基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线及通信设备

1.本发明涉及天线领域，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。


背景技术：

2.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：
3.(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。
4.(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。
5.(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。
6.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。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明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。
8.本发明的次要目的是提供一种通信设备。
9.本发明的首要目的是采用如下技术方案：
10.一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。
11.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。
12.进一步，所述二氧化钒薄膜采用交指结构。
13.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。
14.进一步，所述环形缝隙为骨头型缝隙。
15.进一步，所述阶梯状矩形波导加载双脊结构。
16.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。
17.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。
18.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。
19.本发明的次要目的是采用如下技术方案：
20.一种通信设备，其特征在于，包括所述的频率可重构超表面天线。
21.本发明的有益效果：
22.(1)本发明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；
23.(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；
24.(3)本发明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；
25.(4)本发明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；
26.(5)本发明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
27.图1是本发明的超表面单元的俯视图；
28.图2是本发明的俯视图；
29.图3是本发明的三维图；
30.图4是本发明的侧视图；
31.图5是本发明在vo2薄膜绝缘和导通两种状态下的特征阻抗z0图；
32.图6是本发明的耦合缝隙结构图；
33.图7(a)是本发明耦合缝隙工作在28ghz时电流电场分布图；
34.图7(b)是本发明耦合缝隙工作在38ghz时电流电场分布图；
35.图8(a)是本发明vo2薄膜导通和绝缘时的反射系数曲线和增益曲线；
36.图8(b)是本发明vo2薄膜导通时的方向图；
37.图8(c)是本发明vo2薄膜绝缘时的方向图。
具体实施方式
38.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
39.实施例1
40.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。
41.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感，并且每组贴片之间距离很小，因此也会形成电容。最后加上电流流经金属贴片、金属柱和地板到另一个金属贴片形成的等效电感，构成超表面结构的谐振回路。
42.进一步，在水平维度，相邻超表面单元8之间通过微带分支连接，因为天线的极化方向和水平维度的微带分支正交，所以微带分支的引入不会对谐振频率有明显的影响。
43.进一步，如图2所示，在金属超表面结构2的最左侧和最右侧，分别通过微带分支与金属矩形贴片连接，并在靠近金属矩形贴片的分支处加载一对金属扇形贴片，构成带有滤波功能的偏置电路7。扇形枝节可等效为电容，可以滤除射频信号。金属地板刻有环形缝隙9，并与下方带有双脊结构6的阶梯状矩形波导5相连。将标准矩形波导改成阶梯状的矩形波导的目的是改善阻抗匹配，加入双脊的目的是拓宽带宽并一定程度上也能改善阻抗匹配。
44.进一步，所述介质基板3的介电常数ε
r
为2～20，长度为0.1λ～3λ，宽度为0.5λ～5λ，厚度为0.01λ～0.1λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。
45.进一步，所述金属地板4长度为0.1λ～λ，宽度为0.5λ～5λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。
46.进一步地，如图2所示，所述偏置电路与金属超表面结构2所连的微带分支的长度w4，l6，w5分别为0.05λ～λ，0.08λ～1.2λ，0.08λ～1.2λ，宽度均为0.0005λ～0.05λ，λ为自由空间波长。扇形贴片的半径r为0.001λ～0.1λ，角度为30
°
～135
°
。直流电馈电处的金属矩形贴片长度和宽度l7均为0.05λ～0.5λ，λ为自由空间波长。
47.进一步地，如图1所示，超表面单元8中的矩形长度l2为0.001λ～0.1λ，宽度w为0.001λ～0.1λ，λ为自由空间波长。交指型vo2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，具体的长宽可根据调谐频率的需求而设定。连接交指型vo2薄膜的微带分支宽度w2为0.0005λ～0.05λ，长度l4为0.0001λ～0.01λ。水平
维度上连接辐射贴片的微带分支宽度w3为0.0005λ～0.05λ，长度l5为0.0005λ～0.05λ。整体的长度l为0.005λ～0.5λ。每组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。
48.进一步地，如图6所示，环形缝隙采用的是骨头型的环缝，能够在两个所需频点将电磁波耦合到上表面的金属超表面结构上，其中缝隙外侧宽度w6为0.005λ～λ，长度l8为0.002λ～0.2λ，两侧突出部分宽度w7为0.001λ～0.1λ。缝隙内侧两边凸出部分长度l9为0.001λ～0.1λ，宽度w8为0.001λ～0.1λ。
49.进一步地，所述阶梯状矩形波导5下半部分的宽度为0.05λ～5λ，长度为0.02λ～2λ，高度为0.2λ～2λ；上半部分的宽度为0.05λ～5λ，长度为0.01λ～1λ，高度为0.02λ～2λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。
50.进一步地，所述双脊结构6的长度为0.01λ～λ，宽度为0.01λ～λ，高度为0.01λ～2λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。
51.本实施例中的具体尺寸如下：
52.所述介质基板3材料为蓝宝石(al2o3)，介电常数ε
r
为10，厚度为0.5mm，约为0.5λ0，其中λ0为中心频率28ghz处的自由空间波长；所述介质基板、金属地板为矩形，宽度为14mm，长度为7mm。
53.所述超表面单元中的矩形贴片长度l2为0.2mm，宽度w为0.5mm。交指型二氧化钒薄膜的宽度w1为0.4mm，长度l3为0.1mm，具体的长宽可根据调谐频率的需求而设定。连接交指型二氧化钒薄膜的微带分支宽度w2为0.1mm，长度l4为0.06mm，厚度为200nm。整体的长度l为0.7mm。每个超表面单元中的两个矩形贴片在垂直维度上间距为2*l1，l1为0.1mm。
54.在水平维度，相邻超表面单元之间都通过微带分支连接，其宽度w3为0.1mm，长l5为0.1mm。
55.整体的金属超表面结构2由n*m个呈周期性排列的超表面单元构成，所谓单元的周期性排列指的是超表面单元按照横排和竖列分布，且每一横排的单元与下一行的单元对齐。
56.所述偏置电路与金属超表面结构所连的微带分支的长度w4，l6，w5分别为1.1mm，4.1mm和2.5mm，宽度均为0.1mm。扇形贴片的半径r为0.6mm，角度为90
°
，其位置可根据实际天线加工要求调节，但尽量里天线辐射贴片远，避免影响辐射特性。直流电馈电处的矩形贴片长度和宽度l7均为0.5mm。
57.所述带有双脊结构的阶梯状矩形波导5，波导下半部分为wr28标准波导尺寸，长为3.556mm，宽为7.112mm，高为2.4mm。阶梯状波导上半部分长为1.6mm，宽为7.112mm，高为6.4mm。波导内的双脊尺寸一样，长为0.65mm，宽为0.5mm，高为2.8mm，位于矩形波导的中心，贴着环形缝隙的边缘。
58.结合图5，当vo2薄膜为导体时，超表面的特征阻抗z0在28ghz时，实部达到最大值，虚部为0，发生谐振；当vo2薄膜为绝缘体时，超表面的特征阻抗z0在38ghz时，实部达到最大值，虚部为0，发生谐振，谐振频率的调谐比约为1:1.36。表明在低剖面的条件下，该超表面结构的工作频率会根据vo2薄膜的导电率变化而发生变化，实现频率调谐。
59.结合图6，所述环形缝隙9，采用左右完全对称的骨头型环缝，其中缝隙外侧宽度w6为1.5mm，长度l8为0.6mm，两侧突出部分宽度w7为0.35mm。缝隙内侧两边凸出部分长度l9为
0.4mm，宽度w8为0.15mm。
60.环形缝隙工作在双频时的电流电场分布如图7(a)及图7(b)所示，其中实线箭头为电流，虚线箭头为电场。当vo2薄膜为导体，天线工作在28ghz：电流围绕缝隙外侧流动，此时缝隙内的电场均沿垂直方向，从而激励超表面天线；当vo2薄膜为绝缘体，天线工作在38ghz：此时缝隙可以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。
61.图8(a)～图8(c)展示了基于vo2薄膜的频率可重构超表面天线在两个频段的带宽，增益以及方向图。图8(a)为vo2薄膜处于导体和绝缘体状态时，天线的反射系数和增益曲线，可以看出，反射系数低于
‑
10db的工作带宽分别为26.8～30.7ghz和35.7～38.3ghz，相对带宽约为13.5％和7％，最大增益分别为7.36dbi和7.2dbi；图8(b)和图8(c)分别为vo2薄膜处于导体和绝缘体状态时天线的方向图，可以看出本实施例的超表面天线交叉极化和前后比良好，且方向图十分对称。
62.具体而言，本实施例的基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线，通过将vo2薄膜应用于超表面结构，分析vo2薄膜相变前后对单元谐振频率的影响，设计出一种可实现范围频率可重构的超表面结构；最后将该结构用于毫米波天线中，设计出一种对辐射特性影响最小的偏置电路来提供直流电，实现双频可重构的高增益天线，适用于5g毫米波可重构天线设计。
63.实施例2
64.一种通信设备，包括实施例1所述的基于二氧化钒薄膜的频率可重构超表面天线。
65.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。