于横向沟槽的中部；所述t型沟槽的槽宽约为中心波长的1/20，其横向沟槽的长度约为中心波长的9/25，其纵向沟槽的长度约为中心波长的2/25，其纵向沟槽和横向沟槽的连接处离横向沟槽的闭口端的距离为中心波长的3/50。
13.进一步的，所述第一微带传输线且窄于第二微带传输线。
14.进一步的，在一可行方案中，所述下层导电基板为铝板或铜板。
15.进一步的，在另一可行方案中，所述下层导电基板为印刷线路板，所述印刷线路板的上表面覆盖铜箔。
16.本发明实现了如下技术效果：
17.本发明的基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线具有多频段宽频率重构、以及能够实现跨频段的功能。
18.本发明的基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线在实现频率重构功能时，重构频段范围内的辐射特性基本保持稳定。
附图说明
19.图1是本发明的液晶天线的实施例的展开图；
20.图2是本发明的液晶天线的实施例的侧视图；
21.图3是图1的上层介质基板上表面的示意图；
22.图4是图1的上层介质基板下表面的示意图；
23.图5是图1的中间层介质基板的俯视图；
24.图6是本发明一实施例的天线回波损耗随电压变化的测量数据图；
25.图7是本发明一实施例的天线谐振频率随外加电压变化的数据图；
26.图8是本发明一实施例的天线yoz面的方向图；
27.图9是本发明一实施例的天线xoy面的方向图。
具体实施方式
28.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
29.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
30.如图1、图2所示，本发明给出了一种基于电磁带隙结构的液晶材料双频可重构天线的结构示意，包括上层介质基板1、中间层介质基板2、矩形槽3、下层铝板5、微带寄生贴片11、开槽矩形金属贴片12、第一微带传输线6、第二微带传输线7、第三微带传输线8、第二通孔9、金属化通孔10、正方形金属贴片21等。
31.上层介质基板1的上表面附有4个大小相同的微带寄生贴片11，该上层微带寄生贴片11上设置金属化过孔。上层介质基板1下表面附有开槽矩形金属贴片12、第一微带传输线6和第二微带传输线7，开槽矩形金属贴片12设置有一对以开槽矩形金属贴片12的中心点中心对称的t型沟槽121；两t型沟槽121将开槽矩形金属贴片12分割成s型；开槽矩形金属贴片12位于四个微带寄生贴片11的正投影区域内。
32.中间层介质基板2的中部挖空形成矩形槽3，矩形槽3用作液晶腔，用于容纳液晶，矩形槽3的厚度与中间层介质基板2的厚度相同。开槽矩形金属贴片12的正投影位于矩形槽3内。中间层介质基板2上表面靠近基板边缘设置有接地共面波导结构，在本实施例中，接地共面波导结构包括第三微带传输线8和正方形金属贴片21，正方形金属贴片21和第三微带传输线8共面，附着于中间层介质基板2的上表面，一对正方形金属贴片21对称分布在第三微带传输线8的两侧，正方形金属贴片21的中心位置设置金属化通孔10，通过金属化通孔10使正方形金属贴片21与下层铝板5连接，从而形成电磁带隙结构(或称接地共面波导结构)。
33.以图示视角为例，上层介质基板1、中间层介质基板2和下层铝板5两侧设置安装孔4，通过安装孔4完成天线的组装，使上层介质基板1、中间层介质基板2和下层铝板5逐层贴合形成一个整体。
34.以下给出本实施例的具体结构参数，包括：上层介质基板1、中间层介质基板2、下层铝板5的厚度分别为0.381mm、0.254mm、7mm。上层介质基板1和中间层介质基板2分别采用taconic tly(tm)-5和rogers rt/duroid 5880等ptfe(聚四氟乙烯)复合材料制成的高频基板，两者材料的介电常数和损耗角正切值均相同，分别为2.2和0.0009，两种型号高频基板具备不同的基板厚度，上层介质基板1和中间介质基板2可根据不同的基板厚度选择适合型号的板材。下层铝板5的介电常数为1。上层介质基板1和中层介质基板2的厚度和液晶材料双频可重构天线的两谐振频点的频率有关，以双频中的低频谐振频点的中心波长为参考，上层介质基板1的厚度约为中心波长的1/25；中间层介质基板2的厚度约为中心波长的1/25。在本实施例中，设定的双频中低频谐振频点的中心频点约为32.25ghz，对应的中心波长约为9.3mm。以此为依据，以最接近的板材厚度选取上层介质基板1、中间层介质基板2的厚度分别为0.381mm和0.254mm。
35.第二通孔9垂直贯穿上层介质基板1，其位于矩形槽3的矩形的四个角位置，起到液晶灌入和空气排出的作用。微带寄生贴片11位于开槽矩形金属贴片12的正上方，分布排列在开槽矩形金属贴片12的四周。
36.微带传输线由第一微带传输线6、第二微带传输线7、第三微带传输线8组成，上层介质基板1下表面的第二微带传输线7和中间层介质基板2的第三微带传输线8边缘重合连接，形成馈线结构。
37.所述的电磁带隙结构为高阻抗表面型电磁带隙结构，相比于其他电磁带隙结构，所设计的电磁带隙结构简单、尺寸小、方便实现。高阻抗表面型电磁带隙结构主要由正方形金属贴片、金属化过孔和金属地板组成。
38.如图3和图4所示，微带寄生贴片11和开槽矩形金属贴片12通过pcb的蚀刻工艺生成于上层介质基板的上下表面，通常厚度为0.035mm。在本实施例中，各结构的尺寸与液晶材料双频可重构天线的两谐振频点的中心波长有关，在本实施例中，设定的双频中低频谐振频点的中心频点约为32.25ghz，对应的中心波长约为9.3mm。以此为依据，设计各部分的尺寸如下：
39.微带寄生贴片11；pw＝5.2mm，pl＝5.5mm；
40.开槽矩形金属贴片12：p1＝5.5mm，l1＝5.73mm；
41.t型沟槽121：横向沟槽的宽度0.5mm：横向沟槽的长度3.35mm：纵向沟槽的宽度0.5mm，纵向沟槽的长度0.7mm；纵向沟槽和横向沟槽的连接处离横向沟槽的闭口端的距离为0.55mm。换算成波长，则开槽矩形金属贴片12的长度p1约为中心波长的3/5，宽度l1约为中心波长的3/5。t型沟槽121的槽宽约为中心波长的1/20，横向沟槽的长度约为中心波长的9/25，纵向沟槽的长度约为中心波长的2/25，纵向沟槽和横向沟槽的连接处离横向沟槽的闭口端的距离约为中心波长的3/50。
42.第一微带传输线6：l2＝3.135mm；
43.第二微带传输线7：l3＝1mm；
44.矩形槽3：p2＝8mm，l2＝8mm；
45.第三微带传输线8的长度为3mm，其宽度为wf＝0.75mm；
46.正方形金属贴片21：l3＝2.35mm，p3＝2.35mm。
47.金属化通孔10：直径为0.4mm。
48.将加工的板材按照图一组装在一起，利用矢量网络分析仪和相关的器件进行测试，得到回波损耗随电压变化的测量数据图和谐振频率随外加电压变化的数据图，分别如图5和图6所示。天线的高频段和低频段都发生了频率偏移，其中低频段的频率偏移最为明显，谐振频点从32.5ghz下移到32ghz，实现了500mhz的频率偏移，在整个调谐过程中天线的阻抗带宽基本保持不变，并且天线总体保持双频特性。当电压从2v增大到16v过程中，天线的重构频率范围为31-33ghz和36-39ghz。
49.图8和图9分别给出了不同介电常数在yoz面和xoy面的辐射方向图，分析表明，本发明的可重构天线在实现频率重构功能时，重构频段范围内的辐射特性基本保持稳定。
50.综上所述，本发明的可重构天线，具有多频段宽频率重构、以及能够实现跨频段工作的功能。
51.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。