專利名稱：一種數(shù)饋超寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種非調(diào)制數(shù)字信號(hào)的無(wú)線通信方法，特別涉及非調(diào)制數(shù)字信號(hào)的超寬帶發(fā)射天線技術(shù)。
背景技術(shù)：
在數(shù)字無(wú)線通信中，無(wú)法在無(wú)線信道進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，這是由于數(shù)字基帶信號(hào)為低頻信號(hào)，很難被常規(guī)的天線高效地發(fā)射出去。因此，在發(fā)信端，必須對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，將數(shù)字基帶信號(hào)的調(diào)制為射頻信號(hào)，使基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻才能被天線所發(fā)射，進(jìn)而進(jìn)行無(wú)線傳輸。然而這種常規(guī)的數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)卻不可避免地存在幾個(gè)局限性首先調(diào)制技術(shù)的引入勢(shì)必給數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)信端帶來(lái)復(fù)雜化結(jié)構(gòu)和龐大的體積；其次由于射頻調(diào)制器帶寬有限性，信道的傳輸容量難以提高；另外現(xiàn)有數(shù)字調(diào)制技術(shù)依然難以解決頻譜利用率低、 抗多徑衰落能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著通信市場(chǎng)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)字通信提出了高速率、超寬帶、抗干擾和小型化等新的要求。而由于目前數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)的局限性導(dǎo)致這種市場(chǎng)化需求難以得到滿足。近年來(lái)，有研究者試圖將數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)與發(fā)射天線結(jié)合，提出一種新型的用于數(shù)字無(wú)線通信的調(diào)制概念，即直接調(diào)制天線(DirectAntenna Modulation)。如文獻(xiàn)“Electromagnetic Modeling and Simulation of a Directly Modulated Patch Antenna，，(Steven D.Keller, ff. Devereux Palmer, and William T.Joines, IEEE Antennas andWireless Propagation Letters, Vol. 9，2010)。該技術(shù)通過(guò)在微帶天線上引入開關(guān)二極管，用以控制微帶天線輻射體與接地面的導(dǎo)通和斷開。通信時(shí)，天線輸入端饋入射頻載波信號(hào)，采用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)二極管的開與斷。當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“0”，二極管導(dǎo)通，天線輻射體與接地面連接，天線無(wú)法輻射頻信號(hào)；當(dāng)數(shù)字信號(hào)為“1”，二極管斷開，天線輻射體與接地面斷接，天線輻射射頻信號(hào)。該技術(shù)將數(shù)字信號(hào)調(diào)制模塊與天線結(jié)合在一起，大大降低了發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)難度和尺寸，同時(shí)還能有效地提高系統(tǒng)的帶寬。但該方法仍然無(wú)法避免數(shù)字調(diào)制技術(shù)其他問(wèn)題，難以滿足超寬帶、高速率傳輸?shù)耐ㄐ乓蟆Ａ硗馕墨I(xiàn)“DigitallyDriven Antenna for HF Transmission” (StevenD.Keller, ff. Devereux Palmer, and William T.Joines, IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, Vol. 58, No. 9, Sep. 2010)提出一種數(shù)字驅(qū)動(dòng)天線，其在電小天線饋線上引入一個(gè)晶體管開關(guān)和脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。在天線上直接饋入脈寬調(diào)制HF信號(hào)便可經(jīng)天線輻射出去，該方法用晶體開關(guān)和脈沖寬度調(diào)制器取代了傳統(tǒng)發(fā)射端的功率放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，有效降低了系統(tǒng)對(duì)頻率的依賴性，提高了信號(hào)的頻帶利用率，可用于數(shù)字信號(hào)超寬帶無(wú)線通信。但該技術(shù)下實(shí)現(xiàn)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)天線仍需要載波調(diào)制電路，同時(shí)結(jié)構(gòu)體積也比較大，難以實(shí)現(xiàn)將調(diào)制電路與天線一體化集成。文獻(xiàn)“Circuits and Active Antennas for Ultra-wide Band Pulse Generationand Transmission，，(M. Kumar, A. Basu, and S. K. Koul, Progress In ElectromagneticsResearch B, Vol. 23，251-272，2010)研制的有源超寬帶天線屬于一種數(shù)驅(qū)動(dòng)天線。其原理是在超寬帶天線的前端引入一個(gè)數(shù)字驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入脈沖產(chǎn)生電路后會(huì)產(chǎn)生一系列攜帶二進(jìn)制數(shù)字信息的脈沖，脈沖被天線輻射的也同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的無(wú)線傳輸。該天線前端的脈沖產(chǎn)生電路是采用有源FET晶體管，因此需要額外的直流偏置電路，造成電路與天線的集成困難，且直流偏置電路也會(huì)給天線帶來(lái)一些寄生輻射，影響了天線的輻射性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)饋超寬帶天線，該天線可直接饋入數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行信息的無(wú)線傳輸，無(wú)需提前對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制。較傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)發(fā)射裝置，省去了信號(hào)調(diào)制模塊，因此可大大簡(jiǎn)化數(shù)字信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明天線輻射的信號(hào)為寬頻脈沖信號(hào)，適用于超寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)，具有信息傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，能有效降低多徑損耗等優(yōu)勢(shì)。而與現(xiàn)有的數(shù)饋超寬帶天線相比，本發(fā)明天線優(yōu)勢(shì)在于不需要額外的直流偏置電路，由此可大幅度簡(jiǎn)化數(shù)驅(qū)天線的電路結(jié)構(gòu)和整個(gè)天線的體積尺寸，同時(shí)還可以避免因直流偏置電路所引起的寄生輻射干擾。
本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線由三個(gè)部件集成在一起數(shù)字信號(hào)輸入端口、數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖發(fā)生器以及蝶形縫隙輻射單元。數(shù)字信號(hào)經(jīng)輸入端口饋入后，首先到達(dá)脈沖發(fā)生器，數(shù)字信號(hào)電平發(fā)生高低變化時(shí)將驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生窄脈沖。產(chǎn)生的窄脈沖具有一定的頻率和帶寬，且在時(shí)域上攜帶有二進(jìn)制的數(shù)字信息。這些攜帶二進(jìn)制信息的窄脈沖進(jìn)入蝶形縫隙輻射單元將會(huì)以電磁波形式發(fā)射出去，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的無(wú)線傳輸。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種數(shù)饋超寬帶天線，其結(jié)構(gòu)如圖I至圖4所示，包括數(shù)字信號(hào)輸入端口 I、數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器2、蝶形縫隙輻射單元3三個(gè)部件；三個(gè)部件采用共面波導(dǎo)串聯(lián)而成。所述數(shù)字信號(hào)輸入端口 I位于數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器2的前端，采用SMA接頭，用于數(shù)字信號(hào)的饋入。所述數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器2 (如圖5所示)由耦合電路、諧振匹配電路、脈沖形成電路和脈沖整形電路構(gòu)成。所述耦合電路由第一電容Cl構(gòu)成，第一電容Cl串接于數(shù)字信號(hào)輸入端口 I與諧振匹配電路之間，其作用是將信號(hào)能量耦合至下一級(jí)。所述諧振匹配電路由第一電感LI、第二電容C2和第二電感L2構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸入端口與窄脈沖形成電路之間的阻抗匹配；其中，第一電感LI與第二電容C2并聯(lián)構(gòu)成LC并聯(lián)諧振電路，第二電感L2串接于LC并聯(lián)諧振電路與脈沖形成電路之間。所述脈沖形成電路由一個(gè)階躍恢復(fù)二極管(SRD)構(gòu)成當(dāng)正半周的激勵(lì)電流到來(lái)時(shí)，階躍恢復(fù)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)地短路，下一級(jí)沒(méi)有電壓輸入；當(dāng)負(fù)半周電流到來(lái)時(shí)，階躍恢復(fù)二極管持續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間后再截止，將在下一級(jí)輸入一個(gè)上升沿很小的窄脈沖信號(hào)。所述脈沖整形電路由第三電感L3和肖特基二極管(SBD)構(gòu)成，其作用是抑制脈沖形成電路所產(chǎn)生過(guò)窄脈沖信號(hào)的脈沖拖尾；其中第三電感L3并聯(lián)于窄脈沖形成電路與蝶形縫隙輻射單元3之間，而肖特基二極管串聯(lián)于窄脈沖形成電路與蝶形縫隙輻射單元3之間。所述蝶形縫隙輻射單元置于數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器2之后，用以輻射脈沖信號(hào)。蝶形縫隙輻射單元為超寬帶平面天線結(jié)構(gòu)，兩輻射縫隙位于單面金屬介質(zhì)板上；兩輻射縫隙的形狀為蝶形，其中縫隙最寬處的上下兩側(cè)分別加載一個(gè)窄縫15 ;兩個(gè)輻射縫隙頂點(diǎn)相對(duì)放置，采用共面波導(dǎo)饋電；饋電位置位于兩頂點(diǎn)處，共面波導(dǎo)和輻射縫隙連接處采用漸變槽。本發(fā)明提供的一種數(shù)饋超寬帶天線綜合了數(shù)驅(qū)脈沖發(fā)生技術(shù)與超寬帶蝶形天線技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，脈沖再經(jīng)超寬帶蝶形天線輻射，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息直接進(jìn)行發(fā)射和無(wú)線傳輸。本發(fā)明天線用于數(shù)字信號(hào)無(wú)線傳輸時(shí)，無(wú)需在發(fā)射端對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)先調(diào)制，因此可大大簡(jiǎn)化數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，另外，采用超寬帶脈沖傳遞數(shù)字信息，有利于提高信息傳輸速率，降低信道干擾。說(shuō)明書附圖
及說(shuō)明圖I:本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖。其中I表示數(shù)字信號(hào)輸入端口(SMA接頭)，2表示數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，3表示蝶形縫隙輻射單元。
圖2:本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線中數(shù)字信號(hào)輸入端口 I結(jié)構(gòu)示意圖。其中4表示SMA接頭外導(dǎo)體，5表示同軸線內(nèi)外導(dǎo)體填充介質(zhì)，6表示SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體(探針)。圖3 :本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線中數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器2結(jié)構(gòu)示意圖。其中7表示肖特基二極管(SBD)，8表示第三電感L3，9表示縫隙，10表示階躍恢復(fù)二極管(SRD), 11表不第二電感L2,12表不第二電容C2,13表不第一電感LI, 14表不第一電容Cl。圖4 :本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線中蝶形縫隙輻射單元3結(jié)構(gòu)示意圖。15表示蝶形縫隙輻射單元上加載的縫隙。圖5 :本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線的電路原理圖。圖6 :本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線在饋入IOOMHz數(shù)字信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。其中縱坐標(biāo)刻度值表示信號(hào)I通道的值。圖7 :本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線在饋入“100010100001010101”數(shù)字信號(hào)的實(shí)
驗(yàn)結(jié)果圖。其中信號(hào)2通道縱坐標(biāo)的刻度值為I通道的20倍。圖8:本發(fā)明提供的數(shù)饋超寬帶天線的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的天線具體實(shí)施方式
如下本發(fā)明的一種數(shù)饋超寬帶天線，印制于矩形印制板上。矩形印制板相對(duì)介電常數(shù)為4. 4,大小為60. 5mmX 91mm,厚度為Imm ；數(shù)字信號(hào)輸入端口采用SMA接頭，焊接在50歐姆的共面波導(dǎo)一個(gè)端邊上。其中SMA接頭內(nèi)導(dǎo)體與共面波導(dǎo)信號(hào)線焊接，SMA接頭外導(dǎo)體與共面波導(dǎo)兩接地面焊接。數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器電路制作在共面波導(dǎo)上，其中，耦合電容Cl=68pF ;諧振電路L1、C2、L2分別為82nH、48pF、32nH ;窄脈沖形成電路階躍恢復(fù)二極管(SRD)的型號(hào)為成都亞光電子有限公司生產(chǎn)的2J3C,少子壽命為IOns,階躍時(shí)間小于150ps,結(jié)電容Cj=O. 6pF ;脈沖整形電路L3=47nF，肖特基二極管(SBD)選用西門子公司生產(chǎn)的Basl25。蝶形縫隙輻射單元的兩輻射縫隙位于印制板上，縫隙總長(zhǎng)80mm ;輻射縫隙的形狀為蝶形，其中縫隙最寬處的上下兩側(cè)分別加載一個(gè)窄縫15 ;兩個(gè)輻射縫隙頂點(diǎn)相對(duì)放置；采用共面波導(dǎo)饋電，饋電位置位于兩頂點(diǎn)處，輻射縫隙與共面波導(dǎo)連接處采用漸變縫槽。蝶形縫隙輻射單元通過(guò)共面波導(dǎo)和窄脈沖信號(hào)發(fā)生器連接。
實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置如圖8所示，待傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)為一系列高低電平，用高電平表示“ I ”，低電平表示“O”。帶傳輸?shù)男盘?hào)分兩路，一路經(jīng)數(shù)字信號(hào)分析儀2通道饋入，作為同步信號(hào)。另一路從天線數(shù)字信號(hào)輸入端口饋入，天線輻射后，用另外一幅超寬帶天線接收，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)分析儀I通道饋入。最后采用數(shù)字信號(hào)分析儀將兩路信號(hào)同時(shí)顯示。如圖6所示，待傳輸?shù)男盘?hào)為相間的數(shù)字信號(hào)，周期頻率為100MHz，在輸入信號(hào)的高低電平變化處，天線對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。圖6所示，待傳的信號(hào)為18位的二進(jìn)制數(shù)據(jù) “100010100001010101”，信號(hào)周期頻率為10MHz。從天線的輻射信號(hào)波形觀察，可以發(fā)現(xiàn)在輸入信號(hào)每一個(gè)電平變化的時(shí)刻處天線都會(huì)輻射出一個(gè)窄脈沖，這樣輻射出來(lái)的窄脈沖串便攜帶了帶傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的無(wú)線傳輸。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)饋超寬帶天線，包括數(shù)字信號(hào)輸入端口(I)、數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)、蝶形縫隙輻射單元(3)三個(gè)部件；三個(gè)部件采用共面波導(dǎo)串聯(lián)而成； 所述數(shù)字信號(hào)輸入端口(I)位于數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)的前端，采用SMA接頭，用于數(shù)字信號(hào)的饋入； 所述數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)由耦合電路、諧振匹配電路、脈沖形成電路和脈沖整形電路構(gòu)成；所述I禹合電路由第一電容(Cl)構(gòu)成,第一電容(Cl)串接于數(shù)字信號(hào)輸入端口(I)與諧振匹配電路之間，其作用是將信號(hào)能量耦合至下一級(jí)；所述諧振匹配電路由第一電感(LI)、第二電容(C2)和第二電感(L2)構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸入端口與窄脈沖形成電路之間的阻抗匹配；其中，第一電感(LI)與第二電容(C2)并聯(lián)構(gòu)成LC并聯(lián)諧振電路，第二電感(L2)串接于LC并聯(lián)諧振電路與脈沖形成電路之間；所述脈沖形成電路由一個(gè)階躍恢復(fù)二極管構(gòu)成當(dāng)正半周的激勵(lì)電流到來(lái)時(shí)，階躍恢復(fù)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)地短路，下一級(jí)沒(méi)有電壓輸入；當(dāng)負(fù)半周電流到來(lái)時(shí)，階躍恢復(fù)二極管持續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間后再截止，將在下一級(jí)輸入一個(gè)上升沿很小的窄脈沖信號(hào)；所述脈沖整形電路由第三電感(L3)和肖特基二極管構(gòu)成，其作用是抑制脈沖形成電路所產(chǎn)生過(guò)窄脈沖信號(hào)的脈沖拖尾；其中第三電感(L3)并聯(lián)于窄脈沖形成電路與蝶形縫隙輻射單元(3)之間，而肖特基二極管串聯(lián)于窄脈沖形成電路與蝶形縫隙輻射單元(3)之間； 所述蝶形縫隙輻射單元置于數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)之后，用以輻射脈沖信號(hào)；蝶形縫隙輻射單元為超寬帶平面天線結(jié)構(gòu)，兩輻射縫隙位于單面金屬介質(zhì)板上；兩輻射縫隙的形狀為蝶形，其中縫隙最寬處的上下兩側(cè)分別加載一個(gè)窄縫(15);兩個(gè)輻射縫隙頂點(diǎn)相對(duì)放置，采用共面波導(dǎo)饋電；饋電位置位于兩頂點(diǎn)處，共面波導(dǎo)和輻射縫隙連接處采用漸變槽。
全文摘要
一種數(shù)饋超寬帶天線，屬于數(shù)字無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及非調(diào)制數(shù)字信號(hào)發(fā)射天線。包括采用共面波導(dǎo)串聯(lián)而成數(shù)字信號(hào)輸入端口(1)、數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)和蝶形縫隙輻射單元(3)。數(shù)字信號(hào)輸入端口(1)采用SMA接頭，用于數(shù)字信號(hào)的饋入。數(shù)驅(qū)SRD窄脈沖信號(hào)發(fā)生器(2)由耦合電路、諧振匹配電路、脈沖形成電路和脈沖整形電路構(gòu)成。蝶形縫隙輻射單元用以輻射脈沖信號(hào)。本發(fā)明利用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，脈沖再經(jīng)超寬帶蝶形天線輻射，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)直接發(fā)射和無(wú)線傳輸，無(wú)需數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)先調(diào)制，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；另外，采用超寬帶脈沖傳遞數(shù)字信息，有利于提高信息傳輸速率，降低信道干擾。
文檔編號(hào)H01Q23/00GK102820530SQ201210316189
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者趙德雙 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)