基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线

技术领域

本发明涉及射频前端器件领域，特别涉及基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线，主要应用在Ka频段的卫星通信等。

背景技术

基于MEMS开关的方向图可重构天线，由于其拥有比较大的扫描范围，比较高的辐射增益、增益前后比，比较好的集成度、频率适应性和比较高的重构状态隔离度，因此在远距离(卫星通信)通信及机载、舰载雷达等方面具有重要研究价值。一直以来，关于可重构天线的研究比较多，主要包括基于可重构寄生层的加载PIN二极管或变容二极管等可调器件的可重构天线，基于可调材料超表面的电磁特性重构天线，以及加载可重构馈电网络的多波束切换阵列等。PIN二极管调控天线的优点是重构切换速度快且开关驱动电压低，缺点是插入损耗大且开关隔离低；基于可调材料超表面的可重构天线，其优点是拥有独特的电磁特性，如极化转换、异常反射、波束聚焦等，某些可应用的重构条件无需物理接触，缺点是结构复杂度高，加工难度大；阵列天线同样拥有体积相对较大，馈电网络复杂，价格昂贵等缺点。相比于PIN二极管或变容二极管等器件，MEMS开关在更高的工作频段表现出更优的性能，包括更高的开关隔离度和更低的插入损耗与功耗。PIN二极管调控天线拥有较快的重构切换速度，例如江婉等人于2020年研制出基于PIN二极管的应用于5G毫米波的方向图可重构天线，但该天线的不同重构状态之间隔离度较低，会在不希望的重构方向产生损耗和干扰。

由于加载PIN二极管或变容二极管等可调器件的可重构天线存在隔离差、插损大的缺点，基于超表面的可重构天线和多波束切换相控阵等又存在结构复杂、体积大、成本高等缺点，目前难以达到在各种射频通信设备应用上的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线可以满足大角度扫描范围的要求，该天线实现了结构简单、设计方便、增益高、前后比高、集成度高、扫描范围大、重构状态隔离度高等特点。

本发明采用的技术方案如下：基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线，包括第一金属贴片层、介质基板以及第二金属贴片层，所述第一金属贴片层设置在介质基板上表面，所述第二金属贴片层设置在介质基板下表面；

所述第一金属贴片层包括三个八木微带天线单元的第一部分结构、MEMS单刀三掷开关以及处于中轴位置的微带信号线；所述微带信号线第一端连接MEMS单刀三掷开关的输入端，所述三个八木微带天线单元的第一部分结构以及微带信号线以MEMS单刀三掷开关为中心沿周向分布，且间隔90°圆心角；所述三个八木微带天线单元的第一部分结构对应连接MEMS单刀三掷开关的输出端；

所述第二金属贴片层包括三个八木微带天线单元的第二部分结构以及处于中轴位置的金属地；所述三个八木微带天线单元的第二部分结构与金属地连接；所述金属地与微带信号线的第二端共同作为激励信号输入端。

进一步的，所述微带信号线形状为长矩形。

进一步的，所述金属地形状为矩形，宽度大于微带信号线，长度等于微带信号线与MEMS单刀三掷开关的长度之和。

进一步的，所述MEMS单刀三掷开关包括三个完全相同的复合梁MEMS开关以及匹配结构；所述匹配结构的一端与微带信号线连接，另外三端分别与三个复合梁MEMS开关连接；所述MEMS单刀三掷开关受控连通匹配结构与任一复合梁MEMS开关。

进一步的，所述复合梁MEMS开关包括第一直流端口金属块、第二直流端口金属块、第三直流端口金属块、第四直流端口金属块、复合梁、第一金属电极、第二金属电极、中间断开的金属线以及导通结构；所述第一直流端口金属块、第二直流端口金属块、第三直流端口金属块、第四直流端口金属块、第一金属电极、第二金属电极以及中间断开的金属线均设置在介质基板上表面；

所述第一直流端口金属块、第三直流端口金属块设置在金属线的一侧，所述第二直流端口金属块、第四直流端口金属块分别设置在金属线另一侧，所述第一金属电极设置在第一直流端口金属块与第三直流端口金属块之间，所述第二金属电极设置在第二直流端口金属块与第四直流端口金属块之间；

所述复合梁包括层叠的上梁、第一下梁与第二下梁，所述上梁安装在介质基板上形成中间镂空的桥型结构；所述第一下梁与第二下梁分别设置在上梁下表面的左右两侧，且均为直角梁结构，所述导通结构设置在上梁下表面的中间部分，且导通结构处于金属线断开处的正上方；所述第一金属电极、第二金属电极分别对应位于第一下梁、第二下梁的下方；所述第一直流端口金属块与第一金属电极连接，第三直流端口金属块与第一下梁连接，第二直流端口金属块与第二下梁连接，第四直流端口金属块与第二金属电极连接。

进一步的，所述上梁材料为二氧化硅，第一下梁、第二下梁的材料均为金属金。

进一步的，所述三个八木微带天线单元包括第一八木微带天线单元、第二八木微带天线单元以及第三八木微带天线单元，微带信号线顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第一八木微带天线单元，第一天线单元顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第二天线单元，第二天线单元顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第三天线单元。

进一步的，所述八木微带天线单元的第一部分结构包括第一单臂激励贴片、三个引向贴片，第一单臂激励贴片包括垂直连接的第一贴片和第二贴片，第一贴片连接MEMS三掷开关的信号输出端；所述三个引向贴片均与所述第二贴片平行设置；第二部分结构包括第二单臂激励贴片包括垂直连接的第三贴片和第四贴片，所述第一单臂激励贴片与第二单臂激励贴片方向相反，呈对称结构。

进一步的，所述第一八木微带天线单元、第二八木微带天线单元、第三八木微带天线单元的结构相同或不同；不同时，区别在于第一八木微带天线单元之间的第一单臂激励贴片、第二单臂激励贴片分别呈对称结构。

进一步的，所述三个八木微带天线单元为端射单元，第一八木微带天线单元与第二八木微带天线单元、第三八木微带天线单元结构旋转对称。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)可实现三方向端射。

(2)对各频段适应性好。

(3)各重构状态之间隔离好。

(4)结构简单、制造方便，拥有较高的生产集成度。

附图说明

图1为本发明提出的基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线结构爆炸示意图。

图2为本发明提出的KA波段方向图可重构天线的第一金属贴片层正视图。

图3为本发明提出的KA波段方向图可重构天线的第二金属贴片层正视图。

图4为本发明一实施例中KA波段方向图可重构天线中复合梁MEMS开关的侧视图。

图5为本发明一实施例中KA波段方向图可重构天线的复合梁MEMS开关的俯视图。

图6为本发明一实施例中KA波段方向图可重构天线的回波损耗图。

图7为基于MEMS开关控制的方向图可重构天线在赤道面(XOY面)的二维增益方向图。

图8为基于MEMS开关控制的方向图可重构天线在子午面(状态1、3在YOZ面，状态2在XOZ面)的二维增益方向图。

附图标记：1-MEMS单刀三掷开关，2-第一八木微带天线单元，3-第二八木微带天线单元，4-第三八木微带天线单元，5-介质基板，6-微带信号线，7-第一引向贴片，8-第二引向贴片，9-第三引向贴片，10-第二单臂激励贴片，11-第一单臂激励贴片，12-第一贴片，13-第二贴片，14-第三贴片，15-第四贴片，22-金属地，39-上梁，40-第一下梁，41-第一金属电极，42-导通结构，43-金属线，44-第一复合梁MEMS开关，45-第二复合梁MEMS开关，46-第三复合梁MEMS开关，47-匹配结构，48-第二金属电极，49-第二下梁，51-第一直流偏置线，52-第二直流偏置线，53-第三直流偏置线，54-第四直流偏置线，55-第一直流端口金属块，56-第二直流端口金属块，57-第三直流端口金属块，58-第四直流端口金属块。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参考图1，本发明实施例提出了一种基于单刀三掷MEMS开关的KA波段方向图可重构天线，利用MEMS开关控制电流路径的方向图可重构天线具有状态隔离度高、插损低、功耗低的特征。该天线可以实现三个方向的端射增益，结构简单、制造方便，可以通过硅基工艺实现快速印刷制造。具体的：

该天线包括第一金属贴片层、介质基板5以及第二金属贴片层，第一金属贴片层设置在介质基板5上表面，第二金属贴片层设置在介质基板5下表面；

其中，请参考图2，第一金属贴片层包括三个八木微带天线单元的第一部分结构、MEMS单刀三掷开关1以及处于中轴位置的微带信号线6；微带信号线6第一端连接MEMS单刀三掷开关1的输入端，三个八木微带天线单元的第一部分结构以及微带信号线6以MEMS单刀三掷开关1为中心沿周向分布，且间隔90°圆心角；三个八木微带天线单元的第一部分结构对应连接MEMS单刀三掷开关1的输出端。

请参考图3，第二金属贴片层包括三个八木微带天线单元的第二部分结构以及处于中轴位置的金属地22；三个八木微带天线单元的第二部分结构与金属地22连接；金属地22与微带信号线6的第二端共同作为激励信号输入端，即输入端口。

在实际应用中，微带信号线6采用长矩形，与之相对应的金属地22也采用矩形，但金属地22的宽度大于微带信号线6，长度等于微带信号线6与MEMS单刀三掷开关1的长度之和。

本实施例中，MEMS单刀三掷开关1包括三个完全相同的复合梁MEMS开关以及匹配结构47；匹配结构47的一端与微带信号线6连接，另外三端分别与三个复合梁MEMS开关连接；MEMS单刀三掷开关1受控连通匹配结构47与任一复合梁MEMS开关。在一个实施例中，匹配结构47为圆形结构。本实施例中，第一复合梁MEMS开关44的信号输出端与第二八木微带天线单元3连接，第二复合梁MEMS开关45的信号输出端与第三八木微带天线单元4连接，第三复合梁MEMS开关46的信号输出端与第一八木微带天线单元2连接。

请参考图4、图5，在一个实施例中，复合梁MEMS开关包括第一直流端口金属块55、第二直流端口金属块56、第三直流端口金属块57、第四直流端口金属块58、复合梁、第一金属电极41、第二金属电极48、中间断开的金属线43以及导通结构42；第一直流端口金属块55、第二直流端口金属块56、第三直流端口金属块57、第四直流端口金属块58、第一金属电极41、第二金属电极48以及中间断开的金属线43均设置在介质基板5上表面；

第一直流端口金属块55、第三直流端口金属块57设置在金属线43的一侧，第二直流端口金属块56、第四直流端口金属块58分别设置在金属线43另一侧，第一金属电极41设置在第一直流端口金属块55与第三直流端口金属块57之间，第二金属电极48设置在第二直流端口金属块56与第四直流端口金属块58之间。需要注意的是，金属线43的一端连接匹配结构47，另一端连接八木微带天线单元，这里的两端并非中间断开的两端。

复合梁包括层叠的上梁39、第一下梁40与第二下梁49，上梁39安装在介质基板5上形成中间镂空的桥型结构；第一下梁40与第二下梁49分别设置在上梁39下表面的左右两侧，且均为直角梁结构，导通结构42设置在上梁39下表面的中间部分，且导通结构42处于金属线43断开处的正上方；第一金属电极41、第二金属电极48分别对应位于第一下梁40、第二下梁49的下方；上梁39与第一下梁40、第二下梁49重叠位置的尺寸相同。第一直流端口金属块55与第一金属电极41连接，第三直流端口金属块57与第一下梁40连接，第二直流端口金属块56与第二下梁49连接，第四直流端口金属块58与第二金属电极48连接。需要说明的是，导通结构42采用矩形结构，且尺寸能够完全覆盖金属线43的断开部分。

在一个实施例中，第一直流端口金属块55通过第一直流偏置线51连接第一金属电极41，第二直流端口金属块56通过第二直流偏置线52连接第二下梁49，第三直流端口金属块57通过第三直流偏置线53连接第一下梁40，第四直流端口金属块58通过第四直流偏置线54连接第二金属电极48。

在一个优选实施例中，上梁39材料为二氧化硅，第一下梁40、第二下梁49的材料均为金属金。

进一步本实施例中还给出了上述MEMS单刀三掷开关1的工作方式。

在开关断开状态，直流端口金属块均接地或相同电压，是复合梁开关整体不产生纵向变形，保持金属线43为断开状态。在要使开关导通，通过直流端口金属块赋予金属下梁和金属电极接地和驱动电压，驱动电压使金属电极与下梁之间产生静电力，使下梁带动二氧化硅的上梁39产生纵向形变，将复合梁整体下拉，最终使中间导通结构42下方与金属线43断开处上方接触，形成导通状态。

从整体开关来看，外部激励信号通过激励端口输入微带信号线6，MEMS单刀三掷开关1每次可保持一个输出端口导通，使一个八木微带天线单元与微带信号线6相连通，实现一个方向的端射。

具体参考图2，本实施例中，三个八木微带天线单元包括第一八木微带天线单元2、第二八木微带天线单元3以及第三八木微带天线单元4，微带信号线6顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第一八木微带天线单元2，第一天线单元顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第二天线单元，第二天线单元顺时针间隔90°圆心角衔接分布着第三天线单元。

具体的，以第一八木微带天线单元2为例，第一八木微带天线单元2的第一部分结构包括第一单臂激励贴片11、三个引向贴片，第一单臂激励贴片11包括垂直连接的第一贴片12和第二贴片13，第一贴片12连接MEMS三掷开关的信号输出端；所述三个引向贴片均与所述第二贴片13平行设置；第二部分结构包括第二单臂激励贴片10包括垂直连接的第三贴片14和第四贴片15，第三贴片14连接金属地22，所述第一单臂激励贴片11与第二单臂激励贴片10方向相反，呈对称结构。如图1所示，第一单臂激励贴片11中的第一贴片12、第二贴片13与第二单臂激励贴片10中的第三贴片14、第四贴片15形成对称结构。三个引向贴片包括第一引向贴片7、第二引向贴片8、第三引向贴片9，均与第二贴片13平行。

需要说明的是，根据实际应用需求，第一八木微带天线单元2、第二八木微带天线单元3、第三八木微带天线单元4的结构相同或不同；不同时，区别在于第一八木微带天线单元2之间的第一单臂激励贴片11、第二单臂激励贴片10分别呈对称结构。在一些实施例中，三个八木微带天线单元为端射单元，第一八木微带天线单元2与第二八木微带天线单元3、第三八木微带天线单元4结构旋转对称。

如图2所示的八木微带单元，第一八木微带天线单元2沿微带信号线6翻转得到第三八木微带天线单元4，第三八木微带天线单元4旋转得到第二八木微带天线单元3。各个八木微带天线单元区别就在于单臂激励贴片的转角朝向不同。

下面结合图2、图3，以一具体的天线实例为例介绍本发明。

其中，以长矩形的微带信号线6为结构中轴，分布于介质基板5上表面，激励信号输入端口有50欧姆特征阻抗，连接到微带信号线6输入端，合理设置矩形微带信号线6的宽度可以调整天线的输入阻抗，微带信号线6的输出端连接到MEMS单刀三掷开关1的信号输入端。

三个八木微带天线单元的信号输入端分别与MEMS单刀三掷开关1的三个信号输出端相连，它们围绕MEMS开关呈顺时针周向分布，间隔角度为90°。

MEMS开关利用直流电流驱动，信号输入端连接矩形微带信号线6，三个信号输出端分别连接至一个八木微带天线单元，当MEMS开关导通时，使得微带信号线6和一个八木微带天线单元有电流导通，实现一个方向的端射。例如，当MEMS单刀三掷开关1向第一信号输出端导通时，微带信号线6与第一八木天线单元处于连接状态，激励信号由输入端口进入微带信号线6，经微带信号线6传输到第一天线单元，激励起向左的端射模式。

为了减小损耗，应用于第一金属贴片层和第二金属贴片层的金属材料采用电阻率小的金属，如铝、铜、金等；介质基板5采用损耗小的材料，如高阻硅、Rogers5880等。

在本实施例中还提出的该基于MEMS单刀三掷开关的KA波段方向图可重构天线结构的尺寸组合，应当注意，该尺寸组合仅作示意图，实际可以根据需求调整。

图2中第一金属贴片层涉及到的尺寸包括：

结构23＝7240微米，结构24＝2100微米，结构25＝2300微米，结构26＝300微米，结构27＝300微米，结构28＝1000微米，结构29＝700微米，结构30＝300微米，结构31＝200微米。

图3中第二金属贴片层涉及到的尺寸包括：

结构32＝3200微米，结构33＝7300微米，结构34＝1300微米，结构35＝2100微米，结构36＝300微米，结构37＝9100微米，结构38＝1450微米。

图1中的介质基板的边长为1500微米，厚度为127微米。

前述提到的，微带信号线、第一金属贴片层、第二金属贴片层的金属层厚度均为1微米。

为了验证本发明提出的方向图可重构天线的性能，对其进行仿真验证。

MEMS开关向各个八木微带天线单元导通时，此时方向图可重构天线的回波损耗仿真图为：图6中显示的是该基于MEMS单刀三掷的KA波段方向图可重构天线的回波损耗示意图，显示该天线在29～33GHz的频率范围内回波损耗显著小于-10dB。

图7中显示的是该基于MEMS单刀三掷开关的KA波段方向图可重构天线在中心频率下，于赤道面的二维增益方向图，不同标记的曲线表示在MEMS开关不同导通状态下的方向图，在不同导通状态下，水平波束宽度均可以达到70°。

图8中显示的是该基于MEMS单刀三掷开关的KA波段方向图可重构天线在中心频率下，于子午面的二维增益方向图，不同标记的曲线表示在MEMS开关不同导通状态下的方向图，在不同导通状态下，垂直波束宽度均可以达到180°。

可见，通过MEMS单刀三掷开关控制的方向图可重构天线，可以实现三方向端射。

应当注意，上述实施例仅为示例说明，若想得到不同中心频率下的方向图可重构天线，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以调整八木微带天线单元的激励贴片的宽度、长度，以及介质基板的厚度来调节工作中心频率，调整引向贴片与激励贴片、引向贴片之间的距离来调节天线方向性，调整信号传输线的宽度来调节阻抗匹配等。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。