一種頻率可重構的超寬帶天線的製作方法

2023-04-30 20:15:46 3

專利名稱：一種頻率可重構的超寬帶天線的製作方法
技術領域：
本發明屬於天線技術領域，尤其涉及一種超寬帶天線。
背景技術：
步進頻率探地雷達(SFCW-GPR)是一種工作頻率以階梯方式步進的連續波探地雷達。在一個掃描周期內，雷達發射的信號頻率從起始頻率fst t以頻率間隔Δι逐步上升到終止頻率fst。p。對於探地雷達而言，超寬帶天線是其關鍵技術之一。目前，在探地雷達系統中普遍應用的超寬帶天線主要有對數周期天線、TEM喇叭天線、結型天線、錐形天線、漸變槽型天線等。這些結構天線可以實現幾個倍頻程的阻抗帶寬，但是卻存在一個共同的缺陷， 由於輻射性能具有色散特點，對於頻率高端和頻率低端，天線的電尺寸相差很大，導致天線增益和方向圖隨頻率變化明顯，輻射信號波形發生畸變，嚴重影響對被探測目標的有效識別。對於步進頻率探地雷達來說，使用此類型超寬帶天線，使得雷達成像精度和解析度都受到了很大程度上的限制，無法在複雜地質結構中完成目標體的探測和識別。為了克服超寬帶天線在應用到步進頻率探地雷達中存在的缺陷，可以採用頻率可重構天線。頻率可重構天線是一種新型的寬帶天線，通過其工作模式的轉換，可以實現多個頻率子帶工作。然而，現有的頻率可重構天線普遍存在一個特點，子帶之間沒有連結，不能完整覆蓋全頻帶，不具有超寬帶特性。因此，頻率可重構天線不能滿足步進頻率探地雷達的要求。在文獻"Jeen-Sheen Row, Ting-Yi Lin, Frequency-Reconfigurable Coplanar Patch Antenna With Conical Radiation, IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，Vol.9，2010，1088-1091」提出了一種共面環微帶可重構天線。利用多個PIN 二極體開關的通斷，控制該寄生環形貼片與地的連接，改變輻射單元的物理結構，實現了頻率可重構。不足的是該天線只能完成兩個頻率子帶工作，因此帶寬較窄，並且所需開關數目較多，結構較為複雜。在申請號200810202308. 9中公開了一種可重構天線，該天線的主輻射貼片附近印有兩個環形寄生輻射單元，寄生單元與主輻射單元同圓心。寄生單元之間以及寄生單元與主輻射單元採用微波開關連接，利用微波開關控制主輻射單元的大小，實現多個頻率子帶工作。不足的是這多個頻率子帶相互不銜接，因此頻率子帶不能完整覆蓋超寬頻帶。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有的頻率可重構天線在應用到步進頻率探地雷達中存在的問題，提出了一種頻率可重構的超寬帶天線。本發明的技術方案是一種頻率可重構的超寬帶天線，包括介質板、微帶饋線、 過渡微帶、開關控制器以及位於介質板上表面的印製單極子和位於介質板下表面的饋線接地板；所述印製單極子由N個線型排列的輻射單元組成；相鄰兩個輻射單元通過電子開關連接；
所述開關控制器位於饋線接地板的下表面，開關控制器的控制線與(N-I)個電子開關連接，用於控制(N-I)個電子開關的通或斷；所述微帶饋線通過過渡微帶與印製單極子相連，用於實現微帶饋線埠與印製單極子之間的寬帶阻抗匹配。所述的電子開關為PIN開關或者微機械電子開關。所述的開關控制器為多通道模擬器件控制器，或者是數字開關控制器。本發明的有益效果本發明提供了一種頻率可重構的超寬帶天線。根據單極子的
電特性，單極子諧振頻率&與單極子的物理長度L存在對應關係，乂 =I^ ( ε e為等效
相對介電常數)。通過對(N-I)個電子開關通斷狀態的控制，能夠延長或縮短單極子實際工作的物理長度，從而改變印製單極子諧振頻率。對於一個多諧振點電路而言，每個諧振點fV都對應一個工作帶寬Afitj本發明單極子天線也可以等效為多諧振點電路，由開關控制天線諧振於不同頻率點。當(N-I)個開關任選一個斷開而其它開關連通時，可以形成(N-I)種不同的工作模式，當(N-I)個開關同時連通時，可以形成第N種工作模式。每種工作模式下的諧振頻率分別為fV，相對應一個頻率子帶Afi，其中i = 1,2,3.......N。通過開關控制器，可完成該N種工作模式間的定時切換。同時，對N個輻射單元參數的合理選擇，能夠使相鄰近的子帶相互銜接，從而N個頻率子帶完整地覆蓋一個超寬頻
N
帶，總帶寬為。
i=l此外，從天線的增益角度考慮，天線增益G和物理尺寸關係可以表示為G = 4 π Ay λ 2，其中，Ae為天線的有效口徑，與物理結構相關，天線在不同工作模式間切換工作時，波長變化，同時天線的物理結構也相應改變，其效果是天線的增益(方向圖)隨工作波長(頻率)變化較小。本發明提供的頻率可重構的超寬帶天線，通過不同狀態開關的組合控制單極子的諧振頻率，使天線在N個連續的頻率子帶內切換工作，實現超寬帶天線性能；其次，本發明的天線由於藉助了頻率可重構天線的優點，物理長度隨工作頻率發生變化，有效保證了各個子帶內的輻射效率，因此在全頻帶內增益平坦，方向圖一致性較好。


圖1是本發明實施例的頻率可重構的超寬帶天線輻射面(正面)結構示意圖。圖2是本發明實施例的頻率可重構的超寬帶天線金屬接地面(背面)結構示意圖。圖3是本發明實施例的頻率可重構的超寬帶天線五種工作模式下饋電埠的Sll 仿真曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明。一種頻率可重構的超寬帶天線，如圖1至圖2所示，包括位於介質板12正面的第一輻射單元1、第二輻射單元2、第三輻射單元3、第四輻射單元4、第五輻射單元5、微帶饋線 6、過渡微帶7、四個電子開關8、9、10、11和位於介質板背面的饋線接地板13，介質板位於整個天線的中間。這裡，第一輻射單元1、第二輻射單元2、第三輻射單元3、第四輻射單元4和第五輻射單元5組成了印製單極子。所述輻射單元1、2、3、4、5均為矩形金屬貼片，寬度一致，長度不等，線型排布於介質板12正面的寬邊中心線上；相鄰的兩個輻射單元之間留有間隙，分別用於安裝電子開關 8、9、10、11。所述第一電子開關8位於第一輻射單元1和第二輻射單元2之間，第二電子開關 9位於第二輻射單元2和第三輻射單元3之間，第三電子開關10位於第三輻射單元3和第四輻射單元4之間，第四電子開關11位於第四輻射單元4和第五輻射單元5之間。所述微帶饋線6位於介質板12正面的寬邊中心線上，特性阻抗為50 Ω ；一端作為天線饋電埠 ；另一端通過過渡微帶7與第一輻射單元1相接，實現對輻射單元的超寬帶阻抗匹配。在本實施例中，過渡微帶為梯形過渡微帶。所述第一輻射單元1和第二輻射單元2之間通過第一電子開關8連接，第二輻射單元2和第三輻射單元3之間通過第二電子開關9連接，第三輻射單元3和第四輻射單元 4之間通過第三電子開關10連接，第四輻射單元1和第五輻射單元5之間通過第四電子開關11連接。這裡，介質板12為矩形板，饋線接地板13為矩形金屬片，印製於介質板12背面， 與微帶饋線6上下相對。當四個電子開關8、9、10、11任選一個斷開而其它三個接通時，可以形成四種不同工作頻率的工作模式；當四個開關8、9、10、11全部接通時，可以形成另一種工作模式。可採用開關控制器，對四個開關通斷狀態合理控制，完成五種工作模式之間的切換。這裡，四個電子開關8、9、10、11可以採用PIN開關，也可以採用微機械電子(MEMS) 開關；開關控制器可以採用多通道模擬器件控制器，保證對每一通道的獨立控制，也可以採用數字開關控制器，通過編碼保證對每一通道獨立控制。在本實施例中，具體的相關參數為介質板尺寸12為IOOmmX 60mm，厚度為1mm，介質相對介電常數為2. 2 ；五個矩形輻射單元1、2、3、4、5寬度為2mm，長度分別為37mm、4mm、 5mm,6mm,7mm ；相鄰兩個矩形貼片的間距為2mm ；微帶饋線6長為^mm,寬為3mm ；接地板13 尺寸為60mmX30mm ；梯形過渡微帶7長2mm。在確定上述相關參數的情況下，經電磁仿真， 該天線可實現的5種工作模式如表1所示表 權利要求
1.一種頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，包括介質板、微帶饋線、過渡微帶、開關控制器以及位於介質板上表面的印製單極子和位於介質板下表面的饋線接地板；所述印製單極子由N個線型排列的輻射單元組成；相鄰兩個輻射單元通過電子開關連接；所述開關控制器位於饋線接地板的下表面，開關控制器的控制線與(N-I)個電子開關連接，用於控制(N-I)個電子開關的通或斷；所述微帶饋線通過過渡微帶與印製單極子相連，用於實現微帶饋線與印製單極子之間的寬帶阻抗匹配。
2.根據權利要求1所述的頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，所述的電子開關為 PIN開關或者微機械電子開關。
3.根據權利要求1或2所述的頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，所述的開關控制器為多通道模擬器件控制器，或者是數字開關控制器。
4.根據權利要求3所述的頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，所述N個輻射單元均為矩形金屬貼片。
5.根據權利要求3或4所述的頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，所述的過渡微帶為梯形過渡微帶。
6.根據權利要求5所述的頻率可重構的超寬帶天線，其特徵在於，所述的介質板為矩形板。
全文摘要
本發明屬於天線技術領域，公開了一種頻率可重構的超寬帶天線，包括介質板、微帶饋線、過渡微帶、開關控制器以及位於介質板上表面的印製單極子和位於介質板下表面的饋線接地板；所述印製單極子由N個線型排列的輻射單元組成；相鄰兩個輻射單元通過電子開關連接；所述開關控制器位於饋線接地板的下表面，開關控制器的控制線與(N-1)個電子開關連接，用於控制(N-1)個電子開關的通或斷。本發明的超寬帶天線克服了現有超寬帶天線和頻率可重構天線技術的不足，使天線在N個連續的頻率子帶內切換工作，能夠覆蓋超寬頻帶，同時還具有在超寬頻帶內增益平坦、結構簡單等特點，可以應用於步進頻率探地雷達系統等領域。
文檔編號H01Q13/08GK102306870SQ201110179150
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者蘭立濤, 徐豔清, 王秉中, 趙德雙 申請人:電子科技大學