基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线

本申请涉及天线，特别是涉及一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线。

背景技术：

1、当今，移动通信设备、卫星通信、机载雷达和无人机探测通信系统等重要信息通信技术应用领域要求通信电路和器件具有微型化、损耗低、成本低等特点，天线作为关键通信器件实现了电磁信号由通信射频电路到自由空间的转换，因此，为适应并满足当今信息通信技术的发展与需求，微型化、易于与平面电路集成、低成本且性能优异的天线的研究与设计将是一个重要趋势。

2、基片集成波导是一种在顶部和底部覆盖金属层，两侧采用周期排列的金属通孔组成的新型低剖面类波导结构，其传输特性与传统矩形金属波导相似，通过合理的设置金属通孔的大小和排列周期，它可以在有效地防止电磁波泄露，极其适合于高频应用领域。在加工制作方面，基片集成波导可以直接采用pcb进行加工，并且通过微带线和接地共面波导可以很方便地与微波集成电路集成在一起。基片集成波导不仅保留了传统金属波导辐射损耗低，高q值，高功率容量的特点，也具有易于加工集成的优点，因此，基片集成波导技术被广泛应用于微波器件的设计与研究。

3、目前市面上有很多基于siw的缝隙天线，如公开号为cn108963435a的发明专利报道了一款四模工作的宽带平面基片集成波导背腔缝隙天线，该天线主要由基片集成波导背腔、十字型辐射缝隙和不对称短路金属化过孔构成，但该宽带siw天线不能适应瞬态通信系统，无法避免不必要的频率信号，工作频带也不能实时变化。

4、频率可重构天线技术是指通过使用开关元器件如pin二极管，变容二极管以及mems开关等，以改变天线的有效电长度或电抗值，从而改变天线表面的电流分布，使得天线具有工作在多个频段的能力。用单个天线实现多个天线的性能，大大减少了通信系统需要天线的数量，减小了天线间的电磁干扰，能避免外界电磁干扰，保障了通信的畅通与安全，同时降低了制作成本，有利于系统集成。但是，现有基于siw的频率可重构天线只能作为单频天线工作，不能实现多频段天线的功能，如公开号为cn116706559a的发明专利，其提出了一款基于基片集成波导的频率可重构双缝天线，该天线由siw腔体，上表面金属层的两条缝隙及pin二极管构成，当pin二极管截至时，该天线工作在n257频带，而在导通情况下工作在n258频带，不能同时工作在n257和n258频带，无双频天线的性能；且现有基于siw的频率可重构天线存在带宽低的缺点:如公开号为cn112467344a所提出的一种基于基片集成波导的频率可重构天线及制备方法，该天线包括：上表面开设有环形缝隙和长缝缝隙的基片集成波导；在开环缝隙同时形成一环形贴片，环形缝隙设有多个pin二极管，通过pin二极管的状态实现了s波段和c波段的频率重构，但两波段的带宽分别仅有18mhz和322mhz，存在带宽低的问题。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，使用pin二极管实现了x波段和ku波段的频率单双频可调，且具有宽带宽、低损耗和结构简单等优点。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，包括：顶部辐射层、中间介质层、底部金属层，其中多个金属通孔连接辐射层和底部金属层并穿过中间介质层，且多个金属通孔构成谐振腔；其中顶部辐射层上位于谐振腔内的位置刻蚀由领结形缝隙和长条矩形缝隙组成的类t形结构缝隙，长条矩形缝隙的两侧设有一对短路过孔，类t形结构缝隙以长条矩形缝隙为轴对称设置，短路过孔以长条矩形缝隙为轴不对称设置，类t形结构缝隙上加载t形结构贴片和三个pin二极管，三个pin二极管分置在t形结构贴片的三个方位且每一pin二极管连接t形结构贴片和谐振腔的顶部外围金属。

3、第二方面，本申请实施例提供了一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线的制备方法，包括以下步骤：

4、设计谐振腔：获取自上而下依次由顶部辐射层、中间介质层、底部金属层组成的基片，在基片上开设连接辐射层和底部金属层并穿过中间介质层的金属通孔，在顶部辐射上开设微带线，其中多个金属通孔环绕设置形成谐振腔；

5、刻蚀天线辐射单元：在谐振腔上刻蚀由领结形缝隙和长条矩形缝隙组成的类t形结构缝隙，在类t形结构缝隙上加载t形结构贴片，其中类t形结构缝隙以长条矩形缝隙为轴对称设置；

6、构建频率可重构单元：在长条矩形缝隙的两侧开设有一对短路过孔，其中短路过孔以长条矩形缝隙为轴不对称设置，在t形结构贴片同谐振腔的顶部外围金属处连接三个pin二极管，三个pin二极管分置在t形结构贴片的三个方位且每一pin二极管连接t形结构贴片和谐振腔的顶部外围金属。

7、第三方面， 本申请实施例提供了一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线的应用方法，将基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线用于x波段上带宽可调、超宽带和窄带的相互转变以及单双频天线的可调的场景

8、本发明的主要贡献和创新点如下：

9、本申请实施例通过类t形结构缝隙、t形结构贴片、不对称的短路过孔以及pin二极管的设计，使得当pin二极管处于截至状态时可激发x波段上的四分之一te110和半te120模式和ku波段上的混合偶te230模式和混合半te230模式，从而拓展了x波段上的带宽并使得天线在ku波段有一个窄带，达到了双频天线的效果；而当pin二极管处于导通状态时，增加了天线的有效长度，进而使得四分之一te110模式、半te120模式和混合偶te230模式消失，x波段的带宽变窄，ku波段不存在通频带，达到了x波段上单频天线的效果，实现了该频率可重构车载天线在x波段上带宽可调、超宽带和窄带的相互转变以及单双频天线的可调性。解决了现有技术的无线通信系统的硬件对频谱资源需求高而导致的成本和复杂度高的问题，也解决了超宽带天线对频谱的利用率低且无法滤除不需要的频率信号，多频天线能工作在多个频段，但工作频段不能实时变化，难以灵活适应多变的问题。

10、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

技术特征：

1.一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，包括：顶部辐射层（1）、中间介质层（2）、底部金属层（3），其中多个金属通孔（5）连接辐射层（1）和底部金属层（3）并穿过中间介质层（2），且多个金属通孔（5）构成谐振腔；其中顶部辐射层（1）上位于谐振腔内的位置刻蚀由领结形缝隙（7）和长条矩形缝隙（8）组成的类t形结构缝隙，长条矩形缝隙（8）的两侧设有一对短路过孔（6），类t形结构缝隙以长条矩形缝隙（8）为轴对称设置，短路过孔（6）以长条矩形缝隙（8）为轴不对称设置，类t形结构缝隙上加载t形结构贴片（9）和三个pin二极管（10），三个pin二极管（10）分置在t形结构贴片（9）的三个方位且每一pin二极管（10）连接t形结构贴片（9）和谐振腔的顶部外围金属（11）。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，类t形结构缝隙的长条矩形缝隙（8）下方形成微带线（4），微带线（4）同两侧的顶部辐射层（1）上的金属通孔（5）形成缝隙，且微带线（4）的一侧连接谐振腔的顶部外围金属（11），另一侧接触顶部辐射层（1）的边线。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，类t形结构缝隙由相互垂直且导通的领结型缝隙（7）和长条矩形缝隙（8）构成，其中领结型缝隙（7）为通过横条矩形缝隙相通连接的两个对称设置的梯形缝隙组成，每一个梯形缝隙的缝隙宽度朝向横条缝隙的方向逐渐减小，长条矩形缝隙（8）相通连接于横条矩形缝隙且相对于横条矩形缝隙垂直设置。

4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，t形结构贴片（9）包括加载在领结型缝隙（7）内的横条贴片以及加载在长条矩形缝隙（8）内的长条贴片，横条贴片和长条贴片垂直设置形成t形形状。

5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，两个pin二极管（10）位于t形结构贴片（9）的横条贴片的同一侧且相对长条矩形缝隙（8）镜像对称设置，另一个pin二极管（10）置于t形结构贴片（9）的长条贴片的底部靠近微带线（4）的一侧，三个pin二级管（10）形成三角形。

6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，当pin二极管（10）截至时，激发了不同频率点的半te110、四分之一te110、半te120、te120、混合偶te230和混合半te230谐振，且半te110、四分之一te110、半te120、和te120的频率点都设置在x波段内，混合偶te230模式和混合半te230模式的频率点设置在ku波段。

7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，当pin二极管（10）由截至状态转向导通状态时，类t形缝隙结构在不同频率点激发了半te110、te120和混合半te230这三种谐振模式，且半te110和te120这两种模式频率靠近且在x波段内。

8.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，其特征在于，当pin二极管反向偏置时，当长条矩形缝隙（8）长度s2为14.8mm、两个短路过孔（6）以长条矩形缝隙（8）为轴不对称设置时时激发四分之一te110模式。

9.一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线的应用方法，其特征在于，将权利要求1到8任一所述的基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线用于x波段上带宽可调、超宽带和窄带的相互转变以及单双频天线的可调的场景。

技术总结
本方案提供了基于基片集成波导的单双频可调的频率可重构车载天线，包括：顶部辐射层、中间介质层、底部金属层，其中多个金属通孔连接辐射层和底部金属层并穿过中间介质层，其中顶部辐射层上位于谐振腔内的位置刻蚀由领结形缝隙和长条矩形缝隙组成的类T形结构缝隙，长条矩形缝隙的两侧设有一对短路过孔，类T形结构缝隙以长条矩形缝隙为轴对称设置，短路过孔以长条矩形缝隙为轴不对称设置，类T形结构缝隙上加载T形结构贴片和三个PIN二极管，三个PIN二极管分置在T形结构贴片的三个方位且每一PIN二极管连接T形结构贴片和谐振腔的顶部外围金属，可用于用于X波段上带宽可调、超宽带和窄带的相互转变以及单双频天线的可调的场景。

技术研发人员：肖丙刚,朱婷,朱武富
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19