CN112290228A - 一种线-圆极化可重构天线及防雷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线‑圆极化可重构天线及防雷方法，包括通过PIN二极管S1和S2将调谐枝节P1和P2连接在沿对角线馈电的矩形微带天线的两边；PIN二极管S1和S2的偏置状态相反，在通电时，一个PIN二极管导通，另一个断开，这会影响天线上TM10模和TM01模的谐振频率，通过调节枝节大小使得TM10模和TM01模两种模式的场幅度相同而相位相差90°，再通过改变两个PIN二极管的通断状态实现天线的圆极化和线极化的重构。本发明通过改变电压源的正负性，控制PIN二极管的通断，改变天线的极化状态，使得雷电电磁场的主能量无法通过与闪电通道失配的天线线极化状态进行能量耦合到达后端设备，达到防雷可靠性目的。

Description

一种线-圆极化可重构天线及防雷方法

技术领域

本发明涉及天线防雷技术领域，尤其涉及一种线-圆极化可重构天线及防雷方法。

背景技术

依据IEC国际标准，当前针对电子电气设备已有了诸如避雷针、接地网和浪涌保护器（SPD）等雷电防护设备及其相关详细的安装和操作要求；目前针对天线的防雷方法主要有：1、使用浪涌保护器（SPD）的天馈线路的防雷；2、通过使用微波开关将雷电电磁场的能量限制与开关中而不影响后端设备的防雷天线。

浪涌保护装置一般是非线性器件，目前的非线性器件可以分为三类：1、当脉冲通过时，该类装置可以使得其两段的电压近似的保持在某一固定值左右；2、当脉冲通过时，该类装置会将其高阻状态迅速变为良导体状态；3、针对共模电压产生很大串联阻抗的装置。而众所周知，累积线程异常复杂，随机性极大；而SPD涉及、施工都是针对某一确定的闪电特性策划的，这可以说SPD装置就是确定的人为作品，它一旦确定下来就不能更改，因此，SPD的保护特点是以不变的固定涉及来应变变化莫测的雷击事件，所以，其可能失效造成事故也就带有必然性。微波开关与SPD一样也是人为确定的产物，所以当选用的开关种类确定后，其相应的性能和参数也随之确定，这便使得防护效果具备相应的针对性而缺乏了普遍性，进而使得其在应用方向和使用范围上有着诸多的限制。

而正是因为雷击带有很大的随机性，为了设计经济、可靠和实用的雷电防护系统，人们不得不用折中的办法，人为的划出一个“雷击窗口”，在“雷击窗口”之内，设计出的防护系统是有效的；而在“雷击窗口”的两侧地带，即在小于极小值和大于极大值的雷击事件中防护系统的可靠性具有一定的不确定性；而要求SPD有100%的防护效率，就要把“雷击窗口”从两侧扩展到无穷大和无穷小，涵盖一切可能发生的雷击事件，雷击设备的风险自然就等于0，然而这样做的投资却是无限大的，事实上也是不可能的；因此，客户上存在着这一对几乎是不可协调的矛盾，SPD防护失效完全是可能的。

而对于整个系统而言，微波开关的引入，对整个系统的结构稳定以及开关器件的选择提出了更为严格的要求；射频和微波开关可以分为两个同等主流和重要的群体，基于电磁感应简单理论和机电开关以及半导体开关技术的固态开关；在插入损耗和隔离度方面，PIN管实际存在一定数值的电抗和损耗电阻，因此微波开关在导通时衰减不为零，成为正向插入损耗，开关在断开时其衰减也非无穷大，成为隔离度，二者是衡量微波开关的主要指标，一般希望插入损耗小，而隔离度大；在承受功率方面，在给定的工作条件下，微波开关所能承受的最大输入功率与PIN管功率容量、电路类型（串联或者并联）、工作状态（CW和脉冲）跟散热条件有关，一般损坏机理包括：电压击穿，常见与脉冲功率，以及热烧毁，常见与CW；在电压驻波系数方面，电压驻波系数仅仅反映端口输入输出匹配情况。端口电压驻波系数最小，开关的损耗不一定最小；但是差损最小的开关其电压驻波系数肯定小。由此可见，微波开关的使用必定会考虑其隔离度、插入损耗以及承受功率等参数的影响，这就在一定程度上增加了系统设计的难度，也大大增加了系统整体的复杂性；所以，使用微波开关则会不可避免的引入各种误差和损耗，增加系统的设计和使用难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种线-圆极化可重构天线及防雷方法，解决了现有防雷方法中存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种线-圆极化可重构天线，它包括通过PIN二极管S1和S2将调谐枝节P1和P2连接在沿对角线馈电的矩形微带天线的两边；所述PIN二极管S1和S2的偏置状态相反，在通电时，一个PIN二极管导通，另一个PIN二极管断开，这会影响天线上TM10模和TM01模的谐振频率，使得TM10模和TM01模两种模式的场幅度相同而相位相差90°，再通过改变两个PIN二极管的通断状态实现天线的左旋、右旋圆极化以及线极化的重构。

还包括1/4波长短路线，所述1/4波长短路线与所述调谐枝节P1和P2相连作为直流接地，进而实现对所述PIN二极管S1和S2的通断控制。

一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，所述防雷方法包括：

当接收到预警信号时，分别通过与枝节连接的接地导体给两个开关馈电，而此时给连接开关S1的接地导体馈负电，另一个连接S2的接地导体馈正电，则两个开关S1，S2同时断开，天线工作于线极化。改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2同时断开

天线从正常工作的圆极化状态转换为雷电电磁场主能量难以耦合的线极化状态，使得能量无法通过天线到达后端设备，从而达到防雷目的。

所述防雷方法还包括：

当没有接收到预警信号时，改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2一个导通，另一个断开，从而使得天线从线极化状态转换为正常工作的圆极化状态。

所述预警信号的预警条件包括：如果同时满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤和磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤的条件，则发出预警信号。

所述电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤包括：

（1）判断雷电流脉冲信号宽度是否在10-100微秒范围内，如果是，则表示满足信号宽度条件，如果不是，则表示不满足；

（2）判断雷电流脉冲信号频谱能量集中分布是否在0-300KHz范围内，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减，如果是，则表示满足信号频率能量条件，如果不是，则表示不满足；

（3）判断是否至少两次连续出现满足信号宽度条件和信号频率能量条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求。

所述磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤包括：

A、判断磁场脉冲信号的时宽是否不超过1微秒，如果是，则表示满足信号时宽条件，如果不是，则表示不满足；

B、判断是否至少两次连续出现满足信号时宽条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求。

本发明具有以下优点：一种线-圆极化可重构天线及防雷方法，通过改变电压源的正负性，控制PIN二极管的通断，从而改变天线的极化状态，让天线从正常工作的圆极化辐射状态切换到线极化辐射状态，使得雷电电磁场的主能量难以通过天线的线极化状态进行能量耦合到达后端设备，从而达到利用天线有效提高通信电子设备防雷可靠性的目的。

附图说明

图1 为本发明天线的结构示意图；

图2 为枝节长度变化时对应的天线回波损耗图；

图3a 为圆极化状态天线的回波损耗示意图；

图3b 为圆极化状态天线的轴比示意图；

图3c 为圆极化状态天线的各频点最大增益示意图

图4a 为线极化状态天线的回波损耗示意图；

图4b 为线极化状态天线的轴比示意图；

图4c 为线极化状态天线的各频点最大增益示意图；

图5 为圆极化和线极化状态下天线表面电流分布示意图；

图6 为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

在防雷中由闪电的发生发展原理以及相关观测结果可知，当闪电回击发生前，会从雷暴云内部产生向地面发展的下行梯级先导，当该先导接近地面时，由于地面附近背景电场增强，使得地面物体的尖端上出现放电现象，待背景电场进一步增强时，最终形成上行连接先导，连接先导的发生发展可以通过其所在地面物体尖端（如避雷针）上的电流变化监测到，当出现该雷电流脉冲时，则认为闪电将在不到1ms的时间内发生。

如图1和图2所示，本发明利用腔模理论，在沿对角线馈电的矩形微带天线两条边上增加两个调谐枝节P1和P2，通过使用型号为HSPMP3860的两个PIN二极管S1和S2与调谐枝节相连，两个PIN二极管S1和S2的偏置状态相反，即在相同时刻，一个开关导通时，另一个开关断开，这就会影响天线上TM10模和TM01模的谐振频率，恰当地选择调谐枝节P1和P2的长度，可以使得两种模式的场幅度相同而相位相差90°，通过改变两个开关的通断状态就可以实现左旋、右旋圆极化以及线极化的重构，由于这种幅度相同而相位相差90°的圆极化状态可以通过天线的轴比来进行查看，且在工程中，当天线轴比低于3dB时，认为天线辐射状态为圆极化，而在以2mm为初始值调节枝节长度的过程中发现，在枝节长度由2mm增长到6mm的调节过程中，当枝节长度为4mm时，天线实现圆极化辐射状态，此时谐振频点为4.898GHz，对应的轴比为2.52dB。

由于通过波导内满足的麦克斯韦方程组,可以将波导中传播的电磁波分为三大类：TEM波、TM波、以及TE波，其中TM波又被称为横磁波，即这种波在传播方向上没有磁场分量，但有电场分量，而微带天线的工作原理同样可以用腔体模型来描述，因微带天线通常是低剖面的，电磁场以驻波形式集中于贴片与地板间的介质内部，因此矩形微带贴片可以等效为上下为电壁，四周为磁壁的介质填充腔体，忽略微带贴片（纵向及横向）的边缘效应，贴片四周的场将垂直于贴片表面，因此可只考虑腔体中的TM_xy模式的场，而TM10模和TM01模正是这些模式中的两种TM波的工作模式。

由天线的极化定义可知，辐射波的极化是“描述辐射电磁波的电场矢量的方向和相对辐度的时变特性的；说得具体些，就是在空间固定位置上，沿着传播方向观察时观察到的电场矢量的末端随时间而变化所描绘出的轨迹。”圆极化天线发射和接收圆极化波，相对的，线极化天线则发射和接收线极化波。天线正常工作时为圆极化辐射状态，当接收到预警信号时改变电压源电压，此时天线工作状态转变成线极化状态，由于垂直极化状态与闪电通道附近电场相匹配，且水平极化和垂直极化均为线极化，则在天线工作于线极化状态时，只需通过调整其摆放位置就能使其处于水平极化状态，此时闪电通道主要的电磁能量就很难通过天线耦合而对后端设备造成损害，从而达到预期防护效果。

当沿普通矩形贴片的对角线对其馈电时，TM01模和TM10模会在同一频点同时激励产生。由于PIN二极管控制枝节上电流通断的影响，两个模式的谐振频率同时改变。从图1可以看出，水平方向的枝节只影响TM10模，对TM01模则几乎没有影响，而垂直方向的枝节则对TM01模有影响，对TM10模几乎没有影响。当开关S1导通，同时开关S2断开时，TM01模的电流可以从开关S1通过，谐振频率降低，而TM10模的电流不能通过开关 S2，则谐振频率相对升高。因此，通过控制两个开关的通断状态，可以使TM10模和TM01模的频率不同，其频率的差异主要与枝节的尺寸有关，如果恰当设计二者的频率，在中心频率上，TM10模和TM01模的辐射场幅度相同，相位差90，则可形成圆极化辐射。分析可知：当开关 S1导通，开关S2断开时，形成右旋圆极化；当开关S1断开，开关S2导通时，形成左旋圆极化；当二者均断开时，形成线极化。

如图3a-图3c所示，天线圆极化状态时效果良好，谐振频点为4898MHz,即正常工作于N79频段。在天线结构设计中，为了控制PIN二极管的通断，还需要设计恰当的直流偏置电路，如图1所示，枝节与1/4波长短路线相连作为直流接地，对于射频信号而言，该短路线在与枝节连接位置等效为开路，因此不会干扰射频信号，根据图1二极管导通方向可知，当提供正性电压时S2导通，S1断开；而当提供负性电压时，S2断开，S1导通，通过该简洁设计，即可实现期望的开关切换。以下为S1，S2均断开时天线的工作状态。

如图4a-图4c所示，当S1,S2都处于断开状态时，天线工作于线极化状态，通过比较图3a-图3c与图4a-图4c的数据可以知道，本发明可以通过简单的改变电压源的正负性，实现二极管的通断，继而实现天线极化状态的转换，最终达到防护效果。

如图5所示，天线分别处于圆极化和线极化状态下的天线表面电流分布图，其中（a）表示左旋圆极化表面电流分布图，（b）表示右旋圆极化表面电流分布图，（c）表示线极化表面电流分布图；当S1断开，S2导通时，P2枝节及1/4波长短路线上基本无电流分布，天线为左旋圆极化状态；当S1导通，S2断开时，P1枝节及其1/4波长短路线上基本无电流分布，天线为右旋圆极化状态，当S1，S2均断开时可知电流主要分布于矩形贴片上，此时天线极化状态为线极化；从三幅图中可以看出当极化状态转换为线极化时其表面电流相对于圆极化极大地的降低了。

如图6所示，本发明的另一实施例包括一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，所述防雷方法包括：

在接收到预警信号时，改变受控电压源的输入极性，由天线结构示意图可知，当提供正电压时，S1断开，S2导通，天线工作于左旋圆极化状态；当提供负电压时，S1导通，S2断开，天线工作于右旋圆极化状态，当接收到预警信号时，分别通过与枝节连接的接地导体给两个开关馈电，而此时给连接开关S1的接地导体馈负电，另一个连接S2的接地导体馈正电，则两个开关S1，S2同时断开，天线工作于线极化。改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2同时断开；

天线从正常工作的圆极化状态转换为雷电电磁场主能量难以通过的线极化状态，使得能量无法通过天线耦合到达后端设备，从而达到防雷目的。

进一步地，所述防雷方法还包括：

当没有接收到预警信号时，改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2一个导通，另一个断开，从而使得天线从线极化状态转换为正常工作的圆极化状态。

由天线发射和接收电磁波特性可知，当天线为右旋极化天线时，则只能接收和发射右旋极化的电磁波，反之则只能接收发射左旋极化的电磁波。控制天线实现左旋和右旋极化状态的转换，可以使得天线的应用范围更加的广泛，在实际应用中的功能性更加强大，可以根据实际需求对天线的辐射状态做出改变，从而适应具体的外部环境。

进一步地，所述预警信号的预警条件包括：如果同时满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤和磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤的条件，则发出预警信号。

所述电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤包括：

（1）判断雷电流脉冲信号宽度是否在10-100微秒范围内，如果是，则表示满足信号宽度条件，如果不是，则表示不满足；

（2）判断雷电流脉冲信号频谱能量集中分布是否在0-300KHz范围内，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减，如果是，则表示满足信号频率能量条件，如果不是，则表示不满足；

（3）判断是否至少两次连续出现满足信号宽度条件和信号频率能量条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求。

所述磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤包括：

A、判断磁场脉冲信号的时宽是否不超过1微秒，如果是，则表示满足信号时宽条件，如果不是，则表示不满足；

B、判断是否至少两次连续出现满足信号时宽条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求。

在监测到预警信号之前还需要系统中的信号处理及预警模块针对上行连接先导产生的雷电流及磁天线采集的下行梯级先导产生的磁场脉冲进行滤波去噪处理；

针对电流传感器采集的雷电流脉冲信号进行判断，以及针对磁天线上的磁场脉冲信号进行判断。

本发明的工作原理是：通过改变电压源的正负性，控制PIN二极管的通断，从而改变天线的极化状态，让天线从正常工作的圆极化辐射状态切换到线极化辐射状态，使得雷电电磁场的主能量无法通过与闪电通道失配的天线线极化状态进行能量耦合到达后端设备，从而达到利用天线有效提高通信电子设备防雷可靠性的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种线-圆极化可重构天线，其特征在于：它包括通过PIN二极管S1和S2将调谐枝节P1和P2连接在沿对角线馈电的矩形微带天线的两边；所述PIN二极管S1和S2的偏置状态相反，在通电时，一个PIN二极管导通 ，另一个PIN二极管断开，这会影响天线上TM10模和TM01模的谐振频率，通过调节枝节大小使得TM10模和TM01模两种模式的场幅度相同而相位相差90°，再通过改变两个PIN二极管的通断状态实现天线的左旋、右旋圆极化以及线极化的重构。

2.根据权利要求1所述的一种线-圆极化可重构天线，其特征在于：还包括1/4波长短路线，所述1/4波长短路线与所述调谐枝节P1和P2相连作为直流接地。

3.一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，其特征在于：所述防雷方法包括：

当接收到预警信号时，分别通过与枝节连接的接地导体给两个开关馈电，而此时给连接开关S1的接地导体馈负电，另一个连接S2的接地导体馈正电，则两个开关S1，S2同时断开，天线工作于线极化，改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2同时断开；

天线从正常工作的圆极化状态转换为雷电电磁场主能量难以耦合的线极化状态，使得能量无法通过天线到达后端设备，从而达到防雷目的。

4.根据权利要求3所述的一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，其特征在于：所述防雷方法还包括：

当没有接收到预警信号时，改变受控电压源的输入极性，使得PIN二极管S1和S2一个导通，另一个断开，从而使得天线从线极化状态转换为正常工作的圆极化状态。

5.根据权利要求3所述的一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，其特征在于：所述预警信号的预警条件包括：如果同时满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤和磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤的条件，则发出预警信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，其特征在于：所述电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件判断步骤包括：

（1）判断雷电流脉冲信号宽度是否在10-100微秒范围内，如果是，则表示满足信号宽度条件，如果不是，则表示不满足；

（2）判断雷电流脉冲信号频谱能量集中分布是否在0-300KHz范围内，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减，如果是，则表示满足信号频率能量条件，如果不是，则表示不满足；

（3）判断是否至少两次连续出现满足信号宽度条件和信号频率能量条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足电流传感器采集的雷电流脉冲信号条件的要求。

7.根据权利要求5所述的一种基于线-圆极化可重构天线的防雷方法，其特征在于：所述磁天线上的磁场脉冲信号条件判断步骤包括：

A、判断磁场脉冲信号的时宽是否不超过1微秒，如果是，则表示满足信号时宽条件，如果不是，则表示不满足；

B、判断是否至少两次连续出现满足信号时宽条件的雷电流脉冲信号，如果是，则表示满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求，如果不是，则表示不满足磁天线上的磁场脉冲信号条件的要求。

Images