CN203574102U - 一种光控的极化可重构的gps接收天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于一种天线，具体公开一种光控的极化可重构的GPS接收天线。该天线包括介质层、位于介质层一侧的主辐射单元、位于一侧的副辐射单元和位于介质层另一侧的底板金属、位于主辐射单元与副辐射单元之间的光导开关、以及用于向光导开关发射出光波束的激励光源。本实用新型的天线极化方式能够根据需要进行改变，从而接收不同极化方式的电磁波信号，进而提高天线的接收性能，增强定位准确性；能够效避免电磁干扰，增大动态范围，具有反应速度快、插入损耗小，结构简单，安装灵活等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于一种天线，具体涉及一种光控的极化可重构的GPS接收天线。
背景技术
天线的极化方式是指天线辐射的电磁波的极化方式，通常可分为线极化和圆极化两种方式。接收天线的极化方式应与入射电磁波的极化方式相一致（称为极化匹配），以获得最大的接受能力。否则就称为极化失配，接收天线则无法接收到最大的信号。
极化可重构天线是指天线的极化方式可根据不同的应用情况进行变化，如，从线极化方式变化为圆极化方式，或是从右手圆极化方式变化为左手圆极化方式。天线极化方式的多样性可有效的抑制由于多径效应产生的信号衰落，提高天线的接收性能。传统的GPS接收天线在室内等多反射环境下经常产生无法定位或定位不准的情况，这是因为卫星发射的右旋圆极化波在经过室内复杂环境的多次反射后，会有很大一部分右旋圆极化波变化为左旋圆极化波，传统的右旋圆极化方式的接收天线无法接收到左旋圆极化波，因此，仅有一部分信号被接收天线接收到并用于定位，这就会造成定位不准。如果接收天线既可以接收右旋圆极化波也可以接收左旋圆极化波，并按一定方式将两种极化的电磁波加权组合在一起，可以大大提高GPS接收天线在多反射环境下的接收性能，使定位更加准确。
现有技术中用于实现可重构天线的方式主要有三种：1）有源器件：如PIN二极管等。通过外加不同的直流电压偏置，有源器件的工作状态可以在导通和阻断间相互转换。将有源器件嵌入到天线的辐射单元中，就可对辐射单元的结构、尺寸等进行修改，达到重构天线性能的目的。但有源器件需要外加直流电压偏置以改变其工作状态，因此需将偏置线与辐射单元连接在一起，而这些偏置线将严重干扰天线的辐射性能。2）微机电系统：与有源器件的工作方式类似，微机电系统也是通过外加直流电压偏置改变其工作状态（导通或阻断），因此其偏置线也会不可避免的产生对天线辐射性能的干扰。3）特殊材料：一些特殊的电磁材料，如铁氧体、液晶等，在外加强电场或者强磁场的作用下，其相对介电常数或者磁导率会产生变化，用这些材料做成天线的衬底，其变化的介电常数或磁导率就会引起天线辐射性能的变化。但这些特殊材料的变化范围通常很小，难以对天线的性能产生明显的改变。
光控技术是通过将特定的光源直接作用在高纯度半导体上，从而改变半导体的导通性能，实现半导体在导通与阻断两状态间的转换。与上述三种技术相比，光控技术有着明显的优势：不需要偏置线，因此不会产生电磁干扰；反应速度很快，一般为纳秒级；插入损耗小；动态范围大；体积小；质量轻；结构简单；安装灵活。因此，本实用新型针对现有单一极化天线的限制，通过光控技术实现极化可重构的GPS接收天线。
发明内容
针对现有技术中GPS接收天线的极化方式单一、在室内等多反射环境下的接收性能较差，会造成无法定位或定位不准确，以及电磁干扰大，动态范围小等的技术问题，本实用新型提供一种光控的极化可重构的GPS接收天线，该天线极化方式能够根据需要进行改变，从而接收不同极化方式的电磁波信号，进而提高天线的接收性能，增强定位准确性；能够效避免电磁干扰，增大动态范围，具有反应速度快、插入损耗小，结构简单，安装灵活等优点。
实现本实用新型目的的技术方案：一种光控的极化可重构的GPS接收天线，该天线包括介质层、位于介质层一侧的主辐射单元、位于一侧的副辐射单元和位于介质层另一侧的底板金属、位于主辐射单元与副辐射单元之间的光导开关、以及用于向光导开关发射出光波束的激励光源。
所述的主辐射单元的四个边外侧分别布置了一个副辐射单元。
所述的主辐射单元的四个边与四个副辐射单元之间均各形成一个隔离槽，位于每个隔离槽均各设有一个光导开关。
所述的每个光导开关均各自对应一个向其发射出光波束的激励光源。
本实用新型的有益技术效果在于：（1）本实用新型通过在分别控制嵌入在微带天线辐射单元上的4块硅制光控开关的工作方式（导通或阻断），可使天线的极化方式随之改变，从而使天线工作在4种不同的工作模式下，分别为左手圆极化，右手圆极化及两种不同谐振频率的线极化，实现极化可重构特性。（2）本实用新型通过采用硅制的光控开关控制天线的极化方式，有效的避免了由于传统控制方式中偏置线造成的电磁干扰，增大了动态范围，并实现了反应速度快，插入损耗小，结构简单，安装灵活等特点。（3）本实用新型通过优化光控开关的材料，光波束的波长，光波束的强度以及隔离槽的大小，优化了硅制光控开关的性能，实现了最佳插入损耗0.6dB，最佳隔离度22dB。（4）本实用新型通过控制不同的硅制光控开关，可使天线分别工作在左手圆极化模式和右手圆极化模式，其轴比的仿真结果可达到1.295dB，测试结果可达到1.299dB。（5）本实用新型通过控制不同的硅制光控开关，可实现线极化，其极化隔离度的测试结果可达到大于20dB。
附图说明
图1为本实用新型所提供的一种光控的极化可重构的GPS接收天线的主视示意图；
图2为图1的侧视图。
图3为本实用新型中采用的光控开关插入损耗和隔离度的测试结果图；
图4为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在四种工作模式下的回波损耗结果图；
图5为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在模式1时XOZ平面圆极化方向图；
图6为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在模式2时XOZ平面圆极化方向图；
图7为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在模式3时XOZ平面圆极化方向图；
图8为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在模式4时XOZ平面圆极化方向图；
图9为本实用新型所提供的光控的极化可重构的GPS接收天线在模式2时XOZ平面轴比的仿真值与测试值的对比图。
图中：1为第一激励光源，2为第二激励光源，3为第三励光源，4为第四激励光源，5为第一光波束，6为第二光波束，7为第三光波束3，8为第四光波束，9为第一光控开关，10为第二光控开关，11为第三光控开关，12为第四光控开关，13为第一隔离槽，14为第二隔离槽，15为第三隔离槽，16为第四隔离槽，17为第一副辐射单元，18为第二副辐射单元，19为第三副辐射单元，20为第四副辐射单元，21为主辐射单元，22为介质层，23为馈电点，24为底板金属，25为SMA接插件，26为内馈电金属。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1、图2所示，本实用新型所提供的一种光控的极化可重构的GPS接收天线为微带结构。介质层22选用FR4材料，其介电常数为4.3，厚度为1.6mm。底板金属24、主辐射单元21以及第一副辐射单元17、第二副辐射单元18、第三副辐射单元19和第四副辐射单元20均为正方形，主辐射单元21和四个副辐射单元17、18、19、20焊接在介质层22的一侧，底板金属24焊接在介质层22的另一侧。主辐射单元21的边长为天线谐振频率处波长的四分之一。底板金属24与介质层22同等大小，两者的边长均略大于主辐射单元21的边长。该GPS接收天线采用探针馈电方式的内馈电金属26和SMA接插件25，SMA接插件25顶部的内馈电金属26由底板金属24处馈到主辐射单元21，馈电位置为天线输入阻抗为50Ω处。
为实现天线的极化可重构功能，该GPS接收天线在主辐射单元21的四个边外侧分别布置了一个副辐射单元，即四个副辐射单元17、18、19、20。每个副辐射单元与主辐射单元21的四个边之间均各自形成一个隔离槽，即第一隔离槽13、第二隔离槽14、第三隔离槽15和第四隔离槽16。第一副辐射单元17与主辐射单元21之间设有第一隔离槽13，第二副辐射单元18与主辐射单元21之间设有第二隔离槽14，第三副辐射单元19与主辐射单元21之间设有三隔离槽15，第四副辐射单元20与主辐射单元21之间设有第四隔离槽16。隔离槽用以隔离主辐射单元与对应的副辐射单元。
每个副辐射单元与主辐射单元21介质层22之间均嵌有一个光导开关，即第一光控开关9、第二光控开关10、第三光控开关11、第四光控开关12，第一光控开关9嵌在第一隔离槽13内，第二光控开关10嵌在第二隔离槽14内，第三光控开关11嵌在第三隔离槽15内，第四光控开关12嵌在第四隔离槽16内。
四个激励光源分别位于四副辐射单元的一侧，每个激励光源分别发出光波束照射在相应的四个光控开关上。第一激励光源1发射出的第一光波束5照射在第一光控开关9上，第二激励光源2发射出的第一光波束6照射在第二光控开关10上，第三激励光源3发射出的第一光波束7照射在第三光控开关11上，第四激励光源4发射出的第一光波束8照射在第一光控开关12上。
本实用新型所提供的一种光控的极化可重构的GPS接收天线采用光源控制光控开关9、10、11、12的导通与阻断，从而控制主辐射单元21与副辐射单元17、18、19、20之间的导通与隔离，进而改变天线的极化方式。各光控开关的工作模式与天线极化方式的对应关系如表1所示。下面结合图1、图2和表1说明改变天线的极化方式的具体方法如下：
（1）工作模式1：当第一光控开关9和第三光控开关11处于即导通状态，且第二光控开关10和第四光控开关12处于阻断状态时，第一副辐射单元17和第三副辐射单元19与主辐射单元21相连通，第二副辐射单元18和第四副辐射单元20将与主辐射单元21相隔离，此时天线工作于右手圆极化模式。
（2）工作模式2：当第二光控开关10和第四光控开关12处于即导通状态，且第一光控开关9和第三光控开关11处于阻断状态时，第二副辐射单元18和第四副辐射单元20将和主辐射单元21相连通，第一副辐射单元17和第三副辐射单元19与主辐射单元21相隔离，此时天线工作于左手圆极化模式。
（3）工作模式3：当第一光控开关9、第二光控开关10、第三光控开关11、第四光控开关12都处于阻断状态时，第一副辐射单元17、第二副辐射单元18、第三副辐射单元19和第四副辐射单元20都与主辐射单元21相隔离，此时天线工作于线极化模式。
（4）工作模式4：当第一光控开关9、第二光控开关10、第三光控开关11、第四光控开关12都处于导通状态时，第一副辐射单元17、第二副辐射单元18、第三副辐射单元19和第四副辐射单元20都与主辐射单元21相连接，此时天线工作于线极化模式。
表1
如图1、图2所示，本实用新型所提供的一种光控的极化可重构的GPS接收天线的工作过程如下：
（1）当激励光源1、2、3、4发射出的光波束5、6、7、8照射在相应的光控开关9、10、11、12上时，相应的光控开关9、10、11、12进入导通状态，其导电系数将迅速增加至约1000S/m。此时光控开关9、10、11、12将作为桥梁，将主辐射单元21与相对应的副辐射单元17、18、19、20连接在一起，使主辐射单元21上激发出的电流可以顺畅流通到相应的副辐射单元17、18、19、20上。
（2）当激励光源1、2、3、4未发射光波束5、6、7、8照射相应的光控开关9-12时，则光控开关9-12进入阻断状态，其导电系数将迅速降低至约0.03S/m。此时光控开关9、10、11、12将隔离主辐射单元21与相对应的副辐射单元17、18、19、20，阻止主辐射单元21上激发出的电流流通到相应的副辐射单元17、18、19、20上。
要通过激励光源1、2、3、4发射出的光波束5、6、7、8控制光导开关9、10、11、12的导通和阻断，则要求光导开关9、10、11、12在导通状态下具有低插入损耗，并在阻断状态下具有高隔离度。光导开关9、10、11、12的插入损耗及隔离度性能与许多因素有关，如所使用光导开关9、10、11、12的材料，所使用光波束5、6、7、8的波长，所使用光波束5、6、7、8的强度以及隔离槽13、14、15、16的大小。此天线中光控开关9、10、11、12采用高纯度硅，电阻率为3000Ω.cm，此时光控开关9、10、11、12插入损耗及隔离度优于低电阻率的硅。本实用新型的天线中控制光控开关9、10、11、12的光波束5、6、7、8采用波长为980nm的红外线实现，波长为980nm的红外光源可使光控开关9、10、11、12的插入损耗性能达到最佳。本实用新型天线中的发射光波束5、6、7、8的激励光源1、2、3、4采用功率为500mW，连续波红外光源。图3所示为本实用新型中采用的光控开关9、10、11、12插入损耗和隔离度的测试结果。从图3中可以看出，光控开关9、10、11、12的插入损耗和隔离度性能与相应的隔离槽13、14、15、16的宽度有关，当隔离槽13、14、15、16为0.3mm时，光控开关9、10、11、12可达到0.6dB插入损耗和12dB隔离度。当隔离槽13、14、15、16为3mm时，光控开关9、10、11、12可达到1.1dB插入损耗和22dB隔离度。为均衡光控开关9、10、11、12的插入损耗和隔离度性能，本实用新型的天线中隔离槽13、14、15、16大小采用1.5mm。
图4所示为极化可重构GPS接收天线在不同工作模式时的回波损耗。曲线1为天线在工作模式1及工作模式2时的回波损耗结果；曲线2为天线在工作模式3时的回波损耗结果；曲线3为天线在工作模式4时的回波损耗结果。由于天线的谐振频率与辐射单元的尺寸相对应，工作模式2时天线的辐射单元尺寸与工作模式1相同，因此，天线在工作模式1与工作模式2下的回波损耗结构相重叠。天线在工作模式1及工作模式2时-10dB频率带宽同为1.564GHz到1.592GHZ。天线在工作模式3时的频率带宽为1.58GHz到1.594GHz。天线在工作模式4时的频率带宽为1.56GHz到1.576GHz。虽然天线在工作模式3与工作模式4均为线极化方式，但由于两者的辐射单元的尺寸不相同，因此工作频带不相同。
天线的辐射方向图不仅可以表示天线在空间的辐射能力也可以表示其极化方式：（1）图5为极化可重构GPS接收天线在工作模式1时XOZ平面圆极化方向图的测试结果，图中曲线1为左手圆极化方向图，曲线2为右手圆极化方向图。从图中可以看出在天线的主辐射方向上右手圆极化场强于左手圆极化场，因此证明此时天线工作于右手圆极化模式。（2）图6为极化可重构GPS接收天线在工作模式2时XOZ平面圆极化方向图的测试结果，图中曲线1为左手圆极化方向图，曲线2为右手圆极化方向图。从图中可以看出在天线的主辐射方向上左手圆极化场强于右手圆极化场，因此证明此时天线工作于左手圆极化模式。（3）图7和图8分别为极化可重构GPS接收天线在工作模式3和4时XOZ平面线极化方向图的测试结果。各图中曲线3为共极化方向图，曲线4为交叉极化方向图。从图中可以看出天线的共极化方向图大于交叉极化方向图约20dB，因此证明此时天线工作于线极化模式，且交叉极化隔离度大于20dB。（4）对于圆极化天线，轴比是表示天线极化纯度的重要参数。图9为极化可重构GPS接收天线在模式2时XOZ平面轴比的仿真值与测试值的对比，图中曲线1为测试结果，曲线2为仿真结果。从图中可以看出仿真结果与测试结果基本一致，天线在主辐射方向上轴比的仿真值为1.295dB，测试值为1.299dB。
上面结合附图和实施例对本实用新型作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。本实用新型中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (4)
1.一种光控的极化可重构的GPS接收天线，其特征在于：该天线包括介质层（22）、位于介质层（22）一侧的主辐射单元（21）、位于一侧的副辐射单元和位于介质层（22）另一侧的底板金属（24）、位于主辐射单元（21）与副辐射单元之间的光导开关、以及用于向光导开关发射出光波束的激励光源。
2.根据权利要求1所述的一种光控的极化可重构的GPS接收天线，其特征在于：所述的主辐射单元（21）的四个边外侧分别布置了一个副辐射单元。
3.根据权利要求2所述的一种光控的极化可重构的GPS接收天线，其特征在于：所述的主辐射单元（21）的四个边与四个副辐射单元之间均各形成一个隔离槽，位于每个隔离槽均各设有一个光导开关。
4.根据权利要求2所述的一种光控的极化可重构的GPS接收天线，其特征在于：所述的每个光导开关均各自对应一个向其发射出光波束的激励光源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140430 |
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| CX01 | Expiry of patent term |