CN102820530A

CN102820530A - 一种数馈超宽带天线

Info

Publication number: CN102820530A
Application number: CN2012103161896A
Authority: CN
Inventors: 赵德双
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2012-12-12

Abstract

一种数馈超宽带天线，属于数字无线通信领域，涉及非调制数字信号发射天线。包括采用共面波导串联而成数字信号输入端口（1）、数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）和蝶形缝隙辐射单元（3）。数字信号输入端口（1）采用SMA接头，用于数字信号的馈入。数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）由耦合电路、谐振匹配电路、脉冲形成电路和脉冲整形电路构成。蝶形缝隙辐射单元用以辐射脉冲信号。本发明利用数字信号驱动脉冲发生器产生脉冲，脉冲再经超宽带蝶形天线辐射，可实现数字信号直接发射和无线传输，无需数字信号进行预先调制，可大大简化数字无线通信***的发射机结构；另外，采用超宽带脉冲传递数字信息，有利于提高信息传输速率，降低信道干扰。

Description

一种数馈超宽带天线

技术领域

本发明属于数字无线通信领域，涉及一种非调制数字信号的无线通信方法，特别涉及非调制数字信号的超宽带发射天线技术。

背景技术

在数字无线通信中，无法在无线信道进行长距离传输，这是由于数字基带信号为低频信号，很难被常规的天线高效地发射出去。因此，在发信端，必须对数字信号进行载波调制，将数字基带信号的调制为射频信号，使基带信号的频谱搬移到高频才能被天线所发射，进而进行无线传输。

然而这种常规的数字无线通信技术却不可避免地存在几个局限性：首先调制技术的引入势必给数字通信***发信端带来复杂化结构和庞大的体积；其次由于射频调制器带宽有限性，信道的传输容量难以提高；另外现有数字调制技术依然难以解决频谱利用率低、抗多径衰落能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等问题。随着通信市场的发展，人们对数字通信提出了高速率、超宽带、抗干扰和小型化等新的要求。而由于目前数字无线通信技术的局限性导致这种市场化需求难以得到满足。

近年来，有研究者试图将数字信号调制技术与发射天线结合，提出一种新型的用于数字无线通信的调制概念，即直接调制天线（DirectAntenna Modulation）。如文献“ElectromagneticModeling and Simulation of a Directly Modulated Patch Antenna”（Steven D.Keller，W.DevereuxPalmer,and William T.Joines,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,Vol.9,2010）。该技术通过在微带天线上引入开关二极管，用以控制微带天线辐射体与接地面的导通和断开。通信时，天线输入端馈入射频载波信号，采用数字信号驱动二极管的开与断。当数字信号为“0”，二极管导通，天线辐射体与接地面连接，天线无法辐射频信号；当数字信号为“1”，二极管断开，天线辐射体与接地面断接，天线辐射射频信号。该技术将数字信号调制模块与天线结合在一起，大大降低了发射***的结构难度和尺寸，同时还能有效地提高***的带宽。但该方法仍然无法避免数字调制技术其他问题，难以满足超宽带、高速率传输的通信要求。

另外文献“Digitally Driven Antenna for HF Transmission”（Steven D.Keller,W.DevereuxPalmer,and William T.Joines,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.58,No.9,Sep.2010）提出一种数字驱动天线，其在电小天线馈线上引入一个晶体管开关和脉冲宽度调制器（PWM）。在天线上直接馈入脉宽调制HF信号便可经天线辐射出去，该方法用晶体开关和脉冲宽度调制器取代了传统发射端的功率放大器和阻抗匹配网络，有效降低了***对频率的依赖性，提高了信号的频带利用率，可用于数字信号超宽带无线通信。但该技术下实现的数字驱动天线仍需要载波调制电路，同时结构体积也比较大，难以实现将调制电路与天线一体化集成。

文献“Circuits and Active Antennas for Ultra-wide Band Pulse Generation and Transmission”（M.Kumar,A.Basu,and S.K.Koul,Progress In Electromagnetics Research B,Vol.23,251-272,2010）研制的有源超宽带天线属于一种数驱动天线。其原理是在超宽带天线的前端引入一个数字驱动脉冲产生电路，数字信号进入脉冲产生电路后会产生一系列携带二进制数字信息的脉冲，脉冲被天线辐射的也同时实现数字信息的无线传输。该天线前端的脉冲产生电路是采用有源FET晶体管，因此需要额外的直流偏置电路，造成电路与天线的集成困难，且直流偏置电路也会给天线带来一些寄生辐射，影响了天线的辐射性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数馈超宽带天线，该天线可直接馈入数字基带信号进行信息的无线传输，无需提前对数字基带信号进行载波调制。较传统的数字信号发射装置，省去了信号调制模块，因此可大大简化数字信号发射***结构。另外，本发明天线辐射的信号为宽频脉冲信号，适用于超宽带数字通信***，具有信息传输速率高，抗干扰能力强，能有效降低多径损耗等优势。而与现有的数馈超宽带天线相比，本发明天线优势在于不需要额外的直流偏置电路，由此可大幅度简化数驱天线的电路结构和整个天线的体积尺寸，同时还可以避免因直流偏置电路所引起的寄生辐射干扰。

本发明提供的数馈超宽带天线由三个部件集成在一起：数字信号输入端口、数驱SRD窄脉冲发生器以及蝶形缝隙辐射单元。数字信号经输入端口馈入后，首先到达脉冲发生器，数字信号电平发生高低变化时将驱动脉冲发生器产生窄脉冲。产生的窄脉冲具有一定的频率和带宽，且在时域上携带有二进制的数字信息。这些携带二进制信息的窄脉冲进入蝶形缝隙辐射单元将会以电磁波形式发射出去，最终实现数字信息的无线传输。

本发明的技术方案是：

一种数馈超宽带天线，其结构如图1至图4所示，包括数字信号输入端口1、数驱SRD窄脉冲信号发生器2、蝶形缝隙辐射单元3三个部件；三个部件采用共面波导串联而成。

所述数字信号输入端口1位于数驱SRD窄脉冲信号发生器2的前端，采用SMA接头，用于数字信号的馈入。

所述数驱SRD窄脉冲信号发生器2（如图5所示）由耦合电路、谐振匹配电路、脉冲形成电路和脉冲整形电路构成。所述耦合电路由第一电容C1构成，第一电容C1串接于数字信号输入端口1与谐振匹配电路之间，其作用是将信号能量耦合至下一级。所述谐振匹配电路由第一电感L1、第二电容C2和第二电感L2构成，其作用是实现数字信号输入端口与窄脉冲形成电路之间的阻抗匹配；其中，第一电感L1与第二电容C2并联构成LC并联谐振电路，第二电感L2串接于LC并联谐振电路与脉冲形成电路之间。所述脉冲形成电路由一个阶跃恢复二极管（SRD）构成：当正半周的激励电流到来时，阶跃恢复二极管处于导通状态，对地短路，下一级没有电压输入；当负半周电流到来时，阶跃恢复二极管持续导通一段时间后再截止，将在下一级输入一个上升沿很小的窄脉冲信号。所述脉冲整形电路由第三电感L3和肖特基二极管（SBD）构成，其作用是抑制脉冲形成电路所产生过窄脉冲信号的脉冲拖尾；其中第三电感L3并联于窄脉冲形成电路与蝶形缝隙辐射单元3之间，而肖特基二极管串联于窄脉冲形成电路与蝶形缝隙辐射单元3之间。

所述蝶形缝隙辐射单元置于数驱SRD窄脉冲信号发生器2之后，用以辐射脉冲信号。蝶形缝隙辐射单元为超宽带平面天线结构，两辐射缝隙位于单面金属介质板上；两辐射缝隙的形状为蝶形，其中缝隙最宽处的上下两侧分别加载一个窄缝15；两个辐射缝隙顶点相对放置，采用共面波导馈电；馈电位置位于两顶点处，共面波导和辐射缝隙连接处采用渐变槽。

本发明提供的一种数馈超宽带天线综合了数驱脉冲发生技术与超宽带蝶形天线技术，利用数字信号驱动脉冲发生器产生脉冲，脉冲再经超宽带蝶形天线辐射，便可实现对数字信息直接进行发射和无线传输。本发明天线用于数字信号无线传输时，无需在发射端对数字信号进行预先调制，因此可大大简化数字无线通信***的发射机结构，另外，采用超宽带脉冲传递数字信息，有利于提高信息传输速率，降低信道干扰。

说明书附图及说明：

图1：本发明提供的数馈超宽带天线的结构示意图。其中1表示数字信号输入端口（SMA接头），2表示数驱SRD窄脉冲信号发生器，3表示蝶形缝隙辐射单元。

图2：本发明提供的数馈超宽带天线中数字信号输入端口1结构示意图。其中4表示SMA接头外导体，5表示同轴线内外导体填充介质，6表示SMA接头内导体（探针）。

图3：本发明提供的数馈超宽带天线中数驱SRD窄脉冲信号发生器2结构示意图。其中7表示肖特基二极管（SBD），8表示第三电感L3，9表示缝隙，10表示阶跃恢复二极管（SRD），11表示第二电感L2，12表示第二电容C2，13表示第一电感L1，14表示第一电容C1。

图4：本发明提供的数馈超宽带天线中蝶形缝隙辐射单元3结构示意图。15表示蝶形缝隙辐射单元上加载的缝隙。

图5：本发明提供的数馈超宽带天线的电路原理图。

图6：本发明提供的数馈超宽带天线在馈入100MHz数字信号的实验结果图。其中纵坐标刻度值表示信号1通道的值。

图7：本发明提供的数馈超宽带天线在馈入“100010100001010101”数字信号的实验结果图。其中信号2通道纵坐标的刻度值为1通道的20倍。

图8：本发明提供的数馈超宽带天线的实验***结构示意图。

具体实施方式：

本发明的天线具体实施方式如下：

本发明的一种数馈超宽带天线，印制于矩形印制板上。矩形印制板相对介电常数为4.4，大小为60.5mm×91mm，厚度为1mm；

数字信号输入端口采用SMA接头，焊接在50欧姆的共面波导一个端边上。其中SMA接头内导体与共面波导信号线焊接，SMA接头外导体与共面波导两接地面焊接。

数驱SRD窄脉冲信号发生器电路制作在共面波导上，其中，耦合电容：C1=68pF；谐振电路：L1、C2、L2分别为82nH、48pF、32nH；窄脉冲形成电路：阶跃恢复二极管（SRD）的型号为成都亚光电子有限公司生产的2J3C，少子寿命为10ns，阶跃时间小于150ps，结电容Cj=0.6pF；脉冲整形电路：L3=47nF，肖特基二极管（SBD）选用西门子公司生产的Bas125。

蝶形缝隙辐射单元的两辐射缝隙位于印制板上，缝隙总长80mm；辐射缝隙的形状为蝶形，其中缝隙最宽处的上下两侧分别加载一个窄缝15；两个辐射缝隙顶点相对放置；采用共面波导馈电，馈电位置位于两顶点处，辐射缝隙与共面波导连接处采用渐变缝槽。

蝶形缝隙辐射单元通过共面波导和窄脉冲信号发生器连接。

实验时装置如图8所示，待传输的数字信号为一系列高低电平，用高电平表示“1”，低电平表示“0”。带传输的信号分两路，一路经数字信号分析仪2通道馈入，作为同步信号。另一路从天线数字信号输入端口馈入，天线辐射后，用另外一幅超宽带天线接收，并通过数字信号分析仪1通道馈入。最后采用数字信号分析仪将两路信号同时显示。如图6所示，待传输的信号为“0”、“1”相间的数字信号，周期频率为100MHz，在输入信号的高低电平变化处，天线对应地产生一个脉冲信号。图6所示，待传的信号为18位的二进制数据“100010100001010101”，信号周期频率为10MHz。从天线的辐射信号波形观察，可以发现在输入信号每一个电平变化的时刻处天线都会辐射出一个窄脉冲，这样辐射出来的窄脉冲串便携带了带传输二进制数据信息，可以实现数字信号的无线传输。

Claims

1.一种数馈超宽带天线，包括数字信号输入端口（1）、数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）、蝶形缝隙辐射单元（3）三个部件；三个部件采用共面波导串联而成；

所述数字信号输入端口（1）位于数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）的前端，采用SMA接头，用于数字信号的馈入；

所述数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）由耦合电路、谐振匹配电路、脉冲形成电路和脉冲整形电路构成；所述耦合电路由第一电容（C1）构成，第一电容（C1）串接于数字信号输入端口（1）与谐振匹配电路之间，其作用是将信号能量耦合至下一级；所述谐振匹配电路由第一电感（L1）、第二电容（C2）和第二电感（L2）构成，其作用是实现数字信号输入端口与窄脉冲形成电路之间的阻抗匹配；其中，第一电感（L1）与第二电容（C2）并联构成LC并联谐振电路，第二电感（L2）串接于LC并联谐振电路与脉冲形成电路之间；所述脉冲形成电路由一个阶跃恢复二极管构成：当正半周的激励电流到来时，阶跃恢复二极管处于导通状态，对地短路，下一级没有电压输入；当负半周电流到来时，阶跃恢复二极管持续导通一段时间后再截止，将在下一级输入一个上升沿很小的窄脉冲信号；所述脉冲整形电路由第三电感（L3）和肖特基二极管构成，其作用是抑制脉冲形成电路所产生过窄脉冲信号的脉冲拖尾；其中第三电感（L3）并联于窄脉冲形成电路与蝶形缝隙辐射单元（3）之间，而肖特基二极管串联于窄脉冲形成电路与蝶形缝隙辐射单元（3）之间；

所述蝶形缝隙辐射单元置于数驱SRD窄脉冲信号发生器（2）之后，用以辐射脉冲信号；蝶形缝隙辐射单元为超宽带平面天线结构，两辐射缝隙位于单面金属介质板上；两辐射缝隙的形状为蝶形，其中缝隙最宽处的上下两侧分别加载一个窄缝（15）；两个辐射缝隙顶点相对放置，采用共面波导馈电；馈电位置位于两顶点处，共面波导和辐射缝隙连接处采用渐变槽。