基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的制作方法

本发明涉及微波无源器件
技术领域：
，特别是一种基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线。
背景技术：
：微带天线由于体积小、重量轻、剖面薄、易共形、制造工艺简单、成本低、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点长久以来得到各界广泛关注。近年来，随着无线通信频谱变得越来越拥挤、电波多径传播造成的信号衰落越来越严重，传统的微带天线将不再适用于现代无线通信系统中。因此，设计具有抗多径衰落同时能够实现频率复用增加信道容量的极化可重构微带天线具有广泛的应用前景。在目前已公布的文献中，大部分的极化可重构的微带天线都是通过在传统微带天线中引入PIN二极管开关、MEMS(微电子机械)开关或者变容二极管来实现极化的可重构。然而，(1)PIN二极管开关需要额外的偏置电路，同时具有低Q值和高功率损耗；(2)MEMS开关需要额外的偏置电路，同时其工作状态的切换需要比较长的时间和比较大的直流偏置电压；(3)变容二极管需要额外的偏置电路，同时其具有非线性和高功率损耗；这些方面的缺陷将限制这些极化可重构的微带天线在现代无线通信系统中的应用。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种结构简单、损耗小、易集成、无需设计额外偏置电路的基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，包括圆形贴片、第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱、第四金属柱、第一背面金属支撑共面波导结构、第二背面金属支撑共面波导结构、第三背面金属支撑共面波导结构、第四背面金属支撑共面波导结构、第五背面金属支撑共面波导结构、第一圆孔、第二圆孔、第三圆孔、第四圆孔、第一介质基板、第二介质基板、金属接地板、第一方形贴片、第二方形贴片、第三方形贴片、单刀四掷开关芯片、电容；其中圆形贴片设置于第一介质基板的上表面，金属接地板设置于第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间；第一～五背面金属支撑共面波导结构和单刀四掷开 关芯片设置于第二介质基板的下表面；所述第一～四圆孔设置于金属接地板表面并蚀刻穿透金属接地板；第一～四金属柱垂直穿过第一介质基板和第二介质基板，并分别穿过金属接地板上的第一～四圆孔与圆形贴片连接；单刀四掷开关芯片设置于第一～五背面金属支撑共面波导结构的中心位置，且第一～五背面金属支撑共面波导结构分别与单刀四掷开关芯片连接，电容设置于第一背面金属支撑共面波导结构上；第一～三方形贴片分别通过微带线与单刀四掷开关芯片连接。进一步地，所述第一～四金属柱至圆形贴片圆心的距离相等，且第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱、第四金属柱相邻两个之间角度差为45度。进一步地，所述第一～五背面金属支撑共面波导结构关于第一背面金属支撑共面波导结构呈对称结构分布，其中第一背面金属支撑共面波导结构由第一微带线和第一接地面组成，第二背面金属支撑共面波导结构由第二微带线和第二接地面组成，第三背面金属支撑共面波导结构由第三微带线和第三接地面组成，第四背面金属支撑共面波导结构由第四微带线和第四接地面组成，第五背面金属支撑共面波导结构由第五微带线和第五接地面组成，其中第一接地面、第二接地面、第三接地面、第四接地面和第五接地面均通过金属通孔与金属接地板连接，第一金属柱位于第二微带线上、第二金属柱位于第三微带线上、第三金属柱位于第四微带线上、第四金属柱位于第五微带线上。进一步地，所述的第一背面金属支撑共面波导结构、第二背面金属支撑共面波导结构、第三背面金属支撑共面波导结构、第四背面金属支撑共面波导结构、第五背面金属支撑共面波导结构的特性阻抗均为50欧姆。进一步地，所述单刀四掷开关芯片的射频输入端口与第一微带线连接，四个可选通的射频输出端口分别与第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线连接，通过控制单刀四掷开关芯片的四个射频输出端口的选通状态，天线的馈电位置在第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱、第四金属柱之间切换，实现天线的极化可重构。进一步地，所述电容的容值为100pF，设置于与射频输入端口连接的第一微带线上，电容用于隔断直流信号，而对射频信号没影响。进一步地，所述第一方形贴片通过导线与一组直流电压源的正极连接，第二方形贴片通过导线与另一组直流电压源的正极连接，第三方形贴片通过导线与第三组直流电压源的正极连接，其中与第一方形贴片、第二方形贴片连接的两组直流电压信号控制单刀四掷开关芯片的工作状态，与第三方形贴片连接的直流电压信号为单刀四掷开关芯片提 供标准参考电压。本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的结构简单，可在普通PCB板上实现，便于加工，生产成本低；(2)本发明的极化可重构天线采用的单刀四掷开关芯片，只需要提供CMOS水平的电压来实现天线极化状态的改变，不需要额外的偏置电路，结构紧凑；(3)本发明的极化可重构天线在同一个工作频率处具有四种线极化状态可切换的特性，非常适用于现代无线通信系统。附图说明图1是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的俯视图。图2是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的侧视图。图3是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的仰视图。图4是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线在四种极化状态下的电流矢量图。图5是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1的结构尺寸示意图，其中(a)是俯视图，(b)是仰视图。图6是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1在四种极化状态下回波损耗的仿真结果图。图7是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1在极化状态1中心频率处的仿真辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。图8是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1在极化状态2中心频率处的仿真辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。图9是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1在极化状态3中心频率处的仿真辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。图10是本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线的实施例1在极化状态4中心频率处的仿真辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1、图2和图3，本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，包括圆形贴片1、第一金属柱2、第二金属柱3、第三金属柱4、第四金属柱5、第一背面金属支撑共面波导结构11、第二背面金属支撑共面波导结构21、第三背面金属支撑共面波导结构31、第四背面金属支撑共面波导结构41、第五背面金属支撑共面波导结构51、第一圆孔22、第二圆孔32、第三圆孔42、第四圆孔52、第一介质基板6、第二介质基板7、金属接地板8、第一方形贴片9、第二方形贴片91、第三方形贴片92、单刀四掷开关芯片10、电容12；其中圆形贴片1设置于第一介质基板6的上表面，金属接地板8设置于第一介质基板6的下表面和第二介质基板7的上表面之间；第一～五背面金属支撑共面波导结构11、21、31、41、51和单刀四掷开关芯片10设置于第二介质基板7的下表面；所述第一～四圆孔22、32、42、52设置于金属接地板8表面并蚀刻穿透金属接地板8；第一～四金属柱2、3、4、5垂直穿过第一介质基板6和第二介质基板7，并分别穿过金属接地板8上的第一～四圆孔22、32、42、52与圆形贴片1连接；单刀四掷开关芯片10设置于第一～五背面金属支撑共面波导结构11、21、31、41、51的中心位置，且第一～五背面金属支撑共面波导结构11、21、31、41、51分别与单刀四掷开关芯片10连接，电容12设置于第一背面金属支撑共面波导结构11上；第一～三方形贴片9、91、92分别通过微带线与单刀四掷开关芯片10连接。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述第一～四金属柱2、3、4、5至圆形贴片1圆心的距离相等，且第一金属柱2、第二金属柱3、第三金属柱4、第四金属柱5相邻两个之间角度差为45度。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述第一～五背面金属支撑共面波导结构11、21、31、41、51关于第一背面金属支撑共面波导结构11呈对称结构分布，其中第一背面金属支撑共面波导结构11由第一微带线111和第一接地面112组成，第二背面金属支撑共面波导结构21由第二微带线211和第二接地面212组成，第三背面金属支撑共面波导结构31由第三微带线311和第三接地面312组成，第四背面金属支撑共面波导结构41由第四微带线411和第四接地面412组成，第五背面金属支撑共面波导结构51由第五微带线511和第五接地面512组成，其中第一接地面112、第二接地面212、第三接地面312、第四接地面412和第五接地面512均通过金属通孔与金属接 地板8连接，第一金属柱2位于第二微带线211上、第二金属柱3位于第三微带线311上、第三金属柱4位于第四微带线411上、第四金属柱5位于第五微带线511上。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述的第一背面金属支撑共面波导结构11、第二背面金属支撑共面波导结构21、第三背面金属支撑共面波导结构31、第四背面金属支撑共面波导结构41、第五背面金属支撑共面波导结构51的特性阻抗均为50欧姆。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述单刀四掷开关芯片10的射频输入端口与第一微带线111连接，四个可选通的射频输出端口分别与第二微带线211、第三微带线311、第四微带线411、第五微带线511连接，通过控制单刀四掷开关芯片10的四个射频输出端口的选通状态，天线的馈电位置在第一金属柱2、第二金属柱3、第三金属柱4、第四金属柱5之间切换，实现天线的极化可重构。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述电容12的容值为100pF，设置于与射频输入端口连接的第一微带线111上，电容12用于隔断直流信号，而对射频信号没影响。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述第一方形贴片9通过导线与一组直流电压源的正极连接，第二方形贴片91通过导线与另一组直流电压源的正极连接，第三方形贴片92通过导线与第三组直流电压源的正极连接，其中与第一方形贴片9、第二方形贴片91连接的两组直流电压信号控制单刀四掷开关芯片10的工作状态，与第三方形贴片92连接的直流电压信号为单刀四掷开关芯片10提供标准参考电压。本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，所述的单刀四掷开关芯片10采用的是Skyworks公司的SKY13384-350LF，其工作状态通过两组直流电压信号VC1和VC2来控制，一组直流电压信号VDD用来给芯片提供标准参考电压。其中VC1和VC2分别和第二方形贴片91、第一方形贴片9连接、VDD和第三方形贴片92连接。下表列出了本发明极化可重构微带天线可实现的四种极化状态及其相对应的两组控制电压值。四种极化状态下圆形辐射贴片表面的电流矢量图如图4所示。VDD(V)VC1(V)VC2(V)选通的金属柱极化状态状态1555第一金属柱157.5°线极化状态2550第二金属柱112.5°线极化状态3505第三金属柱67.5°线极化状态4500第四金属柱22..5°线极化下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1结合图5、图6、图7、图8、图9和图10，以中心工作频率在2.06GHz的基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线为例，采用的第一介质基板6和第二介质基板7相对介电常数均为2.2，其厚度分别为3.175mm和0.508mm，损耗角正切均为0.0009。该极化可重构微带天线的各尺寸参数如下：圆形贴片1的半径R1=28mm，第一金属柱2、第二金属柱3、第三金属柱4、第四金属柱5的半径均为r=0.4mm，其距离圆形贴片1圆心的距离均为R2=12mm，且相邻两个金属柱之间的角度差均为φ=45度，第一背面金属支撑共面波导结构11、第二背面金属支撑共面波导结构21、第三背面金属支撑共面波导结构31、第四背面金属支撑共面波导结构41、第五背面金属支撑共面波导结构51的特性阻抗均为50欧姆，其中第一微带线111、第二微带线211、第三微带线311、第四微带线411、第五微带线511的宽度均为W1=1.1mm，且第一微带线111和第一接地面112、第二微带线211和第二接地面212、第三微带线311和第三接地面312、第四微带线411和第四接地面412、第五微带线511和第五接地面512之间的间隙宽度均为G1=0.1mm，第三微带线311和第五微带线511的长度均为L1+L2=10.37mm，第二微带线211和第四微带线411的长度均为L3=12.18mm。本实施例的基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线是在ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS.13和ADS2009中建模仿真。图6是本实施例中的基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线在四种极化状态下的回波损耗的仿真结果图。从图中的结果可以看出，该极化可重构微带天线在四种极化状态下通带的中心频率均为2.06GHz，通带内回波损耗均低于-10dB。图7、图8、图9和图10分别是本实施例中的基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线在极化状态1、2、3和4下仿真的辐射方向图，其中(a)是E面的辐射方向图，(b)是H面的辐射方向图。从图中可以看出，该实例极化可重构微带天线在四种极化状态下具有相同的辐射方向图，并且在每种极化状态下天线都具有全向的辐射特性，在中心频率处的增益均为7.17dBi，交叉极化都低于-16.2dB。综上所述，本发明基于单刀四掷开关的极化可重构微带天线，具有结构简单、损耗低、可靠性、无需额外设计偏置电路、在四种线极化状态间可方便切换等优点，该极化可重构微带天线非常适用于现代无线通信系统。当前第1页1 2 3