本發(fā)明涉及一種頻率可調(diào)諧的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，特別是一種基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在無線通信系統(tǒng)中，頻率可調(diào)諧是一項(xiàng)非常重要的功能，通過激勵(lì)可控制器件來改變諧振頻率，實(shí)現(xiàn)多功能化。目前實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧的方法大多是通過變?nèi)荻O管、pin二極管等固態(tài)器件來控制電路通斷，但當(dāng)頻率升高達(dá)到毫米波頻段時(shí)，這些器件的性能就會(huì)變差，損耗變大，隔離度降低。

二氧化釩是一種具有強(qiáng)電荷關(guān)聯(lián)性的材料，通過電壓激勵(lì)就能在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生可逆的絕緣體—導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。在絕緣體—導(dǎo)體轉(zhuǎn)變過程中，這種材料的電阻率在這兩種狀態(tài)之間的變化可以達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)，而且轉(zhuǎn)變速度非?？?。這種電氣性能方面的劇烈的變化能在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生，從直流到射頻/微波頻段，甚至能達(dá)到毫米波和太赫茲頻段。與傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管等控制器件相比，二氧化釩在高頻插入損耗更小，隔離度更好。

共面緊湊型人工磁導(dǎo)體是一種具有同相反射特性的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的反射板一般為電導(dǎo)體，反射相位為180°，厚度約為四分之一波長。而人工磁導(dǎo)體在特定頻率處反射相位能達(dá)到0°，這樣便能大大地減小厚度，降低剖面。但是現(xiàn)在尚無將共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和二氧化釩薄膜相結(jié)合運(yùn)用于頻率調(diào)諧的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能在較低的剖面下實(shí)現(xiàn)入射波的大范圍頻率調(diào)諧。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板、金屬地板、金屬貼片，金屬貼片印制于介質(zhì)基板的上表面，金屬地板設(shè)置于介質(zhì)基板的下表面；金屬貼片設(shè)置成若干均勻分布的uc-amc單元且每一行的相鄰uc-amc單元的微帶分支之間通過一條二氧化釩薄膜相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)本發(fā)明提出的基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以在較高的頻段實(shí)現(xiàn)入射波的頻率調(diào)諧，適用頻段可達(dá)毫米波甚至太赫茲；(2)本發(fā)明提出的基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，當(dāng)二氧化釩薄膜的電阻率改變時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的頻率調(diào)諧，頻率調(diào)諧比可達(dá)1:1.65；(3)本發(fā)明提出的基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，二氧化釩薄膜損耗的能量少，和pin二極管、變?nèi)荻O管等傳統(tǒng)的控制器件相比功耗更?。?4)本發(fā)明提出的基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有低剖面反射特性。該結(jié)構(gòu)厚度僅為0.09λ，遠(yuǎn)小于普通反射板0.25λ的厚度；(5)本發(fā)明提出的基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，控制電路簡單，可控性強(qiáng)，而且兩個(gè)頻率之間的切換時(shí)間非常短。

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖2為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的相鄰兩個(gè)單元的三維圖、俯視圖和側(cè)視圖，其中圖(a)為三維圖，圖(b)為俯視圖，圖(c)為側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下的反射系數(shù)相位圖。

圖4為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在不同間距g下的反射系數(shù)相位圖，其中圖(a)為vo2薄膜絕緣時(shí)的反射系數(shù)相位，圖(b)為vo2薄膜導(dǎo)通時(shí)的反射系數(shù)相位。

圖5為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在不同微帶分支寬度w3下反射系數(shù)相位圖，其中圖(a)為vo2薄膜導(dǎo)通時(shí)的反射系數(shù)相位，圖(b)為vo2薄膜絕緣時(shí)的反射系數(shù)相位。

圖6為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在不同金屬貼片邊長w下的反射系數(shù)相位圖，其中圖(a)為vo2薄膜導(dǎo)通時(shí)的反射系數(shù)相位，圖(b)為vo2薄膜絕緣時(shí)的反射系數(shù)相位。

圖7為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與線極化寬帶偶極子天線相結(jié)合構(gòu)成的頻率可調(diào)天線的三維圖、俯視圖和側(cè)視圖，其中圖(a)為三維圖，圖(b)為俯視圖，圖(c)為側(cè)視圖。

圖8為寬帶偶極子天線的三維圖和俯視圖，其中圖(a)為三維圖，圖(b)為俯視圖。

圖9為本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與線極化寬帶偶極子天線相結(jié)合構(gòu)成的頻率可調(diào)天線的反射系數(shù)和方向圖，其中圖(a)為vo2薄膜絕緣時(shí)的反射系數(shù)曲線和增益曲線，圖(b)為vo2薄膜絕緣時(shí)的方向圖，圖(c)為vo2薄膜導(dǎo)通時(shí)的反射系數(shù)曲線和增益曲線，圖(d)為vo2薄膜導(dǎo)通時(shí)的方向圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明一種基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于二氧化釩的相變特性，通過改變二氧化釩薄膜的電阻率，從而改變周期性u(píng)c-amc結(jié)構(gòu)間的通斷狀態(tài)，使該結(jié)構(gòu)的等效諧振電路發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)諧。該頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具體包括介質(zhì)基板(4)、金屬地板(5)、金屬貼片(3)，金屬貼片(3)印制于介質(zhì)基板(4)的上表面，金屬地板(5)設(shè)置于介質(zhì)基板(4)的下表面。

金屬貼片(3)設(shè)置成若干個(gè)呈周期性排列的uc-amc單元[1]，所謂uc-amc單元[1]的周期性排列指uc-amc單元1按照橫排和數(shù)列分布，且每一橫排的uc-amc單元[1]與下一行的uc-amc單元[1]對(duì)齊。二氧化釩薄膜[2]放置在兩個(gè)uc-amc單元[1]間的微帶分支之間且與微帶分支相連。

所述介質(zhì)基板[3]的介電常數(shù)εr為2～20，厚度h為0.01λ～0.1λ，其中λ為自由空間波長。

相鄰的uc-amc單元[1]的間距g為0.001λ～0.04λ，uc-amc單元[1]的邊長w均為0.05λ～0.2λ，其中，中間的正方形邊長w1為0.03λ～0.1λ，四角的正方形邊長w2為0.02λ～0.1λ，四邊的微帶線寬w3為0.009λ～0.03λ，相鄰uc-amc單元[1]左右兩根微帶線之間的間距為0.001λ～0.006λ。二氧化釩薄膜[2]的尺寸為0.5mm×0.5mm，厚度為200nm，導(dǎo)電率變化前后每0.5mm×0.5mm的方形膜的阻值分別為40kω和40ω(可根據(jù)工藝略有調(diào)整)。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況進(jìn)行細(xì)化說明。

實(shí)施例1

相鄰uc-amc單元[1]之間的間距g為0.3mm，uc-amc單元[1]的邊長w為1.5mm，其中，中間的正方形邊長w1為0.9mm，四角的正方形邊長w2為0.5mm，四邊的微帶分支寬w3為0.1mm，相鄰uc-amc單元[1]左右兩根微帶分支之間的間距為0.05mm；介質(zhì)基板[4]材料為藍(lán)寶石(al2o3)，介電常數(shù)εr為10，厚度h為0.5mm，約為0.04λ0(其中λ0為中心頻率24ghz處的自由空間波長)。兩相鄰微帶分支之間的二氧化釩薄膜[2]的尺寸為0.5mm×0.05mm，厚度為200nm，導(dǎo)電率變化前后的阻值分別為4kω和4ω。

結(jié)合圖3，在vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下，反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了變化，當(dāng)vo2薄膜為絕緣體時(shí)，反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率約為18.9ghz，當(dāng)vo2薄膜為導(dǎo)體時(shí)，反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率約為28.6ghz，頻率調(diào)諧比約為1:1.5。表明在低剖面的條件下，該人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作頻率會(huì)根據(jù)vo2薄膜的導(dǎo)電率變化而發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。

下面闡述uc-amc的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通時(shí)諧振頻率的影響。

結(jié)合圖4，相鄰金屬貼片之間的間距g對(duì)反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率有很大影響。在vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下，保持其他參數(shù)不變，只改變兩相鄰金屬貼片之間的間距g，隨著間距g不斷減小，反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率均不斷提高，即在低剖面的條件下，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工作頻率會(huì)隨著金屬貼片間的間距減小而向高頻偏移。

結(jié)合圖5，在vo2薄膜絕緣狀態(tài)下，隨著微帶分支寬度w3的減小，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工作頻率向高頻偏移；而在vo2導(dǎo)通狀態(tài)下，隨著微帶分支寬度的減小，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工作頻率向低頻偏移。這一結(jié)果表明金屬貼片中微帶分支的寬度影響頻率調(diào)諧的范圍，微帶分支越窄，頻率調(diào)諧范圍越小，微帶線越分支，頻率調(diào)諧范圍越大。

結(jié)合圖6，在vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下，保持其他參數(shù)不變，只改變金屬貼片邊長w，隨著邊長w減小，反射系數(shù)相位0°對(duì)應(yīng)的頻率均不斷提高，即在低剖面的條件下，該電磁帶隙結(jié)構(gòu)的工作頻率會(huì)隨著金屬貼片的尺寸減小而向高頻偏移，但對(duì)調(diào)諧范圍幾乎沒有影響。

由上可知，本發(fā)明基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧特性。調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)(相鄰金屬貼片之間的間距g、微帶分支寬度w3和金屬貼片邊長w)，便可以改變vo2薄膜絕緣和導(dǎo)通兩種狀態(tài)下的諧振頻率。

實(shí)施例2

結(jié)合圖7，所述基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和寬帶偶極子天線結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一種大范圍頻率可調(diào)超材料天線。該天線以所述基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為底部反射板，偶極子天線在其上方，在反射板上放置四個(gè)柱子以支撐偶極子天線。柱子的高度為1mm。偶極子天線由介質(zhì)基板、金屬貼片、微帶巴倫和同軸饋電接頭組成。金屬貼片印制在介質(zhì)基板的上表面，微帶巴倫放置在介質(zhì)基板的下表面，同軸饋電接頭由介質(zhì)基板的上方插入，貫穿整個(gè)介質(zhì)基板，在上表面與金屬貼片相連，在下表面與微帶巴倫相連接，通過微帶巴倫進(jìn)行饋電。本例中的可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和上例相同。偶極子天線中，介質(zhì)基板長a為7.4mm，寬b為4mm，厚度為0.254mm，材料選用rogersrt/duroid5880，介電常數(shù)2.2，損耗角正切為0.0009。金屬貼片中的兩對(duì)天線臂長dl為6.4mm，臂寬dw為0.6mm，兩天線臂之間的間距d為0.14mm。

結(jié)合圖8、圖9，將所述基于二氧化釩薄膜的頻率可調(diào)諧共面緊湊型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和寬帶偶極子天線結(jié)合構(gòu)成的大范圍頻率可調(diào)超材料天線，當(dāng)vo2薄膜為絕緣狀態(tài)時(shí)，反射系數(shù)低于-10db的工作頻帶為16～19ghz，相對(duì)帶寬為17.1％，最大增益可達(dá)7.6dbi；當(dāng)vo2薄膜為導(dǎo)體狀態(tài)時(shí)，反射系數(shù)低于-10db的工作頻帶為21.7～26.5ghz,相對(duì)帶寬為16.6％，最大增益可達(dá)8.6dbi，可見該天線能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍頻率可調(diào)。