基于二氧化钒薄膜的三频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三频可重构超表面天线及通信设备，包括介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下表面，超表面结构设置在介质基板的上表面，所述超表面结构包括N*M个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元包括一个嵌有二氧化钒薄膜的方环及八个矩形贴片，所述八个矩形贴片设置在方环周围。本发明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，当方环中的二氧化钒薄膜的电阻率改变时，可实现从21.5GHz到28GHz的频率调谐，并且通过四周的矩形贴片引入40GHz的频点，实现三频可调谐的功能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
基于二氧化钒薄膜的三频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三频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。现代通信、雷达、制导及导航等系统的工作频率已逐步由微波频段扩展到毫米波频段，尤其是在军事应用方面，毫米波电路与系统以其结构小、重量轻、分辨力高、抗干扰能力强等特点，展现出巨大的优势。为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的，飞机、舰船和卫星等载体往往需要搭载多个无线电设备，随着搭载的设备密度的不断提高，设备之间的电磁干扰变得非常严重，甚至导致设备无法正常工作。为减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面积、实现良好的电磁兼容特性，希望实现一个多功能的系统，通过切换状态可以实现不同的功能。
[0003]可重构技术的提出，给天线的设计提供了新的思路和方向，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：
[0004](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。
[0005](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。
[0006](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。
[0007]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。因此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

[0008]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提供一种基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线，该天线能够在低剖面的情况下，实现高增益和大范围频率调谱。
[0009]本专利技术的次要目的是提供一种通信设备。
[0010]本专利技术首要目的是采用如下技术方案：
[0011]一种基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线，包括介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下表面，超表面结构设置在介质基板的上表面，所述超表面结构包括N*M个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元包括一个嵌有二氧化钒薄膜的方环及八个矩形贴片，所述八个矩形贴片设置在方环周围。
[0012]进一步，所述方环位于超表面单元的中心位置，且在上、下边对称位置刻蚀交指型缝隙用于嵌入二氧化钒薄膜。
[0013]进一步，N*M个超表面单元内的方环通过微带分支相互连接，形成连通回路。
[0014]进一步，所述超表面结构的两端分别设置一个金属偏置电路，所述金属偏置电路包括一对金属扇形贴片及金属矩形贴片，所述金属矩形贴片通过一对金属扇形贴片与超表面结构连接。
[0015]进一步，所述金属地板上刻蚀组合缝隙，所述组合缝隙包括一条环形缝隙、一条骨头缝隙及两条U型寄生缝隙，所述骨头缝隙位于环形缝隙的中心位置，两条U型寄生缝隙对称位于环形缝隙的两侧。
[0016]进一步，还包括加载金属双脊结构的阶梯波导，所述金属地板与阶梯波导连接。
[0017]进一步，环形缝隙及骨头缝隙的两端均设凸出部分，用于增大电流路径；
[0018]环形缝隙、骨头缝隙及U型寄生缝隙的长度均为工作频率的半波长。
[0019]进一步，嵌入二氧化钒薄膜的宽度W1为0.005λ～0.1λ，长度L3为0.003λ～0.1λ。
[0020]进一步，所述超表面单元为2*2个，组合缝隙两个，对称分布在金属地板水平中线的两侧。
[0021]本专利技术次要目的是采用如下技术方案：
[0022]一种通信设备，包括所述的三频可重构超表面天线。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024](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，当方环中的二氧化钒薄膜的电阻率改变时，可实现从21.5GHz到28GHz的频率调谐，并且通过四周的矩形贴片引入40GHz的频点，实现三频可调谐的功能；
[0025](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；
[0026](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，结构厚度仅为0.1λ；
[0027](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导体状态，天线在21.17～21.82GHz中最大增益为7.4dBi，在38.55～41.24GHz中最大增益为14.6dBi。当二氧化钒薄膜处于绝缘状态，天线在27.85～28.97GHz中最大增益为7.5dBi，在38.57～41.3GHz中最大增益为14.4dBi；
[0028](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
[0029]图1是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的单元结构俯视图；
[0030]图2是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的三维图；
[0031]图3是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的俯视图；
[0032]图4是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的侧视图；
[0033]图5(a)及图5(b)分别是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的耦合缝隙结构图；
[0034]图6(a)及图6(b)是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线在VO2薄膜绝缘和导通两种状态下的特征阻抗Z0图；
[0035]图7(a)是本专利技术基于二氧化钒薄膜的三频可重构超表面天线的耦合缝隙在VO2薄膜导通时22GHz工作电场分布图；
[0036]图7(b)是耦合缝隙在VO2薄膜导通时40GHz工作电场分布图；
[0037]图7(c)是耦合缝隙在VO2薄膜断开时28GHz工作电场分布图；
[0038]图7(d)是耦合缝隙在VO2薄膜断开时40GHz工作电场分布图；
[0039]图7(e)是图7(a)～图7(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三频可重构超表面天线，包括介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下表面，超表面结构设置在介质基板的上表面，其特征在于，所述超表面结构包括N*M个呈阵列排布的超表面单元，每个超表面单元包括一个嵌有二氧化钒薄膜的方环及八个矩形贴片，所述八个矩形贴片设置在方环周围。2.根据权利要求1所述的三频可重构超表面天线，其特征在于，所述方环位于超表面单元的中心位置，且在上、下边对称位置刻蚀交指型缝隙用于嵌入二氧化钒薄膜。3.根据权利要求1所述的三频可重构超表面天线，其特征在于，N*M个超表面单元内的方环通过微带分支相互连接，形成连通回路。4.根据权利要求3所述的三频可重构超表面天线，其特征在于，所述超表面结构的两端分别设置一个金属偏置电路，所述金属偏置电路包括一对金属扇形贴片及金属矩形贴片，所述金属矩形贴片通过一对金属扇形贴片与超表面结构连接。5.根据权利要求1
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4任一项所述的三频可重构超表面天线，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琬琛，李靖豪，车文荃，薛泉，刘旭夫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：