專利名稱：一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微帶漏波天線，尤其涉及一種能夠在固定頻率下波束可調(diào)的基于鈦酸鍶鋇薄膜的電掃描漏波天線。
背景技術(shù)：
近些年來，微帶漏波天線以波束頻率可掃描、質(zhì)量輕、易共形集成、便于匹配等優(yōu)點(diǎn)獲得了很大的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)微帶漏波天線只能工作于高階模狀態(tài)，這就需要特殊的饋電結(jié)構(gòu)來抑制基模，增加了設(shè)計(jì)難度。且電磁波在傳統(tǒng)介質(zhì)材料中其傳播其相位常數(shù),都為正值，由漏波天線的掃描角度公式0=-4(^)可知，基于傳統(tǒng)介質(zhì)材料的天線只能實(shí)現(xiàn)前向輻射，不能實(shí)現(xiàn)后向到前向的大范圍輻射。為了克服天線的上述缺點(diǎn)，人們引入左右手復(fù)合傳輸線(CRLH-TL)來構(gòu)建漏波天線，左右手復(fù)合傳輸線(CRLH-TL)至少由一個(gè)傳輸線單元構(gòu)成，傳輸線單元由串聯(lián)的左手傳輸線電容1Q和右手傳輸線電感&、并聯(lián)的右手傳輸線電容^和左手傳輸線電啓吳構(gòu)成。左右手復(fù)合傳輸線(CRLH-TL)的傳播常數(shù)於「這著頻率的增大從左手區(qū)到右手區(qū)逐漸變化，由公式0 = -4(()可知，利用左右手傳輸線特殊的正負(fù)相位常數(shù)特性可實(shí)現(xiàn)波束的后向到前向大范圍頻率掃描，同時(shí)可使漏波天線工作于基模狀態(tài)，大幅度簡化饋電網(wǎng)絡(luò)。
但是，對于很多通信系統(tǒng)而言工作頻率一般是固定的，無法利用漏波天線的頻掃特性，因而實(shí)現(xiàn)微帶漏波天線頻率固定情況下波束可掃描將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，人們在設(shè)計(jì)中引入變?nèi)荻O管以實(shí)現(xiàn)對傳輸常數(shù)於值的電壓調(diào)控，這樣可以實(shí)現(xiàn)在頻率固定的情況下，天線掃描角度隨外加電壓的變化而變化，即^iOO =Siir1C^)。但變?nèi)荻O管是分立體元件與平面集成電路不兼容，這將增加天線的不穩(wěn)定性，同時(shí)破壞其低剖面特性，若是能引入與集成電路要兼容的可變電容將解決上述問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于鈦酸鍶鋇薄膜可變電容的定頻電掃描漏波天線，以解決現(xiàn)有技術(shù)中微帶漏波天線在頻率固定的情況下實(shí)現(xiàn)波束掃描的問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，包括有襯底基片，所述襯底基片的背面設(shè)有導(dǎo)電金屬薄膜層，正面兩端安裝有兩個(gè)阻抗匹配器，所述兩個(gè)阻抗匹配器之間安裝有由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的周期電路單元依次串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)陣列，其特征在于每個(gè)周期電路單元包括接地端子、導(dǎo)電金屬部和設(shè)置在導(dǎo)電金屬部左右兩側(cè)的T形旁支電感，每個(gè)T形旁支電感的豎直端與導(dǎo)電金屬部之間連接有叉指電容，每個(gè)T形旁支電感豎直端端部設(shè)有依次穿過T形旁支電感和襯底基片的通孔，所述通孔孔內(nèi)填充金屬，所述T形旁支電感的豎直端端部通過導(dǎo)電金屬層與襯底基片背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接，所述導(dǎo)電金屬部兩側(cè)連接有向兩側(cè)T形旁支電感水平端延伸的觸頭，每個(gè)觸頭與對應(yīng)的T形旁支電感水平端之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，所述鈦酸鍶鋇薄膜層分別與觸頭和水平端接觸且隔開觸頭和水平端即構(gòu)成可變電容；所述導(dǎo)電金屬部上端連接有觸頭，所述導(dǎo)電金屬部上端觸頭與接地端子之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，所述鈦酸鍶鋇薄膜層分別與導(dǎo)電金屬部上端觸頭和接地端子接觸且隔開導(dǎo)電金屬部上端觸頭和接地端子即構(gòu)成可變電容，所述接地端子上設(shè)有依次穿過接地端子和襯底基片的通孔，所述通孔孔內(nèi)填充金屬，所述接地端子通過導(dǎo)電金屬層與襯底基片背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接；相鄰的周期電路單元中T形旁支電感為共用單元， 即本周期電路單元中的左側(cè)T形旁支電感同時(shí)為左側(cè)相鄰周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感，本周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感同時(shí)為右側(cè)相鄰周期電路單元中的左側(cè)T形旁支電感。
所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述兩個(gè)阻抗匹配器中，其中一個(gè)阻抗匹配器的輸出端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中第一個(gè)周期電路單元的左側(cè)T形旁支電感的水平端連接，另一個(gè)阻抗匹配器的輸入端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中最后一個(gè)周期電路單元的右側(cè)T形旁支電感的水平端連接。
所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述鈦酸鍶鋇薄膜層的介電常數(shù)大小隨著外加偏壓的改變而改變。
所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述可變電容是一種基于鈦酸鍶鋇材料的可變電容，其電容值可隨著外加偏壓的改變而改變。
所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述導(dǎo)電金屬薄膜層選用常規(guī)金屬薄膜，所述襯底基片選用常用基片材料。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明采用一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的可變電容，其介電常數(shù)大小隨著外加偏壓改變而改變，因此可通過改變加在可變電容兩端的電壓來控制掃描角度的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在固定頻率下波束可掃描的目的。且本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對現(xiàn)有微帶漏波天線結(jié)構(gòu)上更加合理，材料性能優(yōu)良，使漏波天線的穩(wěn)定性大幅提升。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)周期電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明相鄰周期電路單元的連接示意圖。
圖4為本發(fā)明一個(gè)周期電路單元的等效電路圖。
圖5為本發(fā)明中可變電容的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖5所示可變電容的剖面圖。
圖7為本發(fā)明中可變電容的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為圖7所示可變電容的剖面圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括有襯底基片1，襯底基片1的背面設(shè)有導(dǎo)電金屬薄膜層，正面兩端安裝有兩個(gè)阻抗匹配器2，兩個(gè)阻抗匹配器2之間安裝有由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的周期電路單元3依次串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)陣列。
如圖2所示，數(shù)個(gè)周期電路單元3結(jié)構(gòu)相同，包括接地端子6、導(dǎo)電金屬部5和設(shè)置在導(dǎo)電金屬部5左右兩側(cè)的T形旁支電感8、9，每個(gè)T形旁支電感8、9的豎直端與導(dǎo)電金屬部5之間連接有叉指電容7，每個(gè)T形旁支電感8、9豎直端端部設(shè)有依次穿過T形旁支電感8、9和襯底基片1的通孔13，通孔13孔內(nèi)填充有金屬，T形旁支電感8、9通過導(dǎo)電金屬層與和襯底基片1背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接，導(dǎo)電金屬部5兩側(cè)連接有向兩側(cè)T形旁支電感8、9水平端延伸的觸頭，每個(gè)觸頭與對應(yīng)的T形旁支電感水平端之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，鈦酸鍶鋇薄膜層分別與觸頭和水平端接觸且隔開觸頭和水平端即構(gòu)成可變電容 IOUl ；導(dǎo)電金屬部5上端連接有觸頭，導(dǎo)電金屬部5上端觸頭與接地端子6之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，鈦酸鍶鋇薄膜層分別與導(dǎo)電金屬部5上端觸頭和接地端子6接觸且隔開導(dǎo)電金屬部5上端觸頭和接地端子6即構(gòu)成可變電容12，接地端子6上設(shè)有依次穿過接地端子 6和襯底基片1的通孔13，通孔13孔內(nèi)涂覆有導(dǎo)電金屬層，接地端子6通過導(dǎo)電金屬層與襯底基片1背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接。
如圖3所示，相鄰的周期電路單元中T形旁支電感為共用單元，即本周期電路單元中的左側(cè)T形旁支電感同時(shí)為左側(cè)相鄰周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感，本周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感同時(shí)為右側(cè)相鄰周期電路單元中的左側(cè)T形旁支電感。
兩個(gè)阻抗匹配器2中，其中一個(gè)阻抗匹配器的輸出端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中第一個(gè)周期電路單元的左側(cè)T形旁支電感的水平端連接，另一個(gè)阻抗匹配器的輸入端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中最后一個(gè)周期電路單元的右側(cè)T形旁支電感的水平端連接。
鈦酸鍶鋇薄膜層的介電常數(shù)大小隨著外加偏壓的改變而改變，可變電容是一種基于鈦酸鍶鋇材料的可變電容，其電容值可隨著外加偏壓的改變而改變。
導(dǎo)電金屬薄膜層選用常規(guī)金屬薄膜，襯底基片選用常用基片材料。
如圖4所示，每個(gè)周期電路單元由串聯(lián)叉指電容器、并聯(lián)旁支電感器、導(dǎo)電金屬部和三個(gè)基于鈦酸鍶鋇薄膜的可變電容組成，其中串聯(lián)叉指電容器在產(chǎn)生串聯(lián)電容CL的同時(shí)由于金屬導(dǎo)線間中的電流作用而產(chǎn)生寄生串聯(lián)電感LR，并聯(lián)旁支電感器在產(chǎn)生并聯(lián)電感 LL的同時(shí)由于電壓降存在而產(chǎn)生寄生并聯(lián)電容CR。這樣串聯(lián)電容、電感以及并聯(lián)電容、電感構(gòu)成一個(gè)平衡結(jié)構(gòu)的復(fù)合左右手傳輸線單元，通過設(shè)置左右手復(fù)合傳輸線單元中四個(gè)元件的參數(shù)值可得到特定頻段的散射曲線(ΛΛ )，最后在周期電路單元中加載調(diào)制曲線即可實(shí)現(xiàn)固定頻率下相位常數(shù)於的改變。為保持電路的阻抗一致性，分別加載了 3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的可變電容Cvar。把數(shù)個(gè)這梓的周期電路單元以直線方式串接即可得到固定頻率下波束可調(diào)的漏波天線，饋線采用微帶形式，兩端包括的阻抗匹配器可以實(shí)現(xiàn)與所需阻抗相匹配。
如圖5、圖6所示，本實(shí)施例為本發(fā)明中可變電容的一種結(jié)構(gòu)示意。本實(shí)施例中可變電容采用一種三明治結(jié)構(gòu)，包括上、下層金屬電極15、16和基于鈦酸鍶鋇材料的中間層介質(zhì)14。整個(gè)天線的制作過程如下(1)對襯底基片進(jìn)行清洗處理，利用微電子光刻工藝在襯底基片正面濺射周期電路單元陣列及阻抗變換器，金屬層厚度為300-400nm;(2)在每個(gè)周期電路單元的可變電容Vcar區(qū)域?yàn)R射一層400-500nm厚的鈦酸鍶鋇薄膜；(3)最后在鈦酸鍶鋇薄膜上表面再濺射一層200-300nm厚金屬層做為上電極；(4)在襯底基片的背面全部濺射一層金屬地。通過上下電極把偏壓加載在鈦酸鍶鋇薄膜上，進(jìn)而通過外加偏壓來改變電容值，對整個(gè)天線來說在特定頻率下通過外在偏壓的改變即可實(shí)現(xiàn)天線波束的前后向掃描。
如圖7、圖8所示，本實(shí)施例為本發(fā)明中可變電容的另一種結(jié)構(gòu)示意。本實(shí)施例中可變電容采用一種叉指結(jié)構(gòu)，包括互為叉指結(jié)構(gòu)的金屬電極18、19和設(shè)置在叉指結(jié)構(gòu)的金屬電極18、19下表面的基于鈦酸鍶鋇材料的介質(zhì)層17，與三明治結(jié)構(gòu)相比叉指結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制備等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)天線的制作過程如下(1)對襯底進(jìn)行清洗處理，利用微電子光刻工藝在襯底基片正面上每個(gè)周期電路單元的可變電容區(qū)域?yàn)R射一層400nm-500nm 的鈦酸鍶鋇薄膜；(2)再次利用微電子光刻工藝在襯底基片正面沉積周期電路單元陣列及阻抗變換器，金屬層厚度為300-400nm，叉值偏壓電極每根電極的寬度為l_2um，每根電極之間的間距為0. 75um-l. 5um ； (3)在襯底基片的背面全部濺射一層金屬地。利用叉指電極把偏壓加載在鈦酸鍶鋇薄膜上，進(jìn)而通過外加偏壓來改變電容值，對整個(gè)天線來說在特定頻率下通過外在偏壓的改變可以實(shí)現(xiàn)天線波束的前后向掃描。
權(quán)利要求
1.一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，包括有襯底基片，所述襯底基片的背面設(shè)有導(dǎo)電金屬薄膜層，正面兩端安裝有兩個(gè)阻抗匹配器，所述兩個(gè)阻抗匹配器之間安裝有由數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的周期電路單元依次串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)陣列，其特征在于每個(gè)周期電路單元包括接地端子、導(dǎo)電金屬部和設(shè)置在導(dǎo)電金屬部左右兩側(cè)的T形旁支電感，每個(gè)T形旁支電感的豎直端與導(dǎo)電金屬部之間連接有叉指電容，每個(gè)T形旁支電感豎直端端部設(shè)有依次穿過T形旁支電感和襯底基片的通孔，所述通孔孔內(nèi)填充金屬，所述T形旁支電感的豎直端端部通過導(dǎo)電金屬層與襯底基片背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接，所述導(dǎo)電金屬部兩側(cè)連接有向兩側(cè)T形旁支電感水平端延伸的觸頭，每個(gè)觸頭與對應(yīng)的T形旁支電感水平端之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，所述鈦酸鍶鋇薄膜層分別與觸頭和水平端接觸且隔開觸頭和水平端即構(gòu)成可變電容；所述導(dǎo)電金屬部上端連接有觸頭，所述導(dǎo)電金屬部上端觸頭與接地端子之間設(shè)有鈦酸鍶鋇薄膜層，所述鈦酸鍶鋇薄膜層分別與導(dǎo)電金屬部上端觸頭和接地端子接觸且隔開導(dǎo)電金屬部上端觸頭和接地端子即構(gòu)成可變電容，所述接地端子上設(shè)有依次穿過接地端子和襯底基片的通孔，所述通孔孔內(nèi)填充金屬，所述接地端子通過導(dǎo)電金屬層與襯底基片背面的導(dǎo)電金屬薄膜層電連接；相鄰的周期電路單元中T形旁支電感為共用單元，即本周期電路單元中的左側(cè)T形旁支電感同時(shí)為左側(cè)相鄰周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感，本周期電路單元中的右側(cè)T形旁支電感同時(shí)為右側(cè)相鄰周期電路單元中的左側(cè) T形旁支電感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述兩個(gè)阻抗匹配器中，其中一個(gè)阻抗匹配器的輸出端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中第一個(gè)周期電路單元的左側(cè)T形旁支電感的水平端連接，另一個(gè)阻抗匹配器的輸入端與數(shù)個(gè)周期電路單元串聯(lián)陣列中最后一個(gè)周期電路單元的右側(cè)T形旁支電感的水平端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述鈦酸鍶鋇薄膜層的介電常數(shù)大小隨著外加偏壓的改變而改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述可變電容是一種基于鈦酸鍶鋇材料的可變電容，其電容值可隨著外加偏壓的改變而改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，其特征在于所述導(dǎo)電金屬薄膜層選用常規(guī)金屬薄膜，所述襯底基片選用常用基片材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于鈦酸鍶鋇薄膜的定頻電掃描漏波天線，包括有襯底基片、數(shù)個(gè)周期電路單元和兩個(gè)阻抗匹配器，襯底基片的背面設(shè)有導(dǎo)電金屬薄膜層，襯底基片的正面安裝有兩個(gè)阻抗匹配器和數(shù)個(gè)周期電路單元，兩個(gè)阻抗匹配器安裝在襯底基片的兩端，數(shù)個(gè)周期電路單元依次串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)陣列后連接在兩個(gè)阻抗匹配器之間。本發(fā)明可通過改變加在可變電容兩端的電壓來控制天線掃描角度的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在固定頻率下天線波束可掃描的目的，且本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對現(xiàn)有微帶漏波天線結(jié)構(gòu)上更加合理緊湊，材料性能優(yōu)良，使漏波天線的穩(wěn)定性大幅提升。
文檔編號(hào)H01Q13/20GK102509885SQ201110370869
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者吳大俊, 孫玉平, 戴建明, 楊昭榮, 陶興東 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院