CN102570034A - 基于共形有源频率选择表面的可重构天线 - Google Patents

基于共形有源频率选择表面的可重构天线 Download PDF

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王良翼
杨峰
韩旺旺
张凯之
张剑
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Abstract

本发明涉及一种基于共形有源频率选择表面的可重构天线，由圆柱上下表面控制电路(5)产生的偏置电压加在每列十字架两端，从而控制二极管(3)的通断状态。在二极管接通和断开状态下，频率选择表面的频响特性分别为高反射和高透射。共形有源频率选择表面利用这种频响特性可以将偶极子天线的全向方向图转变为定向辐射的方向图，并可以实现定向辐射方向图在X-O-Y面内360度扫描。本发明对于工作频率在2.5GHz下的偶极子天线均适用，偶极子天线的全向方向图转变为定向辐射方向图时，其增益能提高8dB左右，最终增益等达到11dB左右，从而实现高增益可重构天线。本发明具有结构简单，二极管通断状态易于控制等优点。

Description

基于共形有源频率选择表面的可重构天线
技术领域
本发明涉及一种共形有源频率选择表面的可重构天线，该发明可以实现可重构高增益天线系统。 
背景技术
频率选择表面(FSS)具有特有的频率响应特性，自其概念被提出来便一直受到高度重视，独特的电性能使其不仅在卫星通信领域得到广泛应用，同时在飞行器隐身方面也扮演着重要角色。频率选择表面被广泛应用于电磁隐身、电磁兼容、军事通信、电子对抗等领域。平面无源频率选择表面有较多的研究，有其独特的优点，应用较为广泛。但是平面无源频率选择表面在加工完成后，其电气性能均无法改变，因而在复杂的电磁环境中无法快速适应外部电磁环境的变化而发挥最大作用，而共形有源频率选择表面可以通过控制外加激励来解决这一缺陷。 
一切无线通信、军/民用雷达等各种无线系统都是利用无线电波来进行工作的，而无线电波的接受和发射则是依靠天线完成。天线的主要功能有二：其一是能量转换功能，其二是定向辐射(或者接收)功能。天线的特性直接影响到整个无线系统的工作特性，是无线系统的关键部件之一。现代大容量、多功能、超宽带综合信息系统的迅猛发展，使得在同一平台上搭载的信息子系统数量增加，作为无线系统中信息出入必然通道的天线数量也相应增加。从降低综合信息系统的整体成本、减轻重量、减小系统的雷达散射截面、实现良好的电磁兼容特性等方面来看，这种现象非常有害，也成为制约综合信息系统进一步向大容量多功能超宽带方向发展和应用的一大瓶颈。为了克服这个瓶颈，“可重构天线”的概念被提出并获得发展，可重构天线的研究意在使天线能根据实际环境的需求实时重构天线特性。 
发明内容
本发明的目的是提供一种基于共形频率选择表面的可重构天线，通过共形有源频率选择表面控制偶极子天线的方向图，从而实现天线系统方向图的可重构及高增益。 
本发明中的共形有源频率选择表面的可重构天线包括空心圆柱介质层、共形于圆柱介质层上的金属十字架、二极管、偶极子天线、控制电路。 
共形于空心圆柱介质层外表面的金属十字架是用平面中对称的十字架结构共形而制成，共形金属十字架沿Z轴和圆柱外表面方向周期排列，每列十字架中相邻的两个十字架用二极管连接。 
二极管的通断状态由位于圆柱上下表面的控制电路产生的偏置电压所控制，偏置电压加在每列十字架的两端，从而可以控制二极管的通断状态。 
偶极子天线位于共形有源频率选择表面的中心。将圆柱上的频率选择表面分成两部分，通过控制电路使圆柱上一部分频率选择表面处于透射状态，另一部分处于发射状态，因此该共形有源频率选择表面将偶极子全向方向图变为定向辐射方向图。通过控制电路改变圆柱上每部分频率选择表面的频响特性，定向辐射方向图可以实现360度扫描。 
本发明的优点：第一，发明共形有源频率选择表面，实现频率选择表面和共形技术相结合的应用，第二，将有源控制技术应用于共形频率选择表面，实现共形有源频率选择表面，第三，将共形有源频率选择表面结合偶极子天线，实现高增益可重构天线。 
附图说明
图1是本发明结构的三视图。 
其中空心圆柱介质层1，共形十字架2，二极管3，偶极子天线4，控制电路5，空心圆柱介质层的高度H，空心圆柱介质层的半径R。 
图2是本发明的俯视图。 
其中偶极子天线6，接通二极管7，断开二极管8，空心圆柱介质层9，部分控制电路10。 
图3频率选择表面谐振单元。 
其中二极管11，介质层12，金属架13。 
图4二极管通断时的电路模型。 
图5频率选择表面在不同二极管状态下的频响特性。 
图6基于共形频率选择表面可重构天线E面方向图。 
图7基于共形频率选择表面可重构天线H面方向图。 
具体实施方式
参照图1，本发明为基于共形有源频率选择表面的可重构天线，包括空心圆柱介质层(1)， 共形于空心圆柱介质外层的金属十字架(2)，二极管(3)，偶极子天线(4)，控制电路(5)。沿Z轴及圆柱外表面方向，共形十字架周期性排列，每列相邻十字架由二极管相连，控制电路产生偏置电压并将偏置电压加在每列十字架两端，以便于控制二极管的通断状态。 
参考图3，频率选择表面谐振单元，中间用二极管连接，通过圆柱上下表面的控制电路产生的偏置电压可以控制二极管的通断状态，从而改变频率选择表面的频响特性。二极管通断状态所对应的电路模型如图4：二极管接通(On)，其等效为具有阻值很小的电感；二极管断开(Off)时，其等效为LC并联等效电路。 
参考图5，频率选择表面在不同二极管状态下的频响特性：当二极管断开(Off)时，在0-2.5GHz，此频率选择表面表现为高透射特性，当二极管接通(On)时，在0-2.5GHz，此频率选择表面表现为高反射特性。 
参照图2，本发明的俯视图。为了获得可重构的方向图，将圆柱结构分成两个不同的扇形部分：其中一部分每列中的二极管处于断开(Off)状态，此部分频率选择表面表现为高透射特性，在此状态下能量能够通过此扇形区域；另一部分每列中的二极管处于接通(On)状态，此部分频率选择表面表现为高反射状态，在这种状态下能量不能通过扇形区域将被反射。因此本发明利用共形有源频率选择表面不同的频响特性可以将偶极子天线的全方位方向图转变为定向辐射的方向图，并且通过圆柱上下表面的控制电路改变二极管的通断状态，定向辐射的方向图可以实现在X-O-Y面内360度扫描。由于在0-2.5GHz，频率选择表面具有高反射或者高透射特性，这种共形有源频率选择表面可以用于工作在0-2.5GHz的偶极子天线上，实现宽带可重构高增益天线。 
参考图6，在X正方向的二极管处于断开状态(Off)，X负方向的二极管处于接通状态(On)，基于共形有源频率选择表面的可重构天线E面方向图。 
参考图7，在X正方向的二极管处于断开状态(Off)，X负方向的二极管处于接通状态(On)，基于共形有源频率选择表面的可重构天线H面方向图。 
从图6和图7可以看到，通过控制二极管的通断状态，实现偶极子天线方向图向X正方向辐射，辐射增益为11.3dB，而且天线方向图后瓣很低。通过控制电路控制二极管的通断状态，改变圆柱不同部分频率选择表面的频响特性，可以实现天线方向图在X-O-Y面内360扫描。 

Claims (4)

1.基于共形有源频率选择表面的可重构天线，包括：1，空心圆柱介质层；2，共形于圆柱介质层外面的金属十字架；3，二极管；4，偶极子天线；5，控制电路。共形于空心圆柱介质层外表面的金属十字架是用平面中对称的十字架结构共形而制成，共形金属十字架沿Z轴和圆柱外表面方向周期排列，每列十字架中相邻的两个十字架用二极管连接。二极管的通断状态由位于圆柱上下表面的控制电路产生的偏置电压所控制，偏置电压加在每列十字架的两端，从而可以同时控制每列二极管的通断状态。
2.根据权利要求1所述的基于共形有源频率选择表面的可重构天线，其特征于金属十字架共形于圆柱表面。
3.根据权利要求1所述的基于共形有源频率选择表面的可重构天线，其特征于每列中相邻的十字架由二极管相连，并能通过加在每列十字架两端的偏置电压实现每列二极管的通断状态。
4.根据权利要求1所述的基于共形有源频率选择表面的可重构天线，其特征于将圆柱结构分成两个不同的扇形部分：其中一部分每列中的二极管处于断开状态，在此状态下能量能够通过此扇形区域；另一部分每列中的二极管处于接通状态，在这种状态下能量不能通过扇形区域将被反射。通过这种方式实现高增益可重构天线。
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