一种微流体控制的频率可调微带贴片天线的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种微流体控制的频率可调微带贴片天线。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展，新一代无线通信迫切需要频率可重构器件，使得系统具有多频带工作能力。相应地，可调谐天线的发展引起了广泛的关注，现有的许多技术可以获得天线的可调性能，如使用液态金属、半导体二极管或微电子机械系统(MEMS)开关进行的可调设计均有报导。微带贴片天线是一种应用很广泛的天线，可用于现代无线通信系统中，具有低剖面、重量轻和成本低的优势。在传统的可调微带贴片天线中，多使用半导体变容二极管或开关来实现频率的可调，也有一些其他的研究，比如使用液晶混合物或部分磁化铁氧体基片。但是这些方法都需要偏置电压或电流来改变电参数或电性能，这种为实现的频率可调而引入的有源电路不仅会引起功率损耗，而且会带来非线性，产生新的频率分量，并且有可能会发生电击穿，从而限制了其在大功率天线中的应用。另外，偏置电路的引入也增加了系统的复杂性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微流体控制的频率可调微带贴片天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种微流体控制的频率可调微带贴片天线，包括两个正对设置的基板以及可注入微流体的微流体通道，其中一个基板上设置一贴片形式的辐射单元，另一个基板上的覆铜作为反射地，馈电结构垂直穿设两个基板并给所述辐射单元馈电，所述微流体通道设置在两个基板之间且位于辐射单元所对应的电场分布区域内，且所述微流体通道与馈电结构所在的辐射单元的中分面垂直。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述微流体通道为外壁与两个基板相切的微导管。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述微导管的数量为至少一对，每一对微导管对称设置在辐射单元的与微导管平行的中分面的两侧。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述微导管的数量为两对，第一对微导管分别设置在辐射单元的与微导管平行的两个边缘所正对的位置，第二对微导管自第一对微导管的位置向内移动预设距离。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述天线还包括用于与微导管的端部连接的、用于给微导管中注满微流体或者抽空微导管中微流体的微型泵。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述微导管为聚丙烯制件。

在本发明所述的微流体控制的频率可调微带贴片天线中，所述微流体为水。

实施本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线，具有以下有益效果：本发明在两个基板之间且位于辐射单元所对应的电场分布区域内设置微流体通道，且微流体通道与馈电结构所在的辐射单元的中分面垂直，因此通过向微流体通道注入微流体，可增大辐射单元和反射地之间的有效介电常数，从而实现天线工作频率向低频段的可调，而且可调的频率范围可以通过加载微流体通道的位置来控制，而且这种调节可以通过抽空微流体通道实现可逆，，本发明低成本、安全、有效地实现天线频率可调，并且该方法不增加天线的尺寸，不破坏天线贴片的完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线的较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线的较佳实施例的侧视图；

图3是辐射单元与反射地之间区域的电场强度分布示意图；

图4是加载一对微导管时谐振频率及有效介电常数随加载位置的变化图；

图5是不同状态下仿真与测试的天线工作频率示意图；

图6是不同状态下仿真与测试的天线方向图。

具体实施方式

在本发明实施例中，天线包括两个正对设置的基板以及可注入微流体的微流体通道，其中一个基板上设置一贴片形式的辐射单元，另一个基板上的覆铜作为反射地，馈电结构垂直穿设两个基板并给所述辐射单元馈电，所述微流体通道设置在两个基板之间且位于辐射单元所对应的电场分布区域内，且所述微流体通道与馈电结构所在的辐射单元的中分面垂直。基于此结构，当微流体通道中注入微流体时可以影响辐射单元和反射地之间有效介电常数，通过设置微流体通道在电场分布区域内的位置，可控制可调的频率范围，而且这种调节是可逆的，可以通过抽空微流体通道实现。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图1和图2，图1是本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线的较佳实施例的结构示意图；图2是本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线的较佳实施例的侧视图。

较佳实施例中，天线包括一对悬空的介质基板10和20，基板尺寸均为a×b×T，尺寸为l×w的辐射单元21位于基板20的顶部，辐射单元21具体为一贴片，基板10上的覆铜作为反射地，所有覆铜厚度均为t。

其中，微导管与探针40所在的辐射单元21的中分面垂直。可注入微流体的微流体通道具体为外壁与两个基板10、20相切的微导管。较佳实施例中，所述微导管为聚丙烯制件，所述微流体为纯水。

本发明中微导管的数量不限。例如，可以将微导管成对对称设置，每一对微导管对称设置在辐射单元21的与微导管平行的中分面的两侧。参考图1-2，较佳实施例中微导管为两对，如图中I、I'为一对微导管，Ⅱ、Ⅱ'为另一对微导管。

优选的，所述天线还包括用于与微导管的端部连接的，用于给微导管中注满纯水或者抽空微导管中纯水的微型泵。

具体的，馈电结构具体为一个带有SMA接头的探针40，探针40垂直穿过整个结构后给贴片形式的辐射单元21馈电。此时在辐射单元21和反射地形成的空腔中的场，可以通过一个顶部和底部是理想电壁、剩下的其他侧面为理想磁壁的空腔模型来近似描述。在这一馈电方式下，该空腔中的基模TM₁₀₀模式被激励产生，该模的谐振频率(即基频)可由下述的式(1)近似计算得到：

其中，μ表示基板的磁导率，l由下述的式(2)确定：

l≈λ_g/2, (2)

参考图1，以探针40所在的辐射单元21的中分面(即与长度l平行的中分面)的投影为x轴，另一个与x轴垂直的辐射单元21的中分面30(即与宽度w平行的中分面))的投影为y轴，探针40的长度方向为z轴，建立图1所示的坐标系后，该空腔的电场可以大致由式(3)描述：

从式(1)可见，在某个特定尺寸的天线结构当中，谐振频率取决于有效介电常数；式(2)则表明贴片的长度始终保持在半导波波长，形成半波谐振贴片。

本发明通过在贴片和反射地之间加载微导管来引导水从而实现频率的可调，微导管同时还提供结构的支撑。采用纯水，其介电常数81，远大于空气。当微导管中的水被抽空时，天线谐振频率保持在基频附近；注满水后的微导管通过改变有效介电常数来改变天线的谐振频率，这样就可以实现天线工作频率的可调性能。

频率的可调能力取决于放置微导管的位置和电场分布之间的关系，因为注入水后水对有效介电常数的影响取决于电场分布。放置微导管处的电场越强，水就会产生越大的有效介电常数。参考公式(3)和图3，最大电场强度出现在x＝±l/2处，即贴片的尺寸为w的辐射边缘，此后电场强度随到该边缘距离的增加而减小，零电场出现在x＝0和|x|远大于l/2位置，即与辐射边缘平行的贴片中线以及远离贴片处。因此，当微导管放在贴片的辐射边缘下方时，管中的水对有效介电常数的影响最大，进而达到该微导管对天线的工作频率可控的最低频率，而微导管放置在y轴或远离贴片处时却不起作用。这表明将微导管放在不同位置处可改变频率可调范围。

但是实际应用中临时改变微导管的位置不够便利，可操作性不强，所以为了便于使用，可以预先在不同的位置固定一定数量的微导管，然后通过控制每个微导管的状态调控谐振频率，例如较佳实施例中，先预设两对微导管，可以通过控制每个微导管的状态(抽空或者注满水)获取不同的谐振频率。

下面以一个天线样品说明本发明的效果。

采用罗杰斯(Rogers)4003C基板，介电常数ε_r＝3.38，损耗角正切tanδ＝0.0027，每个基板的厚度T＝0.813mm，标准铜厚t＝18μm。贴片的长l＝60mm,宽w＝90mm，基板尺寸a＝120mm,b＝140mm.根据阻抗匹配原理调节馈电位置l_f＝7.6mm。该天线沿着y方向在贴片和反射地间对称加载微导管以保证场对称分布。将各微导管依次记为I(I')，Ⅱ(Ⅱ')…，每根微导管都存在着注满水和抽空水两种状态，分别记为1和0两种状态。微导管由聚丙烯制成，介电常数ε_r＝2.3，外径D＝4.5mm，内径D_in＝3.5mm。

为了验证加载位置对频率可调范围的控制，先仅对称加载一对微导管I(I')，将这两根注满水的微导管从中心线x＝0向介质基板的两个边缘逐渐移动，此时微导管到中心线的距离l₁的变化范围为2.25mm(D/2)～60mm(a/2)。不同的l₁对应的谐振频率的变化趋势如图4所示。可见，随着l₁增大，谐振频率从2.038GHz开始减小到最低频率1.612GHz，此时l₁＝30mm＝l/2，即达到最小频率时两根注满水的微导管被放在贴片的下方并且微导管的外边缘和贴片的辐射边缘重合，然后谐振频率随着l₁的增加而迅速的增大，最终稳定保持在2.04GHz附近。

对于较佳实施例的两对微导管I(I')，Ⅱ(Ⅱ')而言，为保证用尽量少的微导管获得工作频率的可调范围最大化，其中一对I(I')放置在贴片辐射边缘下方，另外一对Ⅱ(Ⅱ')在贴片下方紧挨着I(I')放置，为避免与探针40重合，位置略有错开。这两对微导管有四种对称状态：“0000”、“0110”、“1001”和“1111”，对应着样品天线四个可控的工作频率。

图5显示了电磁仿真的以及测试所得的回波损耗S11，据图，所设计的微流体可调天线具有可控制的工作频率，范围为1.460-2.014GHz。

表1四种状态下天线仿真与测试的工作频率及最大增益

表1列出四种状态下天线仿真与测试的工作频率及最大增益，仿真使用Ansoft HFSS，测试使用Agilent E8363C矢量网络分析仪，在800MHz-40GHz微波暗室进行。在误差允许范围内，测试结果与仿真结果吻合，天线的可调范围可以达到28％，其计算公式如下：

Δf＝(f_max-f_min)/f_max。 (4)

图6示意出了不同工作频率下的仿真和测试的归一化E面和H面方向图，前者由Ansoft HFSS仿真，后者在一个远场天线测试系统中测得。图中，第一行的四个图分别为：0000状态时E面、0000状态时H面、0110状态时E面、0110状态时E面，第二行的四个图分别为：1001状态时E面、1001状态时H面、1111状态时E面、1111状态时H面。可见，四个状态下的E面和H面都是单方向近似对称的，测得的后瓣均小于-18db，交叉极化也小于-18db，最大增益大于6.7dBi，实验和仿真结果的差异主要是因为加工和测量误差造成。

综上所述，实施本发明的微流体控制的频率可调微带贴片天线，具有以下有益效果：本发明在两个基板之间且位于辐射单元所对应的电场分布区域内设置微流体通道，且微流体通道与馈电结构所在的辐射单元的中分面垂直，因此通过向微流体通道注入微流体，可增大辐射单元和反射地之间的有效介电常数，从而实现天线工作频率向低频段的可调，而且可调的频率范围可以通过加载微流体通道的位置来控制，而且这种调节可以通过抽空微流体通道实现可逆，本发明低成本、安全、有效地实现天线频率可调，并且该方法不增加天线的尺寸，不破坏天线贴片的完整性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。