CN102610922B - 用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线与调谐方法，该微带天线的介质基板整个表面覆盖有介质片调谐部件，只需在线检测与调整介质片调谐部件的厚度，就能选择和微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点；或在介质片调谐部件三维方向任选一维、二维或三维的两端加载电压，改变加载电压实时调整其相应方向的介电常数，以使其介电常数位于该微带天线的谐振频段。在介质片调谐部件上还设有一层用于模拟外层空间环境的等离子云调谐部件，只需在线检测和选择等离子云调谐部件厚度，就能选择和微调微带天线的发射信号工作频段或谐振点。本发明能在复杂电波环境中动态调谐微带天线工作频率，结构简单、操作便利、工作稳定、成本低、易构建和体积小。

Description

用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线及其调谐方法

技术领域

本发明涉及一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线及其调谐方法，属于谐振式微带天线的技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展及业务需求的多样化，尤其在航空航天、遥感遥测或地面高铁高速运行的复杂电波环境下，都将给实时通信带来一定困难，因此，如何使得实时通信能够接受不同谐振频段的无线通信信号已经成为现代通信必需的技术手段。

然而，飞行体在高速飞行（飞行速度达10马赫及以上）时，由于飞行体（或运载体）表面与空气的激烈摩擦，使得载体表面积聚了大量等离子云。而等离子云对电波具有吸收性能、以及通高频、阻低频的高通滤波器等特点，这将为地面台站与飞行载体的实时通信带来极大困难，甚至出现信号中断等严重问题。此外，由于微带天线电路尺寸是固定的，电波传输环境的复杂性都使得传统天线只能固定接收某单一频带的接收系统无法满足现实需求。

微带天线采用PCB印制板制作，其优点是体积小，使用方便；但缺点是接收灵敏度不够高，天线带宽窄，方向性强。虽然目前已经有许多方法能够实现微带天线谐振点的动态调谐，例如：电阻调谐、电容调谐、电感调谐，或三种混合使用的协同调谐，但是，以上诸技术在不改变微带天线电路的尺寸情况下，都难以满足在复杂电波环境下天线谐振点的动态调谐。

现在，人们进行的一种实验是将铁氧体安装在载体表面并施加强电场，用以稀释表面的等离子云，为电波起到一个“开窗”作用，为载体的实时通信起到了一定的效果。但是其缺点也相当严重：铁氧体的体积过大，重量太重，安装与集成都很困难，这些问题使其很难应用于实际工程中。

目前，实现天线谐振点的调谐技术还存在诸多缺点，其中主要是结构与馈电系统比较复杂，或者是诸如螺旋状贴片、金属空腔存在匹配与加载复杂等结构。因此其制造、加工的工艺复杂、成本高、成品率低，也不易与其它设备集成于一体。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线及其调谐方法，该微带天线能够较好地解决目前在单一电波环境中，微带天线最佳接收频率固定不变的现状，若要用于不同频段或不同谐振点时，其硬件重构难以实现的缺陷，提出一种对该微带天线态调谐其谐振点的方法。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线，设有：位于介质基板表面中心的矩形微带天线电路及其微带馈线电路，该微带天线电路一端侧边的中间与一条以矩形电路中轴线为对称轴并呈左右对称的微带馈线电路相连接，该微带馈线电路的两条平行边与矩形电路的中轴线保持平行，并垂直于该矩形电路的连接边；其特征在于：所述微带天线还设有：覆盖在该介质基板整个上表面的介质片调谐部件；只需在线检测与调整介质片调谐部件的厚度，就能选择和微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点；或者在该介质片调谐部件的三维方向任意选择一维、二维或三维的两端加载电压，通过改变加载电压来实时调整其相应方向的介电常数，以使该介质片调谐部件的介电常数位于该微带天线的谐振频段；所述微带天线在该介质片调谐部件的上面还设有一层用于模拟外层空间环境的等离子云调谐部件，只需在线检测和选择该等离子云调谐部件的厚度，就能选择和实时微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种可动态调谐的微带天线的调谐方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

（1）在线检测和选择等离子云调谐部件的本征频率；

（2）在线检测和选择等离子云调谐部件的厚度；

（3）在线检测与微调介质片调谐部件的厚度；

（4）在线检测与微调介质片调谐部件的介电常数；

（5）选择微带天线电路及其微带馈线电路的形状，再选择介质基板与金属接地片之间的填充介质；

（6）检测微带天线是否工作于谐振点；若否，则返回继续执行步骤（3）；若是，则结束全部流程。

本发明用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线及其调谐方法的有益效果是：本发明微带天线用于复杂电波环境的工作场景，它是采用软硬件结合的电子动态在线检测技术，实现了在复杂电波环境下微带天线工作频率的动态调谐，而且，该微带天线具有结构简单、操作便利、性能稳定、成本低、易构建和体积小型化的许多优势。另外，只需在本发明微带天线的介质片调谐部件的表面上整体覆盖另一个介质片，再通过改变该另一个介质片的介电常数，就能够有效模拟其在复杂电波工作环境中高速运行载体表面的等离子云对该微带天线的影响，也可以藉助该另一个介质片、即等离子云调谐部件的厚度，动态地改变或调谐该微带天线的最佳接收工作频点，使其与预定的频带宽同频，从而实现最佳灵敏度的动态调谐匹配。因此，本发明微带天线较好地解决了天线带宽变窄，谐振点严重漂移等现有技术存在的问题，进一步提高了天线系统的接收灵敏度，能够实现实时与可靠的通信保障。

总之，相比现有技术，本发明的技术优势和创新之处简介如下：

（1）实现了天线小型化，通过动态电子调谐技术，可以在不改变天线的结构，实现天线的工作频带动态调谐，以满足正常通信的频带要求，从而使得在高速航空环境下的实时通信成为可能。

（2）因为微带天线体积小型化，就可以把其集成到航空飞行器表面，使产品的外观设计灵活、可靠、美观，最重要是大大减少飞行器表面与空气的摩擦与阻力，使得天线的安全性能更好。

（3）电子调谐技术与拉杆天线的手工调谐技术相比较，操作简便、容易实现、响应快、精度高，便于在复杂电波环境中应急使用。

（4）液晶介质片要比目前试验飞行的铁氧体介质片质量轻很多，便于在飞行器上携带，其工作电压低，可充分利用太阳能，实现绿色、持续通信的保障。

（5）本发明技术也可用于普通环境的微带天线，且在需要时，易重构，体积小，重量轻，提高便携性。

附图说明

图1是本发明用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线结构组成示意图。

图2是本发明用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线一实施例的结构组成示意图。

图3是本发明用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线的调谐方法操作步骤流程图。

图4是本发明实施例的等离子云调谐部件本征频率变化与其天线谐振点动态调谐的回波损耗图（图4～图7中的纵坐标皆为回波损耗，其符号是S11）。

图5是本发明实施例的等离子云调谐部件厚度变化与其天线谐振点动态调谐的回波损耗图。

图6是本发明实施例的介质片调谐部件厚度变化与其天线谐振点动态调谐的回波损耗图。

图7是本发明实施例的介质片调谐部件的介电常数变化与其天线谐振点动态调谐的回波损耗图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线的结构组成。该微带天线的基本构造与其他微带天线相差无几，也是由呈矩形的微带天线电路3、带状的微带馈线电路4、介质基板5与金属接地片7之间的填充介质6所组成。其中矩形微带天线电路3位于介质基板5的表面中心，微带天线电路3一端侧边的中间与一条以矩形电路3中轴线为对称轴并呈左右对称的微带馈线电路4相连接，该微带馈线电路4的两条平行边与矩形电路3的中轴线保持平行，并垂直于该矩形电路3的连接边。本发明微带天线电路3与微带馈线电路4都是在介质基板5的表面覆盖铜箔的印制电路，铜箔厚度应符合国家标准。微带天线电路3的工作频段取决于印制于介质基板5上的天线电路3与其微带馈线电路4的形状，只要改变其中一个或多个参数，就能够选择和调谐该微带天线的工作频段。本发明实施例中的微带天线电路及微带线的尺寸介绍如下（参见图1）：W=25.15mm,L=16.5mm,W_f=2.286mm,W_S=11.432mm。

本发明可动态调谐的微带天线主要创新之处是：在该介质基板5的整个上表面覆盖有介质片调谐部件1（其材料是液晶或铁氧体）。只需在线检测与调整该介质片调谐部件1的厚度，就能选择和微调该微带天线电路3的发射信号工作频段或谐振点；或者在该介质片调谐部件1的三维方向（即图示的x,y,z方向）任意选择一维、二维或三维的两端加载电压，就能够通过改变加载电压来实时调整其相应方向的介电常数，使得该介质片调谐部件1的介电常数位于该微带天线电路3的谐振频段。

参见图2，介绍本发明可动态调谐的微带天线的另一创新之处是：在介质片调谐部件1的上面还设有一层用于模拟外层空间环境的等离子云调谐部件2，只需在线检测和选择该等离子云调谐部件2的厚度，就能够选择和实时微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点。而且，等离子云调谐部件2的本征频率是通过在线检测外层空间等离子云的电子密度获得的。通过在线检测该等离子云调谐部件2的厚度，再对介质片调谐部件1的厚度进行在线检测与加载电压动态调谐，就可以使其达到微带天线所选择频段的谐振点。

本发明微带天线进行在线检测与动态调谐介质片调谐部件1厚度的依据是该微带天线发射的电波信号传送至该介质片调谐部件1中的实时强度值，调整该介质片调谐部件1的厚度，就对该微带天线工作频段和谐振点进行实时微调。

需要说明的是：本发明微带天线的介质基板5下表面与其金属接地片7之间的填充介质6（其介电常数应在2～10之间）的材料与厚度的选择，也可以控制微带天线的工作频段。

总之，本发明工作于复杂电波环境中的微带天线进行动态调谐时，能够同时采取上述一种或多种调谐技术措施来实现调谐目的，从而改变以往只依赖单一的改变填充介质6的材料与厚度以及微带天线电路3形状等相关参数来调谐微带天线电路工作频段的缺陷。因此，本发明可广泛用于航空航天、地面高铁的实时通信领域，当然，也并不局限于这些领域。

参见图3，介绍本发明微带天线的调谐方法的具体操作步骤：

（1）在线检测和选择等离子云调谐部件的本征频率；具体方法是按照下述公式检测等离子云调谐部件的电子密度：等离子云本征频率

式中，n_e为等离子云电子密度，真空中的介电常数ε₀=1，电子电量e=-1.60×10^-19C，电子质量m_e=9.11×10^-31kg。

（2）在线检测和选择等离子云调谐部件的厚度；

（3）在线检测与微调介质片调谐部件的厚度；

（4）在线检测与微调介质片调谐部件的介电常数；其具体操作内容是：在介质片调谐部件的三维方向任意选择其中的一维、二维或三维的两端加载电压，通过改变加载电压而实时调整其相应方向的介电常数，使得该介质片调谐部件的介电常数位于该微带天线的谐振频段；

（5）选择微带天线电路及其微带馈线电路的形状，再选择介质基板与金属接地片之间的填充介质；

（6）检测微带天线是否工作于谐振点；若否，则返回继续执行步骤（3）；若是，则结束全部流程。

本发明已经进行了多次实施试验，下面简要说明实施试验情况与其结果：

参见图4，由于在外层空间的恶劣工作环境中，等离子云的本征频率对微带天线的谐振点偏移具有决定性作用。因此，该实施例是对模拟外层空间环境的等离子云调谐部件2的本征频率进行改变，验证其是否会直接导致天线的谐振点偏离原有的谐振点；试验结果是肯定的。而且，等离子云调谐部件2的本征频率变化越大，本发明微带天线的谐振点就偏离原谐振点更远，从而使得介质片调谐部件1的电子调谐电路恢复到原来的谐振点所需要克服的困难越大。

参见图5，本发明微带天线等离子云调谐部件2的厚度变化，也要直接导致其天线的谐振点偏离原有谐振点，该实施例表明：等离子云调谐部件2的厚度变化越大，其微带天线的谐振点偏离原谐振点就越远，从而使得介质片调谐部件1的电子调谐电路恢复到原谐振点所需要克服的困难越大。

故如图4与图5的曲线所示，本发明两个实施例表明：只需在线检测等离子云调谐部件2的本征频率和/或改变其厚度，使用其中之一或二的调谐手段就将改变天线谐振点，而且，这两者的改变量越大，天线的谐振点变化越大。

参见图6，该实施例是改变介质片调谐比较1的介质片厚度，来验证下述结论：随着介质片调谐比较1的厚度增加，天线的谐振点将会向右偏移，并且改变幅度越大，其偏离原谐振点越远。

参见图7，该实施例是验证介质片调谐部件1的介质片介电常数是受加载在该部件不同方向上电压变化的影响，即介质片的介电常数随加载电压变化而变化。目前介质片调谐部件1主要采用两种压电效应的材料（液晶或铁氧体）制成，其介电常数是一个矩阵： $\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_x& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_y& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right).$ 该实施例是改变介质片调谐部件1的任意一维方向的介电常数ε_x、或ε_y、或ε_z，都将导致天线的谐振点偏离原有的谐振点。实施例的试验材料是液晶，将液晶片加装于一个耐高压盒中，然后，分别在x,y,z三个方向上对液晶盒施加一对正负电极，利用液晶电光效应和改变不同方向的加载电压来改变其相应方向的介电常数。另外，也可改变介质片调谐部件1的应力来改变其介电常数，以上措施都能够改变天线的谐振点。

下面分别介绍该实施例在不同条件下进行的试验情况：

（1）当ε_x=ε_y=ε_z,即介质片调谐部件1处于各向同性状态，同时改变x,y,z三个方向的介电常数，都将改变天线的谐振点。而且，介质片调谐部件1的介电常数变化越大，天线的谐振点将偏离原谐振点越远。

（2）ε_x=ε_y≠ε_z,即介质片调谐部件1处于各向异性状态，改变x,y,z三个方向中的任意两个方向的介电常数，与同时改变三个方向上的介电常数得到相同的结果：此时的天线谐振点发生改变，且改变幅度越大，其偏离原谐振点越远。

（3）ε_x≠ε_y≠ε_z,即介质片调谐部件1处于各向异性状态，改变x,y,z三个方向中任意一个方向的介电常数，都改变了天线的谐振频点，且改变幅度越大，其偏离原谐振点越远。

（4）该实施例对介质片调谐部件的加载电压进行连续可变的调谐，则其介电常数的调谐也是连续的，这样就可以获得很高的精度。若使用固定电压调谐，导致介电常数的精度比较低，调谐不方便，造成天线谐振点不准确。同时，改变加载电压的顺序是先对介质片（盒）中一维方向施加一对正负电极，如果在有限的调压范围内无法满足预订要求，就再对介质片（盒）的剩余二维方向再任选其中之一或两者都选施加一对正负电极，如果在有限的调压范围内依然无法满足预订要求，就对三维方向全都加载电压，以满足实际需求。如果对介质片调谐部件的三维都施加电压，还无法满足实际需求，则加大电压的数值，直到满足实际需求。

（5）以上三个实施例，无论同时改变（增加或减小）介质片调谐部件的一维、或二维、或三维的介电常数，天线的谐振点都会朝着介电常数相反的方向偏移，即新谐振点比原谐振点减小或增大。

因此，由图6与图7可见，实施例同时改变介质片调谐部件的任何维度方向的介电常数与其介质片厚度，天线的谐振点都将朝变化较大的参量方向偏移。

其他改变天线谐振点的传统方法，本发明仍然可以采用之。例如：改变微带天线的具体形状或尺寸，改变介质基板与接地片之间填充介质的高度（厚度）h₁或介电常数ε_r。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线，设有：位于介质基板表面中心的矩形微带天线电路及其微带馈线电路，该微带天线电路一端侧边的中间与一条以矩形电路中轴线为对称轴并呈左右对称的微带馈线电路相连接，该微带馈线电路的两条平行边与矩形电路的中轴线保持平行，并垂直于该矩形电路的连接边；其特征在于：所述微带天线还设有：覆盖在该介质基板整个上表面的介质片调谐部件；只需在线检测与调整介质片调谐部件的厚度，就能选择和微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点；或者在该介质片调谐部件的三维方向任意选择一维、二维或三维的两端加载电压，通过改变加载电压来实时调整其相应方向的介电常数，以使该介质片调谐部件的介电常数位于该微带天线的谐振频段；所述微带天线在该介质片调谐部件的上面还设有一层用于模拟外层空间环境的等离子云调谐部件，只需在线检测和选择该等离子云调谐部件的厚度，就能选择和实时微调该微带天线的发射信号工作频段或谐振点。 

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述等离子云调谐部件的本征频率是通过在线检测等离子云的电子密度获得的；该等离子云调谐部件的厚度是在线检测的，再对介质片调谐部件的厚度进行在线检测与动态调谐，使其达到微带天线所选择频段的谐振点。 

3.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述微带天线电路与微带馈线电路是在介质基板表面覆盖铜箔构成的印制电路，铜箔厚度应符合国家标准：所述微带天线的工作频段取决于印制于介质基板表面上的天线电路与其微带馈线电路的形状，改变其中一个或多个参数，就能够选择和调谐该微带天线的工作频段。 

4.根据权利要求3所述的微带天线，其特征在于：所述在线检测与动态调谐介质片调谐部件的厚度的依据是该微带天线发射的电波信号传送至该介质片调谐部件中的实时强度值，调整该介质片调谐部件的厚度，就是对该微带天线的工作频段和谐振点进行实时微调。 

5.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述微带天线介质基板下表面与其金属接地片之间的填充介质的材料与厚度的选择，都能够用于控制微带天线的工作频段；只需调整其中一个或多个参数，就能够将该微带天线设置于所选择的工作频段；该填充介质的介电常数在2～10之间。 

6.根据权利要求4或5所述的微带天线，其特征在于：该微带天线进行动态调谐时，能够同时采取一种或多种调谐措施来实现调谐目的。 

7.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述介质片调谐部件的材料是液晶或铁氧体。 

8.一种用于复杂电波环境的可动态调谐的微带天线的调谐方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤： 

（1）在线检测和选择等离子云调谐部件的本征频率； 

（2）在线检测和选择等离子云调谐部件的厚度； 

（3）在线检测与微调介质片调谐部件的厚度； 

（4）在线检测与微调介质片调谐部件的介电常数； 

（5）选择微带天线电路及其微带馈线电路的形状，再选择介质基板与金属接地片之间的填充介质； 

（6）检测微带天线是否工作于谐振点；若否，则返回继续执行步骤（3）；若是，则结束全部流程。 

9.根据权利要求8所述的调谐方法，其特征在于：所述步骤（4）中，在线检测与微调介质片调谐部件的介电常数的具体操作内容是：在介质片调谐部件的三维方向任意选择其中的一维、二维或三维的两端加载电压，通过改变加载电压而调整其相应方向的介电常数，使得该介质片调谐部件的介电常数位于该微带天线的谐振频段。 

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