基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器
阅读说明：本技术 基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器 (Frequency-tunable microstrip patch resonator based on half-cut technology ) 是由 陈建新 张小珂 王雪颖 唐世昌 杨玲玲 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器,包括自下而上依次层叠设置的金属地、底层基板、顶层基板和微带贴片,底层基板和顶层基板之间具有一个频率调谐用微带线,频率调谐用微带线隔着顶层基板与微带贴片非接触地交叠,频率调谐用微带线外端与加载在顶层基板上表面的可变电容的内端电连接,可变电容外端与金属地电连接,微带贴片远离可变电容的一侧接地。频率调谐用微带线与可变电容构成非接触式频率调谐结构,用于连续的调谐谐振器的频率。本发明首次提出一种新型的非接触式可变电容加载方案,来设计工作在主模TM10下的频率可重构的微带贴片谐振器。(The invention relates to a frequency tunable microstrip patch resonator based on a half-cut technology, which comprises a metal ground, a bottom substrate, a top substrate and a microstrip patch, wherein the metal ground, the bottom substrate, the top substrate and the microstrip patch are sequentially stacked from bottom to top, a microstrip line for frequency tuning is arranged between the bottom substrate and the top substrate, the microstrip line for frequency tuning is overlapped with the microstrip patch in a non-contact way by separating the top substrate from the top substrate, the outer end of the microstrip line for frequency tuning is electrically connected with the inner end of a variable capacitor loaded on the upper surface of the top substrate, the outer end of the variable capacitor is electrically connected with the metal ground, and one side of. The microstrip line for frequency tuning and the variable capacitor form a non-contact frequency tuning structure for continuously tuning the frequency of the resonator. The invention firstly provides a novel non-contact variable capacitance loading scheme to design a frequency-reconfigurable microstrip patch resonator working under a main mode TM 10.)
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器。
背景技术
随着通信系统的小型化，需要将更多部件集成到有限的空间中，因此天线的小型化技术受到了广泛关注。但是天线的尺寸与其性能密切相关，因此针对小型化天线的设计并不容易。天线实现小型化的方法可以是：（1）维持天线原有的频率，减小其物理尺寸。（2）保持天线物理尺寸不变，降低其工作频率，以达到减小天线的电尺寸的效果。针对微带天线的小型化技术目前主要是基于使用新型材料或设计新颖的天线结构。例如，使用超材料设计了一种结构紧凑的磁电介质基板，通过增加基板的参数在频率不变的情况下减小天线尺寸；将微带贴片的一端短路能够在某些频率下将天线的物理尺寸减少一半。
为了满足无线通信系统的发展要求，近年来对多功能天线进行了广泛的研究。其中，可重构天线其优异的性能成为研究热点。可重构天线具有小尺寸，功能灵活等卓越特性，可以替换多个天线。可重构谐振器是可重构天线的核心单元，它直接影响着可重构天线的性能。近年来，已经设计出了各种各样的可重构谐振器，它们被广泛的应用在极化可重构、方向图可重构和频率可重构天线中。，它们在现代无线通信系统中发挥了重要作用。其中，频率可重构的谐振器因更适用于同时执行感测频率和通信功能的认知无线电系统而备受关注。这类谐振器可以通过加载可调谐元件来实现，例如，使用pin二极管在多个离散状态之间切换，或者加载可变电容以连续调谐工作状态。此外，采用射频微机电系统（MEMS）或液态金属也可以实现可重构的性能。
微带贴片谐振器由于具有剖面低、增益高以及易于加载可变电容等优点而被广泛应用于可重构谐振器，尤其是频率可重构谐振器的设计中。通常，可变电容被直接加载在微带贴片上。文献《Frequency-reconfigurable low-profile circular monopolar patchantenna》（L. Ge and K. Luk, EEE Trans Antennas Propag., vol. 62, no. 7, pp.3443-3449, July 2014.）中提出了一种频率可重构堆叠贴片谐振器，天线由两个堆叠的正方形贴片组成，每个贴片被一个间隙分割成两个矩形部分，可变电容被直接加载在微带贴片中间的间隙上。文献《Unidirectional dual-band stacked patch antenna withindependent frequency reconfiguration》（L. Ge, M. Li, J. Wang and H. Gu, IEEEAntennas Wireless Propag Lett., vol. 16, pp. 113-116, 2017.）提出了一种基于圆形单极贴片频率可重构谐振器，四个扇形贴片加载在中心辐射贴片周围，在辐射贴片和扇形贴片之间的间隙引入了可变电容来实现频率可调。
但是以上设计都是将可调谐结构直接与辐射贴片连接，这使得可变电容对谐振器的辐射性能影响较大，因此，首次提出了一种新型非接触式可变电容加载方案，来设计工作在主模TM10模式下的频率可重构谐振器，与传统的频率可重构微带贴片谐振器相比，非接触式可变电容加载方案将辐射贴片与可调谐结构分隔开来，在应用到天线中时可以减少加载可调谐结构对谐振器辐射性能的影响并提高设计的自由度。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器。
为了实现本发明目的，本发明提供的基于半切技术的频率可调谐微带贴片谐振器，包括自下而上依次层叠设置的金属地、底层基板、顶层基板和微带贴片，其特征在于：底层基板和顶层基板之间具有一个半切沿微带贴片中心线布置的频率调谐用微带线，频率调谐用微带线与微带贴片之间隔着所述的顶层基板，所述频率调谐用微带线和微带贴片在底层基板上的投影相交，频率调谐用微带线外端与加载在顶层基板上表面的可变电容的第一端电连接，可变电容的第二端与金属地电连接，频率调谐用微带线与可变电容构成非接触式频率调谐结构，所述微带贴片远离可变电容的一侧接地。
本发明微带贴片谐振器由微带贴片以及两层介质基板组成，微带贴片放置在顶层基板上，其一侧与金属地相连接，从而实现微带贴片的半切。谐振器引入了一种非接触式频率可调谐结构，该频率可调谐结构由位于中间层的非接触式频率调谐用微带线和对应可变电容构成，所述频率调谐用微带线与微带贴片在底层基板上投影相交，用于调谐微带贴片谐振器的频率，所述频率调谐用微带线末端加载有可变电容，用于实现谐振器频率的连续调谐。非接触式频率调谐用微带线与微带贴片之间隔着顶层基板，在实际应用到天线中时可以减少加载可调谐结构对谐振器辐射性能的影响，同时提高设计的自由度。本谐振器可用于基膜TM10模式。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片谐振器立体图。
图2 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片谐振器侧视图。
图3 是本发明非接触式频率可调谐微带贴片谐振器结构示意图。
图4是本发明非接触式频率可调谐微带贴片谐振器可调谐结构的等效电路图。
图5是本发明非接触式频率可调谐微带贴片谐振器在电容范围固定在0.1-0.9 pF时,在不同的频率调谐用微带线与微带贴片交叠长度（l i）下的频率变化曲线图。
图中标号示意如下：1-微带贴片，2-可变电容，3-金属化通孔，4-金属化通孔，5-顶层基板，6-频率调谐用微带线，7-金属化通孔，8-底层基板，9-金属地。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图3所示，本发明实施例非接触式可变电容加载的频率可调谐微带谐振器包括自下而上依次层叠设置的金属地9，底层基板8、顶层基板5和微带贴片1。微带贴片1为矩形微带贴片，设置于顶层基板5的正中央。顶层基板5与底层基板8之间具有一个频率调谐用微带线6，频率调谐用微带线6沿微带贴片1中心线布置。频率调谐用微带线6隔着顶层基板5与微带贴片1非接触地交叠（频率调谐用微带线6在底层基板8上的投影与微带贴片1在底层基板8上的投影相交，即两投影部分地重叠），频率调谐用微带线6的外端通过金属化通孔4与加载在顶层基板5上表面的可变电容2连接，可变电容2外端通过金属化通孔3接地（与金属地8电连接）。如图所示，可变电容2设置于微带贴片1的中心线上。频率调谐用微带线6与对应的可变电容2构成非接触式频率调谐结构，通过调整可变电容的容值C来调谐微带贴片谐振器的频率。微带贴片1远离可变电容2的一侧通过一排贯穿顶层基板5和底层基板8的半径为0.2mm的金属化通孔7与金属地9连接，实现微带贴片1该侧的短路，进而实现微带贴片的半切。
本发明实施例对谐振器各部分的尺寸进行优化，具体的谐振器的参数见下表。
参数
<i>h</i><sub>1</sub>
<i>l</i><sub>p</sub>
<i>l</i><sub><i>w</i></sub>
<i>w</i>
<i>l</i>
<i>l</i><sub>i</sub>
<i>l</i><sub><i>g</i></sub>
值(mm)
0.508
20
10
2
12.5
6.5
60
表中，h 1为顶层基板5和底层基板8的高度，l p为微带贴片1的长度，l w 为微带贴片1的宽度，w为频率调谐用微带线6的宽度，l为频率调谐用微带线的长度, l i为频率调谐用微带线6隔着顶层基板5与微带贴片1非接触式交叠的长度，即频率调谐用微带线6内端伸入微带贴片1下方的长度，l g为顶层基板5和底层基板8的边长。微带贴片1的面积为l p×l p。顶层基板5和底层基板8采用的型号是Rogers RO4003，其介电常数为ε r= 3.38，损耗角正切为tanδ= 2.7×10-3，顶层基板5和底层基板8的体积为l g×l g×h 1，底层基板8为双面印刷电路板，双面印刷电路板8的上表面为频率调谐用微带线6，下表面为金属地8。
本实施例将一个与微带贴片非接触并加载有可变电容的微带线作为调谐结构，来实现谐振器频率可重构的功能。通过本征模仿真，发现主模TM10的极化方向与x轴平行，为了顺应TM10模式的极化方向，调谐结构沿x轴方向放置。该频率可调谐结构由中间层端接可变电容2的频率调谐用微带线构成，可变电容2的内端通过金属化通孔4与中间层微带线6连接，外端通过金属化通孔3连接金属地9。通过调节可变电容2控制频率调谐用微带线6与微带贴片1的交叠面积，实现天线频率的可重构。频率调谐用微带线6与微带贴片1之间隔着顶层基板5，从而减少加载可调谐结构对天线辐射性能的影响，同时提高了设计的自由度。仿真结果表明，调谐结构的引入几乎不改变TM10模式的极化方向，这在天线应用中对于维持稳定的辐射方向图是十分有利的。频率调谐用微带线6的交叠长度则定义为l i 。
本实施例谐振器中，调谐结构的等效电路可以表示为电容Ci和Cv串联而成。其中，Ci表示频率调谐用微带线和微带贴片谐振器之间的耦合电容， Cv表示可变电容的电容值。在本设计中，谐振频率的下移应归因于调谐用微带线交叠部分与微带贴片谐振器之间的耦合引起的电容效应（对应于Ci）。同时，为了实现连续调谐频率的功能，在顶层基板上表面加载了可变电容并通过金属化通孔与频率调谐用微带线的末端连接，通过调节可变电容的容值Cv的大小，来动态地调整微带线的电长度。
如图4所示，由于可变电容的电容Cv、耦合电容Ci是串联的，因此它们将共同影响谐振器的工作频率。所以，发明者通过选择不同的微带线交叠长度（l i ）来观察频率的变化。
图5为非接触式可变电容加载的频率可调谐微带贴片谐振器在电容范围固定在0.1-0.9pF时，在不同的频率调谐用微带线与微带贴片交叠长度（l i ）下的频率变化曲线图。频率调节范围为14.53%（l i =7.5）-19.27%( l i =9.5)。从图中可以看出，当可变电容Cv的范围被固定在0.1-0.9pF时,主模TM10的频率随着Cv和l i 的增加而下移。l i 越大，频率调谐范围越大。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种基于硅硅键合的谐振器整板基座与盖板