本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，新一代無線通信迫切需要頻率可重構(gòu)器件，使得系統(tǒng)具有多頻帶工作能力。相應(yīng)地，可調(diào)諧天線的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)有的許多技術(shù)可以獲得天線的可調(diào)性能，如使用液態(tài)金屬、半導(dǎo)體二極管或微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)進(jìn)行的可調(diào)設(shè)計均有報導(dǎo)。微帶貼片天線是一種應(yīng)用很廣泛的天線，可用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，具有低剖面、重量輕和成本低的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的可調(diào)微帶貼片天線中，多使用半導(dǎo)體變?nèi)荻O管或開關(guān)來實現(xiàn)頻率的可調(diào)，也有一些其他的研究，比如使用液晶混合物或部分磁化鐵氧體基片。但是這些方法都需要偏置電壓或電流來改變電參數(shù)或電性能，這種為實現(xiàn)的頻率可調(diào)而引入的有源電路不僅會引起功率損耗，而且會帶來非線性，產(chǎn)生新的頻率分量，并且有可能會發(fā)生電擊穿，從而限制了其在大功率天線中的應(yīng)用。另外，偏置電路的引入也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線，包括兩個正對設(shè)置的基板以及可注入微流體的微流體通道，其中一個基板上設(shè)置一貼片形式的輻射單元，另一個基板上的覆銅作為反射地，饋電結(jié)構(gòu)垂直穿設(shè)兩個基板并給所述輻射單元饋電，所述微流體通道設(shè)置在兩個基板之間且位于輻射單元所對應(yīng)的電場分布區(qū)域內(nèi)，且所述微流體通道與饋電結(jié)構(gòu)所在的輻射單元的中分面垂直。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述微流體通道為外壁與兩個基板相切的微導(dǎo)管。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述微導(dǎo)管的數(shù)量為至少一對，每一對微導(dǎo)管對稱設(shè)置在輻射單元的與微導(dǎo)管平行的中分面的兩側(cè)。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述微導(dǎo)管的數(shù)量為兩對，第一對微導(dǎo)管分別設(shè)置在輻射單元的與微導(dǎo)管平行的兩個邊緣所正對的位置，第二對微導(dǎo)管自第一對微導(dǎo)管的位置向內(nèi)移動預(yù)設(shè)距離。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述天線還包括用于與微導(dǎo)管的端部連接的、用于給微導(dǎo)管中注滿微流體或者抽空微導(dǎo)管中微流體的微型泵。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述微導(dǎo)管為聚丙烯制件。

在本發(fā)明所述的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線中，所述微流體為水。

實施本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線，具有以下有益效果：本發(fā)明在兩個基板之間且位于輻射單元所對應(yīng)的電場分布區(qū)域內(nèi)設(shè)置微流體通道，且微流體通道與饋電結(jié)構(gòu)所在的輻射單元的中分面垂直，因此通過向微流體通道注入微流體，可增大輻射單元和反射地之間的有效介電常數(shù)，從而實現(xiàn)天線工作頻率向低頻段的可調(diào)，而且可調(diào)的頻率范圍可以通過加載微流體通道的位置來控制，而且這種調(diào)節(jié)可以通過抽空微流體通道實現(xiàn)可逆，，本發(fā)明低成本、安全、有效地實現(xiàn)天線頻率可調(diào)，并且該方法不增加天線的尺寸，不破壞天線貼片的完整性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖：

圖1是本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線的較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線的較佳實施例的側(cè)視圖；

圖3是輻射單元與反射地之間區(qū)域的電場強(qiáng)度分布示意圖；

圖4是加載一對微導(dǎo)管時諧振頻率及有效介電常數(shù)隨加載位置的變化圖；

圖5是不同狀態(tài)下仿真與測試的天線工作頻率示意圖；

圖6是不同狀態(tài)下仿真與測試的天線方向圖。

具體實施方式

在本發(fā)明實施例中，天線包括兩個正對設(shè)置的基板以及可注入微流體的微流體通道，其中一個基板上設(shè)置一貼片形式的輻射單元，另一個基板上的覆銅作為反射地，饋電結(jié)構(gòu)垂直穿設(shè)兩個基板并給所述輻射單元饋電，所述微流體通道設(shè)置在兩個基板之間且位于輻射單元所對應(yīng)的電場分布區(qū)域內(nèi)，且所述微流體通道與饋電結(jié)構(gòu)所在的輻射單元的中分面垂直?；诖私Y(jié)構(gòu)，當(dāng)微流體通道中注入微流體時可以影響輻射單元和反射地之間有效介電常數(shù)，通過設(shè)置微流體通道在電場分布區(qū)域內(nèi)的位置，可控制可調(diào)的頻率范圍，而且這種調(diào)節(jié)是可逆的，可以通過抽空微流體通道實現(xiàn)。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明實施例以及實施例中的具體特征是對本申請技術(shù)方案的詳細(xì)的說明，而不是對本申請技術(shù)方案的限定，在不沖突的情況下，本發(fā)明實施例以及實施例中的技術(shù)特征可以相互組合。

參考圖1和圖2，圖1是本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線的較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線的較佳實施例的側(cè)視圖。

較佳實施例中，天線包括一對懸空的介質(zhì)基板10和20，基板尺寸均為a×b×T，尺寸為l×w的輻射單元21位于基板20的頂部，輻射單元21具體為一貼片，基板10上的覆銅作為反射地，所有覆銅厚度均為t。

其中，微導(dǎo)管與探針40所在的輻射單元21的中分面垂直?？勺⑷胛⒘黧w的微流體通道具體為外壁與兩個基板10、20相切的微導(dǎo)管。較佳實施例中，所述微導(dǎo)管為聚丙烯制件，所述微流體為純水。

本發(fā)明中微導(dǎo)管的數(shù)量不限。例如，可以將微導(dǎo)管成對對稱設(shè)置，每一對微導(dǎo)管對稱設(shè)置在輻射單元21的與微導(dǎo)管平行的中分面的兩側(cè)。參考圖1-2，較佳實施例中微導(dǎo)管為兩對，如圖中I、I'為一對微導(dǎo)管，Ⅱ、Ⅱ'為另一對微導(dǎo)管。

優(yōu)選的，所述天線還包括用于與微導(dǎo)管的端部連接的，用于給微導(dǎo)管中注滿純水或者抽空微導(dǎo)管中純水的微型泵。

具體的，饋電結(jié)構(gòu)具體為一個帶有SMA接頭的探針40，探針40垂直穿過整個結(jié)構(gòu)后給貼片形式的輻射單元21饋電。此時在輻射單元21和反射地形成的空腔中的場，可以通過一個頂部和底部是理想電壁、剩下的其他側(cè)面為理想磁壁的空腔模型來近似描述。在這一饋電方式下，該空腔中的基模TM₁₀₀模式被激勵產(chǎn)生，該模的諧振頻率(即基頻)可由下述的式(1)近似計算得到：

其中，μ表示基板的磁導(dǎo)率，l由下述的式(2)確定：

l≈λ_g/2, (2)

參考圖1，以探針40所在的輻射單元21的中分面(即與長度l平行的中分面)的投影為x軸，另一個與x軸垂直的輻射單元21的中分面30(即與寬度w平行的中分面))的投影為y軸，探針40的長度方向為z軸，建立圖1所示的坐標(biāo)系后，該空腔的電場可以大致由式(3)描述：

從式(1)可見，在某個特定尺寸的天線結(jié)構(gòu)當(dāng)中，諧振頻率取決于有效介電常數(shù)；式(2)則表明貼片的長度始終保持在半導(dǎo)波波長，形成半波諧振貼片。

本發(fā)明通過在貼片和反射地之間加載微導(dǎo)管來引導(dǎo)水從而實現(xiàn)頻率的可調(diào)，微導(dǎo)管同時還提供結(jié)構(gòu)的支撐。采用純水，其介電常數(shù)81，遠(yuǎn)大于空氣。當(dāng)微導(dǎo)管中的水被抽空時，天線諧振頻率保持在基頻附近；注滿水后的微導(dǎo)管通過改變有效介電常數(shù)來改變天線的諧振頻率，這樣就可以實現(xiàn)天線工作頻率的可調(diào)性能。

頻率的可調(diào)能力取決于放置微導(dǎo)管的位置和電場分布之間的關(guān)系，因為注入水后水對有效介電常數(shù)的影響取決于電場分布。放置微導(dǎo)管處的電場越強(qiáng)，水就會產(chǎn)生越大的有效介電常數(shù)。參考公式(3)和圖3，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在x＝±l/2處，即貼片的尺寸為w的輻射邊緣，此后電場強(qiáng)度隨到該邊緣距離的增加而減小，零電場出現(xiàn)在x＝0和|x|遠(yuǎn)大于l/2位置，即與輻射邊緣平行的貼片中線以及遠(yuǎn)離貼片處。因此，當(dāng)微導(dǎo)管放在貼片的輻射邊緣下方時，管中的水對有效介電常數(shù)的影響最大，進(jìn)而達(dá)到該微導(dǎo)管對天線的工作頻率可控的最低頻率，而微導(dǎo)管放置在y軸或遠(yuǎn)離貼片處時卻不起作用。這表明將微導(dǎo)管放在不同位置處可改變頻率可調(diào)范圍。

但是實際應(yīng)用中臨時改變微導(dǎo)管的位置不夠便利，可操作性不強(qiáng)，所以為了便于使用，可以預(yù)先在不同的位置固定一定數(shù)量的微導(dǎo)管，然后通過控制每個微導(dǎo)管的狀態(tài)調(diào)控諧振頻率，例如較佳實施例中，先預(yù)設(shè)兩對微導(dǎo)管，可以通過控制每個微導(dǎo)管的狀態(tài)(抽空或者注滿水)獲取不同的諧振頻率。

下面以一個天線樣品說明本發(fā)明的效果。

采用羅杰斯(Rogers)4003C基板，介電常數(shù)ε_r＝3.38，損耗角正切tanδ＝0.0027，每個基板的厚度T＝0.813mm，標(biāo)準(zhǔn)銅厚t＝18μm。貼片的長l＝60mm,寬w＝90mm，基板尺寸a＝120mm,b＝140mm.根據(jù)阻抗匹配原理調(diào)節(jié)饋電位置l_f＝7.6mm。該天線沿著y方向在貼片和反射地間對稱加載微導(dǎo)管以保證場對稱分布。將各微導(dǎo)管依次記為I(I')，Ⅱ(Ⅱ')…，每根微導(dǎo)管都存在著注滿水和抽空水兩種狀態(tài)，分別記為1和0兩種狀態(tài)。微導(dǎo)管由聚丙烯制成，介電常數(shù)ε_r＝2.3，外徑D＝4.5mm，內(nèi)徑D_in＝3.5mm。

為了驗證加載位置對頻率可調(diào)范圍的控制，先僅對稱加載一對微導(dǎo)管I(I')，將這兩根注滿水的微導(dǎo)管從中心線x＝0向介質(zhì)基板的兩個邊緣逐漸移動，此時微導(dǎo)管到中心線的距離l₁的變化范圍為2.25mm(D/2)～60mm(a/2)。不同的l₁對應(yīng)的諧振頻率的變化趨勢如圖4所示?？梢姡S著l₁增大，諧振頻率從2.038GHz開始減小到最低頻率1.612GHz，此時l₁＝30mm＝l/2，即達(dá)到最小頻率時兩根注滿水的微導(dǎo)管被放在貼片的下方并且微導(dǎo)管的外邊緣和貼片的輻射邊緣重合，然后諧振頻率隨著l₁的增加而迅速的增大，最終穩(wěn)定保持在2.04GHz附近。

對于較佳實施例的兩對微導(dǎo)管I(I')，Ⅱ(Ⅱ')而言，為保證用盡量少的微導(dǎo)管獲得工作頻率的可調(diào)范圍最大化，其中一對I(I')放置在貼片輻射邊緣下方，另外一對Ⅱ(Ⅱ')在貼片下方緊挨著I(I')放置，為避免與探針40重合，位置略有錯開。這兩對微導(dǎo)管有四種對稱狀態(tài)：“0000”、“0110”、“1001”和“1111”，對應(yīng)著樣品天線四個可控的工作頻率。

圖5顯示了電磁仿真的以及測試所得的回波損耗S11，據(jù)圖，所設(shè)計的微流體可調(diào)天線具有可控制的工作頻率，范圍為1.460-2.014GHz。

表1四種狀態(tài)下天線仿真與測試的工作頻率及最大增益

表1列出四種狀態(tài)下天線仿真與測試的工作頻率及最大增益，仿真使用Ansoft HFSS，測試使用Agilent E8363C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在800MHz-40GHz微波暗室進(jìn)行。在誤差允許范圍內(nèi)，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，天線的可調(diào)范圍可以達(dá)到28％，其計算公式如下：

Δf＝(f_max-f_min)/f_max。 (4)

圖6示意出了不同工作頻率下的仿真和測試的歸一化E面和H面方向圖，前者由Ansoft HFSS仿真，后者在一個遠(yuǎn)場天線測試系統(tǒng)中測得。圖中，第一行的四個圖分別為：0000狀態(tài)時E面、0000狀態(tài)時H面、0110狀態(tài)時E面、0110狀態(tài)時E面，第二行的四個圖分別為：1001狀態(tài)時E面、1001狀態(tài)時H面、1111狀態(tài)時E面、1111狀態(tài)時H面?？梢姡膫€狀態(tài)下的E面和H面都是單方向近似對稱的，測得的后瓣均小于-18db，交叉極化也小于-18db，最大增益大于6.7dBi，實驗和仿真結(jié)果的差異主要是因為加工和測量誤差造成。

綜上所述，實施本發(fā)明的微流體控制的頻率可調(diào)微帶貼片天線，具有以下有益效果：本發(fā)明在兩個基板之間且位于輻射單元所對應(yīng)的電場分布區(qū)域內(nèi)設(shè)置微流體通道，且微流體通道與饋電結(jié)構(gòu)所在的輻射單元的中分面垂直，因此通過向微流體通道注入微流體，可增大輻射單元和反射地之間的有效介電常數(shù)，從而實現(xiàn)天線工作頻率向低頻段的可調(diào)，而且可調(diào)的頻率范圍可以通過加載微流體通道的位置來控制，而且這種調(diào)節(jié)可以通過抽空微流體通道實現(xiàn)可逆，本發(fā)明低成本、安全、有效地實現(xiàn)天線頻率可調(diào)，并且該方法不增加天線的尺寸，不破壞天線貼片的完整性。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。