CN115663484B - 一种小型化自振荡有源集成天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化自振荡有源集成天线系统，由至少一个天线阵列单元构成，所述天线阵列单元包括初始单元和受激触发单元，所述初始单元包括第一介质基板和第一表面结构，所述第一表面结构连接于第一介质基板的表面，所述第一表面结构包括第一船型单极子天线、第一开关晶体管、基极偏置网络和第一直流偏置网络，所述受激触发单元包括第二介质基板和第二表面结构，所述第二表面结构连接于第二介质基板的表面，所述第二表面结构包括第二船型单极子天线、第二开关晶体管、第一电阻和第二直流偏置网络。该系统通过平面船型单极子天线与有源开关电路的融合设计，实现了紧凑的系统结构和输出功率的自由拓展性。本发明可广泛应用于天线系统领域。

Description

一种小型化自振荡有源集成天线系统

技术领域

本发明涉及天线系统领域，尤其涉及一种小型化自振荡有源集成天线系统。

背景技术

自振荡有源集成天线是一种能直接将直流功率振荡辐射到空间中的器件，广泛应用于无线能量传输、雷达等应用中。自振荡有源天线一般由振荡器和辐射体结合而成，其中辐射体包括微带贴片天线、环形天线、偶极子天线、超材料谐振器等。

传统的自振荡有源集成天线的辐射波强度与偏置电压正相关。因而发射电磁波的功率受限于开关器件的耐压值和偏置电压供应。近期的研究中提出了一种功率可拓展的多阶有源集成天线技术，降低了输出功率对直流偏置电压的依赖。然而该方案采用常规的偶极子天线阵列设计，体积较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种小型化自振荡有源集成天线系统，一方面，将相干受激发射理论引入到自振荡有源集成天线系统的设计中，实现多单元辐射波的相干叠加，使系统的输出功率具备可拓展性，克服输出功率对偏置电压和开关器件耐压性的依赖；另一方面，将相干受激发射理论与平面船型单极子天线阵列相结合，并通过克服单元之间在间距减小时带来的耦合效应的影响，实现系统的紧凑化和小型化。

本发明所采用的技术方案是：一种小型化自振荡有源集成天线系统，由至少一个天线阵列单元构成，所述天线阵列单元包括初始单元和受激触发单元：

所述初始单元包括第一介质基板和第一表面结构，所述第一表面结构连接于第一介质基板的表面，所述第一表面结构包括第一船型单极子天线、第一开关晶体管、基极偏置网络和第一直流偏置网络，所述第一开关晶体管的集电极与第一船型单极子天线连接，所述第一开关晶体管的发射极接地，所述第一开关晶体管的基极与基极偏置网络连接，所述直流偏置网络与第一船型单极子天线连接；

所述受激触发单元包括第二介质基板和第二表面结构，所述第二表面结构连接于第二介质基板的表面，所述第二表面结构包括第二船型单极子天线、第二开关晶体管、第一电阻和第二直流偏置，所述第二开关晶体管的集电极与第二船型单极子天线连接，所述第二开关晶体管的发射极接地，所述第二开关晶体管的基极与第一电阻连接，所述第一电阻的第二端与第二船型单极子天线的地相连，所述第二直流偏置网络与第二船型单极子天线连接。

进一步，所述基极偏置网络包括第二电阻、第一电容和第三电阻，所述第二电阻的第一端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端、第三电阻的第一端和第一开关晶体管的基极相连，所述第二电阻的第二端和第三电阻的第二端分别与第一船型单极子天线的地相连。

进一步，所述第一直流偏置网络包括第一直流电压源和第四电阻，所述第一直流电压源与第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端与第一船型单极子天线的臂连接。

进一步，所述第一开关晶体管包括但不限于雪崩晶体管，所述第二开关晶体管包括但不限于雪崩晶体管。

进一步，所述第一开关晶体管用于接收控制信号并控制第一船型单极子天线的臂和地的通断；所述第一直流偏置网络用于在第一开关晶体管的集电极和发射极断开时为第一船型单极子天线充电。

进一步，所述初始单元的工作过程如下：

初始状态下第一开关晶体管的集电极和发射极断开，第一船型单极子天线经由第一直流偏置网络被充电至高电压，第一开关晶体管处于临界击穿状态；

当控制信号输出高电平经由基极偏置网络触发第一开关晶体管使其连通集电极和发射极，第一船型单极子天线的臂和地之间的电荷以天线的频率谐振形成振荡电流并对外辐射电磁波；

辐射过程，第一船型单极子天线的臂和地之间的电势差逐渐降低，输出电压呈衰减趋势；

当控制信号输出低电平使第一开关晶体管断开集电极和发射极时，第一船型单极子天线进入充电状态，并等待控制信号的下一次触发，进入下一个工作周期。

进一步，提高第一直流电压源至大于第一开关晶体管的击穿电压，实现第一开关晶体管的周期性闭合和断开，周期性产生振荡电流并发射电磁波。

进一步，所述受激触发单元的工作过程如下：

初始状态下第二开关晶体管的集电极和发射极断开，第二船型单极子天线经由第二直流偏置网络被充电至高电压，第二开关晶体管处于临界击穿状态。

接收到初始单元辐射出的电磁波，第二船型单极子天线的臂上的电势升高，第二开关晶体管被击穿短路，触发第二船型单极子天线产生振荡电流并发射与入射波同相位的电磁波；

两个辐射波同相叠加，实现相干受激发射，并继续辐射至后方的受激触发单元中。

本发明系统的有益效果是：本发明提出受激触发单元结构并将其引入到自振荡有源集成天线系统中，由于该结构具备有效克服多单元的辐射波相位差的优越特性，可实现各单元辐射波的同相叠加；同时本专利提出的自振荡有源集成天线系统中各单元具备物理上的独立性，可根据需要增减受激触发单元的数量，具备极高的阵列可拓展性和输出功率提升自由度，解决了现有的自振荡有源天线技术中输出功率对直流偏置电压的依赖问题；首次在单极子天线阵列上实现相干受激发射理论，并且通过船型结构设计减小单元间的耦合效应，以及通过本结构特有的基于偏置电压控制以克服耦合电压对辐射特性影响的方法，有效减小单元间距，进而实现小型化的自振荡有源集成天线系统。

附图说明

图1是本发明一种小型化自振荡有源集成天线系统所采用结构的示意图；

图2是本发明具体实施例初始单元的控制信号和输出信号的关系示意图；

图3是本发明具体实施例一阶（不包含受激触发单元2）和二阶（包含受激触发单元2）自振荡有源集成天线系统在阵列排布方向上的辐射波示意图；

图4是本发明具体实施例不同单元间距的二阶自振荡有源集成天线系统输出电压；

附图标记：10、第一船型单极子天线；11、第一开关晶体管； R _B3、第一电阻； R _B1、第二电阻； C _Block、第一电容； R _B2、第三电阻； V _DC1、第一直流电压源； R _C1、第四电阻；20、第二船型单极子天线；21、第二开关晶体管； V _DC2、第二直流电压源； R _C2、第五电阻；12、第一连接线；13、第二连接线；14、第三连接线；23、第四连接线；24、第五连接线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种小型化自振荡有源集成天线系统，由至少一个天线阵列单元构成，所述天线阵列单元包括一个初始单元1和N个受激触发单元：

所述初始单元1包括第一介质基板和第一表面结构，所述第一表面结构为第一介质基板表面的金属天线结构和有源电路，所述第一表面结构包括含作为辐射体的第一船型单极子天线10、第一开关晶体管11、基极偏置网络和第一直流偏置网络；所述第一船型单极子天线10是一个平面单极子天线，通过金属地切角减小与受激触发单元2之间的耦合效应，有利于实现更加紧凑的单元间距以减小系统尺寸。所述第一开关晶体管11的集电极C和发射极E分别和第一船型单极子天线10的臂和地连接，用以控制天线臂和地的通断；所述第一开关晶体管11的基极B与基极偏置网络连接，用以接收控制信号；所述基极偏置网络由第一连接线12、第二电阻 R _B1、第一电容 C _Block、第三电阻 R _B2和第二连接线13构成；所述直流偏置网络由第一直流电压源 V _DC1、第三连接线14和第四电阻 R _C1构成，且该直流偏置网络经由第一船型单极子天线10的臂与第一开关晶体管11的集电极C连接，用以在第一开关晶体管11的集电极C和发射极E断开时为第一船型单极子天线10充电。

所述初始单元1对外辐射的电磁波频率由第一船型单极子天线10决定；所述单个单元的电磁波功率大小由第一直流电压源 V _DC1决定；所述第一开关晶体管11包括但不限于工作在击穿状态的雪崩晶体管。

所述受激触发单元包括第二介质基板和第二表面结构，所述第二表面结构为第二介质基板表面的金属天线结构和有源电路，所述第二表面结构包括作为辐射体的第二船型单极子天线20、第二开关晶体管21、第一电阻 R _B3和第二直流偏置网络，所述第二船型单极子天线20是一个平面单极子天线，通过金属地切角减小与其它单元之间的耦合效应，进而实现更加紧凑的系统结构；所述第二开关晶体管21的集电极C和发射极E分别和第二船型单极子天线20的臂和地连接，通过第二船型单极子天线20接收入射电磁波，进而影响集电极C和发射极E上的电势差，从而控制通断；所述第二开关晶体管21的基极B经由第四连接线23和第一电阻 R _B3接地，防止电流流经基极B造成能量损耗；所述第二直流偏置网络由第二直流电压源 V _DC2、第五连接线24和第五电阻 R _C2构成，且第二直流偏置网络经由第二船型单极子天线20的臂与第二开关晶体管21的集电极C连接，用以在第二开关晶体管21的集电极C和发射极E断开时为第二船型单极子天线20充电。

所述受激触发单元2对外辐射的电磁波频率由船型单极子天线决定；所述单个单元的电磁波功率大小由直流电压源决定；所述晶体管包括但不限于雪崩晶体管；所述受激触发单元N的结构与受激触发单元2相同，且每个单元具有物理上的独立性，可在应用时根据需要增加单元数量，大幅度提高系统输出功率，具备极强的可拓展性；所述受激触发单元2、3 … N的结构和工作机理完全相同。

所述辐射体包括但不限于平面船型单极子天线10和20，也包括其它单极子天线形态。

另外，初始单元1的工作过程为：初始状态下第一开关晶体管11的集电极C和发射极E断开，第一船型单极子天线10经由第一直流偏置网络被充电至高电压，使第一开关晶体管11处于临界击穿状态。当控制信号输出高电平经由基极偏置网络触发第一开关晶体管11使其连通集电极C和发射极E时，第一船型单极子天线10的臂和地之间的电荷以天线的频率谐振形成振荡电流并对外辐射电磁波。辐射过程中，第一船型单极子天线10的臂和地之间的电势差将逐渐降低，输出电压呈衰减趋势。当控制信号输出低电平使第一开关晶体管11断开集电极C和发射极E时，第一船型单极子天线10重新进入充电状态，并等待控制信号的下一次触发，进入下一个工作周期。

另外，控制信号并非不可或缺，通过提高第一直流电压源 V _DC1使其大于第一开关晶体管11的击穿电压，同样可实现第一开关晶体管11的周期性闭合和断开，从而周期性地产生振荡电流并发射电磁波

受激触发单元2的工作过程为：初始状态下第二开关晶体管21的集电极C和发射极E断开，第二船型单极子天线20经由第二直流偏置网络被充电至高电压，使第二开关晶体管21处于临界击穿状态。初始单元1辐射出的电磁波将入射到受激触发单元2，引起第二船型单极子天线20的臂上的电势升高，导致第二开关晶体管21被击穿短路，触发第二船型单极子天线20产生振荡电流并发射与入射波同相位的电磁波。两个辐射波同相叠加，实现相干受激发射，并继续辐射到后面的受激触发单元中。通过这种方式，辐射波的功率呈滚雪球式不断叠加，实现功率可拓展的自振荡有源集成天线系统。

所述自振荡有源集成天线系统的输出功率由偏置电压和有源天线阵列的单元数共同决定。本发明具备紧凑的系统结构，系统单元间距过小产生的耦合不仅可以通过船型结构设计减小，还能通过对直流偏置电压VDC的控制克服耦合电压的影响，从而实现小型化的自振荡有源集成天线系统。

以一个二阶的自振荡有源集成天线系统为实例，采用FR4介质基板，其厚度为0.8mm，介电常数4.4，损耗因数0.02。所设计平面船型单极子天线10和20工作在500 MHz；直流电压源 V _DC1和 V _DC2为100V；串联电容 C _Block为51 pF；并联电阻 R _B1、 R _B2和 R _B3分别为 39 Ω、9.1kΩ、9.1 kΩ；串联电阻 R _C1和 R _C2均为1 MΩ。

图2所示为初始单元1的辐射波和控制信号之间关系。从图中可见，初始单元1的工作周期及其对应的辐射波重复率由控制信号决定。

图3所示为一阶（不包含受激触发单元2）和二阶（包含受激触发单元2）自振荡有源集成天线系统在阵列排布方向上的辐射波。从图中可见，二阶系统的辐射波的主峰值电压为51V，约为一阶系统辐射波的主峰值电压36V的倍，功率几乎是其2倍，实现了受激触发单元2和初始单元1辐射波的同相叠加，克服了空间距离带来的相位差。因此，通过增加受激触发单元2的单元数量，可以自由地拓展输出功率。

图4所示为不同单元间距下的系统输出电压。定义阈值电压 V _TH= V _BR2 –  V _DC2，其中 V _BR2为第二开关晶体管21的击穿电压。当单元间距 d从λ/2减小到λ/4时（λ为波长），耦合电压仍小于 V _TH，不足以提前0触发单元2，因此单元2由单元1的辐射波触发，实现相干受激发射，辐射波几乎同相叠加并提升输出功率。当单元间距 d减小到λ/8时，耦合电压已经足以在单元1辐射波到达单元2之前先行触发单元2，导致单元2辐射波与单元1辐射波产生相位差，相干受激发射机理失效。为了解决上述问题，如图中所示，通过减小直流电压源偏置电压 V _DC2可将 V _TH提高到5V，此时系统输出电压与单元间距为λ/2和λ/4时的输出电压几乎相同，即本专利提出的自振荡有源集成天线系统可通过减小直流偏置电压的方式克服耦合电压的影响，实现紧凑的系统结构。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，由至少一个天线阵列单元构成，所述天线阵列单元包括初始单元和受激触发单元：

所述初始单元包括第一介质基板和第一表面结构，所述第一表面结构连接于第一介质基板的表面，所述第一表面结构包括第一船型单极子天线、第一开关晶体管、基极偏置网络和第一直流偏置网络，所述第一开关晶体管的集电极与第一船型单极子天线的臂连接，所述第一开关晶体管的发射极接第一船型单极子天线的地，所述第一开关晶体管的基极与基极偏置网络连接，所述第一直流偏置网络与第一船型单极子天线的臂连接；

所述受激触发单元包括第二介质基板和第二表面结构，所述第二表面结构连接于第二介质基板的表面，所述第二表面结构包括第二船型单极子天线、第二开关晶体管、第一电阻和第二直流偏置网络，所述第二开关晶体管的集电极与第二船型单极子天线的臂连接，所述第二开关晶体管的发射极接第二船型单极子天线的地，所述第二开关晶体管的基极与第一电阻连接，所述第一电阻的第二端与第二船型单极子天线的地相连，所述第二直流偏置网络与第二船型单极子天线的臂连接；

所述第一船型单极子天线的地和第二船型单极子天线的地都具有切角；

所述自振荡有源集成天线系统通过减小直流偏置电压的方式克服耦合电压的影响。

2.根据权利要求1所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，所述基极偏置网络包括第二电阻、第一电容和第三电阻，所述第二电阻的第一端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端、第三电阻的第一端和第一开关晶体管的基极相连，所述第二电阻的第二端和第三电阻的第二端分别与第一船型单极子天线的地相连。

3.根据权利要求2所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，所述第一直流偏置网络包括第一直流电压源和第四电阻，所述第一直流电压源与第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端与第一船型单极子天线的臂连接。

4.根据权利要求3所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，所述第一开关晶体管包括雪崩晶体管，所述第二开关晶体管包括雪崩晶体管。

5.根据权利要求3所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于：

所述第一开关晶体管用于接收控制信号并控制第一船型单极子天线的臂和地的通断；

所述第一直流偏置网络用于在第一开关晶体管的集电极和发射极断开时为第一船型单极子天线充电。

6.根据权利要求3所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，所述初始单元的工作过程如下：

初始状态下第一开关晶体管的集电极和发射极断开，第一船型单极子天线经由第一直流偏置网络被充电至高电压，第一开关晶体管处于临界击穿状态；

当控制信号输出高电平经由基极偏置网络触发第一开关晶体管使其连通集电极和发射极，第一船型单极子天线的臂和地之间的电荷以天线的频率谐振形成振荡电流并对外辐射电磁波；

辐射过程，第一船型单极子天线的臂和地之间的电势差逐渐降低，输出电压呈衰减趋势；

当控制信号输出低电平使第一开关晶体管断开集电极和发射极时，第一船型单极子天线进入充电状态，并等待控制信号的下一次触发，进入下一个工作周期。

7.根据权利要求6所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，提高第一直流电压源至大于第一开关晶体管的击穿电压，实现第一开关晶体管的周期性闭合和断开，周期性产生振荡电流并发射电磁波。

8.根据权利要求3所述一种小型化自振荡有源集成天线系统，其特征在于，所述受激触发单元的工作过程如下：

初始状态下第二开关晶体管的集电极和发射极断开，第二船型单极子天线经由第二直流偏置网络被充电至高电压，第二开关晶体管处于临界击穿状态；

接收到初始单元辐射出的电磁波，第二船型单极子天线的臂上的电势升高，第二开关晶体管被击穿短路，触发第二船型单极子天线产生振荡电流并发射与入射波同相位的电磁波；

两个辐射波同相叠加，实现相干受激发射，并继续辐射至后方的受激触发单元中。

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