基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线及通信设备制造技术

本发明专利技术公开了一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线及通信设备，包括介质基板，所述介质基板的上表面印制金属超表面结构，介质基板下表面印制金属地板，所述金属地板刻蚀环形缝隙，金属地板与设置在其下方的阶梯状矩形波导连接。该天线能够在低剖面的情况下，实现频率可重构的高增益性能。实现频率可重构的高增益性能。实现频率可重构的高增益性能。

【技术实现步骤摘要】
基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线及通信设备


[0001]本专利技术涉及天线领域，具体涉及一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线及通信设备。

技术介绍

[0002]随着无线网络的发展，无线数据业务爆炸性地增长，为了满足无线通信应用场景的需求，未来的通信系统需要提供的更大的带宽以及更高的频谱效率。毫米波频段以其极宽的带宽，高传输质量等优点吸引了大众的目光。随着可重构技术的提出，给天线的设计提供了新的思路和方向于，它使用机械或者电调控的方式，能在一个天线口径中实现多个天线的功能。这种天线主要具备以下几个方面的优势：
[0003](1)多天线共用一个口径，减小了系统的体积，使得结构更加简化和紧凑，有利于集成到当前的无线通信设备上。
[0004](2)使用机械或者电调控方式进行动态调节，使天线更加灵活可变。
[0005](3)减小了设备的电磁干扰，改善负载与天线之间的电磁兼容特性。
[0006]可重构技术按照功能的不同可分为极化可重构，方向图可重构和频率可重构。可重构系统需要加载一个或者多个可控制器件来实现功能切换,传统的可控制器件大多是半导体开关，如PIN二极管、变容二极管等，但其适用频率较低，在毫米波频段插入损耗太大，40GHz时损耗已达5dB，无法在毫米波段正常使用。近年来，一些新的可控制器件不断被提出，例如，MEMS开关、相变材料等。MEMS开关转换速度慢，能耗大，且容易受到应力、潮湿、高温高压等外界因素影响，可靠性较低；碲化锗(GeTe)的性能和VO2薄膜相近，但转换速度较慢，功耗较大；而石墨烯对制备工艺要求极高，目前还没有成熟的单层石墨烯薄膜制备方法，且其调控电压也要求较高。想要实现毫米波可重构系统，寻找一种可以应用于毫米波的开关器件至关重要。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术首要目的是提供一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线，该天线能够在低剖面的情况下，实现频率可重构的高增益性能。
[0008]本专利技术的次要目的是提供一种通信设备。
[0009]本专利技术的首要目的是采用如下技术方案：
[0010]一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面印制金属超表面结构，介质基板下表面印制金属地板，所述金属地板刻蚀环形缝隙，金属地板与设置在其下方的阶梯状矩形波导连接。
[0011]进一步，所述金属超表面结构包括N*M个呈阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括两个矩形贴片，所述两个矩形贴片在垂直维度上，相对的一侧镀有二氧化钒薄膜，两个二氧化钒薄膜通过微带分支连接；在水平维度，相邻超表面单元通过微带分支连接。
[0012]进一步，所述二氧化钒薄膜采用交指结构。
[0013]进一步，还包括偏置电路，所述偏置电路设置在金属超表面结构的两侧，包括扇形枝节及金属矩形贴片，所述金属超表面结构通过一对扇形枝节与金属矩形贴片连接。
[0014]进一步，所述环形缝隙为骨头型缝隙。
[0015]进一步，所述阶梯状矩形波导加载双脊结构。
[0016]进一步，两个矩形贴片在垂直维度上间距为2*L1，L1为0.0002λ～0.02λ，λ为自由空间波长。
[0017]进一步，当二氧化钒薄膜为导体时，天线工作在28GHz：电流围绕环形缝隙外侧流动此时缝隙内的电场均沿垂直方向，从而激励超表面天线；当二氧化钒薄膜为绝缘体，天线工作在38GHz：此时缝隙看作是从垂直维度的中点为界限，分成上下两个缝隙，电流围绕每个缝隙外侧流动，上下两个缝隙同相，均沿垂直方向。
[0018]进一步，交指结构的二氧化钒薄膜的宽度W1为0.0008λ～0.08λ，长度L3为0.0005λ～0.05λ，厚度为0.000001λ～0.001λ，λ为自由空间波长。
[0019]本专利技术的次要目的是采用如下技术方案：
[0020]一种通信设备，其特征在于，包括所述的频率可重构超表面天线。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐超表面天线，当二氧化钒薄膜的电阻率改变时，可实现从28G到38G的频率调谐；
[0023](2)相比于一般可重构天线用到的半导体开关，MEMS开关和其他的相变材料，二氧化钒的损耗更小，开关速度更快，隔离度更高；
[0024](3)本专利技术提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐超表面结构，具有低剖面特性，厚度仅为0.14λ；
[0025](4)本专利技术提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐超表面，具有高增益的特性。当二氧化钒薄膜处于绝缘状态，天线带内最大增益为7.7dB。当二氧化钒薄膜处于导体状态，天线带内最大增益为7.1dB；
[0026](5)本专利技术提出的基于二氧化钒薄膜的频率可调谐超表面天线，控制电路简单，可控性强，而且两个频率之间的切换时间非常短。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的超表面单元的俯视图；
[0028]图2是本专利技术的俯视图；
[0029]图3是本专利技术的三维图；
[0030]图4是本专利技术的侧视图；
[0031]图5是本专利技术在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下的特征阻抗Z0图；
[0032]图6是本专利技术的耦合缝隙结构图；
[0033]图7(a)是本专利技术耦合缝隙工作在28GHz时电流电场分布图；
[0034]图7(b)是本专利技术耦合缝隙工作在38GHz时电流电场分布图；
[0035]图8(a)是本专利技术VO2薄膜导通和绝缘时的反射系数曲线和增益曲线；
[0036]图8(b)是本专利技术VO2薄膜导通时的方向图；
[0037]图8(c)是本专利技术VO2薄膜绝缘时的方向图。
具体实施方式
[0038]下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0039]实施例1
[0040]如图1
‑
图3所示，一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线，包括介质基板3，所述金属超表面结构2居中印制于介质基板的上表面，金属地板4设置在介质基板3的下表面。
[0041]所述金属超表面结构2由N*M个呈阵列排布的超表面单元构成，本实施例中金属超表面结构由6*8个超表面单元构成，超表面单元的结构相同，均由两个矩形贴片构成，两个矩形贴片上下对称平行放置，且在两个矩形贴片相对的一侧镀有二氧化钒薄膜1。如图1所示，是在两个矩形贴片相邻的一侧，设置二氧化钒镀膜，两侧二氧化钒镀膜通过微带分支连接。在水平维度，相邻超表面单元之间通过微带分支连接。二氧化钒薄膜1采用交指结构，这种结构相变前的电阻较低，在耗散功率一致的情况下，薄膜电路上的承载电压较低，不易击穿，更适用于多个薄膜串联的情况。由于VO2薄膜处于导体和绝缘时都不能完全看作是导体或绝缘体，所以VO2薄膜导通时会引入电阻，电感和电容，绝缘时会引入电阻和电容。VO2薄膜之间的微带分支会引入电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的上表面印制金属超表面结构，介质基板下表面印制金属地板，所述金属地板刻蚀环形缝隙，金属地板与设置在其下方的阶梯状矩形波导连接。2.根据权利要求1所述的频率可重构超表面天线，其特征在于，所述金属超表面结构包括N*M个呈阵列排布的超表面单元，所述超表面单元包括两个矩形贴片，所述两个矩形贴片在垂直维度上，相对的一侧镀有二氧化钒薄膜，两个二氧化钒薄膜通过微带分支连接；在水平维度，相邻超表面单元通过微带分支连接。3.根据权利要求2所述的频率可重构超表面天线，其特征在于，所述二氧化钒薄膜采用交指结构。4.根据权利要求1所述的频率可重构超表面天线，其特征在于，还包括偏置电路，所述偏置电路设置在金属超表面结构的两侧，包括扇形枝节及金属矩形贴片，所述金属超表面结构通过一对扇形枝节与金属矩形贴片连接。5.根据权利要求1
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4任一项所述的频率可重构超表面天线，其特征在于，所述环形缝隙为骨头型缝隙。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨琬琛，李靖豪，车文荃，薛泉，魏立，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：