本發(fā)明涉及無線電微波器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及可編程控制的可重構(gòu)天線，特別是一種可編程的等離子體介質(zhì)天線。

背景技術(shù)：

隨著無線通信、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航、雷達(dá)系統(tǒng)與軍事上電子對抗設(shè)備的迅速發(fā)展，對天線的小型化、寬頻帶、圓雙極化及低損耗等性能提出了更高的要求。介質(zhì)諧振天線相比一般天線具有輻射效率高、饋電方式多樣、在高頻段可以做到小型化以及加工簡單，成本較低，便于集成設(shè)計(jì)等良好的性能，正受到越來越多的關(guān)注、研究與應(yīng)用，自1960年代末低損耗陶瓷介質(zhì)研制成功以來，介質(zhì)諧振器以其尺寸小、q值高和較高的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)對微波電路小型化、集成化和高可靠性的迫切需求，已成功地應(yīng)用于濾波器、振蕩器等許多微波器件中。同時(shí)為了保證通信質(zhì)量，需要解決現(xiàn)有頻帶資源的擁堵和天線間干擾問題。

然而，介質(zhì)天線存在以下不足：首先，其q值會(huì)隨著材料介電常數(shù)的增大而增大，這相應(yīng)會(huì)減小天線的帶寬，因此介質(zhì)諧振天線將限制其工作帶寬；其次，由于介質(zhì)天線尺寸較小，故對加工工藝要求高而且不易調(diào)諧，材料介電常數(shù)相對較高因此價(jià)格較為昂貴。等離子體介質(zhì)天線因其頻率可調(diào)并且易于實(shí)現(xiàn)，是介質(zhì)天線未來發(fā)展的主流趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可編程的等離子體介質(zhì)天線，其結(jié)構(gòu)簡單、便于量產(chǎn)，且頻率可調(diào)、工作帶寬不受限制。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種可編程的等離子體介質(zhì)天線，包括貼片天線、介質(zhì)諧振器；所述的貼片天線包括接地板、貼片和基板，其特征在于：所述的介質(zhì)諧振器包括具有至少兩層上下布置的固態(tài)的fr-4介質(zhì)和多個(gè)氣態(tài)的等離子體柱介質(zhì)；其中上層fr-4介質(zhì)設(shè)置有至少2個(gè)上層fr-4介質(zhì)穿孔，下層fr-4介質(zhì)上設(shè)置有至少2個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔；其中，上層fr-4介質(zhì)穿孔內(nèi)均嵌有所述的上層等離子體柱介質(zhì)，下層fr-4介質(zhì)穿孔內(nèi)均嵌有所述的下層等離子體柱介質(zhì)；所述的每個(gè)上層、下層等離子體柱介質(zhì)分別通過控制線與激勵(lì)電源連接；利用獨(dú)立電源控制的雙端激勵(lì)模式，來控制每個(gè)等離子體柱介質(zhì)的激勵(lì)狀態(tài)；改變每個(gè)激勵(lì)電源的電壓，來控制等離子體柱介質(zhì)的等離子頻率，從而實(shí)現(xiàn)對所述可編程的等離子體介質(zhì)天線的工作狀態(tài)和頻率的重構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述的上層fr-4介質(zhì)設(shè)置有4個(gè)上層fr-4介質(zhì)穿孔，下層fr-4介質(zhì)上設(shè)置有4個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔。

進(jìn)一步的，所述的上層fr-4介質(zhì)穿孔內(nèi)均嵌有所述的上層等離子體柱介質(zhì)，下層fr-4介質(zhì)穿孔內(nèi)均嵌有所述的下層等離子體柱介質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述的上層fr-4介質(zhì)穿孔與下層fr-4介質(zhì)穿孔的延伸方向投影線相互垂直，但不構(gòu)成正交關(guān)系。

進(jìn)一步的，各個(gè)所述的上層等離子體柱介質(zhì)和下層等離子體柱介質(zhì)，可以同時(shí)激勵(lì)，也可以分別單獨(dú)激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)多種不同的激勵(lì)與不激勵(lì)組合模式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1.本發(fā)明的諧振器包括固態(tài)介質(zhì)和嵌入其內(nèi)的氣態(tài)等離子體介質(zhì)，通過改變介質(zhì)中嵌入的不同位置的等離子體介質(zhì)的激勵(lì)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對天線的可重構(gòu)，主要包括天線的工作狀態(tài)和頻率的可重構(gòu)。這種設(shè)計(jì)的天線具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡單，設(shè)計(jì)靈活，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.本發(fā)明的諧振器等離子體介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)調(diào)控時(shí)，不僅可以改變其激勵(lì)狀態(tài)(激勵(lì)/未激勵(lì))，還能調(diào)整其頻率的大小(電子密度)，從而可使天線具有更多、更寬廣的可重構(gòu)方式和可重構(gòu)狀態(tài)，即可以通過編程方式實(shí)現(xiàn)對天線的工作狀態(tài)和工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的可編程等離子介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a、圖2b、圖2c為本發(fā)明一實(shí)施例在三種不同等離子體柱介質(zhì)激勵(lì)狀態(tài)下的s11參數(shù)圖。

圖3為不同的等離子體頻率下對介質(zhì)天線工作頻率的影響曲線圖。

圖4a、圖4b、圖4c所示，為本發(fā)明的另一實(shí)施例在三種不同等離子體柱介質(zhì)激勵(lì)狀態(tài)下的s11參數(shù)圖。

圖5是本發(fā)明的另一實(shí)施例在所有等離子體全部被激勵(lì)后改變等離子體頻率的天線的s11參數(shù)圖。

其中，10貼片天線，11接地板，12貼片，13基板；20介質(zhì)諧振器，28上層fr-4介質(zhì)，281上層fr-4介質(zhì)穿孔；29下層fr-4介質(zhì)，291下層fr-4介質(zhì)穿孔；24下層等離子體柱介質(zhì)，26上層離子體柱介質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明一實(shí)施例的可編程等離子介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施例的一種可編程的等離子體介質(zhì)天線，包括貼片天線10、介質(zhì)諧振器20；所述的貼片天線10包括接地板11、貼片12和基板13，其接地板11和貼片12采用銅，基板13采用硅，其特征在于：所述的介質(zhì)諧振器20包括具有至少兩層上下布置的固態(tài)的fr-4介質(zhì)和多個(gè)氣態(tài)的等離子體柱介質(zhì)；其中上層fr-4介質(zhì)28設(shè)置有至少2個(gè)上層fr-4介質(zhì)穿孔281，下層fr-4介質(zhì)29上設(shè)置有至少2個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔291；其中，上層fr-4介質(zhì)穿孔281內(nèi)均嵌有所述的上層等離子體柱介質(zhì)26，下層fr-4介質(zhì)穿孔291內(nèi)均嵌有所述的下層等離子體柱介質(zhì)24；所述的每個(gè)上層、下層等離子體柱介質(zhì)26、24分別通過控制線與激勵(lì)電源連接；利用獨(dú)立電源控制的雙端激勵(lì)模式，來控制每個(gè)等離子體柱介質(zhì)26、24的激勵(lì)狀態(tài)；改變每個(gè)激勵(lì)電源的電壓，來控制等離子體柱介質(zhì)26、24的等離子頻率，從而實(shí)現(xiàn)對所述可編程的等離子體介質(zhì)天線的工作狀態(tài)和頻率的重構(gòu)。圖1中標(biāo)注了尺寸關(guān)系。該實(shí)施例的介質(zhì)諧振器天線，貼片上的介質(zhì)層層數(shù)為n，且n≥2，每介質(zhì)層中至少有一個(gè)孔可以用來填充離子體柱介質(zhì)，且等離子體的頻率可調(diào)?，F(xiàn)取n＝2、每個(gè)介質(zhì)層含兩個(gè)等離子體柱的模型為例。設(shè)fr-4介質(zhì)層的長、寬和厚度分別為a、b和td，r為離子體柱介質(zhì)的半徑。則針對上層中的參數(shù)，a-4r≥l≥0，td/2≥r＞0，a-4r≥d≥0。相應(yīng)的，對下層介質(zhì)也是同樣的范圍，但是上限為介質(zhì)層的寬度b，即b-4r≥l≥0，td/2≥r＞0，b-4r≥d≥0。

根據(jù)對天線的工作狀態(tài)和頻率的重構(gòu)需求的不同，也可以對上述的fr-4介質(zhì)穿孔設(shè)置不同數(shù)量，如：所述的上層fr-4介質(zhì)28可設(shè)置有4個(gè)上層fr-4介質(zhì)穿孔281，下層fr-4介質(zhì)29上設(shè)置有4個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔291。其上層fr-4介質(zhì)穿孔281內(nèi)均嵌有所述的上層等離子體柱介質(zhì)26，下層fr-4介質(zhì)穿孔291內(nèi)均嵌有所述的下層等離子體柱介質(zhì)24。

在位置關(guān)系上，所述的上層fr-4介質(zhì)穿孔281與下層fr-4介質(zhì)穿孔291的延伸方向投影線相互垂直，但不構(gòu)成正交關(guān)系。

各個(gè)所述的上層等離子體柱介質(zhì)26和下層等離子體柱介質(zhì)24，可以同時(shí)激勵(lì)，也可以分別單獨(dú)激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)多種不同的激勵(lì)與不激勵(lì)組合模式。

其貼片天線的接地板和寄生貼片的材質(zhì)均為銅，其中寄生貼片的長為9.8mm，寬為6.866mm；貼片天線的基板材質(zhì)為硅，其介電常數(shù)為12，損耗正切值為tanδ＝0.0185。

所述的介質(zhì)諧振器的fr-4介為兩層，沿z正方向分別是上層fr-4介質(zhì)28和下層fr-4介質(zhì)29。y方向兩邊的距離貼片天線基板的邊緣的距離為1mm，x正方向與貼片天線的饋點(diǎn)(即yoz面)對齊，負(fù)方向距離貼片天線基板邊緣距離為2mm。

下層fr-4介質(zhì)29上設(shè)置有2個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔291，其兩個(gè)上層fr-4介質(zhì)穿孔281的半徑為r＝2mm，其徑向軸線垂直于y軸。其一個(gè)孔281中心距離上層介質(zhì)的邊緣(yoz面)距離為l＝1mm，兩孔281間的中心距離為2d＝7mm。其兩個(gè)下層fr-4介質(zhì)穿孔291的徑向軸線垂直于x軸，半徑也為r′＝2mm，其一個(gè)孔291的中心距離介質(zhì)邊緣(xoz面)距離為l′＝1mm，兩孔291之間的中心距離為2d′＝7mm。

在圖1所示的可編程等離子介質(zhì)天線實(shí)施例中，可以改變的等離子體介質(zhì)共有兩層四根，每根等離子體柱都有激勵(lì)和不激勵(lì)兩種狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)2⁴種可控狀態(tài)?，F(xiàn)選擇幾種狀態(tài)舉例如下，說明如何實(shí)現(xiàn)對天線工作狀態(tài)和工作頻率的編程。

如圖2a、圖2b、圖2c所示，為本發(fā)明一實(shí)施例在三種不同等離子體柱介質(zhì)激勵(lì)狀態(tài)下的s11參數(shù)圖。

當(dāng)只有貼片天線工作時(shí)，其可以工作在6.032ghz，其s11參數(shù)如圖2a中的實(shí)線所示，此時(shí)貼片天線的回波損耗也比較小。而當(dāng)貼片天線上的介質(zhì)中的等離子體全部被激發(fā)，則天線處于不正常工作的狀態(tài)，其s11如圖2a中的虛線所示，s11都大于-10db。當(dāng)天線上的介質(zhì)孔中的等離子體全部不計(jì)激勵(lì)時(shí)，也就是只有穿孔的fr-4介質(zhì)，所設(shè)計(jì)的天線由不正常工作狀態(tài)變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)，而且實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu)，工作頻率由原來的6.032ghz變?yōu)?.856ghz，其s11如圖2b中的虛線所示。當(dāng)?shù)谝粚咏橘|(zhì)中等離子體柱1和等離子體柱2處于不激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，比較圖2a和圖2c顯示出改變不同位置的等離子體的激勵(lì)狀態(tài)，所設(shè)計(jì)的天線可以使得回波損耗更小，其s11如圖2(c)中的虛線所示。從結(jié)果可以看出通過等離子體的不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了天線的可重構(gòu)。

本發(fā)明的介質(zhì)諧振器天線不僅可以通過等離子體的激勵(lì)狀態(tài)進(jìn)行頻率可重構(gòu)，還可以通過改變等離子體的等離子體頻率對工作頻率進(jìn)行重構(gòu)。如圖3所示，為不同的等離子體頻率下對介質(zhì)天線工作頻率的影響曲線圖。當(dāng)改變等離子介質(zhì)的頻率時(shí)，天線的工作狀態(tài)相應(yīng)發(fā)生改變。當(dāng)?shù)谝粚咏橘|(zhì)中的等離子體柱都不激勵(lì)時(shí)，改變等離子體的等離子體頻率，由30ghz變化到40ghz，發(fā)現(xiàn)天線的工作頻率由5.888ghz變?yōu)?.98ghz，其工作頻率改變了近0.1ghz。結(jié)合等離子體的激勵(lì)狀態(tài)，其結(jié)果表明，等離子體介質(zhì)天線的頻率重構(gòu)可以有多種形式，并且可以對其工作頻率進(jìn)行任意重構(gòu)。相應(yīng)的，對其工作狀態(tài)也可以用改變等離子體頻率的方法進(jìn)行重構(gòu)。

圖4a、圖4b、圖4c所示，為本發(fā)明的另一實(shí)施例在三種不同等離子體柱介質(zhì)激勵(lì)狀態(tài)下的s11參數(shù)圖。該實(shí)施例在結(jié)構(gòu)形制上與上一實(shí)施例完全相同，僅存在一些結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，即等離子體柱的大小、位置發(fā)生變化。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：在上層介質(zhì)中，l＝2mm，2d＝8mm，r＝1mm；在下層介質(zhì)中，l′＝1.5mm，2d′＝6mm，r′＝1mm。當(dāng)僅有貼片天線時(shí)，其工作頻點(diǎn)為6.092ghz，其s11如圖4a中實(shí)線所示。當(dāng)貼片天線上覆蓋介質(zhì)層和等離子體柱，且等離子體全部被激勵(lì)，該介質(zhì)諧振天線變?yōu)椴徽９ぷ鳡顟B(tài)，其s11如圖4a虛線所示。不僅工作狀態(tài)改變，且工作頻率也發(fā)生變化，中心頻率由6.092ghz變?yōu)?.888ghz。然而當(dāng)?shù)入x子體不被激勵(lì)，即介質(zhì)層中的孔被空氣填充，天線處于正常工作狀態(tài)，其s11如圖4b虛線所示，其中心頻點(diǎn)為5.892ghz，與貼片天線相比，實(shí)現(xiàn)了工作頻率的可重構(gòu)。當(dāng)只激勵(lì)上層等離子體時(shí)，天線也處于不正常工作的狀態(tài)，其s11如圖4c虛線所示，只激勵(lì)下層等離子體，天線就可以正常工作，其中心頻點(diǎn)為5.9ghz，與貼片天線相比，其工作頻率改變量為0.192ghz，可見通過改變等離子體的激發(fā)狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)等離子體的工作狀態(tài)和工作頻率的重構(gòu)。

圖5是所有等離子體全部被激勵(lì)后改變等離子體頻率的天線的s11，由圖可以看出，當(dāng)改變等離子體頻率后，天線的工作狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)ωp＝30ghz時(shí)，天線處于不正常工作狀態(tài)，當(dāng)ωp＝40ghz時(shí)，天線處于正常工作狀態(tài)，且中心頻率發(fā)生了變化?？梢娡ㄟ^改變等離子體頻率也可以實(shí)現(xiàn)天線工作狀態(tài)和工作頻率的可重構(gòu)。