电调谐范围可变的液晶贴片天线及其制备、使用方法

摘要

本发明提供了一种电调谐范围可变的液晶贴片天线及其制备、使用方法，包括：天线辐射体、液晶介质层、可变介质层；其中，液晶介质层位于天线辐射体的正下方；可变介质层位于液晶介质层的正下方；所述天线辐射体为由微带侧馈的矩形贴片，所述液晶介质层为介电常数可用偏置电压进行控制的液晶材料，所述可变介质层为依实际情况而定的介电常数不同的介质板。本发明中的液晶贴片天线具有调谐范围可变的功能，能够根据实际要求，通过选用不同的可变介质层实现调谐范围的增大或者减小。

说明书

技术领域

本发明涉及无线技术领域的天线技术，具体地，涉及一种电调谐范围可变的液晶贴片天线及其制备、使用方法。

背景技术

无线通信系统的迅速发展，对天线设计提出了新的要求，促进了天线电调谐功能的发展与完善。调谐功能可以通过使用电子元器件或者特殊介质实现，包括：二极管、微电子机械系统开关、铁氧体以及液晶。使用液晶设计的电调谐天线，利用液晶的介电常数可以用电压进行控制的特点实现调谐功能，具有功耗小、重量轻、结构简单的优点，但其缺点在于选定某种液晶后调谐范围固定不可变。

以下部分将从理论上对上述内容进行解释说明：

矩形微带贴片天线的谐振频率f_r为：

$f_r=\frac{c}{2l\sqrt{{ϵ}_r}}---\left(1\right)$

c代表光速，l代表矩形贴片的长度，ε_r代表介质板的相对介电常数，由此可得：

$\frac{{\mathrm{\Delta f}}_r}{f_r}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_r}{2{ϵ}_r}---\left(2\right)$

Δf_r代表谐振频率变化量，Δε_r代表相对介电常数变化量，所以改变介质板的介电常数可以使天线的谐振频率发生改变，从而达到调谐的目的。液晶材料具有介电常数可变的特点，可以通过偏置电压控制其介电常数在一定范围内连续变化，偏置电压为0时液晶的相对介电常数记为ε_⊥，损耗角正切值记为tanδ_⊥，偏置电压满置时液晶的相对介电常数记为ε_||，损耗角正切值记为tanδ_||，因此(2)式可改写为：

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{\Delta ϵ}{2{ϵ}_{\perp }}=-\frac{{ϵ}_{\left|\right|}-{ϵ}_{\perp }}{2{ϵ}_{\perp }}---\left(3\right)$

下表整理了几种不同型号的液晶的相对介电常数的变化范围。

表一

由表一可见，不同型号的液晶对应的调谐范围是不同的，但是对于每一种特定型号的液晶，这个变化范围是固定不变的。以型号为K15的液晶为例，它的调谐范围为3.3％，这是固定不变的。

在上述背景技术的条件下，本发明针对使用液晶的电调谐天线存在的缺陷，提出了一种改善此缺陷的天线结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电调谐范围可变的液晶贴片天线。

根据本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线，包括天线辐射体、液晶介质层、可变介质层，其中，液晶介质层位于天线辐射体的正下方，可变介质层位于液晶介质层的正下方。

优选地，所述天线辐射体为微带侧馈的矩形贴片。

优选地，通过偏置电压控制介电常数在设定的范围内变化，能够得到相应的调谐范围。

优选地，通过使用不同介电常数的介质板制作可变介质层，能够改变天线的调谐范围。

优选地，假设液晶介质层的相对介电常数记为ε_r1，高度记为h₁，可变介质层的相对介电常数记为ε_r2，高度记为h₂，液晶介质层与可变介质层等效为一层介质后的相对介电常数记为ε_eq，高度为h₁+h₂，则等效后的介电常数为：

${ϵ}_{eq}=\frac{h_1+h_2}{\frac{h_1}{{ϵ}_{r1}}+\frac{h_2}{{ϵ}_{r2}}}=2\frac{{ϵ}_{r1}{ϵ}_{r2}}{{ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2}}---\left(4\right)$

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{eq}}{2{ϵ}_{eq}}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2{ϵ}_{r1}}\frac{h_1{ϵ}_{r2}}{(h_2{ϵ}_{r1}+h_1{ϵ}_{r2})}---\left(5\right)$

式中：f表示贴片天线的谐振频率，Δf表示谐振频率的变化范围，Δε_eq表示ε_eq的变化范围，Δε_r1表示ε_r1的变化范围；

当h₁＝h₂时，

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2{ϵ}_{r1}}\frac{{ϵ}_{r2}}{({ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2})}---\left(6\right)$

根据本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线的制备方法，包括如下步骤：

步骤A1：根据不同的调谐要求，选择不同介质常数的介质板作为可变介质层

步骤A2：在液晶介质层的正下方设置可变介质层，天线辐射体设置在液晶介质层的正上方位置。

根据本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线的使用方法，包括如下任一个或者多个步骤：

步骤B1：通过偏置电压控制介电常数在设定的范围内变化，得到相应的调谐范围；

步骤B2：通过使用不同介电常数的介质板制作可变介质层，改变天线的调谐范围。

优选地，假设液晶介质层的相对介电常数记为ε_r1，高度记为h₁，可变介质层的相对介电常数记为ε_r2，高度记为h₂，液晶介质层与可变介质层等效为一层介质后的相对介电常数记为ε_eq，高度为h₁+h₂，则等效后的介电常数为：

${ϵ}_{eq}=\frac{h_1+h_2}{\frac{h_1}{{ϵ}_{r1}}+\frac{h_2}{{ϵ}_{r2}}}=2\frac{{ϵ}_{r1}{ϵ}_{r2}}{{ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2}}---\left(7\right)$

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{eq}}{2{ϵ}_{eq}}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2{ϵ}_{r1}}\frac{h_1{ϵ}_{r2}}{(h_2{ϵ}_{r1}+h_1{ϵ}_{r2})}---\left(8\right)$

式中：f表示贴片天线的谐振频率，Δf表示谐振频率的变化范围，Δε_eq表示ε_eq的变化范围，Δε_r1表示ε_r1的变化范围；

当h₁＝h₂时，

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2ϵn}\frac{{ϵ}_{r2}}{({ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2})}---\left(9\right)$

通过选择相对介电常数，使得天线的调谐范围改变，当时，调谐范围增大，当时，调谐范围减小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线，在具有电调谐功能的基础上，增加了调谐范围可变的功能，可以根据实际要求将调谐范围进行扩展或者减小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线的物理结构示意图。

图2为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线未加入可变介质层时的S11参 数。

图3为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线未加入可变介质层时的Z11参数。

图4为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线未加入可变介质层时在28GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图5为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线未加入可变介质层时在27.6GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图6为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线未加入可变介质层时在27.1GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图7为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为2.72的可变介质层时的S11参数；

图8为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为2.72的可变介质层时的Z11参数；

图9为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为2.72的可变介质层时在28GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图10为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为2.72的可变介质层时在27.8GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图11为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为2.72的可变介质层时在27.5GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图12为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为-5.44的可变介质层时的S11参数。

图13为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为-5.44的可变介质层时的Z11参数。

图14为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为-5.44的可变介质层时在28GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图15为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为-5.44的可变介质层时在27.2GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图16为本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线加入相对介电常数为-5.44的可变介质层时在26.4GHz，Phi＝0和90度时的增益方向图。

图中：

1-矩形贴片；

2-微带线；

3-液晶介质层；

4-可变介质层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线包括：天线辐射体、液晶介质层、可变介质层；其中，液晶介质层位于天线辐射体的正下方，可变介质层位于液晶介质层的正下方；

所述天线辐射体为由微带侧馈的矩形贴片，所述液晶介质层为液晶材料，在本文中以型号为K15的液晶为例，可变介质层为依实际情况而定的介电常数不同的介质板。

以两层的矩形微带贴片天线为例，将两层介质层等效为一个整体，如果把液晶介质层的相对介电常数记为ε_r1，高度记为h₁，可变介质层的相对介电常数记为ε_r2，高度记为h₂，等效后的一层介质的相对介电常数记为ε_eq，高度记为h₁+h₂，可得：

${ϵ}_{eq}=\frac{h_1+h_2}{\frac{h_1}{{ϵ}_{r1}}+\frac{h_2}{{ϵ}_{r2}}}=2\frac{{ϵ}_{r1}{ϵ}_{r2}}{{ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2}}---\left(10\right)$

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{eq}}{2{ϵ}_{eq}}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2{ϵ}_{r1}}\frac{h_1{ϵ}_{r2}}{(h_2{ϵ}_{r1}+h_1{ϵ}_{r2})}---\left(11\right)$

式中：f表示贴片天线的谐振频率，Δf表示谐振频率的变化范围，Δε_eq表示ε_eq的变化范围，Δε_r1表示ε_r1的变化范围；

由(5)式可知，当h₁＝h₂时，

$\frac{\Delta f}{f}=-\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{r1}}{2{ϵ}_{r1}}\frac{{ϵ}_{r2}}{({ϵ}_{r1}+{ϵ}_{r2})}---\left(12\right)$

由(6)式可知，由于可变介质层的存在，通过选择其相对介电常数，可以使天线的调谐范围得到改变，当时，调谐范围得以增大，当时，调谐范围得以减小。

具体地，本发明提供的电调谐范围可变的液晶贴片天线，可用于认知无线电系统，具有电调谐范围可变的特点，工作于28-GHz频段。

1)液晶贴片天线未加可变介质层(图1中的部件4所示)时，通过改变液晶(图1中的部件3所示)的相对介电常数实现调谐功能，得到的S11参数如附图2，Z11参数如附图3，增益方向图如附图4、图5、图6所示。

2)在1)的基础上，为了使调谐范围减小为未加可变介质层时的1/2倍，选用相对介电常数为2.72的可变介质层，得到的S11参数如附图7，Z11参数如附图8，增益方向图如附图9、图10、图11所示。

3)在1)的基础上，为了使调谐范围增大为未加可变介质层时的2倍，选用相对介电常数为-5.44的可变介质层，这种负介电常数的材料可以是某种新型的超材料，得到的S11参数如附图12，Z11参数如附图13，增益方向图如附图14、图15、图16所示。

在以上所述增益方向图中，实线表示Phi＝0度时的增益方向图，虚线表示Phi＝90度时的增益方向图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。