CN104218316A - 一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线，包括天线辐射单元、共面波导馈电线、FR4介质基板、对称梯形地板，以及第一、二、三、四和第五光控硅开关，所述天线辐射单元、共面波导馈电线、对称梯形地板和第一、二、三、四、五光控硅开关都位于FR4介质基板的同一侧，所述共面波导馈电线位于对称梯形地板的中间位置，所述天线辐射单元包括U形单极子天线，所述U形单极子天线与所述共面波导馈电线连接，所述U形贴片单极子内设有弯曲对称槽，弯曲对称槽的形状关于所述共面波导馈线对称。本发明具有尺寸小、全向性好、宽频带和开关电磁干扰小等优点，适用于认知无线电领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线电领域，具体涉及一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线。
背景技术
随着无线通信业务的发展，频谱需求量快速增长，频谱资源显得越来越缺乏，已成为制约无线通信发展的瓶颈之一。认知无线电是一个智能的无线通信系统，能自动感知周围的无线环境，实时调整内部无线电参数(如功率、频率、调制和编码方案等)，以适应外部无线环境的变化，并保证在不对授权用户造成干扰的情况下，利用空闲频谱资源进行通信。对应于射频终端，可重构超宽带陷波天线可以应用到认知无线电系统中，在频谱感知的时候如果发现很宽的频带都没有被授权用户使用，此时系统就可以使用宽带天线直接工作；当发现只有一个频带被授权用户使用，则可以使用陷波功能使认知无线电系统不在这个频带内工作，避免了对现存无线通信系统造成干扰，因此可重构超宽带陷波天线属于认知无线电天线的一种。
现在大多数可重构超宽带陷波天线采用电学开关，它会对天线的电磁辐射性能造成影响；有些采用机械旋转结构，则会增加天线后期制作的难度并且不利于小型化。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线。
本发明采用如下技术方案：
一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线，包括FR4介质基板、天线辐射单元、对称梯形地板、共面波导馈电线及弯曲对称槽，上述各个部分均位于所述FR4介质基板的同一侧，所述天线辐射单元包括U形单极子天线，所述U形单极子天线与共面波导馈电线连接，所述共面波导馈电线位于对称梯形地板的中间位置，所述弯曲对称槽位于U形单极子天线的内部，所述弯曲对称槽、U形单极子天线与对称梯形地板关于共面波导馈电线对称。
所述弯曲对称槽包括第一段矩形槽、两个第二段矩形槽、两个第三段矩形槽、两个第四段矩形槽及两个第五段矩形槽，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽依次连接，所述两个第二段、第三段、第四段及第五段矩形槽关于第一段矩形槽对称，所述第一段矩形槽安装在U形单极子天线的底部，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽的宽度相等，其长度总和等于自由空间频率2.9GHz的四分之一个波长。
所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽的宽度为1mm，所述第一段矩形槽的长度为3.8mm，第二段矩形槽的长度6.32mm，第三段矩形槽的长度5.4mm，第四段矩形槽的长度3mm，第五段矩形槽的长度7mm。
还包括光控硅开关，具体为5个，分别为第一、第二、第三、第四及第五光控硅开关，所述第一光控硅开关及第二光控硅开关关于共面波导馈电线对称，安装在第四段矩形槽的中间位置，第三光控硅开关及第四光控硅开关关于共面波导馈电线对称，安装在第二段矩形槽与第三段矩形槽的连接处，所述第五光控硅开关安装在第一段矩形槽的中间位置。
所述U形单极子天线由矩形贴片及椭圆形贴片构成。
所述椭圆形贴片长轴2倍是20mm,短轴长度的2倍是17mm，所述矩形贴片长为20mm，宽为5mm。
所述第一、第二、第三、第四及第五光控硅开关具体为具有内光电效应的半导体硅，尺寸为1×1×0.4mm3。
利用激光控制光控硅开关的通断两种状态，形成不同的电流辐射路径，进而会有不同的频率重构频段。
当所述第五光控硅开关短路，第一、二、三和四光控硅开关开路时，天线表现为超宽带单极子天线，工作频率为2.1-12GHz，记为Case1；
当所述五个光控硅开关都开路时，天线具有陷波功能，陷波的频率为2.2-2.9GHz，覆盖了WLAN的2.4-2.483GHz，记为Case2；
当所述第一和二光控硅开关短路，第三、四和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为3.2-4.7GHz，覆盖了WiMAX 3.3-3.6GHz应用频段，记为Case3；
当所述第一和四光控硅开关短路，第二、三和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为4.8-6.6GHz，覆盖了WLAN 5.15-5.35和5.725-5.825GHz应用频段，记为Case4；
当所述第三和四光控硅开关短路，第一、二和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为7.5-8.7GHz，覆盖了ITU-8GHz应用频段，记为Case5。
本发明的有益效果：
本发明提供一种小尺寸和简单的用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线。
使用一个U形单极子宽带天线提供对2.1-12GHz内频段的全频覆盖，一个弯曲的对称槽实现陷波功能，利用五个光控硅开关的组合实现对弯曲对称槽的电流路径的控制，从而实现可重构的特性。
附图说明
图1是本发明一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线的结构图；
图2是图1的参数示意图；
图3是本发明的电压驻波比图；
图4(a)是本发明实施例Case1在频率为5GHz的方向图；
图4(b)是本发明实施例Case2在频率为5GHz的方向图；
图4(c)是本发明实施例Case3在频率为5GHz的方向图；
图5(a)是本发明实施例Case4在频率为7GHz的方向图；
图5(b)是本发明实施例Case5在频率为7GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2所示，一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线，包括FR4介质基板1、天线辐射单元、对称梯形地板3A-3B、共面波导馈电线4及弯曲对称槽5、还有第一、第二、第三、第四及第五光控硅开关6A-6E，上述各个部分均位于所述FR4介质基板1的同一侧，所述天线辐射单元包括U形单极子天线2，所述U形单极子天线2与共面波导馈电线4连接，所述共面波导馈电线4位于对称梯形地板的中间位置，所述弯曲对称槽5位于U形单极子天线的内部，所述弯曲对称槽5、U形单极子天线2与对称梯形地板关于共面波导馈电线4对称。
所述FR4介质基板1的长度是L＝25mm，宽度W＝25mm,厚度是0.8mm,相对介电常数是4.4，损耗角正切是0.02。
所述U形单极子天线2由矩形贴片及椭圆形贴片构成，具体是将矩形贴片放在椭圆形贴片的上半部分叠加构成，所述椭圆形贴片长轴的2倍是W4＝20mm,短轴的2倍是L4＝17mm，长方形贴片的长度是W4＝20mm，宽度L3＝5mm。U形超宽带天线能工作在2.1-11GHz，能在一个很宽的频率范围通信并且方向性在水平面为全向。
所述对称梯形地板是用来提高天线的阻抗匹配，宽度为Wg＝11.5mm，W3＝4.05mm，高度L1＝2mm，Lg＝6mm，中间开有缝隙。
所述共面波导馈电线位于所述FR4介质基板的中间，用来提高天线的阻抗匹配，宽度是W1＝1.5mm与所述U形单极子天线2相连，具体位置位于对称梯形地板的中间缝隙，并与对称梯形地板的缝隙间隔g1＝0.25mm。所述U形单极子天线2和对称梯形地板3都是关于所述共面波导馈线4对称。
所述弯曲对称槽位于U形单极子天线内部，并关于共面波导馈电线对称，包括第一段矩形槽、两个第二段矩形槽、两个第三段矩形槽、两个第四段矩形槽及两个第五段矩形槽，两个第二段矩形槽分别位于第一段矩形槽的两端，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽依次连接，所述两个第二段、第三段、第四段及第五段矩形槽关于第一段矩形槽对称，所述第一段矩形槽安装在U形单极子天线的底部，关于共面波导馈电线对称，矩形槽的宽度相等，均为g＝1mm，所述第一段矩形槽的长度S1＝3.8mm，第二段矩形槽的长度S2＝6.32mm，第三段矩形槽的长度S3＝5.4mm，第四段矩形槽的长度S4＝3mm，第五段矩形槽的长度S5＝7mm。第一、第二、第三、第三、第四及第五段矩形槽的长度总和等于自由空间频率2.9GHz的四分之一个波长。
天线的性能主要是由矩形槽的长度确定，本实施例中第二段分别与第一段及第三段矩形槽不是直角连接，其他矩形槽为直角连接。
本发明还包括光控硅开关，具体为5个，分别为第一光控硅开关6A、第二光控硅开关6B、第三光控硅开关6C、第四光控硅开关6D及第五光控硅开关6E，所述第一光控硅开关6A及第二光控硅开关6B关于共面波导馈电线对称，安装在第四段矩形槽的中间位置，第三光控硅开关6C及第四光控硅开关6D关于共面波导馈电线对称，安装在第二段矩形槽与第三段矩形槽的连接处，所述第五光控硅开关安装在第一段矩形槽的中间位置。
所述五个光控硅开关是有高电阻率的硅片组成，具有内光电效应，位置关于共面波导馈线对称，所述五个光控开关的五种组合导致弯曲对称槽5的有效电流的长度不同，对应着不同的陷波频率。所述第一、第二、第三及第四光控硅开关具有电磁透明的特点不会对所述天线辐射单元造成影响，根据内光电效应，当入射光子的能量大于半导体硅的能量带隙时，硅原子中的电子就会从禁带跃迁到价带，表现为从绝缘体成为导体，利用激光控制硅开关的通断两种状态，形成不同的电流辐射路径，进而会有不同的频率重构频段。
所述第一、二、三、四和五光控硅开关的尺寸都是1×1×0.4mm3，通过使用808nm波长的激光对所述光控硅开关是否进行照射来控制开关进的通断，这种光控方式具有电磁透明的特点能有效的减少对天线辐射影响。当有激光照射时，开关表现为“短路”，当没有激光照射时，开关表现为“开路”。
当所述第五光控硅开关短路，第一、二、三和四光控硅开关开路时，天线表现为超宽带单极子天线，工作频率为2.1-12GHz，记为Case1；
如图3所示，当所述五个光控硅开关都开路时，天线具有陷波功能，陷波的频率为2.2-2.9GHz，覆盖了WLAN的2.4-2.483GHz，记为Case2；
当所述第一和二光控硅开关短路，第三、四和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为3.2-4.7GHz，覆盖了WiMAX 3.3-3.6GHz应用频段，记为Case3；
当所述第一和四光控硅开关短路，第二、三和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为4.8-6.6GHz，覆盖了WLAN 5.15-5.35和5.725-5.825GHz应用频段，记为Case4；
当所述第三和四光控硅开关短路，第一、二和五光控硅开关开路时，天线具有陷波功能，陷波频率为7.5-8.7GHz，覆盖了ITU-8GHz应用频段，记为Case5。
如图4(a)、图4(b)、图4(c)和如图5(a)、图5(b)所示，天线在所述Case1-Case5方向图，天线在水平面XOZ呈现很好的全向性。
该天线具有小型化的特点，并且采用光控硅开关能减小对天线辐射的影响，陷波频段覆盖了大部分的常见无线通信，能有效地减少与其他无线通信的影响，所以适用于认知无线电系统。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于认知无线电光控可重构超宽带陷波天线，其特征在于，包括FR4介质基板、天线辐射单元、对称梯形地板、共面波导馈电线及弯曲对称槽，上述各个部分均位于所述FR4介质基板的同一侧，所述天线辐射单元包括U形单极子天线，所述U形单极子天线与共面波导馈电线连接，所述共面波导馈电线位于对称梯形地板的中间位置，所述弯曲对称槽位于U形单极子天线的内部，所述弯曲对称槽、U形单极子天线与对称梯形地板关于共面波导馈电线对称。
2.根据权利要求1所述的陷波天线，其特征在于，所述弯曲对称槽包括第一段矩形槽、两个第二段矩形槽、两个第三段矩形槽、两个第四段矩形槽及两个第五段矩形槽，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽依次连接，所述两个第二段、第三段、第四段及第五段矩形槽关于第一段矩形槽对称，所述第一段矩形槽安装在U形单极子天线的底部，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽的宽度相等，其长度总和等于自由空间频率2.9GHz的四分之一个波长。
3.根据权利要求2所述的陷波天线，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四及第五段矩形槽的宽度为1mm，所述第一段矩形槽的长度为3.8mm，第二段矩形槽的长度6.32mm，第三段矩形槽的长度5.4mm，第四段矩形槽的长度3mm，第五段矩形槽的长度7mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的陷波天线，其特征在于，还包括光控硅开关，具体为5个，分别为第一、第二、第三、第四及第五光控硅开关，所述第一光控硅开关及第二光控硅开关关于共面波导馈电线对称，安装在第四段矩形槽的中间位置，第三光控硅开关及第四光控硅开关关于共面波导馈电线对称，安装在第二段矩形槽与第三段矩形槽的连接处，所述第五光控硅开关安装在第一段矩形槽的中间位置。
5.根据权利要求1所述的陷波天线，其特征在于，所述U形单极子天线由矩形贴片及椭圆形贴片构成。
6.根据权利要求5所述的陷波天线，其特征在于，所述椭圆形贴片长轴2倍是20mm，短轴长度的2倍是17mm，所述矩形贴片长为20mm，宽为5mm。
7.根据权利要求4所述的陷波天线，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四及第五光控硅开关具体为具有内光电效应的半导体硅，尺寸为1×1×0.4mm3。
8.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，利用激光控制光控硅开关的通断两种状态，形成不同的电流辐射路径，进而会有不同的频率重构频段。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，当所述第五光控硅开关短路，第一、二、三和四光控硅开关开路时，天线表现为超宽带单极子天线，工作频率为2.1-12GHz；
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