CN108461906B - 一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，属于频率可重构天线领域。本发明的天线，包括基体、天线臂、同轴馈线、射频同轴连接器和RF信号发射器；所述基体采用可自锁的square‑twist折叠结构；在基体中部开有过线孔，两条天线臂对称粘固在基体的上侧板面，每条天线臂的起始端均从过线孔处向外延伸，每条天线臂在基体折叠状态下位于面板重合处对接；两条天线臂的起始端分别通过同轴馈线经射频同轴连接器与RF信号发射器的2个输出端口相连，RF信号发射器两端口的输出信号相位差为180°。本发明的天线通过加热可自展开而改变工作频率，调频对天线性能影响小，频率调谐幅度大，可实现不同波段的跨越。

Description

一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线
技术领域
本发明涉及一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，属于频率可重构天线领域。
背景技术
频率可重构天线在卫星通信、全球定位、气象雷达、无人机等领域需求迫切。频率可重构天线的本质是通过改变天线辐射体的电流分布来改变天线的工作状态，此类天线可以在一定的频率范围内连续或离散地调整工作频率，而保持方向图、极化等特性不变。随着无线通信技术的发展，频率可重构天线能有效降低无线通信系统的成本和重量、实现小型化，并有助于解决无线通信系统间的电磁兼容问题。在通信、导航、遥感和成像等诸多重要领域拥有巨大的应用前景和发展空间，设计开发多波段、多极化、多功能的频率可重构天线已经成为科技界与工业界的研究重点。改变天线辐射单元特性是实现天线频率可重构的一个重要途径。天线辐射单元的结构发生改变，继而改变天线表面的电流分布，而天线的辐射特性由天线表面分布电流决定，因此可以改变其辐射单元工作特性，实现变频（D.Peroulis, K. Sarabandi, and L. P. B. Katehi. Design of reconfigurable slotantennas[J]. IEEE Trans. Antennas Propagation. Feb. 2005, 53:645-654）。天线谐振频率与天线电长度、介质板材料介电常数等有关，改变天线电长度是实现变频的重要方法，具有调频时无需外加电磁场，材料介电常数较低不影响天线工作效率、频率调谐宽度大等优点。
由于改变介电常数实现天线变频需应用高介电常数材料，天线效率较低，故改变电长度实现天线频率可重构一直是科学家的研究热点。（1）电子开关调频：L.Tong等人在印刷单极子天线上加载二极管（PIN） 开关，通过切换开关状态可以控制谐振电流的路径长度，实现频率可重构[Tong Li, Huiqing Zhai, IEEE ANTENNAS AND WIRELESSPROPAGATION LETTERS, VOL. 13, pp. 1549-1552, 2014]。（2）光学开关调频：Panagamuwa在双极天线两臂上对称加载了两个硅光学开关，开关由红外激光二极管控制，通过切换开关状态改变天线电长度。实验测试结果显示，天线频率可从 2.25 GHz 重构到 3.24 GHz，调谐率为 34%，工作频段增益可以稳定在3dB左右[Panagamuwa C J, Chauraya A, andVardaxoglou J C. Frequency and Beam Reconfigurable Antenna UsingPhotoconductive Switches[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012, 54(2): 449-454.]。（3）机械控制调频：Y. Tawk及其团队通过天线贴片的旋转运动使得不同角度下馈电的贴片形状大小不同来实现频率变化，旋转运动由安装在天线结构背面的步进电机控制。 [Y. Tawk, J. Costantine, K. Avery, et al. Implementation ofa Cognitive Radio Front-End Using Rotatable Controlled ReconfigurableAntennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(5):1773-1778]。
尽管通过改变天线电长度实现频率可重构的研究在近期取得了重要进展，但是依然存在两个问题：（1）外加偏置电路影响天线性能。采用电路开关方式的可重构天线主要有两方面的劣势。首先，电子元件与天线集成会产生比较明显的寄生辐射效应，而且这种负面效应会随着天线阵元的增多非线性的放大，严重影响阵列天线的性能；另一方面，电子器件的控制电路结构相当复杂，设计难度更高，且占用空间过大，不利于天线的小型化和阵列控制。（2）频率调谐幅度小。对于 GHz 频段的频率可重构天线，机械装置较大不仅额外地增加了天线的体积，还会在天线制备过程中引入过大的机械误差，影响天线工作性能。另一方面，微机械装置虽然可以实现小型化，但是其调谐幅度较小，并且制造成本较高，因此微机械重构方式只适用于小幅度的连续调谐的频率可重构天线方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统频率可重构天线结构存在外加偏置电路影响天线性能以及频率调谐幅度小等问题，而提供一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，包括4D打印可变形折纸基体、天线臂、同轴馈线、射频同轴连接器和RF信号发射器；
所述4D打印可变形折纸基体采用可自锁的square-twist折叠结构，优先采用3D打印工艺加工而成的以VeroWhite材料为面板、TangoBlack材料为折痕的可自锁的square-twist折叠结构；
所述的可自锁的square-twist折叠结构包括正方形折纸基体以及在正方形折纸基体上预制的折痕，所述折痕包括位于正方形折纸基体中部的正方形折痕以及从所述正方形折痕的四角向正方形折纸基体边缘垂直延伸的直折痕，所述正方形折痕的四条边分别与正方形折纸基体的四条边呈45度错位；自由状态下，所述正方形折纸基体上的所述折痕折叠，使正方形折纸基体在折叠处面板重合；加热状态下，所述正方形折纸基体完全展开成正方形面板；
在4D打印可变形折纸基体中部方形面板上开有同轴馈线过线孔，两条宽度、长度均相等的天线臂对称粘固在4D打印可变形折纸基体的上侧板面，每条天线臂的起始端均从同轴馈线过线孔处向外延伸，每条天线臂中段途径4D打印可变形折纸基体折叠时面板重合处，每条天线臂在4D打印可变形折纸基体折叠状态下位于面板重合处对接，形成短路，实现天线臂有效长度变小；两条天线臂在4D打印可变形折纸基体折叠状态下的对接长度相等；取两根同轴馈线，上端均从4D打印可变形折纸基体的下侧板面向上穿过同轴馈线过线孔，两根同轴馈线内导线分别与两条天线臂的起始端焊接导通；两根同轴馈线中上部的屏蔽层焊接相连，两根同轴馈线的下端通过射频同轴连接器分别与RF信号发射器的两个输出端口相连，设置RF信号发射器两端口的输出信号相位差为180°；4D打印可变形折纸基体沿折痕折叠后自锁形成初始工作状态。
所述天线臂采用双面导电铜胶带。
工作过程
本发明的变频天线在初始工作状态时，即4D打印可变形折纸基体位于折叠状态自锁时，天线臂在面板重合的部分对接，形成短路，此时电流流经天线臂的有效路径较短，天线电长度小，此时天线以较高频率工作；需要变频时，对4D打印可变形折纸基体进行加热，4D打印可变形折纸基体受热后沿折痕展开，天线臂的对接部分脱离，此时电流流经天线臂的有效路径较长，天线电长度长，此时天线以较低频率工作；实现天线变频。
有益效果：
（1）通过折纸结构的折叠自锁设计，折叠时天线臂相互接触短路，电流路径小，天线电长度小，工作频率较高；展开时，天线臂不再相互接触短路，电流路径变长，天线电长度较大，工作频率较低，从而实现天线变频。
（2）4D打印可变形折纸基体加热可自展开，基体上双面导电铜胶带的接触状态发生变化，天线电长度增加，频率降低，实现智能变形下的智能变频。
（3）利用折纸结构的折叠自锁设计与加热自动展开特性，改变天线电长度，实现频率可重构。无需外加偏置电路，结构设计简单，且不会影响天线性能，降低天线工作效率。
（4）天线频率调谐幅度较大，可以实现跨波段变频。（5）通过改变基体上天线臂的形状及大小，调谐天线的工作频率，使天线实现不同波段间的跨越。
附图说明
图1为本发明天线展开状态下的主视截面图；
图2为本发明天线中4D打印可变形折纸基体展开状态下的俯视图；
图3为本发明天线中4D打印可变形折纸基体折叠状态下的俯视图；
图4为实施例1的天线臂在4D打印可变形折纸基体上的分布图；
图5为实施例2的天线臂在4D打印可变形折纸基体上的分布图；
图6为实施例1的天线折叠与展开状态下回波损耗（S11参数）测试结果。
图7为实施例2的天线折叠与展开状态下回波损耗（S11参数）测试结果。
1-4D打印可变形折纸基体、2-天线臂、3同轴馈线、4-射频同轴连接器、5-面板、6-4D打印可变形折纸基体折痕。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的内容作进一步说明。
实施例1
本发明的一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，其结构主视截面图如图1所示，（零件组成）包括4D打印可变形折纸基体1、天线臂2、同轴馈线3、SMA射频同轴连接器4和RF信号发射器；
所述4D打印可变形折纸基体1，是通过Stratasys公司Object 350打印机打印的以VeroWhite材料为面板6、TangoBlack材料为折痕5的可自锁square-twist折叠结构；
其中，4D打印可变形折纸基体1展开状态下的平面尺寸为195 x 195 mm2，厚度为0.75mm，其平面展开结构如图2所示，4D打印可变形折纸基体中心正方形尺寸为17.5 x17.5 mm2，正方形的中心开有6 x 6mm2方形孔洞。折叠后结构如图3所示。
将打印好的4D打印可变形折纸基体1取出，清洗并干燥。
将两条宽度为9.9mm、总长为301.5mm的双面导电铜胶带作为天线臂2，对称粘固在4D打印可变形折纸基体1的上侧板面，每条天线臂的起始端均从同轴馈线过线孔处向外延伸后，其中天线臂短路段垂直通过折叠状态下的两处对折重合面板，如图4所示；
取两根同轴馈线3，上端均从4D打印可变形折纸基体的下侧板面向上穿过同轴馈线过线孔，同轴馈线3两根内导线分别与两条天线臂2的起始端焊接导通；两根同轴馈线中上部的屏蔽层焊接相连；两根同轴馈线的下端通过SMA射频同轴连接器4分别与RF信号发射器的2个输出端口相连；设置RF信号发射器两端口的输出信号相位差为180°。4D打印可变形折纸基体沿折痕6折叠后自锁形成初始工作状态，天线臂在面板重合的部分对接，形成短路，此时电流路径较短，天线电长度小，工作频率较高；当4D打印可变形折纸基体1在红外线加热器照射下受热展开时，面板上的天线臂2不再相互接触短路，电流路径变长，天线电长度较大，工作频率较低，从而实现天线变频。
对实施例1得到的天线，在室温条件下，利用Keysight公司的E5071C型号矢量网络分析仪进行测试；天线测试时将两个SMA射频同轴连接器分别连接到矢量网络分析仪的两个RF信号输出端口，设置两端口的输出信号相位差为180°，在1-4 GHz测试天线折叠前后的S11参数。测试结果为：在折叠状态时天线工作频率为2.94/3.47 GHz，红外线加热器照射下加热展开后天线谐振频率为1.82/2.71GHz，实现了从L到S波段的跨越。天线S11参数测试结果如图6所示。
实施例2
本发明的一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，其结构主视截面图如图1所示，（零件组成）包括4D打印可变形折纸基体1、天线臂2、同轴馈线3与SMA射频同轴连接器4；
所述4D打印可变形折纸基体1，是通过Stratasys公司Object 350打印机打印的以VeroWhite材料为面板6、TangoBlack材料为折痕5的可自锁square-twist折叠结构；
4D打印可变形折纸基体展开状态下的平面尺寸为110 x 110 mm2，厚度为0.5mm，4D打印可变形折纸基体中心正方形尺寸为20 x 20 mm2，正方形的中心开有6 x 6mm2方形孔洞，其折叠后结构如图3所示。
将打印好的4D打印可变形折纸基体1取出，清洗并干燥。
将两条宽度为7mm、总长为127mm的双面导电铜胶带作为天线臂2，对称粘固在4D打印可变形折纸基体1的上侧板面，每条天线臂的起始端均从同轴馈线过线孔处向外延伸，其中天线臂短路段平行通过折叠状态下的两处对折重合面板，如图5所示；
取两根同轴馈线3，上端均从4D打印可变形折纸基体的下侧板面向上穿过同轴馈线过线孔，同轴馈线3两根内导线分别与两条天线臂2的起始端焊接导通；两根同轴馈线中上部的屏蔽层焊接相连；两根同轴馈线的下端通过SMA射频同轴4连接器分别与RF信号发射器的2个输出端口相连；设置RF信号发射器两端口的输出信号相位差为180°；4D打印可变形折纸基体沿折痕6折叠后自锁形成初始工作状态，天线臂在面板重合的部分对接，形成短路，此时电流路径较短，天线电长度小，工作频率较高；当4D打印可变形折纸基体1在红外线加热器照射下受热展开时，面板上的天线臂2不再相互接触短路，电流路径变长，天线电长度较大，工作频率较低，从而实现天线变频。
对实施例2得到的天线，在室温条件下，利用Keysight公司的E5071C型号矢量网络分析仪进行测试。天线测试时将两个SMA射频同轴连接器分别连接到矢量网络分析仪的两个RF信号输出端口，设置两端口的输出信号相位差为180°，在3.5-6.5GHz测试天线折叠前后的S11参数。测试结果为：折叠状态时天线工作频率为6.30GHz，红外线加热器照射下加热展开后天线谐振频率为3.61GHz，实现了从S到C波段的跨越。天线S11参数测试结果如图7所示。

Claims (3)

1.一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，其特征是：包括4D打印可变形折纸基体、天线臂、同轴馈线、射频同轴连接器和RF信号发射器；
所述4D打印可变形折纸基体采用可自锁的square-twist折叠结构；
所述的可自锁的square-twist折叠结构包括正方形折纸基体以及在正方形折纸基体上预制的折痕，所述折痕包括位于正方形折纸基体中部的正方形折痕以及从所述正方形折痕的四角向正方形折纸基体边缘垂直延伸的直折痕，所述正方形折痕的四条边分别与正方形折纸基体的四条边呈45度错位；自由状态下，所述正方形折纸基体上的所述折痕折叠，使正方形折纸基体在折叠处面板重合；加热状态下，所述正方形折纸基体完全展开成正方形面板；
在4D打印可变形折纸基体中部方形面板上开有同轴馈线过线孔，两条宽度、长度均相等的天线臂对称粘固在4D打印可变形折纸基体的上侧板面，每条天线臂的起始端均从同轴馈线过线孔处向外延伸，每条天线臂途径4D打印可变形折纸基体折叠时面板重合处，每条天线臂在4D打印可变形折纸基体折叠状态下位于面板重合处对接，形成短路，实现天线臂有效长度变小；两条天线臂在4D打印可变形折纸基体折叠状态下的对接长度相等；取两根同轴馈线，上端均从4D打印可变形折纸基体的下侧板面向上穿过同轴馈线过线孔，两根同轴馈线内导线分别与两条天线臂的起始端焊接导通；两根同轴馈线中上部的屏蔽层焊接相连，两根同轴馈线的下端通过射频同轴连接器分别与RF信号发射器的2个输出端口相连，设置RF信号发射器两端口的输出信号相位差为180°；4D打印可变形折纸基体沿折痕折叠后自锁形成初始工作状态。
2.如权利要求1所述的一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，其特征是：所述4D打印可变形折纸基体是采用3D打印工艺加工而成的以VeroWhite材料为面板、TangoBlack材料为折痕的可自锁的square-twist折叠结构。
3.如权利要求1或2所述的一种基于智能折纸结构的跨波段变频天线，其特征是：所述天线臂采用双面导电铜胶带。
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