CN107565228A - 基于fpga控制的极化可编程天线与设计方法 - Google Patents

Abstract

基于FPGA控制的极化可编程天线与设计方法，涉及天线。极化可重构天线由圆形辐射贴片和可切换馈电网络组成。通过控制馈电网络中7个PIN二极管的工作状态，可以切换圆形贴片的馈电点。因此，可以在FPGA的控制下实现7个不同方向的线极化可重构。所有不同的极化状态都具有相似的匹配和辐射特性。仿真和测量结果表明，天线可以实现可调节的多极化特性，并且具有相同的工作频点和稳定的辐射性能。同时，采用FPGA实现可编程的直流偏置控制，进而实现对极化状态的编程控制。天线拥有多个线极化状态，并且可通过FPGA实现可切换馈电线路的选择，实现天线极化方向的编程控制。

Description

基于FPGA控制的极化可编程天线与设计方法

技术领域

本发明涉及天线，尤其是涉及基于FPGA控制的极化可编程天线与设计方法。

背景技术

极化可调或极化捷变日益成为高性能电子信息系统的重要功能需求。例如，在雷达与电子对抗领域，具备极化捷变能力的主动雷达具有更高的目标探测概率和跟踪能力、更强的目标散射特性普适性、更好的抗敌方电子系统干扰和截获能力等诸多优点[1,2]。具备极化可调能力的无源雷达可以对不同极化的辐射目标进行极化跟踪，从而具备更好的普适性和更强的截获概率。

实现极化可重构的天线一般通过加载射频微机电开关(RF-MEMS)、微波PIN管、变容管或光学开关来控制单元辐射的极化状态[3,4]。在这些方案中，依赖于具体的可重构电路实现方案，天线通常可提供若干个离散的极化状态可供选择。但是没有看到采用FPGA来控制天线极化状态的具体方案的报道。

近年来，关于FPGA控制天线工作状态的问题已经有了一些相关研究。例如，文献[5]讨论了基于FPGA的频率可重构天线。该天线使用PIN二极管作为开关进行重新配置，通过控制主贴片和四个不同贴片之间的通断以实现谐振调谐。FPGA通过符合JTAG标准的TAP(Test Access Port)控制器来实现对二极管的控制。该天线通过不同的开关组合可实现多个辐射频率。中国专利201610806703.2公开了一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板，该设计针对国产FPGA芯片进行全方位设计为核心控制板实现对天线根据信标信号进行实时跟踪，发挥了FPGA芯片在I/O源、时钟资源、DSP资源、逻辑资源等方面的优势和特点，并借助其可编程、并行处理的优点，减少了电路板设计复杂性和成本，提高了平台的通用性和可移植性[6]。中国专利201310534070.0公开了一种基于FPGA的相控阵天线迭代配相算法的实现方法，利用FPGA硬件并行运行特性，通过算法优化实现迭代配相算法，提高迭代配相算法的运算速度和运算精度[7]。

从上述文献所述的方案可知，使用FGPA可以实现天线工作频点的重构，或利用FPGA运算实现阵列天线相位配置，或实现天线接收信号的处理。但是这些方案均不是针对控制天线的极化，无法实现可编程的天线极化控制。

参考文献：

[1]M.Hurtado,J.J.Xiao,and A.Nehorai,Target estimation,detection,andtracking:a look at adaptive polarimetric design,IEEE Signal Process.Mag.,vol.26,no.1,pp.42-52,Jan.2009.

[2]代大海,廖斌,肖顺平,王雪松，雷达极化信息获取与处理的研究进展,雷达学报，第5卷，第2期,第143-155页,2016年4月.

[3]C.G.Christodoulou,Y.Tawk,S.A.Lane,and S.R.Erwin,Reconfigurableantennas for wireless and space applications,Proc.IEEE,vol.100,no.7,pp.2250-2261,Jul.2012.

[4]J.Costantine,Y.Tawk,S.E.Barbin,and C.G.Christodoulou,Reconfigurable antennas:design and applications,Proc.IEEE,vol.103,no.3,pp.424-437,Mar.2015.

[5]S.Shelley,J.Costantine,C.G.Christodoulou,D.E.Anagnostou,andJ.C.Lyke,FPGA-controlled switch-reconfigured antenna,IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.9,pp.355-358,2010.

[6]葛庆国.一种基于国产FPGA的动中通天线核心控制板及天线跟踪方法:中国，201610806703.2[P].2016-12-07.

[7]江承财等.一种基于FPGA的相控阵天线迭代配相算法的实现方法:中国,201310534070.0[P],2014-05-21.

发明内容

本发明的目的在于提供基于FPGA控制的极化可编程天线。

本发明的另一目的在于提供基于FPGA控制的极化可编程天线的设计方法。

所述基于FPGA控制的极化可编程天线包括天线单元和FPGA控制模块，所述天线单元为圆形贴片天线，FPGA控制模块为Altera的EP4CE6E22C8N芯片。

所述天线单元由两层介质基板组成，上层介质基板带有一个圆形辐射贴片，下层介质基板上刻有可选择的馈线网络，在上层介质基板的顶部上蚀刻圆形辐射贴片，在距离圆形辐射贴片圆心8mm的位置上设有半径为0.4mm的7个探针，所述探针与下层介质基板底部的馈电网络连接。

所述上层介质基板和下层介质基板的尺寸均可为100mm×100mm，上层介质基板的厚度为3.175mm，介电常数ε_r＝2.2；下层介质基板的厚度为0.508mm，介电常数ε_r＝3.38；所述圆形辐射贴片的半径可为28mm。

所述的天线辐射电磁波的极化采用FPGA控制，实现了对极化方向的编程控制。

所述基于FPGA控制的极化可编程天线的设计方法包括以下步骤：

1)七极化天线单元设计，具体方法为：

(1)天线结构设计：天线有两层介质基板组成，上层介质基板上带有一个圆形辐射贴片，下层介质基板上刻有供选择的馈线网络，馈线网络上有7个二极管；

(2)天线仿真：利用全波仿真软件HFSS对七极化天线单元进行仿真；

(3)天线实测：根据仿真的结构制作出实体天线并且在微波暗室中进行测量，用实体开关控制PIN二极管的通断状态，将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图；

2)基于FPGA的控制电路设计，具体方法为：

(1)基于FPGA的串口通信设计：串口传输协议的格式为一位起始位+八位数据位+一位就奇偶校验位+两位停止位，当没有数据传输时，为空闲位，根据所述串口传输协议编写相应的Verilog程序；

(2)远距离传输线设计：采用RS485传输协议进行通信，由于FPGA不支持RS485接口，因此通过RS232转RS485再转RS232的方式进行通信，同时利用串口通信协议实现八位数据的传输；

3)天线和FPGA的联合调试，具体方法为：

将FPGA的引脚和天线的二极管连接起来，并将FPGA通过串口线连接至PC，然后将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图；

4)结果分析对比：对比实体开关控制时的方向图和FPGA控制时的方向图，结果存在高度的一致性，说明可实现天线极化方向的编程控制，所以证明此设计的合理性。

本发明所述基于FPGA控制的极化可编程天线设有7个线极化状态的贴片天线和FPGA控制电路，所述7个线极化状态的贴片天线与FPGA控制电路连接调试，用7个PIN二极管进行7种线极化的切换，实现FPGA控制电路对7个线极化状态的贴片天线的远距离可编程控制。

本发明公开了一种基于FPGA控制的极化可编程天线与设计方法，极化可重构天线由圆形辐射贴片和可切换馈电网络组成。通过控制馈电网络中7个PIN二极管的工作状态，可以切换圆形贴片的馈电点。因此，可以在FPGA的控制下实现7个不同方向的线极化可重构。所有不同的极化状态都具有相似的匹配和辐射特性。仿真和测量结果表明，天线可以实现可调节的多极化特性，并且具有相同的工作频点和稳定的辐射性能。同时，采用FPGA实现可编程的直流偏置控制，进而实现对极化状态的编程控制。本发明的最大特点在于，天线拥有多个线极化状态，并且可通过FPGA实现可切换馈电线路的选择，实现天线极化方向的编程控制。

附图说明

图1为数据结构。

图2为天线结构。

图3为仿真所得几种状态的回波损耗(state表示7个极化方向)。

图4为实测所得各状态回波损耗(state表示7个极化方向)。

具体实施方式

步骤1；七极化天线单元设计：

1-1天线结构设计：此天线有两层介质基板(尺寸为100mm×100mm)组成，上层介质基板(厚度为3.175mm，介电常数ε_r＝2.2)带有一个圆形辐射贴片，下层介质基板(厚度为0.508mm，介电常数ε_r＝3.38)上刻有可选择的馈线网络。在上层介质基板的顶部上蚀刻半径为28mm的圆形辐射贴片，半径为0.4mm的7个探针位于距离圆形贴片圆心8mm的位置，这些探针连接着下层基板底部的馈电网络。两层介质板之间有一层金属，用做射频地，该射频地在通过探针的位置上蚀刻半径为0.8mm的四个圆形孔，用于探针通过。馈电网络由输入馈线，7条微带传输路径，7个二极管开关和7条直流线组成。馈线和传输路径的特征阻抗为50Ω。在输入馈线中插入一个100pF电容，以隔离直流信号同时保持射频信号的连续性。为了利用直流偏置电路控制二极管通断，只需要提供低电压，开关阴极连接到直流电源接地端。另一方面，7条直流线路分别通过7个铁氧体磁珠连接到7条传输路径，以隔绝射频信号。然后，通过将相应的直流线路连接到直流电源的正端，7个开关的阳极可以分别提供正电压。所以可以为其中一个二极管提供正电压来打通某一路，同时保持其他六路线路的关闭，来选择天线的馈电点。不同的馈电点位置，就对应着不同的极化方向。天线结构如图2所示。

1-2天线仿真：利用全波仿真软件HFSS对该单元天线进行仿真，仿真所得各状态的回波损耗曲线如图3所示。

1-3天线实测：根据仿真的结构制作出实体天线并且在微波暗室中进行测量。此时用实体开关来控制PIN二极管的通断状态。将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图。实测所得各状态的回波损耗曲线如图4所示。

步骤2：

2-1基于FPGA的串口传输通信设计：串口传输协议的格式为：一位起始位+八位数据位+一位就奇偶校验位+两位停止位，当没有数据传输时为空闲位。数据结构示意图如图1所示。由串口的帧格式可知，一条完整的串口信号就可实现对7个PIN二极管的控制。根据串口协议编写Verilog程序，并且将程序在QuartusⅡ中编译，再将编译好的程序下载到PPGA开发板中进行板级调试。串口通信的上位机选择串口调试助手，调试助手输入格式为十六进制，每发送一次指令FPGA相应的I/O口将会输出一个电平信号来驱动PIN二极管。

2-2远距离传输线设计：FPGA所支持的RS232接口不适合长距离的传输，会出现大量的误码情况，所以采用RS485通信协议设计。由于FPGA不支持RS485接口，所以设计了RS232转RS485再转RS232的通信方式，经测试误码率很小。

步骤3：天线和FPGA的联合调试：将FPGA的八个I/O口连接至天线的二极管上，并将FPGA通过串口线连接至PC，然后将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图。在电脑端的串口调试助手上每次发送一个指令天线的极化方向就改变一次，直到七种极化方向全部测完。

步骤4：结果分析对比：对比实体开关控制时的方向图和FPGA控制时的方向图，结果存在高度的一致性，说明可实现天线极化方向的编程控制，所以证明此设计的合理性。

Claims (4)

1.基于FPGA控制的极化可编程天线，其特征在于包括天线单元和FPGA控制模块，所述天线单元为圆形贴片天线，FPGA控制模块为Altera的EP4CE6E22C8N芯片；

所述天线单元由两层介质基板组成，上层介质基板带有一个圆形辐射贴片，下层介质基板上刻有可选择的馈线网络，在上层介质基板的顶部上蚀刻圆形辐射贴片，在距离圆形辐射贴片圆心8mm的位置上设有半径为0.4mm的7个探针，所述探针与下层介质基板底部的馈电网络连接。

2.如权利要求1所述基于FPGA控制的极化可编程天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板的尺寸均为100mm×100mm。

3.如权利要求1所述基于FPGA控制的极化可编程天线，其特征在于所述上层介质基板的厚度为3.175mm，介电常数ε_r＝2.2；下层介质基板的厚度为0.508mm，介电常数ε_r＝3.38；所述圆形辐射贴片的半径为28mm。

4.基于FPGA控制的极化可编程天线的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)七极化天线单元设计，具体方法为：

(1)天线结构设计：天线有两层介质基板组成，上层介质基板上带有一个圆形辐射贴片，下层介质基板上刻有供选择的馈线网络，馈线网络上有7个二极管；

(2)天线仿真：利用全波仿真软件HFSS对七极化天线单元进行仿真；

(3)天线实测：根据仿真的结构制作出实体天线并且在微波暗室中进行测量，用实体开关控制PIN二极管的通断状态，将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图；

2)基于FPGA的控制电路设计，具体方法为：

(1)基于FPGA的串口通信设计：串口传输协议的格式为一位起始位+八位数据位+一位就奇偶校验位+两位停止位，当没有数据传输时，为空闲位，根据所述串口传输协议编写相应的Verilog程序；

(2)远距离传输线设计：采用RS485传输协议进行通信，由于FPGA不支持RS485接口，因此通过RS232转RS485再转RS232的方式进行通信，同时利用串口通信协议实现八位数据的传输；

3)天线和FPGA的联合调试，具体方法为：

将FPGA的引脚和天线的二极管连接起来，并将FPGA通过串口线连接至PC，然后将天线放置于微波暗室的旋转台上，测试该天线工作于每种极化状态时的E面和H面远场辐射方向图；

4)结果分析对比：对比实体开关控制时的方向图和FPGA控制时的方向图，实现天线极化方向的编程控制。