CN103972648A - 基于极化重构的直接天线调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽带通信的基于极化重构的直接天线调制系统，主要解决传统调制系统通信带宽窄、保密性差的问题。该调制系统包括：环缝隙天线、通信控制电路和介质基板。环缝隙天线包括馈电网络和辐射体，辐射体由辐射圆环(6)和两个矩形槽(8)组成，两个矩形槽分别位于辐射圆环的45°和225°处；馈电网络由微带馈线(3)与槽线(4)组成，辐射体与槽线位于介质基板的同一面，微带馈线位于介质基板的另一面，通过微带馈线(3)与槽线(4)的耦合将载波信号输入到辐射体，通过通信控制电路的通与断实现对天线辐射电磁场的极化控制，形成基于极化切换的直接调制效应。本发明具有频带宽、方向保密性好的通信效果，可用于宽带通信。

Description

基于极化重构的直接天线调制系统

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种天线调制系统，可用于宽带通信。

背景技术

如图2所示，传统的通信方式是首先将包含传输信息的调制信号通过调幅、调相、调频等方式加载于载波信号上，形成具有一定带宽的射频信号；然后将该射频信号通过功率放大、移相等处理后，通过传输线馈送到天线，再经天线辐射出去。该射频信号的带宽决定了通信的带宽。由于该射频信号经过多级的传输和辐射，所以通信系统的带宽是通过射频功放、移相等器件带宽以及天线馈电结构、天线匹配网络、天线辐射结构等天线构成部分带宽的交集所组成。如果通信带宽较窄，则通信容量将受到极大的限制。除此以外，由于传统通信方式在各个辐射方向上的信号差异仅仅表现为辐射强度的不同，因此较容易被高灵敏度的接收机截获窃听。

直接天线调制技术(DAM，Direct Antenna Modulation)由Fusco和Chen于1999年首次提出，并在近年受杜克大学的Steven D.Keller和加州理工大学的Babakhani等人的推动，逐步发展出基于幅度的单元直接调制技术及基于相位的阵列直接调制技术。

直接天线调制技术直接在天线层面上对辐射信号进行调制，因此避开了功放、移相、馈电网络、匹配网络对通信系统的带宽限制，具有形成宽带通信的能力。且已被证明具有一定的方向保密特性。目前主要有两种直接调制方式：

第一种是基于幅度的直接调制，这种调制方式是通过通信控制电路控制天线和地板之间的通断情况，实现天线工作和不工作两种状况，从而实现幅度调制。该方法虽然结构简单，但隐蔽性很差，很容易被识别；

第二种是基于相位的直接调制，这种调制方式通常是通过控制阵列中单元激励的相位，来实现方向性通信，这种调制方式虽然保证了方向保密性，但是阵列结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于极化重构的直接天线调制系统，以同时兼顾解决简化调制结构和提高隐蔽性的问题。

为实现上述目的，本发明包括：环缝隙天线、通信控制电路和介质基板，环缝隙天线包括辐射体和馈电网络，通信控制电路用于控制环缝隙天线的辐射特性；其特征在于：

辐射体，由辐射圆环和两个矩形槽组成，该辐射圆环的半径与环缝隙天线的谐振频率成反比，该两个矩形槽分别位于辐射圆环的45°和225°处，用于使环缝隙天线呈现圆极化特性；

馈电网络，由微带馈线和槽线组成，槽线与辐射圆环连接，载波信号通过微带馈线和槽线的耦合结构，传递到辐射圆环，并从辐射圆环辐射出去。

进一步，辐射圆环的45°轴线两端设有内外延缝隙，用于连接通信控制电路，内延缝隙分别位于辐射圆环与两个矩形槽之间，外延缝隙分别位于两个矩形槽的另一端，且一直伸到辐射圆环的45°轴线底部。

进一步，通信控制电路包括调制信号源、载频信号源、两个二极管和两个电容；两个二极管分别连接在辐射圆环与两个矩形槽一端之间的内延缝隙两侧；两个电容分别连接在两个矩形槽另一端的外延缝隙两侧；调制信号源连接在外延缝隙的底端两侧；载频信号源连接在馈电网络的输入端。

进一步槽线和辐射体位于介质基板的同一面，其上端与辐射圆环相连接，下端为一圆形槽，用于对槽线进行阻抗匹配。

进一步，微带馈线位于介质基板的另一面，其由横竖两条微带馈电组成，该两条微带馈电相交处设有45°切角，且竖线底端通过同轴馈电头与载频信号源的输出端连接。

本发明提供的基于极化重构的直接天线调制系统将载波信号通过微带馈线-槽线耦合馈电结构激励辐射圆环形成载波辐射；通过在环形槽的45°和225°位置引入矩形开槽形成对辐射电流相位的微扰，同时在槽与辐射圆环之间缝隙跨接二极管，通过二极管导通与截止改变相位的微扰，形成辐射场的线极化、左旋圆极化/右旋圆极化可重构；将调制信号加于二极管形成基于极化切换的直接调制效应，实现了远高于传统混频通信方式的宽带通信效果。

本发明具有以下优点：

(1)由本发明由于采用由辐射圆环和两个矩形槽组成的辐射体结构，因而可通过通信控制电路改变其工作状态，即当通信控制电路中的二极管截至时,矩形槽和辐射圆环导通,天线辐射场为圆极化，当二极管导通时，矩形槽和辐射圆环断开，此时天线辐射场为线极化；通过这种对极化的切换和控制实现直接调制，结构简单易于实现；同时由于采用由辐射圆环和两个矩形槽组成的这种辐射体结构，可使天线中心垂直方向圆极化效果最好，随着观察方向离开该方向，圆极化轴比变差，并逐步趋向线极化，切换和调制效果变差，以此实现了方向保密性。

(2)本发明由于采用直接调制方式，仅需使单频点载波信号通过馈电网络传输，故而整个馈电网络无需进行宽带设计，很容易实现阻抗匹配。

(3)本发明由于对天线进行直接调制，通过对辐射场的线/圆极化的切换传递信息，故而不受天线系统的带宽限制，不用对天线进行宽带设计就可实现宽频带通信，大大降低了设计难度。

实测结果表明，本发明在保证调制结构简单的前提下较好的解决了现有通信系统的带宽问题，并利于保密通信。

附图说明

图1是本发明基于极化重构的直接调制系统结构示意图；

图2是传统调制方式示意图；

图3是本发明的直接调制方式示意图；

图4是本发明中天线工作在线极化情况下表面电流分布图；

图5是本发明中天线工作在圆极化情况下表面电流分布图；

图6是对用本发明的直接调制方式和传统调制方式形成的辐射信号频谱测试结果对比图。

具体方式实施

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明包括环缝隙天线、通信控制电路和介质基板14，其中：

所述介质基片14，选用双面覆铜板，其一面为导电基片5，另一面为微带馈线3。

参照图1(a)，所述环缝隙天线，包括馈电网络和辐射体。该辐射体由辐射圆环6和两个矩形槽8组成。辐射圆环6位于导电基片5的几何中心，其半径与环缝隙天线工作频率成反比。两个矩形槽8分别位于辐射圆环6的45°和225°处，矩形槽8的长和宽与圆极化工作频率成反比。该馈电网络由微带馈线3和槽线4组成。微带馈线3由横竖两条微带馈线组成，为了减小信号在拐角处的能量损失，将其拐角处切掉边长为微带馈线宽度的等腰直角三角形，即形成45°切角；槽线4上端与辐射圆环6相连接，下端为一圆形槽，用来对馈电系统进行阻抗匹配。微带馈线3和槽线4的宽度均满足其特性阻抗为50Ω，以达到最佳耦合效果。

所述通信控制电路，由两个电容7、两个二极管9、外延缝隙10、内延缝隙11、调制信号源13和载频信号源1组成；内延缝隙11分别位于辐射圆环6与两个矩形槽8之间，外延缝隙10分别位于两个矩形槽8的另一端，且一直伸到辐射圆环6的45°轴线底部。通过辐射圆环6、两个矩形槽8和外延缝隙10、内延缝隙11将导电基片5沿45°轴线分为左上和右下两部分；两个二极管9分别连接在辐射圆环6与两个矩形槽8一端之间的内延缝隙11两侧，两个电容7分别连接在两个矩形槽8另一端的外延缝隙10两侧。调制信号源13连接在外延缝隙10的底端两侧，通过连接线12将调制信号加到两个二极管9的两端。载频信号源1连接在馈电网络的输入端，通过同轴馈电头2将载波信号传输到微带馈线3中。

所述槽线4、辐射圆环6、两个电容7、矩形槽8、两个二极管9、外延缝隙10，内延缝隙11位于介质基片14的同一面，即导电基片5一面，如图1(a),微带馈线3位于介质基片的另一面，如图1(b)。

参照图3，本发明的调制步骤如下：

步骤1，载波信号经过射频电路、天线馈电和匹配网络的传输，并最终经过天线进行辐射。

载波信号源1通过所述的同轴馈电接头2将载波信号传递到微带馈线3上，然后通过的槽线4馈入辐射圆环6，形成电磁载波辐射。

步骤2，传输信号对天线进行调制，通过调制过程中天线辐射场的变化传递信息实现通信。

调制信号源13将调制电压加到两个二极管9的两端，当调制信号源13信号变化时，两个二极管9会在导通和截止之间切换，同时辐射圆环6辐射的电磁波会在线极化和圆极化之间切换，实现天线调制。

基于上述调制步骤，本发明中的天线工作原理如下：

电磁载波辐射通过在所述辐射圆环6的45°和225°位置引入的矩形开槽8，对辐射圆环6两侧的电流相位产生扰动，进而形成圆极化辐射场。当两个二极管9导通时，天线表面电流如图4所示，可以看出由于矩形槽与辐射缝隙断开，几乎对电流无多大影响，此时的电流分布接近典型环形缝隙天线的表面电流分布，在垂直于天线面的两侧形成线极化电磁辐射场；当两个二极管9截止时，矩形槽与辐射缝隙连通，天线表面电流如图5所示，可以看出矩形槽对电流产生了明显的影响，电流分布发生变化，在垂直于天线面的一侧形成左旋圆极化辐射场，另一侧形成右旋圆极化辐射场。

为达到控制二极管的导通与截止，外延缝隙10和内延缝隙11将所述导电基片5分割为左上和右下两部分，并通过电容7同时实现对导电基片5两部分之间的载波信号连接和调制信号隔离。由于基片5的导通作用使调制信号源13的电压加于的二极管9上。当调制信号源13信号变化时，所述二极管9会在导通和截止之间切换，同时使辐射圆环6辐射的电磁场在线极化和圆极化之间切换，实现直接调制。

本发明能在保证结构简明的前提下实现宽带、保密通信的特点，这两个特点可通过实测和理论分析进一步说明。

1.宽带测试

将本发明中的天线作为发射天线，分别用图2所示的传统调制方式和图3所示的本发明直接调制系统中，变化调制信号频率，测试其辐射场频谱，测试中载波信号为2.04GHz，对比这两种调制方式的通信带宽，结果如图6所示。其中：

图6(a)为调制信号为100MHz时，用如图2所示的传统通信方式所获得的辐射场频谱；

图6(b)为调制信号为100MHz时，用如图3所示的本发明的直接调制方式所获得的辐射场频谱；

图6(c)为调制信号为300MHz时，用如图2所示的传统通信方式所获得的辐射场频谱；

图6(d)为调制信号为300MHz时，用如图3所示的本发明的直接调制方式所获得的辐射场频谱。

从图6(a)和图6(b)的比对可以看出，在100MHz时，两者都可以获得2.04±0.1GHz和2.04±0.2GHz的频率分量，但是本发明的直接调制天线还可以获得2.04±0.3GHz和2.04±0.4GHz的频率分量，体现了后者的宽带特性。

从图6(c)和图6(d)的比对可以看出，在调制信号增加到300MHz时，传统通信方式的辐射场对应的2.04±0.3GHz频谱信号已经很小，不满足通信要求。但本发明的直接调制天线仍然可以获得清晰的2.04±0.3GHz频谱信号，这一现象在将调制信号提高到400MHz时仍然成立。产生这一实验结果原因在于直接调制系统通信带宽不受射频电路、天线馈电和匹配网络甚至天线带宽的限制，而仅取决于对天线进行直接调制的速率。该直接调制的速率取决于二极管响应速度。因此，相对传统的通信而言，直接天线调制可以实现宽带通信。

2.保密性分析

本发明实施例的天线工作于圆极化状态时仅在与天线垂直的方向上呈现较好的圆极化效果，随着观察方向离开该方向，圆极化轴比变差，并逐步趋向线极化。但这恰恰构成了方向保密性。这是因为：由于信息的传输借助极化的切换，因此在天线垂直方向上线极化和圆极化切换对应的调制效果明显，而在其他方向上随着圆极化特性的变差，这一切换调制效果会变差。这就使天线垂直方向上的通信误码率低于其他方向，形成具有方向性选择性的保密通信。

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，例如本发明是基于极化控制实现调制，其他实施例也可包括所有基于极化切换的直接天线调制，如基于两个相互正交的线极化的切换及基于左旋和右旋圆极化的切换等实现的直接天线调制。对于凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于极化重构的直接天线调制系统，包括环缝隙天线、通信控制电路和介质基板，环缝隙天线包括辐射体和馈电网络，通信控制电路用于控制环缝隙天线的辐射特性；其特征在于：

辐射体，由辐射圆环(6)和两个矩形槽(8)组成，该辐射圆环(6)的半径与环缝隙天线的谐振频率成反比，该两个矩形槽(8)分别位于辐射圆环(6)的45°和225°处，用于使环缝隙天线呈现圆极化特性；

馈电网络，由微带馈线(3)和槽线(4)组成，槽线(4)与辐射圆环(6)连接，载波信号通过微带馈线(3)和槽线(4)的耦合结构传递到辐射圆环(6)，并从辐射圆环(6)辐射出去。

2.如权利要求1所述的基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于，辐射圆环(6)的45°轴线两端设有外延缝隙(10)和内延缝隙(11)，用于连接控制电路。

3.如权利要求2所述基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于内延缝隙(11)分别位于辐射圆环(6)与两个矩形槽(8)之间，外延缝隙(10)分别位于两个矩形槽(8)的另一端，且一直伸到辐射圆环(6)的45°轴线底部。

4.如权利要求1或2所述的基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于通信控制电路，包括调制信号源(13)、载频信号源(1)、两个二极管(9)和两个电容(7)；两个二极管(9)分别连接在辐射圆环(6)与两个矩形槽(8)一端之间的内延缝隙(11)两侧；两个电容(7)分别连接在两个矩形槽(8)另一端的外延缝隙(10)两侧；调制信号源(13)连接在外延缝隙(10)的底端两侧；载频信号源(1)连接在馈电网络的输入端。

5.如权利要求1所述的基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于槽线(4)和辐射体位于介质基板(14)的同一面，其上端与辐射圆环(6)相连接，下端为一圆形槽，用于对槽线进行阻抗匹配。

6.如权利要求1所述的基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于微带馈线(3)位于介质基板(14)的另一面，其由横竖两条微带馈电组成，该两条微带馈电相交处设有45°切角，且竖线底端通过同轴馈电接头与载频信号源的输出端连接。

7.如权利要求5所述基于极化重构的直接天线调制系统，其特征在于微带馈线(3)和槽线(4)的宽度均满足其特性阻抗为50Ω，以达到最佳耦合效果。