專利名稱：便攜式dna仿真的可重構(gòu)天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線電通訊領(lǐng)域的天線，具體地說是一種便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其能夠?qū)崿F(xiàn)頻率可重構(gòu)。
背景技術(shù)：
天線作為一種用來發(fā)射和接收無線電波的部件，在無線通訊系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用，是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。隨著高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達、無線通信系統(tǒng)、特別是全球3G和4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的飛速發(fā)展，對天線的要求越來越高。一方面，需要天線能夠工作在多個頻帶，具有多種工作模式并且具有良好的傳送性能；另一方面，又要減輕天線的重量、減小天線體積并降低成本，而可重構(gòu)(reconfigurable)天線被認為解決上述問題的最佳方案之一?？芍貥?gòu)天線按功能分為頻率可重構(gòu)天線(包括實現(xiàn)寬頻帶和實現(xiàn)多頻帶)、方向圖可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過改變天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或集中實現(xiàn)重構(gòu)。這樣可以通`過切換天線的不同狀態(tài)使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現(xiàn)多種有效的分集。目前，人們設(shè)計的可重構(gòu)天線總體可分為兩大類一類是由開關(guān)控制輻射體的物理尺寸來實現(xiàn)頻率可重構(gòu)，另一類是在開關(guān)的控制下改變天線的加載阻抗值，從而使其諧振頻率可動態(tài)地發(fā)生變化。盡管現(xiàn)有的各種方法能夠在一定程度上實現(xiàn)頻率可重構(gòu)，但它們共同的缺點是一旦天線制成，只能在設(shè)計的幾個頻段內(nèi)進行調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其采用雙螺旋天線，通過在不同位置加載不同的集總元件，方便地制成寬帶寬、高增益天線特性或者頻率可調(diào)特性的頻率可重構(gòu)天線。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
一種便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板和借助接地板與饋電電路連接的有源螺旋狀金屬絲，還包括一與有源螺旋狀金屬絲同軸向、同螺旋圓柱面、同螺旋角繞制的寄生螺旋狀金屬絲，在有源螺旋狀金屬絲和寄生螺旋狀金屬絲之間設(shè)有集總元件。所述寄生螺旋狀金屬絲借助接地電容與接地板連接。在有源螺旋狀金屬絲軸線的法平面上、有源螺旋狀金屬絲與寄生螺旋狀金屬絲之間的弦所對應(yīng)的圓心角為0，且0° < α彡180°。所述α優(yōu)選30° 120° ;更優(yōu)選α為90°。所述集總元件為電感或電容。本發(fā)明基于DNA結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，用金屬絲繞制成DNA仿真的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線，其中一個螺旋接饋電電路作為有源螺旋狀金屬絲，另一個作為寄生螺旋狀金屬絲，(以下將本發(fā)明的可重構(gòu)天線簡稱為雙螺旋結(jié)構(gòu)天線)。對于雙螺旋天線，由于雙螺旋之間的強耦合，會弱化天線的方向性，本發(fā)明在兩條金屬導帶之間加載集總元件，改變了雙螺旋之間的強耦合，因此，得到高增益的天線。當加載集總元件的種類和位置不同時，得到不同特性的天線當加載電感時，得到寬帶寬、高增益特性的天線；當加載電容時，通過變換電容的垂直高度，會得到頻率可調(diào)的窄帶天線。采用上述技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于(I)本發(fā)明開創(chuàng)了雙螺旋結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)天線，通過改變集總元件的種類以及位置，可實現(xiàn)寬帶、高增益和工作頻點可調(diào)兩種特性的可重構(gòu)天線；可將上述實現(xiàn)不同特性的天線運用于不同的天線系統(tǒng)中其中寬帶寬、高增益的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線可用于無線電接收系統(tǒng)，天線的帶寬、增益以及軸比等指標可通過調(diào)整電感的大小或者位置來進行優(yōu)化；通過加載電容實現(xiàn)的頻率可調(diào)特性的雙螺旋天線用于無線電的發(fā)射端，天線的工作頻率可通過改變電容的加載位置進行連續(xù)調(diào)節(jié)；(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、重構(gòu)方便，通過切換天線的不同狀態(tài)使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現(xiàn)多種有效的分集；(3)本發(fā)明兩種功能的天線增益都很高，達到6dB以上；(4)本發(fā)明兩種功能的天線均實現(xiàn)了圓極化，利于信號的發(fā)射和接收。


圖I是本發(fā)明雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的立體結(jié)構(gòu)示意 圖2是單螺旋天線、不加載電感時、和加載電感后的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的Sll曲線；
圖3是匹配電路的結(jié)構(gòu)示意 圖4是雙螺旋結(jié)構(gòu)天線加載電感并采用圖3中匹配電路時的Sll曲線；
圖5是雙螺旋結(jié)構(gòu)天線加載電感時的增益曲線；
圖6是雙螺旋結(jié)構(gòu)天線加載電感時的軸比曲線；
圖7和圖8是雙螺旋結(jié)構(gòu)天線加載電容時在不同垂直高度下的S11曲線；
圖9是第二實施例中2. 4GHz下模擬和測試的S11曲線；
圖10是第二實施例中增益曲線；
圖11是第二實施例天線的軸比曲線；
圖12和13分別是接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)的組成模塊結(jié)構(gòu)示意 其中，I、有源螺旋狀金屬絲，2、接地電容，3、寄生螺旋狀金屬絲，4、接地板，5、集總元件,6、通孔,7、微帶線,8、微帶線枝節(jié)。
具體實施例方式參看圖I, 一種基于DNA啟發(fā)的頻率可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板4和借助接地4與饋電電路連接的有源螺旋狀金屬絲1，還包括一與有源螺旋狀金屬絲3同軸向、同螺旋圓柱面、同螺旋角繞制的寄生螺旋狀金屬絲1，在有源螺旋狀金屬絲3和寄生螺旋狀金屬絲I之間設(shè)有集總元件5。即有源螺旋狀金屬絲I和寄生螺旋狀金屬絲3可以均為左螺旋或者均為右螺旋、且兩者結(jié)構(gòu)相同、同軸設(shè)置，只是起始端在接地板4上的位置不同。所述寄生螺旋狀金屬絲3借助接地電容2與接地板4連接，所述接地電容2可以采取能夠?qū)崿F(xiàn)電容功能的部件，比如本實施例中采用木塊，在木塊的上表面和下表面均粘覆金屬薄片，上表面的金屬薄片與寄生螺旋狀金屬絲3連接，下表面的金屬薄片與接地板4連接。在有源螺旋狀金屬絲(3)軸線的法平面上、有源螺旋狀金屬絲(3)與寄生螺旋狀金屬絲(I)之間的弦所對應(yīng)的圓心角為0，且0° < α彡180°。下面以α取90°為例，用試驗數(shù)據(jù)說明當記載不同的集總元件時，本發(fā)明天線的性能。在本發(fā)明的第一實施例中，首先繞制有源螺旋狀金屬絲3與寄生螺旋狀金屬絲1，然后安裝上述方案定位在接地板4上，其中螺旋直徑為26臟，高度為126臟，螺距45臟，金屬絲的直徑為2mm,接地板是Rogers5880、厚度是O. 508mm。為了對實驗結(jié)果有較直觀的認識，制作了傳統(tǒng)的單螺旋天線，其螺旋直徑為40mm，高度為150mm，理論工作頻率是2. 4GHz。分別測試單螺旋天線、不加載電感時、和加載電感后的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的Sll曲線，參見圖2。從圖中可以看出，不加載電感的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線工作帶寬比傳統(tǒng)的單螺旋天線帶寬還要窄，而加載電感后的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的帶寬比單螺旋天線顯著展寬。本發(fā)明的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線還是一個全新的領(lǐng)域，沒有合適的匹配電路，本實施例設(shè)計了一種匹配電路，見圖3，其電路結(jié)構(gòu)中包括級聯(lián)的微帶線7和設(shè)置在微帶線7 —側(cè)的兩個扇形微帶線枝節(jié)8，其作用是先把天線的輸入阻抗的虛部補償至很小，但是其數(shù)值很大，大約在150歐姆左右，再通過扇形微帶線枝節(jié)和微帶線匹配成50歐姆。扇形微帶線枝節(jié)是寬帶匹配，所以保持了天線的寬帶特性。將該匹配電路刻蝕在接地板4的底面上，并通
過接地板4上的金屬壁的通孔6與有源螺旋狀金屬絲3連通。采用該匹配電路后，S11曲線的模擬，參見圖4，從圖中可以看出，采用匹配電路后，天線的工作帶寬顯著展寬。充分說明，本發(fā)明的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線在寬帶寬天線領(lǐng)域還具有巨大的潛能。對于傳統(tǒng)的單螺旋天線，當螺旋的直徑或高度變化時，工作帶寬增大、增益減小，反之亦然；這意味著，在設(shè)計天線時，很難做到帶寬和增益同時提高。對于加載電感的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線，增益和帶寬均能得以提高。參見圖5，陰影部分表示工作帶寬，對于螺旋數(shù)為2. 8、高度為126mm的雙螺旋天線，2. OGHz的增益達到7. 6bB，是一個相對較高的增益值，且工作帶寬也較寬(為1.81.6GHz)。圖6是本實施例的軸比曲線，從圖中可以看出，在2. 2^3. 6GHz范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的圓極化特性。在研究單螺旋天線時，研究者常常將精力集中在帶寬特性上，很少注意頻率可調(diào)的特性。作為本發(fā)明第二實施例，當兩個螺旋之間在不同的位置上加載電容時，會得到不同工作頻率的天線。本實施例中雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的骨架與上述實施例不同的是無需匹配電路。將電容水平加載在有源螺旋狀金屬絲I和寄生螺旋狀金屬絲3之間，所述電容采用15pF，不斷調(diào)整電容的豎直高度，并測試S11曲線，參看7和圖8。從圖中可以看出，當電容設(shè)置在不同的豎直高度上時，天線的工作頻率是不同的，可調(diào)的頻率范圍為2 5. 5GHz ；在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在該頻率范圍之外還有其它工作頻率，只是帶寬相對較窄。隨著電容離地的垂直高度降低，工作頻率逐漸增大，比如，電容在離地33_處的工作頻率為2. 6GHz，在離地Ilmm處的工作頻率為4. 2GHz。利用這個規(guī)律可以在工作頻段內(nèi)任一頻點進行調(diào)節(jié)。以工作頻率為2. 4GHz為例，比較S11的模擬曲線和測試曲線，參見圖9，可以看出，模擬的工作帶寬為2. 07^2. 45，實際測量的帶寬是2. 2T2. 67，兩個曲線的吻合度很高。因此，天線制備出來后，可以通過軟件模擬、選擇工作頻率。圖10是本實施例天線的增益曲線，增益值較上述實施例小，但是在大部分工作頻率內(nèi)，增益值高達5dB。圖11是本實施例天線的軸比特性。圖中陰影部分是工作帶寬，可見，在工作帶寬內(nèi)，天線呈圓極化特性。利用本發(fā)明的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線，組建一套無線電發(fā)射和接收系統(tǒng)，用來傳輸一組視頻信號。所述無線電發(fā)射系統(tǒng)(Emission System)包括攝像頭、調(diào)制模塊、射頻混頻器模塊、功率放大器模塊和以及發(fā)射天線，參見圖12。調(diào)制模塊，射頻混頻器模塊和功率放大器模塊集成在一塊印刷電路板上。接收系統(tǒng)(Receiving System)由7部分組成接收天線、低噪聲放大器(LowNoise Amplifier, LNA)、下轉(zhuǎn)換混頻模塊、解調(diào)模塊、視頻信號輸出模塊、AV到USB轉(zhuǎn)換器和計算機，參見圖13。其中低噪放大器、下轉(zhuǎn)換混頻模塊和解調(diào)模塊集成在一塊印刷電路板上。在開闊空間中進行視頻傳輸測試，接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)兩者放置的距離相距130m左右。試驗結(jié)果表明視頻信號好、畫面清晰。`
權(quán)利要求
1.一種便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板(4)和借助接地板(4)與饋電電路連接的有源螺旋狀金屬絲(3)，其特征在于還包括一與有源螺旋狀金屬絲(3)同軸向、同螺旋圓柱面、同螺旋角繞制的寄生螺旋狀金屬絲(1)，在有源螺旋狀金屬絲(3)和寄生螺旋狀金屬絲(I)之間設(shè)有集總元件(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于所述寄生螺旋狀金屬絲(I)借助接地電容(2)與接地板(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于在有源螺旋狀金屬絲(3)軸線的法平面上、有源螺旋狀金屬絲(3)與寄生螺旋狀金屬絲(I)之間的弦所對應(yīng)的圓心角為α，且O。<α彡180°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于30° ^ a ^ 120。。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于α為90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于所述集總元件(5)為電感或電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于所述集總元件為電感時，在饋電電路與有源螺旋狀金屬絲(I)之間設(shè)有匹配電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，其特征在于所述匹配電路包括級聯(lián)的微帶線和設(shè)置在微帶線一側(cè)的兩個扇形微帶線枝節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式DNA仿真的可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板和借助接地板與饋電電路連接的有源螺旋狀金屬絲，還包括一與有源螺旋狀金屬絲同軸向、同螺旋圓柱面、同螺旋角繞制的寄生螺旋狀金屬絲，在有源螺旋狀金屬絲和寄生螺旋狀金屬絲之間設(shè)有集總元件。本發(fā)明開創(chuàng)了雙螺旋結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)天線，通過改變集總元件的種類以及位置，可實現(xiàn)寬帶、高增益和工作頻點可調(diào)兩種主要功能；可將上述實現(xiàn)不同功能的天線運用于不同的天線系統(tǒng)中其中寬帶寬、高增益的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線可用于無線電接收系統(tǒng)，天線的帶寬、增益以及軸比等指標可通過調(diào)整電感的大小或者位置來進行優(yōu)化；通過加入電容實現(xiàn)的頻率可調(diào)的雙螺旋天線用于無線電的發(fā)射端。
文檔編號H01Q5/00GK102881993SQ20121024253
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者王朗, 楊順, 李樂偉, 楊森, 雷傳球, 劉漢立 申請人:電子科技大學