CN113851823B - 一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，包括天线、电/光转换单元和光/电转换单元，天线为半球形单极子辐射天线；半球形单极子辐射天线和半球形金属壳通过圆形金属板组合成完整球体；圆形金属板与半球形金属壳电连接；半球形单极子辐射天线与圆形金属板间设有使半球形单极子辐射天线与圆形金属板间彼此绝缘的绝缘支撑；刚性同轴馈电电缆一端连接光/电转换单元，另一端连接至半球形单极子辐射天线顶部。采用该结构时，馈电信号为简单的单端信号，避免了球形偶极子天线采用差分信号馈电而导致的电路系统复杂的问题；同时，输入阻抗较球形偶极子天线也易于准确测量，避免了球形偶极子天线因输入阻抗测量不准而导致的阻抗匹配不佳、辐射效率较低的问题。

Description

一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统

技术领域

本发明涉及有源辐射天线，具体涉及一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统。

背景技术

随着科学技术的发展，电子设备开始往小型化的方向发展，各设备、单元的机箱体积也越来越小，这对屏蔽体屏蔽效能测试用辐射源提出了严格的要求。

目前，现有的小型辐射源主要有梳形信号发生器和球形偶极子天线两种。

梳形信号发生器采用内部晶振作为信号源，频率间隔固定且不可调整，无法在宽频带内满足标准中最小测试频率间隔的要求；

球形偶极子天线的馈电信号为差分信号，在电路功能上设计单端信号转差分信号电路，增加了电路设计的复杂程度；另一方面，受结构限制，球形偶极子天线需要采用两根柔性导线馈电，导致天线与馈电结构的输入阻抗无法准确测量，阻抗匹配网络无法准确设计，进而造成天线效率低、稳定性不够好的技术缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统。

本发明的技术方案：本发明所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，

包括天线、电/光转换单元和光/电转换单元，所述天线为半球形单极子辐射天线；所述半球形单极子辐射天线下端设有半球形金属壳；所述半球形单极子辐射天线和半球形金属壳通过圆形金属板组合成完整球体；所述圆形金属板与半球形金属壳电连接；所述半球形单极子辐射天线和半球形金属壳通过圆形金属板组合成完整球体；所述圆形金属板与半球形金属壳电连接；

所述半球形单极子辐射天线与圆形金属板间设有使所述半球形单极子辐射天线与圆形金属板间彼此绝缘的绝缘支撑；

刚性同轴馈电电缆一端连接光/电转换单元，另一端连接至半球形单极子辐射天线顶部。

进一步的，所述刚性同轴馈电电缆一端为SMA接头，安装在所述圆形金属板的中间位置；所述刚性同轴馈电电缆的另一端于末端将屏蔽层剥离，并将芯线连接至半球形单极子辐射天线顶部。

进一步的，所述电/光转换单元包括第一长方体金属壳体、第一同轴接口、光纤连接器、第一印刷电路板、PIN电源接口、第二印刷电路板以及开关电源电源线；

所述光/电转换单元包括第二长方体金属壳体、PIN光电二极管、第三印刷电路板以及第二同轴接头；所述电/光转换单元和光/电转换单元间通过光纤连通。

进一步的，所述半球形金属壳底部设有光纤连接器，所述光/电转换单元的PIN光电二极管尾纤通过所述光纤连接器以及光纤与所述电/光转换单元连接。

进一步的，所述第一印刷电路板上包含第一射频放大电路、调制电路、第一阻抗匹配电路、恒流源电路以及DFB激光器；

所述第二印刷电路板上包含开关电源模块；

所述第三印刷电路板上包含PIN光电二极管、第二射频放大电路、稳压电路和第二阻抗匹配电路；

进一步的，所述恒流源电路为DFB激光器提供稳定的工作电流，第一射频放大电路将外部输入的射频信号放大，并通过调制电路调制于工作电流上，第一阻抗匹配电路位于调制电路与DFB激光器之间，以减小射频信号的反射。

进一步的，所述光/电转换单元与刚性同轴馈电电缆之间通过柔性同轴电缆连接。

进一步的，所述圆形金属板上设有电池，所述电池为环状结构，所述刚性同轴馈电电缆沿所述电池的环状中心穿过所述电池。

电池、刚性同轴馈电电缆置于上半球空间，即半球形单极子辐射天线与圆形金属板之间，光/电转换单元置于下半球空间，即半球形金属壳与圆形金属板之间；刚性同轴馈电电缆一端接SMA接头，并通过法兰安装于圆形金属板中间；另一端于末端将屏蔽层剥离，并将芯线连接至半球形单极子辐射天线顶部，此时，半球形单极子辐射天线的输入阻抗可利用矢量网络分析仪直接准确测得，解决了球形偶极子天线利用两根柔性导线作为馈电结构导致的输入阻抗难以测量的问题；

采用该结构时，馈电信号为简单的单端信号，避免了球形偶极子天线采用差分信号馈电而导致的电路系统复杂的问题；

采用该结构时，半球形金属壳体的尺寸可根据容纳光/电转换单元所需的空间灵活调整，不必与半球形单极子辐射天线尺寸保持一致；

所述圆形金属板和半球形金属壳体以及系统的“地”电连接，并为半球形单极子辐射天线提供完整的“地平面”，根据镜像原理与天线理论，此时天线系统的方向图与偶极子天线相同，呈全向特征；因此，本发明结构的半球形单极子作为辐射天线可以取得与球形偶极子天线相同的辐射效果。

附图说明

图1为本发明球形单极子辐射天线系统的主视示意图；

图2为本发明图1的A-A剖视示意图；

图3为本发明图1的B-B剖视示意图；

图4为本发明球形单极子辐射天线系统光/电转换单元的剖视示意图；

图5为本发明第一印制电路板的电路与连接框图；

图6为本发明第三印制电路板的电路与连接框图。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1-6所示，电/光转换单元，由第一长方体金属壳体5、第一同轴接口7、光纤连接器8、第一印刷电路板9、2PIN电源接口11、第二印刷电路板12以及开关电源电源线13等组成；

光/电转换单元，由第二长方体金属壳体17、PIN光电二极管（含尾纤）19、第三印刷电路板20以及第二同轴接头21等组成；

光纤4，用于连接电/光转换单元和光/电转换单元；

半球形单极子辐射天线1和半球形金属壳3构成一完整的球体，两者通过圆形金属板16和绝缘支撑2连接，此时半球形金属壳3和圆形金属板16为半球形单极子辐射天线1提供“地”平面，使其可以作为辐射天线正常工作；

第一印刷电路板9上包含第一射频放大电路、调制电路、第一阻抗匹配电路、恒流源电路以及DFB激光器10；

第二印刷电路板12上包含开关电源模块；

第三印刷电路板20上包含PIN光电二极管（含尾纤）19、第二射频放大电路、稳压电路和第二阻抗匹配电路；

圆形金属板16与半球形金属壳3电连接，绝缘支撑2为圆环状，位于半球形单极子辐射天线1与圆形金属板16之间，使半球形单极子辐射天线1与圆形金属板16之间彼此绝缘；

圆形金属板16将球体内空间分割为上下两个半球部分；

电池15、刚性同轴馈电电缆14置于上半球空间（半球形单极子辐射天线1与圆形金属板16之间）内；

光/电转换单元置于下半球空间（半球形金属壳3与圆形金属板之16间）内；

半球形金属壳3底部设有光纤连接器18，PIN光电二极管尾纤19通过该连接器与光纤4连接；

刚性同轴馈电电缆14一端为SMA接头，安装在圆形金属板16的中间位置；刚性同轴馈电电缆14的另一端于末端将屏蔽层剥离，并将芯线连接至半球形单极子辐射天线顶部；此时，半球形单极子辐射天线的输入阻抗可利用矢量网络分析仪直接准确测得，解决了球形偶极子天线利用两根柔性导线作为馈电结构导致的输入阻抗难以测量的问题。

并且采用该结构时，馈电信号为简单的单端信号，避免了球形偶极子天线采用差分信号馈电而导致的电路系统复杂的问题；

圆形金属板和半球形金属壳体以及系统的“地”电连接，并为半球形单极子辐射天线提供完整的“地平面”。根据镜像原理与天线理论，此时天线系统的方向图与偶极子天线相同，呈全向特征。因此，本发明结构的半球形单极子作为辐射天线可以取得与球形偶极子天线相同的辐射效果；

光/电转换单元通过第二同轴接头8输出电信号，并与刚性同轴馈电电缆14通过一柔性同轴电缆连接；

圆形金属板16上设有圆形通孔，电池15通过该通孔给光/电转换单元供电。

半球形金属壳尺寸形状无需与半球形单极子辐射天线相同，可根据容纳光/电转换单元的需要进行调节，且不会影响系统性能。解决了球形偶极子天线上下球形壳体尺寸必须严格相同，电路、电池必须严格限制体积以达到装载条件的缺点；

第一阻抗匹配电路根据DFB激光器的阻抗确定并设计；

第二阻抗匹配网络需要根据刚性同轴馈电电缆14以及半球形单极子辐射天线的输入阻抗设计，用于减小天线反射，提高天线效率；

刚性同轴馈电电缆14电/光转换模块通过220V，50Hz市电供电，开关电源将市电转化为直流5V电压给各电路供电；

DFB激光器、恒流源电路、射频放大电路、调制电路以及阻抗匹配电路集成在第一印刷电路板上，开关电源集成在第二印刷电路板上，两块电路板通过2PIN接口电连接；

恒流源电路为DFB激光器提供稳定的工作电流，射频放大电路将外部输入的射频信号放大，并通过调制电路调制于工作电流上，第一阻抗匹配电路位于调制电路与DFB激光器之间，以减小射频信号的反射；

PIN光电二极管将光信号转化为电信号后，该信号经第二射频放大电路放大，然后馈入刚性同轴馈电电缆14。其中，第二射频放大电路具有低噪声、高增益、输出功率大等特征，且不限于放大级数；

球形单极子天线系统采用商用射频信号发生器作为信号源给电/光转换单元馈电，信号频率任意可调，解决了梳形信号发生器频率间隔且不可调的问题。

本发明的原理如下：

外部射频信号发生器通过第一同轴接头8给电/光转换单元馈电，馈入的电信号经过第一射频放大电路、调制电路以及第一阻抗匹配电路进入DFB激光器10，产生的光信号经光纤4进入到光/电转换单元内。

在PIN光电二极管19的作用下，光信号被还原为电信号，并经过第二射频放大电路和第二阻抗匹配电路，通过第二同轴接头21以及一段柔性同轴线缆馈入刚性同轴馈电电缆14内。最后电信号经刚性同轴馈电电缆14馈入到半球形单极子辐射天线1顶部，辐射至自由空间。

由于半球形单极子辐射天线1与圆形金属板16之间设有绝缘支撑2，且圆形金属板16为半球形单极子辐射天线1提供完整的“地”平面，根据镜像原理和天线理论可知，天线辐射的方向图呈全向特征，适合作为屏蔽效能测试用的辐射源。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1.尺寸小，球形单极子天线部分最大方向尺寸仅为100mm；2.动态范围大，30~230MHz、230MHz~1GHz、1~3GHz 三个频段内分别具有不低于60、55和45dB的动态范围；3.在设计频段内系统可连续扫频，无最小频率间隔限制4.馈电结构简单可靠，天线输入阻抗可直接测量，易于阻抗匹配，因此系统更加稳定；5.光/电转换单元电路结构简单，体积小，易于集成在球形壳体内部。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，包括天线、电/光转换单元和光/电转换单元，其特征在于：所述天线为半球形单极子辐射天线（1）；所述半球形单极子辐射天线（1）下端设有半球形金属壳（3）；所述半球形单极子辐射天线（1）和半球形金属壳（3）通过圆形金属板（16）组合成完整球体；所述圆形金属板（16）与半球形金属壳（3）电连接；

所述半球形单极子辐射天线（1）与圆形金属板（16）间设有使所述半球形单极子辐射天线（1）与圆形金属板（16）间彼此绝缘的绝缘支撑（2）；

刚性同轴馈电电缆（14）一端连接光/电转换单元，另一端连接至半球形单极子辐射天线（1）顶部；

所述光/电转换单元设置在半球形金属壳（3）与圆形金属板（16）之间，所述电/光转换单元包括第一长方体金属壳体（5）、第一同轴接口（7）、光纤连接器（8）、第一印刷电路板（9）、2PIN电源接口（11）、第二印刷电路板（12）以及开关电源电源线（13）；

所述光/电转换单元包括第二长方体金属壳体（17）、PIN光电二极管（19）、第三印刷电路板（20）以及第二同轴接头（21）；所述电/光转换单元和光/电转换单元间通过光纤（4）连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：

所述刚性同轴馈电电缆（14）一端为SMA接头，安装在所述圆形金属板（16）的中间位置；所述刚性同轴馈电电缆（14）的另一端于末端将屏蔽层剥离，并将芯线连接至半球形单极子辐射天线顶部。

3.根据权利要求2所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：所述半球形金属壳（3）底部设有光纤连接器（18），所述光/电转换单元的PIN光电二极管（19）尾纤通过所述光纤连接器（18）以及光纤（4）与所述电/光转换单元连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：

所述第一印刷电路板（9）上包含第一射频放大电路、调制电路、第一阻抗匹配电路、恒流源电路以及DFB激光器（10）；

所述第二印刷电路板（12）上包含开关电源模块；

所述第三印刷电路板（20）上包含PIN光电二极管（19）、第二射频放大电路、稳压电路和第二阻抗匹配电路。

5.根据权利要求4所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：所述恒流源电路为DFB激光器提供稳定的工作电流，第一射频放大电路将外部输入的射频信号放大，并通过调制电路调制于工作电流上，第一阻抗匹配电路位于调制电路与DFB激光器之间，以减小射频信号的反射。

6.根据权利要求1所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：所述光/电转换单元与刚性同轴馈电电缆（14）之间通过柔性同轴电缆连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于光电转换的球形单极子辐射天线系统，其特征在于：所述圆形金属板（16）上设有电池（15），所述电池（15）为环状结构，所述刚性同轴馈电电缆（14）沿所述电池（15）的环状中心穿过所述电池（15）。