CN113410632A - 一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法。天线装置包括超宽带天线、圆筒天线罩。超宽带天线位于天线罩的中心，由介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地板组成。天线罩外表面等间距排布若干列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接。天线装置的控制方法：对全部二极管施加负电压，使二极管截止，此时天线装置可进行无线电全向监测；通过控制天线罩表面不同位置的二极管工作状态，实现平面360°波束扫描，用于无线电定向监测与测向。本发明通过天线装置与控制方法的结合，实现全向辐射、快速切换的电可控360°波束扫描以及无线电监测与测向天线装置一体化，可减少无线电测向装置的成本与体积，同时提高测向效率。

Description

一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法。
背景技术
随着无线通信的快速发展，空间中的电磁环境越来越复杂，无线电监测与测向必不可少。
目前，无线电监测与测向采取不同天线设备进行连接，结构较为复杂。
利用比幅法进行无线电测向，可通过人为旋转定向天线改变天线辐射方向，实现方法简单，但旋转天线响应时间长，测向效率低；也可比较相邻天线接收通道上的信号幅度来实现测向,测向效率高，但需要多个接收通道，实现方法较为复杂。
因此，设计一种无线电监测、测向一体化的天线装置成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法。
本发明提出了一种用于无线电监测与测向的天线装置，其特征在于：包括超宽带天线、圆筒天线罩；所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心，由FR4介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地板组成；所述椭圆辐射贴片、微带线和两个接地板均印制在所述介质板的正面，两个接地板位于微带线的两侧；所述位于介质板正面的微带馈线，用于连接所述椭圆辐射贴片和信号线；所述位于带状馈线两侧的接地贴片，用于连接接地线；所述圆筒天线罩外表面一周等间距排布若干列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接；所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料，表面等间距排布的矩形金属贴片列数为3的整数倍。
如图1所示，本发明提出的超宽带天线，包括：FR4介质板1、金属椭圆辐射贴片2、金属微带馈线3、金属接地板4组成；所述金属椭圆辐射贴片、金属微带线和两个金属接地板均印制在所述FR4介质板的正面；所述位于介质板正面的金属微带馈线，从金属椭圆辐射贴片往下延伸到FR4介质板的底端，用来连接所述金属椭圆辐射贴片和信号线；所述的两个金属接地板位于微带线的两侧，形状为矩形，金属接地板底端与FR4介质板底端对齐，金属接地板外侧与FR4介质板外侧对齐，且每个矩形金属接地板远离微带线的上顶点处减去一个小的矩形窗口。通过调节该矩形窗口的尺寸，即矩形窗口的长和宽，可以实现对该超宽带天线单元阻抗的调节，从而获得良好的天线阻抗匹配，实现高辐射效率。
如图2所示，本发明提出的超宽带天线的FR4介质板的宽W＝3/4*λ0，长L＝6/7*λ0，高H＝1/50*λ0；所述金属椭圆辐射贴片的长轴a＝1/3*λ0，短轴b＝1/4*λ0；所述金属微带馈线的宽度W3＝1/10*λ0；所述金属接地板的宽W1＝12/37*λ0，长L1＝1/3*λ0，远离微带线的上顶点所减去的矩形窗口的长W2＝1/18*λ0，宽L2＝1/37*λ0；所述的金属微带线与两侧金属接地板之间的间距S＝1/125*λ0，其中λ0为所设计天线中心频率在自由空间中的波长，其波长计算方法为λ0＝C/f0,C为自由空间中电磁波的传播速度，即3*108m/s，f0为所设计天线的中心频率，通过中央微带馈电线引入馈电电流，金属微带馈电线两侧的接地板接地。
如图3、4、5所示，所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心。
如图6所示，本发明提出的圆筒天线罩，包括：聚酰亚胺柔性介质板5，矩形金属贴6，射频二极管7，所述圆筒天线罩高h＝4*λ0，直径d＝16/5*λ0；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距(1/4*λ0)排布36列金属贴片，每列等间隔(1/18*λ0)排布24个金属贴片，每个金属贴片长1/9*λ0，宽1/37*λ0，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1＝2/15*λ0，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列焊接有23个射频二极管。
本发明还提供了一种天线装置控制方法，应用于所述的天线装置，其特征在于：对于天线罩表面排布的3N列金属贴片，全部施加负电压，使二极管截止，用于无线电全向监测；对于天线罩表面排布的3N列金属贴片，对其中任意相邻的N列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通对剩余相邻的2N列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，实现平面360°波束扫描，用于无线电定向监测与测向。
本发明提出了一种天线装置，实现全向辐射、快速切换的电可控平面360°波束扫描以及无线电监测与测向天线装置一体化，可减少无线电测向装置的成本与体积，同时提高测向效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超宽带天线结构立体视图
图2为本发明实施例提供的超宽带天线结构平面视图
图3为本发明实施例提供的天线整体装置结构立体剖切视图
图4为本发明实施例提供的天线整体装置结构俯视剖切视图
图5为本发明实施例提供的天线整体装置结构侧视剖切视图
图6为本发明实施例提供的天线罩结构图
图7为本发明实施例提供的超宽带天线反射系数S11仿真图
图8为本发明实施例提供的超宽带天线辐射方向图仿真图
图9为本发明实施例提供的天线整体装置反射系数S11仿真图
图10为本发明实施例提供的天线整体装置最高与最低增益对比图
图11为本发明实施例提供的天线整体装置全向波束扫描仿真图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体介绍。
如图1所示，本发明实施例提供的超宽带天线，包括：FR4介质板1、金属椭圆辐射贴片2、金属微带馈线3、金属接地板4组成；所述金属椭圆辐射贴片、金属微带线和两个金属接地板均印制在所述FR4介质板的正面；所述位于介质板正面的金属微带馈线，从金属椭圆辐射贴片往下延伸到FR4介质板的底端，用来连接所述金属椭圆辐射贴片和信号线；所述的两个金属接地板位于微带线的两侧，形状为矩形，金属接地板底端与FR4介质板底端对齐，金属接地板外侧与FR4介质板外侧对齐，且每个矩形金属接地板远离微带线的上顶点处减去一个小的矩形窗口。
如图2所示，本发明实施例中的超宽带天线单元所采用的的参数设置包括：FR4介质板的长度W＝28mm，高L＝32mm，宽H＝0.74mm；所述金属椭圆辐射贴片的长轴2*a＝25.2mm，短轴2*b＝18mm；所述金属微带馈线的宽度W3＝3.5mm；所述金属接地板的宽W1＝11.95mm，长L1＝12.95mm，远离微带线的上顶点所减去的矩形窗口的长W2＝2mm，宽L2＝1mm；所述的金属微带线与两侧金属接地板之间的间距S＝0.3mm，通过中央微带馈电线引入馈电电流，从金属微带馈电线两侧的接地板接地。
如图3、4、5所示，所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心。
如图6所示，本发明实施例中的的圆筒天线罩所采用的的参数设置包括：聚酰亚胺柔性介质板5，矩形金属贴6，射频二极管7，所述圆筒天线罩高h＝152mm，直径d＝120mm；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距(9.46mm)排布36列金属贴片，每列等间隔(2mm)排布24个金属贴片，每个金属贴片长4mm，宽1mm，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1＝5mm，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列焊接有23个射频二极管。
本发明提出的天线装置控制方法：对于天线罩表面排布的36列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置用于无线电全向监测；对其中任意相邻的12列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的24列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时可以在天线罩中心点与给予负电压的24列二极管在天线罩上对应圆弧的中点的连线上得到聚集的波束，方向朝向天线罩外侧。通过给予天线罩表面上的不同位置相邻的12列二极管正电压，使二极管导通，并给予剩余24列二极管负电压，使二极管截止，从而在不同方向获得聚集的波束，实现平面360°波束扫描，用于无线电定向监测与测向。
综上所述，本发明实施例中提供了一种用于无线电监测与测向的天线装置及其控制方法。所述天线装置包括超宽带天线、圆筒天线罩。所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心，由FR4介质板、金属椭圆辐射贴片、金属微带馈线、金属接地板组成。超宽带天线反射系数S11如图7所示，该发明实施例工作频段为3.2GHz-12.6GHz。超宽带天线从3.5GHz到4.5GHz以0.2GHz为步进的H面辐射方向图如图8所示，可见超宽带天线在3.5GHz到4.5GHz有着很好的全向性。所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料。圆筒天线罩外表面一周等间距排布36列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列有24个金属贴片和23个射频二极管。所述天线装置的控制方法：当对于天线罩表面排布的36列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置的反射系数S11如图9所示，该发明实施例可以在3.5GHz-11.8GHz频段上进行无线电全向监测；当对其中任意相邻的12列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的24列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时可以在天线罩中心点与给予负电压的24列二极管在天线罩上对应圆弧的中点的连线上得到聚集的波束，方向朝向天线罩外侧。天线装置在单一方向上得到最大/最小增益的方向图如图10所示，天线装置定向波束的最大增益为10.5dBi，最小增益为9dBi。通过给予天线罩表面上的不同位置相邻的12列二极管正电压，使二极管导通，并给予剩余24列二极管负电压，使二极管截止，从而在不同方向获得聚集的波束，实现在3.5GHz-4.5GHz频段平面360°波束扫描，天线装置360°波束扫描的效果图如图11所示，此天线装置可用于无线电定向监测与测向。本发明的天线装置，实现全向辐射、快速切换的电控平面360°波束扫描以及无线电监测与测向天线装置一体化，可减少无线电测向装置的成本与体积，同时提高测向效率。

Claims (8)

1.一种用于无线电监测与测向的天线装置，其特征在于：包括超宽带天线、圆筒天线罩；所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心，由介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地板组成，所述椭圆辐射贴片、微带线和两个接地板均印制在所述介质板的正面，两个接地板位于微带线的两侧；所述圆筒天线罩外表面一周等间距排布若干列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述椭圆辐射贴片、微带馈线、接地板均为金属材料。
3.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述超宽带天线的介质板由FR4材料构成，所述位于介质板正面的微带馈线，用于连接所述椭圆辐射贴片和馈电接头；所述位于微带馈线两侧的接地贴片，用于连接接头接地引脚和电缆屏蔽层。
4.根据权利要求3所述的超宽带天线，其特征在于：所述的FR4介质板的宽W＝3/4*λ0，长L＝6/7*λ0，高H＝1/50*λ0；所述金属椭圆辐射贴片的长轴a＝1/3*λ0，短轴b＝1/4*λ0；所述金属微带馈线的宽度W3＝1/10*λ0；所述金属接地板的宽W1＝12/37*λ0，长L1＝1/3*λ0，远离微带线的上顶点所减去的矩形窗口的长W2＝1/18*λ0，宽L2＝1/37*λ0；所述的金属微带线与两侧金属接地板之间的间距S＝1/125*λ0，其中λ0为所设计天线中心频率在自由空间中的波长，其波长计算方法为λ0＝C/f0,C为自由空间中电磁波的传播速度，即3*108m/s，f0为所设计天线的中心频率。
5.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料。
6.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述圆筒天线罩表面等间距排布的矩形金属贴片列数为3的整数倍。
7.根据权利要求5所述的圆筒天线罩，其特征在于：所述圆筒天线罩高h＝4*λ0，直径d＝16/5*λ0；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距(1/4*λ0)排布金属贴片，每列等间隔(1/18*λ0)排布多个金属贴片，每个金属贴片长1/9*λ0，宽1/37*λ0，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1＝2/15*λ0，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接。
8.一种天线装置控制方法，应用于如权利要求1所述的天线装置，其特征在于：对于天线罩表面排布的3N列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置用于无线电全向接收；对其中任意相邻的N列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的2N列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时天线装置实现平面360°波束扫描，用于无线电定向监测与测向。
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