專利名稱：Dna仿真型的頻率可重構(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，尤其是一種DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，通過改變集總元件的種類和位置即可實(shí)現(xiàn)寬帶寬和多頻帶。
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(dá)、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)天線(reconfigurable)被認(rèn)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、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(shí)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(shí)現(xiàn)多種有效的分集。目前，人們設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，但它們共同的缺點(diǎn)是一旦天線制成，只能在設(shè)計(jì)的幾個頻段內(nèi)進(jìn)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DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其采用雙螺旋金屬導(dǎo)帶，通過在不同位置加載不同的集總元件，可重構(gòu)成寬帶寬、高增益特性的天線或者頻率可調(diào)特性的天線，且隨著集總元件高度的連續(xù)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。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DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板，還包括固定在接地板上的圓筒狀介質(zhì)板和同軸向繞制在圓筒狀介質(zhì)板外表面上的、同螺旋角的雙螺旋金屬導(dǎo)帶；所述雙螺旋金屬導(dǎo)帶中的一條與接地板連接、另一條借助接地板上的通孔與饋電電路連接；雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間設(shè)有集總元件。在雙螺旋金屬導(dǎo)帶軸線的法平面上，雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間的弦所對應(yīng)的圓心角為α，α 優(yōu)選 30 120°。α 更優(yōu)選 90。。所述集總元件為電感或電容。本發(fā)明基于DNA結(jié)構(gòu)制成仿真型可重構(gòu)天線，在圓筒狀介質(zhì)板上繞制雙螺旋金屬導(dǎo)帶，其中的一條螺旋金屬導(dǎo)帶作為激勵螺旋，另一條螺旋金屬導(dǎo)帶接地、作為寄生螺旋(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(qiáng)耦合，會弱化天線的方向性，本發(fā)明在兩條金屬導(dǎo)帶之間加載集總元件，改變了雙螺旋之間的強(qiáng)耦合，因此，得到高增益的天線。當(dāng)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(dāng)加載電感時，得到寬帶寬、高增益特性的天線；當(dāng)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(1)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(shí)現(xiàn)寬帶、高增益和工作頻點(diǎn)可調(diào)兩種特性的可重構(gòu)線天線；可將上述不同特性的天線運(yùn)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(biāo)可通過調(diào)整電感的大小或者位置來進(jìn)行優(yōu)化；通過加載電容實(shí)現(xiàn)的頻率可調(diào)特性的天線可用于無線電的發(fā)射端，天線的工作頻率可通過改變電容的加載位置進(jìn)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(shí)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(dá)到6dB以上；(4)本發(fā)明兩種功能的天線均實(shí)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是圓筒形介質(zhì)板加工前的主視結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的Sll曲線；
圖4是加載電感時的匹配電路結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明加載電感并采用圖4中匹配電路時的Sll曲線；
圖6是本發(fā)明加載電感時的增益曲線；
圖7是本發(fā)明加載電感時的輻射效率曲線；
圖8和圖9是本發(fā)明加載電容時(第二實(shí)施例)在不同垂直高度下的Sll曲線；
圖10是第二實(shí)施例中2. 4GHz下模擬和測試的Sll曲線；
圖11是第二實(shí)施例中工作頻率為2. 4GHz時的增益曲線；
圖12是第二實(shí)施例中工作頻率為2. 4GHz時的輻射效率曲線；
圖13和14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、圓筒狀介質(zhì)板，2、雙螺旋金屬導(dǎo)帶，3、集總元件，4、接地板，6、通孔，7、微帶線，8、微帶線枝節(jié)。
具體實(shí)施例方式參看圖I,本發(fā)明是一種基于DNA仿真的頻率可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板4，還包括固定在接地板4上的圓筒狀介質(zhì)板I和同軸向軸繞制在圓筒狀介質(zhì)板I外表面上的、同螺旋角的雙螺旋金屬導(dǎo)帶2;所述雙螺旋金屬導(dǎo)帶中的一條與接地板4連接、另一條借助接地板4上的通孔與饋電電路連接；雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間設(shè)有集總元件3。雙螺旋金屬導(dǎo)帶既可以為左螺旋也可以為右螺旋；兩者結(jié)構(gòu)相同、同軸設(shè)置，只是起始端的位置不同，在雙螺旋金屬導(dǎo)帶2軸線的法平面上，雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間的弦所對應(yīng)的圓心角為α，且0° < α < 180。。所述圓心角優(yōu)選30° 120°。下面以α取90°為例，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明當(dāng)加載不同的集總元件時，本發(fā)明可重構(gòu)天線的性能。在第一實(shí)施例中，首先按照上述方案制作天線骨架，步驟如下取厚度為O. 254 mm的Rogers5880介質(zhì)基板加工成平行四邊形,在上述平行四邊形的介質(zhì)板上平行刻蝕兩條金屬導(dǎo)帶、且金屬導(dǎo)帶與介質(zhì)板的長邊平行，如圖2所示，按照螺旋焊管的繞制工藝將平行四邊形的介質(zhì)板加工成圓筒狀介質(zhì)板，其中平行四邊形的短邊為螺旋周長，平行四邊形的高為雙螺旋天線的高度；雙螺旋金屬導(dǎo)帶位于圓筒狀介質(zhì)板的外表面。最后加工成螺旋直徑為26mm、螺距為45mm、螺旋圈數(shù)為2. 8 。將圓筒狀介質(zhì)板粘接在尺寸為IOOmmX IOOmm的正方形接地板4上，雙螺旋金屬導(dǎo)帶分別與接地板4焊接，其中一條螺旋金屬導(dǎo)帶借助接地板4上的金屬壁通孔與饋電電路連接，在雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間加載電感。調(diào)整電感的位置并進(jìn)行S11測試，參見圖3，工作帶寬為I. 8^4. 2GHz，雙螺旋金屬導(dǎo)帶物理穩(wěn)定、且通過焊接或粘接的方式可非常方便地對電感位置進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明的雙螺旋結(jié)構(gòu)天線還是一個全新的方向，沒有合適的匹配電路，本實(shí)施例設(shè)計(jì)了一種匹配電路，見圖4，其電路結(jié)構(gòu)中包括級聯(lián)的微帶線7和設(shè)置在微帶線一側(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(bǔ)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)與微帶線匹配成50 Ω。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與激勵用的螺旋金屬導(dǎo)帶連通。采用該匹配電路后，S11曲線的模擬參見圖5，從圖中可以看出，采用上述匹配電路后，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(dāng)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(jì)天線時，很難做到帶寬和增益同時提高。對于本發(fā)明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6，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(dá)到7. ldB，是一個相對較高的增益值，且工作帶寬也較寬(為I. 8^4. 2GHz)。圖7是本實(shí)施例的輻射效率曲線，若有較合適的匹配電路，雙螺旋金屬導(dǎo)帶的輻射效率還能夠進(jìn)一步提高。在研究單螺旋天線時，研究者常常將精力集中在寬帶寬的特性上，很少注意頻率可調(diào)的特性。作為本發(fā)明第二實(shí)施例，當(dāng)在雙螺旋導(dǎo)帶的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(shí)施例中雙螺旋結(jié)構(gòu)天線的骨架與第一實(shí)施例不同的是無需匹配電路。將電容水平加載在雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間，所述電容采用15pF，不斷調(diào)整電容的豎直高度，并測試Sll曲線，參看圖8和圖9。從圖中可以看出，當(dāng)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飛GHz ;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，即利用本實(shí)施例，在2飛GHz內(nèi)進(jìn)行任一頻點(diǎn)的調(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10，可以看出，模擬曲線與測量曲線之間的吻合度很高。因此，天線制備出來后，可以通過軟件模擬、為電容高度確定提供依據(jù)。圖11是本實(shí)施例天線的增益曲線，說明在帶寬范圍內(nèi)，此天線的增益很高，利于增強(qiáng)信號便于傳輸。
圖12是本實(shí)施例天線的輻射效率曲線，說明在帶寬范圍內(nèi)，天線效率很高，能量損耗小，輸入天線的能量絕大部分用于輻射。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13。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(jì)算機(jī)，參見圖14。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(jìn)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(yàn)結(jié)果表明視頻信號好、畫面清晰。`
權(quán)利要求
1.一種DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板(4)，其特征在于還包括固定在接地板(4)上的圓筒狀介質(zhì)板(I)和同軸向繞制在圓筒狀介質(zhì)板(I)外表面上的、同螺旋角的雙螺旋金屬導(dǎo)帶(2);所述雙螺旋金屬導(dǎo)帶中的一條與接地板(4)連接、另一條借助接地板(4)上的通孔與饋電電路連接；雙螺旋金屬導(dǎo)帶(2)之間設(shè)有集總元件(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于在雙螺旋金屬導(dǎo)帶(2)軸線的法平面上，雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間的弦所對應(yīng)的圓心角為α，0° <α<180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于30° ^ a ^ 120。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于圓α為90°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于所述集總元件(3)為電感或電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于雙螺旋金屬導(dǎo)帶刻蝕在圓筒狀介質(zhì)板(I)的外表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，其特征在于集總元件為電感時，在饋電電路與金屬導(dǎo)帶之間設(shè)有匹配電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的DNA仿真型的頻率可重構(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DNA仿真型的頻率可重構(gòu)天線，結(jié)構(gòu)中包括接地板，還包括固定在接地板上的圓筒狀介質(zhì)板和同軸向繞制在圓筒狀介質(zhì)板外表面上的、同螺旋角的雙螺旋金屬導(dǎo)帶；所述雙螺旋金屬導(dǎo)帶中的一條與接地板連接、另一條借助接地板上的通孔與饋電電路連接；雙螺旋金屬導(dǎo)帶之間設(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(shí)現(xiàn)寬帶、高增益和工作頻點(diǎn)可調(diào)兩種特性的可重構(gòu)線天線。
文檔編號H01Q25/04GK102881994SQ20121024258
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(xué)