CN112310640A - 一种高q天线组件及信号调制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高Q天线组件及信号调制方法，该天线组件包括：高Q天线单元；馈电单元，馈电单元包括用于产生电信号的交流信号源以及用于将电信号馈入高Q天线单元的传输线，交流信号源通过传输线与高Q天线单元相连；旋转平台，高Q天线单元设置于旋转平台上；驱动旋转平台绕自身轴线旋转的旋转驱动单元。本发明采用馈电单元产生电信号后馈入高Q天线组件中，再通过由旋转驱动单元和旋转平台组成的旋转机构使高Q天线旋转，由旋转运动对天线的辐射波进行调制，突破了传统机械旋转天线通过旋转运动对馈入天线的电信号进行调制而受到的带宽和Q值成反比的限制，工作频率不再受到机械转速的限制，可以增大天线的频谱带宽，提高天线的通信性能。

Description

一种高Q天线组件及信号调制方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于旋转调制的高Q天线组件及信号调制方法。
背景技术
天线的输入阻抗中既有电阻分量，又有电抗分量。天线的品质因数(以下简称Q值)等于电抗分量和电阻分量的比值。天线的Q值越高，损耗就越低，天线的能量效率往往也就越高，而且天线的Q值越高，其接收灵敏度也往往越高。目前常见的天线调制装置是对馈入天线的电信号进行调制，它会受到带宽和Q值的反比定律的限制，天线Q值越高时，带宽就越窄，因此高Q天线存在带宽窄的不足，影响了其通信能力。
通过旋转机构对信号进行调制来改善天线的通信性能是一种有效的解决手段。如申请号为201911025042.X和申请号为201910837462.1的中国发明专利申请中公开的机械天线，机械天线在旋转电机的带动下旋转，实现对天线发射电磁波的频率调控。但是以上天线中的旋转物体是静态场源，如永磁体、驻极体和正负电荷载体等，静态场源只有旋转状态下才可以产生电磁波，该电磁波的频率受限于机械转速，因此对通信带宽的提高有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种高Q天线组件，可以解决目前高Q天线辐射信号带宽窄的问题，增强高Q天线的通信能力。
本发明的另一目的是提供一种基于高Q天线组件的信号调制方法。
为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种高Q天线组件，包括：高Q天线单元；馈电单元，所述馈电单元包括用于产生电信号的交流信号源以及用于将电信号馈入所述高Q天线单元的传输线，所述交流信号源通过所述传输线与所述高Q天线单元相连；旋转平台，所述高Q天线单元设置于所述旋转平台上；驱动所述旋转平台绕自身轴线旋转的旋转驱动单元。
更具体的，所述高Q天线单元为单个天线或为天线阵列。
更具体的，所述高Q天线单元的Q值大于等于10。
更具体的，所述旋转驱动单元为伺服电机。
更具体的，所述传输线为同轴线或微带线。
由以上技术方案可知，本发明采用馈电单元产生电信号后馈入高Q天线组件中，使得高Q天线组件自身具有一定频率的谐振电流，从而在静止状态下也可以辐射对应频率的电磁波，其工作频率不受转速约束，再通过由旋转驱动单元和旋转平台组成的旋转机构使高Q天线旋转，旋转的作用是对电磁波信号进行调制，由旋转运动对天线的辐射波进行调制，突破了传统机械旋转天线通过旋转运动对馈入天线的电信号进行调制而受到的带宽和Q值成反比的限制，工作频率不再受到机械转速的限制，可以增大天线的频谱带宽，提高了高Q天线的通信性能。
为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：
基于前述高Q天线组件的信号调制方法，包括以下步骤：
所述馈电单元向所述高Q天线单元馈入谐振电流，所述高Q天线单元向周围空间辐射电磁波；
启动所述旋转驱动单元，所述旋转驱动单元驱动所述旋转平台绕自身轴线旋转，并带动所述高Q天线单元同步旋转，对所述高Q天线单元产生的电磁波信号进行调制；
控制所述高Q天线单元在不同的转速下旋转，使所述高Q天线单元产生与不同转速对应的电磁波信号，不同的转速代表不同的信息码，所述高Q天线单元产生的电磁波携带与转速对应的信息，实现通信。
由以上技术方案可知，本发明方法在进行信号调制时，没有采用现有天线对馈入天线的电信号进行调制的方法，不是对馈入天线的电信号进行调制，而是通过机械旋转对高Q天线的辐射波进行调制，因此带宽可以突破Q值反比限制，本发明采用馈电单元产生电信号后直接馈入高Q天线单元中，使得高Q天线单元自身具有一定频率的谐振电流，从而在静止状态下也可以辐射对应频率的电磁波，再通过由旋转驱动单元和旋转平台组成的旋转机构使高Q天线单元旋转，由旋转运动对天线的辐射波进行调制，工作频率不再受到机械转速的限制，从而提高了天线的通信性能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明另一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明天线旋转过程中的工作原理图；
图4a为未经调制的高Q天线单元的电磁辐射波形示意图；
图4b为以角速度ωm旋转时的高Q天线单元的电磁辐射波形示意图；
图5a为采用本发明方法对高Q天线单元的辐射信号进行二进制调制后的辐射电磁波波形示意图；
图5b为采用本发明方法对高Q天线单元的辐射信号进行三进制调制后的辐射电磁波波形示意图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本实施例的高Q天线组件包括高Q天线单元1、馈电单元2、旋转平台3以及旋转驱动单元4。高Q天线单元1设置于旋转平台3上，旋转平台3由旋转驱动单元4驱动旋转，从而使得设置于旋转平台3上的高Q天线单元1也随着旋转平台3绕旋转平台3的轴线旋转。高Q天线单元1可以是单个天线，也可以是如图2所示的天线阵列。高Q天线单元1的Q值大于等于10。
馈电单元2包括交流信号源2-1以及传输线2-2，交流信号源2-1通过传输线2-2与高Q天线单元1相连，用于向高Q天线单元1馈入电信号，从而使高Q天线单元1产生基础辐射信号。本实施例的旋转驱动单元4采用伺服电机，伺服电机的输出轴通过联轴器与旋转平台3相连，当伺服电机工作时可驱动旋转平台3绕自身轴线旋转。交流信号源2-1用于产生电信号，传输线2-2用于把交流信号源2-1产生的电信号传递给高Q天线单元1，本实施例的传输线2-2可采用同轴线、微带线等，传输线2-2同时还可以起到交流信号源1-1和高Q天线单元之间阻抗匹配的作用。
当旋转平台3旋转时，位于旋转平台3上的高Q天线单元1也处于旋转运动中，如图3所示，该旋转运动等效于对高Q天线单元1产生的基础辐射信号S静(t)施加了一个调制信号m(t)，两个信号调制后得到高Q天线单元1的最终辐射信号S动(t)。
在馈电单元2的馈电作用下，本发明的高Q天线单元1自身有一定频率的谐振电流，因此即使是在静止状态下高Q天线单元1也可以辐射该频率的电磁波，辐射信号即为S静(t)，该信号的增益方向图G静对于任意参考极化方向、任意传播方向都是不随时间变化的常数：
Figure BDA0002693267870000041
式中的
Figure BDA0002693267870000042
和
Figure BDA0002693267870000043
分别为辐射信号的传播方向和参考极化方向的单位矢量。
当高Q天线单元1做旋转运动时，其辐射信号S动(t)的增益方向图G动除了与参考极化方向、传播方向有关以外，还是随时间t变化的函数：
Figure BDA0002693267870000044
和高Q天线单元1的旋转运动等效的调制信号
Figure BDA0002693267870000045
则高Q天线单元1旋转时的辐射信号S动(t)＝S静(t)m(t)。由于旋转过程中，调制信号m(t)对高Q天线单元1的原辐射信号(静止状态下的辐射信号)进行了调制，因此使得高Q天线单元1的最终辐射信号S动(t)的通信带宽相对于S静(t)的带宽有所增大，实现了天线通信性能的提升。
下面结合图4a和图4b对本发明天线信号的调制方法进行说明，该方法包括以下步骤：
步骤一、馈电单元2对高Q天线单元1馈入角频率为ω0谐振电流，高Q天线单元1向周围空间辐射角频率为ω0的电磁波，此时高Q天线单元1处于静止状态，所辐射的电磁波信号为单一频率简谐波，信号的波形如图4a所示；
步骤二、启动旋转驱动单元4，旋转驱动单元驱动旋转平台3绕自身轴线旋转，同时带动旋转平台3上的高Q天线单元1同步旋转，高Q天线单元1(旋转平台3)旋转的瞬时角速度为ωm；在旋转过程中，高Q天线组件1产生的电磁波的辐射方向图也会以角速度ωm进行旋转，对于空间中某一点，电磁波的幅度大小会随着该辐射方向图的旋转而周期性变化，如图4b所示；电磁波信号包络(在图4b中的虚线)的角频率为Nωm，其中，N是大于等于1的整数，此时信号的频谱变为ω0±Nωm；旋转运动等效为对天线单元辐射的电磁波施加了一个线性调制，使通信带宽达到Nωm,由于ωm只取决于机械旋转的转速，不受天线Q值的限制，因此信号调制后的通信带宽也只取决于机械旋转的转速，不受天线Q值的限制，其结果就是对辐射电磁波施加了一个线性调制，使通信带宽达到ωm的整数倍；
步骤三、控制高Q天线单元1的转速，对信号进行调制，使高Q天线单元辐射的电磁波携带不同的信息，实现通信目的；可以通过改变高Q天线单元1的转速，使信号携带不同的信息码，从而实现通信。通过控制机械驱动单元4，使高Q天线单元1(旋转屏条3)在不同的转速下旋转，不同的转速代表不同的信息码，实现通信目的。例如，设定高Q天线单元1的转速为0(静止)时代表0码，转速为ωm1时代表1码，则通过这两种运动状态的切换，可以使天线辐射的电磁波携带二进制信息，如图5a所示；又例如，设定高Q天线单元1的转速为0(静止)时代表0码，转速为ωm1时代表1码，转速为ωm2时代表2码，通过让高Q天线在这三种运动状态之间切换，可以使天线辐射的电磁波携带3进制信息，如图5b所示；以此类推，若令转速0、ωm1、ωm2……ωmN分别代表0、1、2……N码，则高Q天线的辐射波可以携带N+1进制的信息。
本发明的高Q天线组件，利用馈电单元中的交流信号源产生电信号后，馈入高Q天线单元，从而高Q天线本身可以辐射一定频率的电磁波，高Q天线旋转时，旋转运动不是对馈入天线的电信号进行调制，而是对天线的辐射波进行调制，从而可以突破带宽和Q值的反比限制，增强高Q天线的通信能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种高Q天线组件，其特征在于，包括：
高Q天线单元；
馈电单元，所述馈电单元包括用于产生电信号的交流信号源以及用于将电信号馈入所述高Q天线单元的传输线，所述交流信号源通过所述传输线与所述高Q天线单元相连；
旋转平台，所述高Q天线单元设置于所述旋转平台上；
驱动所述旋转平台绕自身轴线旋转的旋转驱动单元。
2.如权利要求1所述的高Q天线组件，其特征在于：所述高Q天线单元为单个天线或为天线阵列。
3.根据权利要求1所述的高Q天线组件，其特征在于：所述高Q天线单元的Q值大于等于10。
4.根据权利要求1所述的高Q天线组件，其特征在于：所述旋转驱动单元为伺服电机。
5.如权利要求1所述的高Q天线组件，其特征在于：所述传输线为同轴线或微带线。
6.基于权利要求1至5任一项所述的高Q天线组件的信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述馈电单元向所述高Q天线单元馈入谐振电流，所述高Q天线单元向周围空间辐射电磁波；
启动所述旋转驱动单元，所述旋转驱动单元驱动所述旋转平台绕自身轴线旋转，并带动所述高Q天线单元同步旋转，对所述高Q天线单元产生的电磁波信号进行调制；
控制所述高Q天线单元在不同的转速下旋转，使所述高Q天线单元产生与不同转速对应的电磁波信号，不同的转速代表不同的信息码，所述高Q天线单元产生的电磁波携带与转速对应的信息，实现通信。
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