CN102820540B - 一种光控方向图可重构微带天线 - Google Patents

Abstract

一种光控方向图可重构微带天线，属于天线技术领域。本发明采用加载到微带天线寄生贴片缝隙之中的单个光控开关，通过控制激光照射强度大小改变光控开关的通断工作模式，实现微带天线的方向图可重构。与传统方向图可重构天线相比，本发明只需加载一个光控微波开关，不需要复杂的开关偏置控制电路，即可以实现方向图可重构。本发明不但能够使可重构天线设计的复杂度得到大大简化，有利于设计出低成本光控可重构天线及天线阵列，而且可以克服传统的电子PIN或MEMS开关通断时偏置电路产生的耦合电流对天线辐射信号产生的不利影响，实现更好的方向图重构效果。

Description

一种光控方向图可重构微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及方向图可重构天线，尤其是方向图可重构微带天线。

技术背景

随着无线通信技术的迅速发展，要求天线的特性参数能够根据环境及应用场合的变化作出调整，可重构天线无疑是一种很好的解决方案。其中，方向图可重构天线可以在保持天线自身位置不变的情况下，根据通信要求实时改变天线的辐射方向图，从而避免噪声干扰，提高通信质量和安全性，减小系统复杂性和成本。在智能武器寻的、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络以及空间遥感等多方面得到广泛应用。

传统的方向图可重构天线方面的研究大多基于相控阵天线理论。如文献“A beam-steererusing reconfigurable PBG ground Plane（2000 IEEE AP-S,2000.835-838,Elmaran,Iao-Mak Chio.Liang-Yu Chen，et al）”以及文献“A pattern reconfigurable microstrip parasitic array(IEEETransactions on Antennas and Propagation,2004,52(10):2773-2776,S.Zhang,et al)”等都是基于传统的相控阵天线理论，通过设计多辐射单元的天线阵列，改变阵列单元的馈入电流（或电压）相位和幅度的大小，实现方向图可重构的功能。但是这种技术需要采用较多的高精度相移馈电网络，不仅增加了天线的加工设计成本，同时也加大天线的体积，不利于天线与电路的一体化集成和批量生产。

随着电子技术以及微机械电子（MEMS）技术研究和发展，人们将电子PIN开关或MEMS开关加载在天线辐射体上，通过改变电子开关的直流偏置电压，切换电子开关的通断状态，以改变天线辐射体的结构尺寸，实现方向图可重构。如文献“Apattern reconfigurable microstripparasitic array(IEEE Trans.On Antennas and Propagation,2004,52(10):277-2776,S.Zhang,etal)”天线采用微带八木振子结构，其中寄生振子的两端引入多个MEMS开关。通过改变MEMS开关的通断组合，实现微带八木天线辐射波束在H面变化，完成方向图重构的效果。不足的是电子开关的正常通断工作状态是采用金属线引入的偏置直流控制，而这些开关偏置金属线对天线辐射性能和阻抗性能会带来不利的影响，并且文献中采用的电子开关数目也较多，偏置金属线的布置也成为天线设计一个重要部分；另外，为了避免直流信号和交流信号的相互干扰，需在天线上加入多个电子元件进行交直流隔离设计，增加了天线设计难度。

由于电子开关在方向图可重构天线中存在一些不可避免的缺陷，有研究者试图采用光控开关取代电子开关，实现光控可重构天线，如文献“Frequency and beam reconfigurable antennausing photoconducting switches（IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2006,52(2):449-454,C.J.Panagamuwa,et al）”。相对于电子开关，光控开关主要有以下两点优势：首先光控开关的通断控制线采用非导电材料的细小光纤，对天线的辐射性能基本没有影响；另外光控开关采用的光控信号，无需直流偏置，因此对天线上输入的射频信号干扰较小。不足的是文献中方向图可重构天线设计采用的开关数目仍然过多，需采用光功率分路器，不利于实现降低天线设计难度和加工成本。

发明内容

本发明提出一种光控方向图可重构微带天线，该天线采用加载到微带天线寄生贴片缝隙之中的单个光控开关，通过控制激光照射强度大小改变光控微波开关的通断工作模式，实现微带天线的方向图可重构。与传统方向图可重构天线相比，本发明只需加载一个光控开关，不需要复杂的开关偏置控制电路，即可以实现方向图可重构。本发明不但能够使可重构天线设计的复杂度得到大大简化，有利于设计出低成本光控可重构天线及天线阵列，而且可以克服传统的电子PIN或MEMS开关通断时偏置电路产生的耦合电流对天线辐射信号产生的不利影响，实现更好的方向图重构效果。

本发明技术方案如下：

一种光控方向图可重构微带天线，如图1～3所示，包括方向图可重构微带天线；所述方向图可重构微带天线为一个二元八木结构的微带天线，包括分别位于介质层两面的金属辐射图形和金属地板。所述金属辐射图形由位于介质基板表面4的主辐射金属贴片3和寄生金属贴片2构成：其中主辐射金属贴片3为一个T型金属贴片（作为所述方向图可重构微带天线的主辐射器）；寄生金属贴片2为一个中间开有槽缝的矩形金属贴片（用于调控所述方向图可重构微带天线的辐射方向图）。寄生金属贴片2靠近主辐射金属贴片3的T字头宽边，主辐射金属贴片3和寄生金属贴片2形成一个左右对称的图形结构，对称轴线AA’为一条与T型金属贴片中心轴线相重合直线，寄生金属贴片2的槽缝垂直于对称轴线AA’。寄生金属贴片2的槽缝与对称轴线AA’的交叉点处安装有一个光控开关，所述光控开关的两个电极分别连接于槽缝两边的微带线上。

上述光控方向图可重构微带天线，如图2所示，所述介质基板4安装于凹形结构的金属地板5上，使得介质基板4与金属地板5之间具有一层空气介质层6。

上述光控方向图可重构微带天线，如图3所示，所述光控方向图可重构微带天线采用同轴接头7馈电，所述同轴接头7的外导体与金属地板5电气连接，所述同轴接头7的内导体穿过金属地板5与介质基板4的过孔与主辐射金属贴片3的馈电点8电气连接。

本发明提供的光控方向图可重构微带天线，由激光光源对位于寄生贴片槽缝中间的光控开关进行控制。当激光连续照射在光控微波开关上时，开关导通，为“ON”状态。此时，槽缝的中间开关位置对表面电流表现为通路，而槽缝的其他位置对表面电流表现为开路，寄生贴片的表面电流方向如图5（a）所示。当激光不照射光控微波开关时，开关不导通，为“OFF”状态。此时，整个槽缝对寄生贴片的表面电流表现为开路，寄生贴片的表面电流方向变为图5（b）所示。

由微带天线理论可知，金属贴片天线的等效电路可以看作是串联的RLC电路，如图5（c）所示，其阻抗大小可表示为：

$Z=\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}+R=j(2\mathrm{\πfL}-\frac{1}{2\mathrm{\πfC}})+R,---\left(1\right)$

其中L、C、R、f分别表示金属贴片的等效电感值、等效电容值、等效电阻值和天线的工作频率。

当光控开关处于“ON”状态且天线以谐振频率f_0on工作时，天线等效电抗为0，呈现纯电阻特性，等效阻抗为：

Z_on=R_on，（2）

此时天线主波束将位于方向图的法向方向。“ON”状态下寄生贴片的表面电流等效路径长度l_on与谐振波长的关系为：

$l_{\mathrm{on}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2}.---\left(3\right)$

可得谐振频率与表面电流等效路径长度l_on之间的关系为：

$f_{0\mathrm{on}}=\frac{c}{2l_{\mathrm{on}}},---\left(4\right)$

其中c为光速。

当光控开关变为“OFF”状态时，由于寄生贴片表面电流方向发生变化，电流等效路径长度变为l_off。对比图5中（a）和（b）图可知，在“OFF”状态下，由于电流要绕过寄生贴片中间的槽缝，所以l_off>l_on。在此种情况下，槽缝贴片的固有谐振频率变小，为：

$f_{0\mathrm{off}}=\frac{c}{2l_{\mathrm{off}}}.---\left(5\right)$

由公式（1）可知，假若采用频率为f_0on（“ON”状态下天线的谐振频率）的信号对处在“OFF”状态下的微带天线进行激励时，寄生贴片等效电抗不再为0，等效阻抗也不再表现为纯电阻特性，而是变为：

$X_{\mathrm{off}}=2\mathrm{\π}{f}_{0\mathrm{on}}{L}_{\mathrm{off}}-\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_{0\mathrm{on}}{C}_{\mathrm{off}}}>0,---\left(6\right)$

Z_off=jX_off+R_off。（7）

可知，天线等效阻抗变为感性，将促使天线波束方向图发生偏转。

本发明的有益效果是：

本发明提供的光控方向图可重构微带天线，只需加载一个光控开关，即可以实现方向图可重构，使可重构天线设计的复杂度得到大大简化；同时，使用这种无偏置电路的光控开关还可以有效克服了传统电子开关通断时因偏置电路产生的瞬态电流对天线的辐射性能以及阻抗带宽的影响。此外，以本发明提供的光控方向图可重构微带天线为单元可组成阵列天线，构建光控向图可重构的微带天线阵列，可大大降低可重构方向图阵列天线的设计复杂度。

附图说明

图1是本发明提供的光控方向图可重构微带天线金属辐射图形结构示意图。

图2是本发明提供的光控方向图可重构微带天线沿对称轴线的剖面结构示意图。

图3是本发明提供的光控方向图可重构微带天线金属地板结构示意图。

图4是本发明提供的光控方向图可重构微带天线具体实施方式的尺寸标注图。

图5是本发明提供的光控方向图可重构微带天线中寄生贴片槽缝中间的光控开关通断时电流分布示意图及寄生贴片天线等效电路图。

图6是本发明提供的光控方向图可重构微带天线在“OFF”状态下的回波系数|S11|。

图7是本发明提供的光控方向图可重构微带天线在“ON”状态下的回波系数|S11|。

图8是本发明提供的一种光控方向图可重构天线两种工作状态下的E面2D方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。

图4给出了本发明提供的光控方向图可重构微带天线的一种具体实施方式。

基于二元八木结构的方向图可重构微带天线固定于铝制金属底板5，通过同轴（SMA）接头7进行同轴馈电，8为天线馈电点。空气层6厚度4.5mm，中心频率f₀为2.2GHz，天线尺寸为125mm x 125mm，对应电长度约为0.92λ×0.92λ，光控微波开关1尺寸为2mm x3mm x 0.28mm。基于二元八木结构的方向图可重构微带天线具体尺寸标注于图4，并在表1中详细列出。

表1基于二元八木结构的方向图可重构微带天线的尺寸(单位：mm)

a	b	c	d	e	f	g	h
								54.00	33.95	32.45	12.40	41.70	51.35	73.65	83.30
a1	b1	c1	d1	e1	f1	g1	h1
								65.00	42.50	12.50	28.00	38.50	62.50	86.50	97.00

将天线、光控微波开关和激光器集成后进行测试，测试结果如下：图6和图7是光控可重构微带天线分别在“ON”和“OFF”两种状态下的回波系数|S11|。在两种状态下，天线的回波特性呈现出较大不同。在“ON”状态下，10dB输入阻抗带宽约为180MHz，对应频段为2.09GHz-2.27GHz；而在“OFF”状态下，10dB输入阻抗带宽约为260MHz，对应频段为2.03GHz-2.29GHz。

图8是光控可重构微带天线分别在“ON”和“OFF”两种状态下的E面方向图。在“ON”状态，主波束角度为-6度；而在“OFF”状态，主波束角度为-24度，两种状态下的主波束角度偏差约18度。可以看出，通过激光光照控制光控微波开关“ON”或“OFF”状态，成功实现了方向图可重构。

Claims (2)

1.一种光控方向图可重构微带天线，包括方向图可重构微带天线；所述方向图可重构微带天线为一个二元八木结构的微带天线，包括分别位于介质层两面的金属辐射图形和金属地板；所述金属辐射图形由位于介质基板（4）表面的主辐射金属贴片（3）和寄生金属贴片（2）构成：其中主辐射金属贴片（3）为一个T型金属贴片；寄生金属贴片（2）为一个中间开有槽缝的矩形金属贴片；寄生金属贴片（2）靠近主辐射金属贴片（3）的T字头宽边，主辐射金属贴片（3）和寄生金属贴片（2）形成一个左右对称的图形结构，对称轴线AA’为一条与T型金属贴片中心轴线相重合直线，寄生金属贴片（2）的槽缝垂直于对称轴线AA’；寄生金属贴片（2）的槽缝与对称轴线AA’的交叉点处安装有一个光控开关，所述光控开关的两个电极分别连接于槽缝两边的微带线上；

所述介质基板（4）安装于凹形结构的金属地板（5）上，使得介质基板（4）与金属地板（5）之间具有一层空气介质层（6）。

2.根据权利要求1所述的光控方向图可重构微带天线，其特征在于，所述光控方向图可重构微带天线采用同轴接头（7）馈电，所述同轴接头（7）的外导体与金属地板（5）电气连接，所述同轴接头（7）的内导体穿过金属地板（5）与介质基板（4）的过孔与主辐射金属贴片（3）的馈电点（8）电气连接。

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