CN116979267B - 一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，包括：介质基板、位于介质基板上表面的第一表面结构、位于介质基板下表面的第二表面结构、第一金属过孔和第二金属过孔，其中：所述第一表面结构包括金属地、开关晶体管、基极偏置网络和金属贴片；所述第二表面结构包括辐射贴片、馈电线和直流偏置网络，所述金属贴片与所述金属地和所述辐射贴片共同构成电容耦合区域，在所述开关晶体管的集电极和发射极断开时，将来自外部直流电压源的直流能量以电场的形式存储在电容耦合区域。本发明提出的自振荡有源集成天线，在不需要增加偏置电压或天线单元的情况下，实现了宽频带、大功率的信号输出。本发明可广泛应用于天线系统领域。

Description

一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线

技术领域

本发明涉及天线系统领域，尤其涉及一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线。

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和雷达等应用中。自振荡有源集成天线一般由振荡器和辐射体结合而成。相比独立设计压控振荡器和天线后采用同轴线连接的传统结构，自振荡有源集成天线无需器件中间的连接媒介，实现更紧凑、低损耗和低成本的系统。

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，然而此类方案需采用多个天线单元以增加输出功率，导致该系统存在体积大、成本高的问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有集成天线系统中无法在提高输出功率的同时控制体积和成本的技术问题，本发明提出一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，该天线包括介质基板、位于介质基板上表面的第一表面结构、位于介质基板下表面的第二表面结构、第一金属过孔和第二金属过孔，其中：

所述第一金属过孔和所述第二金属过孔均贯穿所述介质基板、所述第一表面结构和所述第二表面结构；

所述第一表面结构包括金属地、开关晶体管、基极偏置网络和金属贴片，所述开关晶体管的基极与所述基极偏置网络连接，所述开关晶体管的集电极与所述第一金属过孔连接，所述开关晶体管的发射极与所述金属地连接；

所述第二表面结构包括辐射贴片、馈电线和直流偏置网络，所述辐射贴片通过所述馈电线和所述第一金属过孔连接至所述开关晶体管的集电极，所述直流偏置网络的第一端与所述第一金属过孔连接，所述直流偏置网络的第二端通过所述第二金属过孔与所述金属地连接。

其中，所述金属贴片、所述金属地和所述辐射贴片共同构成电容耦合区域，在所述开关晶体管的集电极和发射极断开时，将来自外部直流电压源的直流能量以电场的形式存储在电容耦合区域，大幅度提高充电状态下自振荡有源集成天线的能量存储能力，进而提高辐射状态下的辐射功率。

在一些实施例中，所述基极偏置网络包括蚀刻在金属地中的长方形槽、位于所述长方形槽中的第一金属连接线、电容和第一电阻，其中：

所述第一金属连接线用于连接外部控制信号源和所述开关晶体管的基极；

所述电容串接在所述第一金属连接线中；

所述第一电阻并联在所述第一金属连接线和所述金属地之间。

其中，所述外部控制信号源经由所述基极偏置网络调制所述开关晶体管的工作周期，进而调制目标输出信号的脉冲重复周期。

在一些实施例中，所述直流偏置网络包括正极金属连接线、第二电阻和负极金属连接线，其中：

所述第二电阻串接在所述正极金属连接线和所述馈电线之间；

所述正极金属连接线的第一端通过所述第二电阻与所述第一金属过孔连接；

所述负极金属连接线的第一端与所述第二金属过孔连接；

所述正极金属连接线的第二端和所述负极金属连接线的第二端还连接外部直流电压源。

其中，所述外部直流电压源用于在所述开关晶体管的集电极和发射极断开时为整个天线结构充电。

在一些实施例中，所述宽频带大功率的自振荡有源集成天线的工作过程如下：

初始状态下，所述开关晶体管的集电极和发射极均断开，所述自振荡有源集成天线处于充电状态，所述电容耦合区域经由所述直流偏置网络被充电至高电压，使所述开关晶体管处于临界击穿状态；

当控制信号输出高电平，经由所述基极偏置网络触发所述开关晶体管的集电极和发射极连通，所述自振荡有源集成天线进入辐射状态，所述电容耦合区域之间的电荷形成振荡电流并对外辐射电磁波；

当控制信号输出低电平，使所述开关晶体管断开集电极和发射极，所述电容耦合区域进入充电状态。

其中，所述电容耦合区域进入充电状态后，等待控制信号的下一次触发，进入下一个工作周期，另外，在辐射过程中，电容耦合区域之间的电势差将逐渐降低，输出电压呈衰减趋势。

基于上述方案，本发明提供了一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，通过构建电容耦合区域，大幅度增强自振荡有源集成天线在充电阶段的能量存储能力，进而在辐射阶段实现更大功率的脉冲输出；同时，所设计的电容耦合区域提高了天线的频率带宽，使自振荡有源集成天线能辐射出更宽频带的信号。综上，本发明在不需要增加偏置电压或天线单元的情况下，实现了宽频带、大功率的信号输出。

附图说明

图1是本发明具体实施例一第一表面结构的示意图；

图2是本发明具体实施例一第二表面结构的示意图；

图3是本发明具体实施例一的自振荡有源集成天线与传统的基于偶极子天线的自振荡有源集成天线的归一化辐射功率谱对比示意图。

附图标记：I、介质基板；II、第一表面结构；III、第二表面结构；1、半圆形金属地；2、开关晶体管；3、第一金属过孔；4、第二金属过孔；5、半圆形金属贴片；6、长方形槽；7、第一金属连接线；C _Block、电容；R _Block、第一电阻；8、辐射贴片；9、馈电线；10、正极金属连接线；R _DC、第二电阻；11、负极金属连接线；V _DC、外部直流电压源。

具体实施方式

相比较现有技术中通过选用高击穿电压的开关晶体管以及加载高压偏置的方式提高输出功率，或通过增加天线单元以提高输出功率，本专利首次通过在辐射体上设计电容耦合区域，提高直流能量存储能力，进而在不需要增加偏置电压或天线单元的情况下大幅度提高输出功率。

下面将结合本申请实施例中的附图，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。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，本申请中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。以下术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

另外，本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

参照图1和图2，为本发明提出的宽频带大功率的自振荡有源集成天线的具体实施例一的示意图，该自振荡有源集成天线包括介质基板I、位于介质基板上表面的第一表面结构II、位于介质基板下表面的第二表面结构III、第一金属过孔3和第二金属过孔4，其中：

第一金属过孔3贯穿介质基板I、第一表面结构II和第二表面结构III。

第二金属过孔4贯穿介质基板I、第一表面结构II和第二表面结构III。

所述第一表面结构II包括半圆形金属地1、开关晶体管2、基极偏置网络和半圆形金属贴片5，其中，开关晶体管2的基极与基极偏置网络连接，开关晶体管2的集电极与第一金属过孔3连接，开关晶体管2的发射极与半圆形金属地1连接。

所述第二表面结构包括辐射贴片8、馈电线9和直流偏置网络，其中，辐射贴片8通过馈电线9和第一金属过孔3连接至开关晶体管2的集电极，直流偏置网络的第一端与第一金属过孔3连接，直流偏置网络的第二端通过第二金属过孔4与半圆形金属地1连接。

在本实施例中，半圆形金属贴片5、半圆形金属地1和辐射贴片8共同构成电容耦合区域，在开关晶体管2的集电极和发射极断开时，将来自外部直流电压源V _DC的直流能量以电场的形式存储在电容耦合区域，提高充电状态下自振荡有源集成天线的能量存储能力，进而提高辐射状态下的辐射功率。

需要说明的是，虽然本实施例对金属地、金属贴片和辐射贴片进行了形状的描述，但其形状包括但不限于半圆形和椭圆形，也包括种种等同变形或替换。金属贴片的形状决定了天线的宽频带性能。

所述基极偏置网络包括蚀刻在金属地中的长方形槽6、位于长方形槽6中的第一金属连接线7、电容C _Block和第一电阻R _Block，其中：第一金属连接线7用于连接外部控制信号源和开关晶体管2的基极；电容C _Block串接在第一金属连接线7中；第一电阻R _Block并联在第一金属连接线7和半圆形金属地1之间。

在本实施例中，外部控制信号源经由基极偏置网络调制开关晶体管2的工作周期，进而调制目标输出信号的脉冲重复周期。

需要说明的是，虽然本实施例对蚀刻的槽进行了形状的描述，但其形状包括但不限于长方形，也包括种种等同变形或替换。

所述直流偏置网络包括正极金属连接线10、第二电阻R _DC和负极金属连接线11，其中：第二电阻R _DC串接在正极金属连接线10和馈电线9之间；正极金属连接线10的第一端通过第二电阻R _DC与第一金属过孔3连接；负极金属连接线11的第一端与第二金属过孔4连接；正极金属连接线10的第二端和负极金属连接线11的第二端还连接外部直流电压源V _DC。

本实施例中，外部直流电压源V _DC的连接关系是：外部直流电压源V _DC的正极经由正极金属连接线10、第二电阻R _DC、馈电线9和第一金属过孔3与开关晶体管2的集电极连接；外部直流电压源V _DC的负极经由负极金属连接线11、第二金属过孔4和半圆形金属地1与开关晶体管2的发射极连接。

本实施例中，外部直流电压源V _DC用于在开关晶体管2的集电极和发射极断开时为整个天线结构充电。

具体实施例一的自振荡有源集成天线的工作过程如下：

初始状态下，开关晶体管2的集电极和发射极均断开，自振荡有源集成天线处于充电状态，电容耦合区域经由直流偏置网络被充电至高电压，使开关晶体管2处于临界击穿状态。

当控制信号输出高电平，经由所述基极偏置网络触发开关晶体管2的集电极和发射极连通，自振荡有源集成天线进入辐射状态，电容耦合区域之间的电荷形成振荡电流并对外辐射电磁波。

辐射过程中，电容耦合区域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，使开关晶体管2重新断开集电极和发射极时，电容耦合区域重新进入充电状态，并等待控制信号的下一次触发，进入下一个工作周期。

在一些可行的实施例中，所述开关晶体管2采用工作在击穿状态的雪崩晶体管。

需要说明的是，所述开关晶体管也可以是使用三极管，如2N2369A，所使用的晶体管主要是要能够工作在击穿状态且可恢复、开关速度够快，比如达到ps级，才能工作在百MHz频率以上。

本发明还提供了具体的参数设置实例：

本实例中采用FR4介质基板，其厚度为1.2 mm，介电常数4.6，损耗因数0.02；半圆形金属地1的直径为140 mm；第一金属过孔3的直径为1 mm；第二金属过孔4的直径为1 mm；半圆形金属贴片5的直径为140 mm；长方形槽6的长度为31 mm、宽度为5.2 mm；第一金属连接线7的长度为26.4 mm、宽度为3 mm；辐射贴片8的形状为椭圆形，其长轴为96mm、短轴为48mm；馈电线9的长度为44 mm、宽度为5 mm；正极金属连接线10的长度为10 mm、宽度为5mm；负极金属连接线11的长度为10 mm、宽度为5 mm；电容C _Block = 51 pF；第一电阻R _Block= 10kΩ；第二电阻R _DC = 1 kΩ；外部直流电压源V _DC = 100V。同时，为了便于比较，设计了一个传统的基于偶极子天线的自振荡有源集成天线。在该用于对比的设计中，采用传统偶极子天线代替本发明中提出的由半圆形金属贴片、半圆形金属地和辐射贴片共同构成的电容耦合区域。偶极子天线的两条臂的长度均为135 mm、宽度均为7 mm。

图3所示为本发明的宽频带大功率自振荡有源集成天线和传统的基于偶极子天线的自振荡有源集成天线的归一化辐射功率谱对比图。如图所示，本发明涉及的有源集成天线的最大接收功率比传统设计高约7.2 dB。此外，本发明的有源集成天线的10 dB最大功率衰减范围（0至-10 dB）为420 MHz至790 MHz，而传统设计的10dB最大功率衰减范围（-7.2至-17.2 dB）为410 MHz至490 MHz。综上所述，本发明的自振荡有源集成天线能够有效输出大功率、宽频带的信号。

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 (7)

1.一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，包括介质基板、位于介质基板上表面的第一表面结构、位于介质基板下表面的第二表面结构、第一金属过孔和第二金属过孔，其中：

所述第一金属过孔和所述第二金属过孔均贯穿所述介质基板、所述第一表面结构和所述第二表面结构；

所述第一表面结构包括金属地、开关晶体管、基极偏置网络和金属贴片，所述开关晶体管的基极与所述基极偏置网络连接，所述开关晶体管的集电极与所述第一金属过孔连接，所述开关晶体管的发射极与所述金属地连接；

所述第二表面结构包括辐射贴片、馈电线和直流偏置网络，所述辐射贴片通过所述馈电线和所述第一金属过孔连接至所述开关晶体管的集电极，所述直流偏置网络的第一端与所述第一金属过孔连接，所述直流偏置网络的第二端通过所述第二金属过孔与所述金属地连接；

所述金属贴片、所述金属地和所述辐射贴片共同构成电容耦合区域，在所述开关晶体管的集电极和发射极断开时，将来自外部直流电压源的直流能量以电场的形式存储在电容耦合区域。

2.根据权利要求1所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，所述基极偏置网络包括蚀刻在金属地中的长方形槽、位于所述长方形槽中的第一金属连接线、电容和第一电阻，其中：

所述第一金属连接线用于连接外部控制信号源和所述开关晶体管的基极；

所述电容串接在所述第一金属连接线中；

所述第一电阻并联在所述第一金属连接线和所述金属地之间。

3.根据权利要求1所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，所述直流偏置网络包括正极金属连接线、第二电阻和负极金属连接线，其中：

所述第二电阻串接在所述正极金属连接线和所述馈电线之间；

所述正极金属连接线的第一端通过所述第二电阻与所述第一金属过孔连接；

所述负极金属连接线的第一端与所述第二金属过孔连接；

所述正极金属连接线的第二端和所述负极金属连接线的第二端还连接外部直流电压源。

4.根据权利要求1所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，所述金属地和金属贴片的形状均为半圆形，所述辐射贴片的形状为椭圆形。

5.根据权利要求2所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，所述外部控制信号源经由所述基极偏置网络调制所述开关晶体管的工作周期，进而调制目标输出信号的脉冲重复周期。

6.根据权利要求3所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于：

所述外部直流电压源的正极经由所述正极金属连接线、所述第二电阻、所述馈电线和所述第一金属过孔与所述开关晶体管的集电极连接；

所述外部直流电压源的负极经由所述负极金属连接线、所述第二金属过孔和所述金属地与所述开关晶体管的发射极连接；

所述外部直流电压源用于在所述开关晶体管的集电极和发射极断开时为整个天线结构充电。

7.根据权利要求1所述一种宽频带大功率的自振荡有源集成天线，其特征在于，其工作过程如下：

初始状态下，所述开关晶体管的集电极和发射极均断开，所述自振荡有源集成天线处于充电状态，所述电容耦合区域经由所述直流偏置网络被充电至高电压，使所述开关晶体管处于临界击穿状态；

当控制信号输出高电平，经由所述基极偏置网络触发所述开关晶体管的集电极和发射极连通，所述自振荡有源集成天线进入辐射状态，所述电容耦合区域之间的电荷形成振荡电流并对外辐射电磁波；

当控制信号输出低电平，使所述开关晶体管断开集电极和发射极，所述电容耦合区域进入充电状态。