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一种基于 相变材料的可重定义 微波器件

阅读：1024发布：2020-11-22

专利汇可以提供一种基于相变材料的可重定义微波器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于相变材料的可重定义微波器件。包括介质基板，在介质基板的顶面中部设有辐射贴片、传输线、通断传输线和两块匹配单元；介质基板的底面为金属接地板；通断传输线和匹配单元的材料均为二氧化钒；利用匹配单元的低电导率和通断传输线的低电导率组合实现微波贴片天线的功能；利用通断传输线相变前低电导率、匹配单元相变后高电导率的性能组合形成微波能量衰减传输，实现微波衰减器的功能；利用通断传输线相变后高电导率、匹配单元相变后高电导率的性能与金属贴片一起构成选频电路，组合形成微波信号滤波传输，实现微波滤波器的功能。本发明降低了微波器件的成本，解决了因微波器件小型化造成的器件堆叠问题，提高了电磁兼容性能。，下面是一种基于相变材料的可重定义微波器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：包括介质基板（1），在介质基板1的顶面中部设有辐射贴片（2），辐射贴片（2）的一端连接着传输线（3）的一端，辐射贴片（2）的另一端连接着通断传输线（4）的一端，传输线（3）的另一端为输入端口，通断传输线（4）的另一端为输出端口，传输线（3）的输入端口和通断传输线（4）的输出端口分别位于介质基板（1）的边缘；与传输线（4）的一端两侧对应的辐射贴片（2）上分别嵌入匹配单元（5）；
所述介质基板（1）的底面为金属接地板（6）；工作时，所述传输线（3）的输入端口和通断传输线（4）的输出端口分别通过同轴连接器馈电；
所述通断传输线（4）材料和匹配单元（5）材料为相同的相变材料，所述相变材料为二氧化钒；
室温条件下，所述匹配单元（5）的低电导率和通断传输线（4）的低电导率组合，实现微波贴片天线的功能；利用通断传输线（4）相变前的低电导率，当温度升高至68℃以上，匹配单元（5）相变后高电导率的性能，二者组合形成微波能量衰减传输，实现微波衰减器的功能；当温度升至68℃以上，通断传输线（4）和匹配单元（5）均相变为高电导率性能，与金属贴片2一起构成选频电路，实现微波波滤波器的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：所述介质基板（1）的材料为三氧化二铝，所述辐射贴片（2）、传输线（3）和金属接地板（6）的材料均为铜。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：所述微带贴片天线的工作波段为波长58～60mm的C波段，中心频率波长λ0为59mm，在5.05GHz到5.15GHz内S11≤-10dB，5.1GHz的方向图增益约为1.7dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：所述微波衰减器的工作频段为4～6GHz两个端口的插损小于-55dB，衰减效果较好。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：所述带通滤波器的工作波段为波长58～60mm的C波段，中心频率波长λ0为59mm，端口的插损-1dB，带外隔离度在-10dB以下。
6.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重定义微波器件，其特征在于：当中心频率波长λ0为59mm时，
所述介质基板（1）的长度Lb为0.5λ0、宽度Wb为0.3λ0、高度Hb为0.5mm,厚度Hf0为1um；
所述金属接地板（6）的长宽和介质基板（1）的长宽相等；
所述辐射贴片（2）的长Lf0为0.216λ0,宽W f0为0.155λ0；
所述传输线（3）的长Lf1为10.35mm,宽W f1为0.5mm；
所述通断传输线（4）的长Lf2为10.35mm，宽度为W f1；
所述匹配单元（5）的长 Lf3为3.2mm,宽度为W f1。

说明书全文

一种基于相变材料的可重定义 微波器件

技术领域

[0001] 本发明属于微波天线，微波电路与器件领域，具体是一款具有多种器件功能转换和重构的可重定义微波器件。

背景技术

[0002] 微波电路领域由于本身受限于电磁分布、电磁波传播的复杂性难以通过利用数字电路的可重构方式实现微波电路复用。早在上世纪六十年代，针对微波领域的可重构就被提出，半个世纪以来一直是研究的热点之一，到目前为止科研人员针对微波器件与电路的可重构研究，实现了同种微波器件指标的可重构，其实现的主要途径基本分为三个方面：一、利用相变材料电导率的可重构属性进行微波电路结构的选择或电流通路的切换，实现了在同种器件的基础上一个或多个指标的可重构。二、通过可变微波器件像可变电阻、可变电容等器件，改变可变微波器件的等效电阻和电容等参数进行微波电路的切换实现性能指标的重构。三、通过利用改变载体的弯曲或者拉伸实现电路结构的重组进行微波器件指标的可重构。以上微波器件实现的可重构其主要的重构方法主要集中在电路结构中电流的通断或者通过改变局部可变微波器件实现整体结构等效参量的调谐，其解决的问题主要集中在若干性能指标的重构如同种器件工作频段的重构、相位的重构等，未能从根本改变器件的功能定义。目前可重构的设计方法在实现单一器件不同指标的变换的基础上同时也带来一些问题，例如在微系统中器件功能单元仍然较多，电路面积相对较大，电路复杂，寄生效应严重等。因此，亟待考虑如何从更深层次来解决微波电路的可重构可复用问题，以更简洁、更灵活和更紧凑的途径实现功能更多，性能更好的通用微波器件与电路，缩短微波电路与数字电路的差距。

发明内容

[0003] 为了实现不同种微波器件功能的转换、复用与重构，即实现微波器件的可重定义，本发明提供一种基于相变材料的可重定义微波器件。

[0004] 一种基于相变材料的可重定义微波器件包括介质基板1，在介质基板1的顶面中部设有辐射贴片2，辐射贴片2的一端连接着传输线3的一端，辐射贴片2的另一端连接着通断传输线4的一端，传输线3的另一端为输入端口，通断传输线4的另一端为输出端口，传输线3的输入端口和通断传输线4的输出端口分别位于介质基板1的边缘；与传输线4的一端两侧对应的辐射贴片2上分别嵌入匹配单元5；所述介质基板1的底面为金属接地板6；工作时，所述传输线3的输入端口和通断传输线4的输出端口分别通过同轴连接器馈电；所述通断传输线4材料和匹配单元5材料为相同的相变材料，所述相变材料为二氧化钒；
室温条件下，所述匹配单元5的低电导率和通断传输线4的低电导率组合，实现微波贴片天线的功能；利用通断传输线4相变前的低电导率，当温度升高至68℃以上，匹配单元5相变后高电导率的性能，二者组合形成微波能量衰减传输，实现微波衰减器的功能；当温度升至68℃以上，通断传输线4和匹配单元5均相变为高电导率性能，与金属贴片2一起构成选频电路，实现微波波滤波器的功能。

[0005] 进一步限定的技术方案如下：所述介质基板1的材料为三氧化二铝，所述辐射贴片2、传输线3和金属接地板6的材料均为铜。

[0006] 所述微带贴片天线的工作波段为波长58～60mm的C波段，中心频率波长λ0为59mm，在5.05GHz到5.15GHz内S11≤-10dB，5.1GHz的方向图增益约为1.7dB。

[0007] 所述微波衰减器的工作频段为4～6GHz两个端口的插损小于-55dB，衰减效果较好。

[0008] 所述带通滤波器的工作波段为波长58～60mm的C波段，中心频率波长λ0为59mm，端口的插损-1dB，带外隔离度在-10dB以下。

[0009] 当中心频率波长λ0为59mm时，所述介质基板1的长度Lb为0.5λ0、宽度Wb为0.3λ0、高度Hb为0.5mm,厚度Hf0为1um；
所述金属接地板6的长宽和介质基板1的长宽相等；
所述辐射贴片2的长Lf0为0.216λ0,宽W f0为0.155λ0；
所述传输线3的长Lf1为10.35mm,宽W f1为0.5mm；
所述通断传输线4的长Lf2为10.35mm，宽度为W f1；
所述匹配单元5的长 Lf3为3.2mm,宽度为W f1。

[0010] 本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.与之前技术相比，之前的微波可重构器件仅仅是同一种器件，某个或某几个指标的重构，未涉及器件功能的重构；而本发明提出的可重定义器件，是不同功能的重构，在不同重构效果下，实现了不同种类或不同定义微波器件之间的重构。利用相变材料二氧化钒电导率在相变前后的变化，实现微波天线、微波衰减器、带通滤波器之间的转换。

[0011] 2.与之前的技术相比，之前的相变材料用于可重构微波电路与器件，仅仅是把相变材料当成开关使用，未充分利用相变材料的电导率变化特性，使之产生电路匹配的功能，本发明利用相变材料的电导率变化特性，使之相变前参与微波电路的匹配，优化了微波电路结构，使相变材料在微波电路中更好的发挥其相变性能。

[0012] 3.与之前的技术相比，之前的相变材料或可重构微波电路与器件，把相变材料当成开关使用，在同一电路板上，设计了不同的功能电路，采用开关通断选择不同的电路，因此造成了电路面积和体积偏大，不利于微波电路的小型化。本发明提出的利用相变材料进行器件功能的重定义，做到了同电路结构的复用，通过电磁场分布的不同，实现器件功能的变换，因此，与之前的设计思路具有本质区别，电路面积显著减小，器件集成度有了较大提升，同时解决了器件之间的信号串扰性等问题。

[0013] 4．微波无源器件主要是依据其对电磁波频率的选择性不同、能量的引导或辐射性不同、相位调整性不同等几个方面来划分的，本发明充分考虑选择具有代表性的三种微波无源器件即分别具有辐射管理功能的微波天线、能量吸收功能的微波衰减器、频率选择功能的带通滤波器，通过在同一结构集成实现三种微波无源器件的“可重定义”。附图说明

[0014] 图1为本发明器件结构示意图。

[0015] 图2为本发明器件结构的俯视图及基板尺寸的标注图。

[0016] 图3为本发明器件结构的正视图及器件高度尺寸的标注图。

[0017] 图4为可重定义器件内部长宽尺寸的标注图。

[0018] 图5为本发明所述实现天线功能的增益和回波损耗图。

[0019] 图6为本发明所述实现天线功能后在5.1GHz频点上的E/H面方向图。

[0020] 图7为本发明所述微波衰减器的插损图。

[0021] 图8为本发明所述滤波器的回波损耗和带内损耗图。

[0022] 上图中序号：介质基板1、辐射贴片2、传输线3、通断传输线4、匹配单元5、金属接地板6。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

[0024] 实施例1工作于波长58～60mm的 C波段的金属腔体微带贴片天线，中心频率波长λ0为59mm，中心频率为5.1GHz，下边频为5.05GHz，上边频为5.15GHz。微波衰减器工作的频段为4 6GHz。
~
带通滤波器工作的波段同样为波长58~60mm的C波段，中心频率波长λ0为59mm。

[0025] 参见图1，一种基于相变材料的可重定义微波器件为包括长方体介质基板1，介质基板1的顶面中部生长厚度1.5um的铜材料的辐射贴片2。辐射贴片2的一端连接着传输线3的一端，辐射贴片2的另一端连接着通断传输线4的一端，传输线3的另一端为输入端口，通断传输线4的另一端为输出端口，传输线3的输入端口和通断传输线4的输出端口分别位于介质基板1的边缘；与通断传输线4的一端两侧对应的辐射贴片2上分别嵌入匹配单元5；介质基板1的底面为金属接地板6。

[0026] 介质基板1的材料为三氧化二铝，所述辐射金属贴片2、传输线3和金属接地板6的材料均为铜。通断传输线4材料和匹配单元材料为相同的相变材料二氧化钒。

[0027] 参见图2和图3，介质基板1的内部尺寸：其中λ0为59mm，长度Lb为0.5λ0、宽度Wb为0.3λ0、高度Hb为0.5mm；金属接地板6的厚度Hf0为1um；金属接地板6长宽和介质基板1的长宽相等。

[0028] 参见图4，辐射金属贴片2的长 Lf0为0.216λ0,宽W f0为0.155λ0，厚度Hf1为1um。传输线3的长Lf1为10.35mm,宽W f1为0.5mm；通断传输线4的长Lf2为10.35mm，宽度为W f1；匹配单元5的嵌入匹配结构长 Lf3为3.2mm,宽度为W f1；其中λ0为所述金属腔体微带贴片天线的中心频率；线宽W f1是根据阻抗匹配的最佳考量，起到抑制能量反射的作用。

[0029] 参见图5，天线S11参数随频率变化的曲线。在5.05GHz到5.15GHz内S11≤-10dB，S21≤-25dB，端口隔离度非常好同时也符合微带贴片天线的窄带特性。

[0030] 参见图6，本实施例天线在5.1GHZ上的方向图曲线，完全符合微带贴片天线方向图各项指标。

[0031] 参见图7，微波衰减器在4～6GHz频段S21≤-55dB完全把端口的能量衰减，微波衰减器指标较好。

[0032] 参见图8，滤波器在5.05～5.15GHz频点上的S11≤-20dB和S21>-1.5dB；符合滤波器端口和插损指标。

[0033] 当匹配单元5相变前（低电导率）作为微波天线的匹配结构，通断传输线4因其材料属性为低电导率无法与金属接地板6形成有效的电磁反射，引导电磁波走向和阻断两端口的高频电压电流的功能，所述可重定义微波器件实现微带贴片天线功能。当匹配单元5转换为相变后的高电导率，那么通断传输线4的低电导率衰减输入端口的能量，使所述可重定义微波器件实现微波衰减器功能。通断传输线4加热后以高电导率的材料属性与金属接地板6形成有效的电磁反射,引导电磁波走向和导通两端口的高频电压电流的功能，配合匹配单元5加热后也以高电导率的材料属性，使所述可重定义微波器件实现微波带通滤波器功能。

[0034] 在可重定义思路的指导下，满足本发明条件的相变材料基本具有以下特征：首先，相变前后对电磁波走向有明显的影响，能够改变其高频电流电压的传输路径或谐振特性。其次，相变材料相变条件简单方便，相变材料可循环性强。最后，能够和当代集成电路工艺兼容。目前在微波毫米波领域常用的相变材料有石墨烯、液晶、钒氧化物等。综合对比在相变条件以二氧化钒最为简单，因为在外部条件温度高于68度条件下就可以完成相变过程，且在蓝宝石（Al2O3）为基板的二氧化钒相变前后电导率变化超过1000倍，相变过程在100ns内就可以完成。最后二氧化钒制备采用的溅射工艺完全和现代集成电路兼容，基于以上的优点本发明采用二氧化钒作为可重定义器件相变材料。

[0035] 本发明可重定义微波器件，在不经过加热的室温条件下，通断传输线4和匹配单元5均保持二氧化钒低电导率的属性，组合实现微波天线功能。在保持外部温度68℃以上，给予匹配单元5加热使其完全相变改变二氧化钒的电导率转换为高电导率的属性，通断传输线4保持不加热的外部条件继续以相变材料低电导率的属性，组合实现微波衰减器功能。对通断传输线4和匹配单元5的同时加热到68℃以上，使其相变材料实现高电导率属性，组合实现微波带通滤波器功能。

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