[发明专利]一种加载变容二极管的EBG的频率可重构天线制作方法

说明书

技术领域

本发明设计到一种频率可重构的天线的制作方法，特别是一种加载变容二极管的电磁带隙材料（Electromagnetic Band-gap,EBG）的频率可重构天线制作方法属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线通信（移动通信、WLAN网络、GPS设备）市场的迅速发展，射频工程师们在小体积、多波段、宽波段和低成本系统设计中面临着持续的挑战。而低剖面、小尺寸的集成天线对无线系统是至关重要的。因此，微带贴片天线受到人们的青睐。而贴片天线存在固有的窄波段和大尺寸等缺点。而可重构天线为解决这一问题提供了一种可能的方案。与宽波段和多波段不同，可重构天线是动态实时地改变天线的工作状态来实现的。这种天线并不在同一时间覆盖工作的所有波段，而是在某一时间动态有选择性的工作在天线的一个窄波段内。

由于天线的辐射特性（包括谐振频率和辐射方向图）大部分由天线的形状和尺寸决定。于是，机械改变辐射天线的几何形状为构造可重构天线提供了一条途径。因此，利用MEMS开关的可重构天线受到研究学者的广泛研究。利用MEMs开关的开和关特性，可以动态改变天线的长度使其工作在双波段或者多波段。随后，利用PIN二极管来设计频率可重构天线也受到广泛关注。大多数可重构天线都是基于这个原理设计的。然而，频率可重构也可以通过改变天线介质的特性来实现。EBG结构是一种有金属和介质通过周期排列复合而成的材料。由于它的带隙特性，EBG可用来提高天线的辐射特性，例如增益。近年来，研究学者通过在EBG金属贴片上加载变容二极管，发现可以改变EBG的带隙和反射位相。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：改变传统频率可重构的方法，即利用MEMs开关动态改变天线的有效辐射尺寸，进而重构天线的辐射特性，针对这种局限性，提供一种加载变容二极管的EBG的频率可重构天线制作方法，在贴片天线基底材料中加载带变容二极管的EBG结构，通过改变加在变容二极管的电压，动态改变EBG结构的电磁特性。从而实现天线工作频率的可重构。

本发明的技术解决方案：一种加载变容二极管的EBG的频率可重构天线制作方法，其特征在于步骤如下：

（1）设定天线的工作频率f、基底材料，并根据工作频率设计贴片天线的结构尺寸长度L、宽度W和天线厚度h；

（2）确定贴片天线的馈电方式以及馈电参数；

（3）根据有限元方法设计EBG结构参数，设EBG贴片宽度为w,贴片间隙为g,金属过孔半径为r，EBG到接地板的厚度为h₀。用电磁场数值方法计算EBG结构的带隙；通过优化w和g，使EBG的带隙接近天线的工作频率f；

（4）在二维方向上，在相邻EBG贴片之间加载上变容二极管，并在变容二极管的两侧加正向偏置的直流电压，变容二极管的等效电容随外加偏置直流电压的变化而变化；

（5）将设计的EBG结构作为基底材料的一部分插入到天线中，是贴片天线和EBG贴片共接地板；加工、制作所设计的天线，通过改变变容二极管的偏置电压，即可改变天线的工作频率，实现天线工作频率的可重构。

所述步骤（1）天线的工作频率f在微波频段。由于天线频率的重构是通过变容二极管电容的调节来实现的，因此本发明的天线工作的最高频率与变容二极管支持的工作频率有关。由于目前变容二极管的工作频率在微波频段，因此天线也可工作在微波各个频段。

所述步骤（2）中的馈电方式采用微带线馈电。由于标准馈电系统的特性阻抗为50Ω。为了实现天线到50Ω标准馈线的无反射阻抗匹配，需要对天线进行匹配设计。可采用的匹配方法有1/4波长阻抗变换器、单双支节调配器和切角等匹配技术。

所述步骤（3）中EBG的结构参数中g大于1mm，主要是依据实际变容二极管的尺寸（1mm-3mm）而定的。为了给加载变容二极管留下足够的空间，方便天线的实际制作。

所述步骤（3）中EBG的带隙的计算采用电磁场数值方法包括计算色散图方法和悬置传输法。

所述步骤（4）中变容二极管排布采用正负交错偏置方法实现，即同一EBG贴片上变容二极管采用相同的接入方向，相邻的EBG贴片采用相反的接入方向。这样可以大大简化变容二极管的馈电电路设计。

所述步骤（5）中天线的制作步骤为：先设计EBG结构中的贴片和基板，接地板，然后再EBG贴片表面加天线的介质材料和贴片天线，其中贴片天线和EBG贴片共接地板，变容二极管的馈线采用过孔通过接地板来实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：