CN113314846B - 基于光携能控制的大功率可重构短波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，包括：光携能控制器，用于根据外部设备发送的控制指令驱动并调制多个发光二极管的亮灭时序，生成光携能信号，光携能信号通过光缆发送至多个开关机构；开关机构，用于根据接收的光携能信号控制相邻两个天线单元的导通或断开。本发明通过非电磁导通的光缆传输信号，有效避免了开关机构传输能量和信号时与短波天线产生的耦合干扰；能够实现远距离控制，同时开关机构具有调度保持功能。

Description

基于光携能控制的大功率可重构短波天线

技术领域

本发明属于可重构短波天线技术领域，涉及一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线。

背景技术

短波可通过天波和地波的方式传输，具有通信距离远、成本低等优点，被广泛应用于军用和民用领域。短波工作频率为3MHz~30MHz，频率范围宽，不同频段的天线尺寸相差较大，固定长度的天线只能解决某一频段的短波通信，无法实现宽频带传输需求。可重构天线根据使用需求改变天线有效长度，实现多频段切换通信的功能。

近年来，研究者提出多种可重构天线技术，其中频率重构的原理是通过开关器件改变天线振子连接关系和有效长度，从而重构天线的谐振频率。通常将天线振子分为若干单元，其间被可控的开关器件连接；当开关器件断开时，天线单元的链接被断开，减少了天线振子的长度，天线处于高频状态；当开关器件导通时，连接相邻天线单元，增加了天线振子的长度，天线工作于较低频段。

然而，短波天线具有频率低、机械尺寸大以及工作时天线发送功率高（kW级别）的特点，所以短波天线重构无法采用公知的基站天线所使用的重构方案，即通过控制低功率晶体管导通或者截止实现天线重构。大功率重构短波天线往往需要采用机械开关机构，才能持续在kW级大功率发射状态下工作。同时，开关机构还需要由远端的控制设备提供动作所需的电源和控制信号，以实现开关机构导通或断开操作。因此对大功率机械开关的馈电和控制是重构天线的难点之一，目前有两类技术途径：

第一类是通过有线方式的电信号控制开关机构。以金属导线或金属板作为传输介质，向开关机构传输能量及控制信号，例如发明专利天线装置、通信产品及天线方向图的重构方法，201910866772.6，20210312，和方向图可重构天线、重构方法及无线终端设备，201810179377.6，20180928等。该方式需要在天线附近铺设金属介质的控制电缆。金属电缆的存在，在天线附近的自由空间中引入了一个局部导体边界，一方面会破坏天线周围的电磁场分布，造成辐射方向图恶化、谐振频率偏差、异常反射等问题；另一方面天线大功率输出时，电磁波会在附近的金属导线中产生强烈的感应电流，以传导干扰的形式影响开关机构控制器的正常工作，其电磁防护相当困难。

第二类是通过非接触传能的方式控制开关机构，可以让金属媒质在一定程度上远离天线振子。例如发明专利基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信，201810187649.7，20180622。该技术可在重构天线中采用电磁耦合无线供电的方式，驱动机械开关，从而实现天线的频率重构，同时避免了金属电缆与开关器件的直接连接。然而短波天线的尺寸较大，常用无线供电的距离难以直接覆盖天线振子的长度，更无法在远距离下提供驱动大功率机械开关所需的能量。

总之，现有的技术无法应用在大功率、大尺寸的可重构短波天线中。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，通过非金属的光缆同时传输开关动作所需的能量和控制信号，有效避免了金属电缆与短波天线之间的耦合干扰；能够实现覆盖短波天线振子最大长度的远距离控制，同时开关机构具有状态保持功能，降低了维持天线状态所需能耗，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，包括：

光携能控制器，用于根据外部设备发送的控制指令驱动并调制多个发光二极管的亮灭时序，生成光携能信号，光携能信号通过光缆发送至多个开关机构；

开关机构，用于根据接收的光携能信号控制相邻两个天线单元的导通或断开。

进一步的，所述光携能控制器包括控制器电路，控制器电路用于根据控制指令控制对应晶体管导通；控制器电路通过多个晶体管分别与对应的发光二极管电路连接，发光二极管的光线汇聚后射入光缆中；电源模块为所有发光二极管供电，电源模块与每个发光二极管之间均连接有限流电阻，用于调节对应回路的电流。

进一步的，所述控制指令为串行数据时序。

进一步的，所述开关机构包括处理器，光缆输出光束扩散硅光电池组，硅光电池组用于将亮灭的光信号时序同步转换为电信号时序；硅光电池组的输出端分别连接储能电容和处理器，硅光电池组与处理器之间连接有第一调理电路，第一调理电路用于获取经光电转换后的电压中的电信号；硅光电池组与储能电容之间连接有直流转换器；直流转换器，用于把电压进行稳压并输出给储能电容进行储能；储能电容存储的能量经第二调理电路向处理器提供工作电压，同时向第三调理电路提供工作电压，第二调理电路用于将储能电容中的电压转换为满足处理器使用的工作电压；处理器通过第三调理电路与开关器件电性连接，第三调理电路用于将处理器输出的控制信号转换为驱动电平，控制开关器件导通或断开相邻两个天线单元。

进一步的，所述光携能控制器发送的光携能信号被所有的开关机构接收，光携能信号携带编码信息，编码信息包含开关机构的地址码和开关机构的控制指令，每个开关机构设置有唯一的地址码，开关机构接收信息后核对地址码与自身地址码是否一致，如果一致则执行控制指令，处理器根据电信号中控制指令控制开关器件的导通或断开；如果不一致，则开关机构不执行控制指令；通过一个光携能控制器对多个开关机构进行控制。

进一步的，所述硅光电池组进行光电转换时间为μs级。

进一步的，所述开关器件为磁保持继电器。

进一步的，所述处理器采用MSP430系列的低功耗微处理器。

进一步的，所述发光二极管安装于第一光学腔体内，光学镜安装于第一光学腔体内，发光二极管的光线通过光学镜汇聚后射入光缆中。

进一步的，所述开关机构包括用于安装光缆的中空管，光缆穿过中空管。

本发明的有益效果是：

1、开关机构工作所需的信号通过非电磁导通的光缆传输，通过光传输的方式控制和驱动大功率短波重构天线中的机械开关结构，能够有效避免使用传统金属电缆破坏短波天线周围的电磁场分布，减少对天线性能的影响。

2、控制发光二极管的亮灭表示编码的0和1，连续0和1能够组合成编码信息。该编码既包含开关机构地址，也包含开关机构的控制指令，当重构天线有多个开关机构时，设置每个开关结构具有唯一的地址码，因此能够基于单一控制设备发送不同地址码复合指令的方式控制天线中所有开关机构；即通过单一光源控制多个开关机构。

3、在开关机构中设有储能电路，能够在光信号传输功率有限的情况下保证开关机构的稳定工作，解决了光信号经光缆长距离传输后由于功率衰减无法直接驱动开关器件的情况。同时开关机构具有调度保持功能，能够在远端控制设备不发送光源并且微量储能电路的能量消耗完时保持当前的工作状态。

4、通过开关机构中的光电转换电路的调理，能够将光信号转换为可被处理器通信接口识别的电平信号，实现光信号直接与电子设备进行通信。

5、通过对天线单元和开关机构的模块化设计，能够根据使用需求，灵活拼接天线单元和开关机构，组成新型天线***，同时具有方便分离和拆装的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的结构框图。

图2是本发明实施例光携能控制可重构短波天线应用示例图。

图3是本发明实施例中光携能控制器的结构示意图。

图4是本发明实施例中光电转换电路的示意图。

图5是本发明实施例中光携能开关机构的结构框图。

图6是本发明实施例中光携能信号的通信时序。

图中，1.光携能控制器，2.光缆，3.开关机构，4. 天线单元，5.可重构短波天线，6.中空管，7.电源模块，8.控制器电路，9.光学镜，10.第一光学腔体，11.光束，12.光电转换板，13.直流转换器，14.储能电容，15.第一调理电路，16.处理器，17.第二调理电路，18.第三调理电路，19.磁保持继电器，20.第二光学腔体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

可重构短波天线具有功率大、天线振子的机械尺寸长的特点，开关机构3位于短波天线单元之间，如果采用电缆向开关机构3传输控制信号和工作电源，会使传输线缆与短波天线产生相互干扰，影响天线的性能。本发明突破传统设计框架，采用光携能通信的方式驱动和控制开关机构3，避免了对天线性能的影响。由于光信号通过光缆传输的功率有限，远小于电缆传输的功率，无法直接驱动开关机构中的元器件，本发明通过微量储能设备，在光通信过程中存储能量，驱动开关器件时瞬时释放，解决了光缆传输功率无法直接驱动开关机构的难题。同时当光携能控制器不发送光源时，微量储能设备可维持开关机构工作一段时间（秒级），避免了光信号（亮/灭）传输时开关机构掉电的情况。本发明在大功率短波天线重构机构中，以光作为能量和信号，并通过非金属介质（光缆）传输，从而实现对天线重构机构的驱动和控制。

本发明实施例一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，如图1-2所示，包括：

光携能控制器1，用于根据外部控制指令驱动发光二极管，同过调制发光二极管亮灭时序生成光携能信号，通过光缆2向各个开关机构3发送光携能信号；相邻两个天线单元4之间设有开关机构3，开关机构3包括用于安装光缆2的中空管6，光缆2穿过中空管6。由于发光二极管产生的可见光，通过光缆2传输到各个开关机构3的第一光学腔体10中，整个过程是光能量传输过程；同时，通过连续控制发光二极管的亮灭能够表示信息，所以光携能控制器1能够产生同时传输能量和信息的光携能信号。

光携能控制器1的结构如图3所示，包括控制器电路8，控制指令通过RS232通讯协议输入控制器电路8，控制器电路8分别通过晶体管与多个发光二极管电路连接，发光二极管安装于第一光学腔体10内，发光二极管的光线在第一光学腔体10内通过光学镜9汇聚，汇聚后的光射入光缆2中，电源模块7为所有发光二极管供电，电源模块7与每个发光二极管之间均连接有限流电阻，用于调节该回路的电流，不同功率发光二极管额定电流不同，电源模块7输出为标准电压（比如5V、12V等），电源模块7与外部工作电源连接。

控制器电路8包括RS232接口电路、处理器电路和控制指令驱动电路；其中RS232接口电路，用于电平转换，采用MAX3232芯片将控制指令的RS232电平信号转换为处理器电路的UART电平信号，是已知的电路；处理器电路采用微处理器为核心器件，实施例中以MSP430F149作为处理器，处理器的UART接口连接RS232接口电路的输出端，处理器的P1.0~P1.2接口连接晶体管，用于控制晶体管的导通。

实施例中晶体管采用NPN型三极管，型号为MJD127G，其作用是通过发光二极管控制电路P1.0~P1.2输出的控制指令（高电平/低电平）实现对三极管的导通或截止。当控制指令为高电平时，三极管导通，发光二极管开始发光；当控制指令为低电平时，三极管截止，发光二极管停止发光。由于发光二极管输出携能的光信号，因此额定功率较大，所以三极管需选用可通过大电流的器件。

开关机构3，用于接收光携能信号，并通过光电转换电路将光携能信号转换为两路电携能信号，电携能信号的时序与光携能信号时序相同；如图4所示，光电转换电路包括硅光电池组，硅光电池型号为BPW34S，采用串联方式构成硅光电池组，受到光束照射后，硅光电池组输出3.3V左右的电压，当光束消失后，硅光电池组输出0V。硅光电池组的输出电压直接发送给处理器16，处理器16采用微处理器MSP430F149，硅光电池组的输出电压发送至中微处理器MSP430F149的UART接口的RXD引脚。由于不需要公知的串口电平转换芯片进行转换，并且硅光电池进行光电转换时间非常短，μs（微秒）级，因此输出的电压信号与光信号是同步的，实现了光信号与处理器的直导通信。

如图5所示，光携能控制器1产生光携能信号，经光缆2传输到第二光学腔体20中，光缆2在第二光学腔体20中输出光束11，光束11照射在硅光电池上，硅光电池安装于光电转换板12上，第二光学腔体20用于将光缆2传输的光扩散到光电转换板12上，光覆盖的面积越大，光电转换板12转换的电能越高。通过光电转换电路转换后的高电平为+28V；其中一路电信号通过第一调理电路15产生工作电压，同时该电压信号经过调理电路处理后生成电信号，输入给处理器16；第一调理电路15作用是获取经光电转换板转换后的电压中获取电信号（信号中有高低电平）。具体地，经第一调理电路15处理后生成UART时序的电信号，高电平为3.3V，低电平为0V；将该信号输入给处理器16，处理器16根据信号中的控制信息输出开关器件的控制电平，使相邻于开关机构3的两个天线单元4短接或断开，实现可重构短波天线5。

另一路电携能信号通过开关机构3中的直流转换器13产生工作电压，输出给储能电容14，直流转换器13的作用是把电压进行稳压并输出给储能电容14进行储能；储能电容14存储的能量经第二调理电路17向处理器16提供工作电压，同时向第三调理电路18提供工作电压，储能电容14采用固态电容，能够在光信号消失时依然保持电压输出；第二调理电路17用于将储能电容14中的+28V电压转换为处理器16使用的3.3V工作电压，第三调理电路18是将处理器16输出的控制信号转换为驱动电平（该类型的开关器件常用的控制电平有5V、12V或28V）。当光携能信号中出现“灭”信息时，开关机构3仍然能够维持开关正常工作时间。当光携能控制器1停止发送光信号时，储能电容14的能量快速消耗完，磁保持继电器19仍能保持当前开/关状态，按照时序对光信号亮灭进行控制，实现通信编码。光电转换电路能将亮灭的光信号时序转换为电信号时序，该电信号可直接被处理器的通信接口（比如UART、I²C等）接收和识别。

开关机构3工作能量全部来自于光携能控制器1发送的光源，开关机构3采用磁保持继电器19作为开关器件，开关器件根据处理器16的控制电平切换开关状态，当开关器件处于开状态时，相邻的天线单元4连接，当开关器件处于关状态时，相邻的天线单元4断开。当光携能控制器1不输出光携能信号时，开关器件保持当前状态，开关机构3处于不工作状态，储能电容14所存储的能量能够快速耗光，开关机构3处于断电状态；这种状态下，开关机构3不会产生辐射影响天线的工作性能，同时天线单元4之间的电磁辐射也无法作用到开关机构3中，有效的保证了天线的性能指标。既能够维持开关机构在光信号传输时正常工作（LED灯灭时），还能够在无光信号的情况下快速耗光存储的能量，最大程度上降低开关机构对天线性能的影响。

第一调理电路15是电平转换电路，将光电转换电路输出的电信号的电平转换为处理器能够识别的UART。实施例采用的低功耗MSP430F149处理器，UART电平为coms电平。第二调理电路17是稳压电路，将储能电容输出电压稳定到处理器所需的工作电压。实施例采用的MSP430F149的工作电压为3.3V。第三调理电路18是电平转换电路，将处理器输出的电平转换为能够驱动磁保持继电器控制端的电平。实施例采用的继电器需要TTL电平，因此第三调理电路18的功能就是将控制器输出的coms电平转换为TTL电平。

由于光信号转换的电信号功率较低因此无法直接驱动开关机构3正常工作，直流转换器13能够对转换后的电信号进行稳压处理，并将稳压后的电能输出至储能电容14进行充电，充电过程中储能电容14的输出电压逐渐升高，当输出电压达到处理器16、第二调理电路17、第三调理电路18、磁保持继电器19最低工作电压时，处理器16、第二调理电路17、第三调理电路18、磁保持继电器19开始工作。一般情况下，储能电容14充饱电时，输出电压大于处理器16、第二调理电路17、第三调理电路18、磁保持继电器19最低工作电压。因此，当光束11存在的情况下，储能电容14处于一边充电一边放电的状态；当光束11消失时，储能电容14会处于放电状态，当输出电压小于处理器16、第二调理电路17、第三调理电路18、磁保持继电器19最低工作电压时，开关机构停止工作。所以当光束11消失时，储能电容14放电时间为秒级，能够快速耗光所存储的能量，使开关机构3停止工作，避免开关机构3工作时产生的电磁场对天线性能的影响。通过光信号携带能量可为***中各个开关机构提供工作所需的能源，能够实现能量和信号同步传输的作用。当***不传输光携能信号时，开关机构3能够快速掉电，并且保持当前开/关状态，减少上电工作时对天线的干扰。

外部的光携能控制器1只有一个光源，光源发送的信号可被所有的开关机构3所接收，光携能控制器1通过光缆2向多个开关机构3发送光携能信号，光携能信号携带编码信息，编码信息包含开关机构3的地址码和开关机构3的控制指令，每个开关机构3中的处理器16根据信号中的地址码和控制指令控制开关的导通或关断操作，开关机构3接收到信号后会核对地址码是否与本机构一致，如果一致则执行控制指令，如果不一致，则开关机构不响应光信息所携带的指令，实现一个光源对多个开关机构3的控制功能。

开关机构3中的处理器16采用MSP430系列的低功耗微处理器，保持性开关采用额定电流较大的磁保持继电器19。当天线有重构需求时，外部设备（如控制计算机或电调设备）向光携能控制器1发送控制指令；光携能控制器1根据接收到的指令，按照UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitte）串行数据时序控制LED灯组（发送光照强度高）的亮灭，信号的时序见图6；光携能控制器1发送的光携能信号通过光缆2传输给各个开关机构3。

一些实施例中，外部设备为控制计算机，控制计算机与光携能控制器1相连，控制计算机根据***要求（比如重构XXMHz的天线）向光携能控制器1的RS232接口发送指令（控制接口协议按照***要求制定），然后光携能控制器1根据指令控制对应的开关机构3。

一些实施例中，外部设备为天线***中的电调设备（连接天线的设备），电调设备内部集成了可以控制本发明的计算机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，包括：

光携能控制器（1），用于根据外部设备发送的控制指令驱动并调制多个发光二极管的亮灭时序，生成光携能信号，光携能信号通过光缆（2）发送至多个开关机构（3）；

开关机构（3），用于根据接收的光携能信号控制相邻两个天线单元（4）的导通或断开；

所述开关机构（3）包括硅光电池组，所述光缆（2）输出光束（11）扩散硅光电池组，硅光电池组用于将亮灭的光信号时序同步转换为电信号时序；硅光电池组的输出端分别连接储能电容（14）和处理器（16），硅光电池组与处理器（16）之间连接有第一调理电路（15），第一调理电路（15）用于获取经光电转换后的电压中的电信号；硅光电池组与储能电容（14）之间连接有直流转换器（13）；直流转换器（13）用于把电压进行稳压并输出给储能电容（14）进行储能；储能电容（14）用于把存储的能量经第二调理电路（17）向处理器（16）提供工作电压，同时向第三调理电路（18）提供工作电压；第二调理电路（17）用于将储能电容（14）中的电压转换为满足处理器（16）使用的工作电压；处理器（16）通过第三调理电路（18）与开关器件电性连接，第三调理电路（18）用于将处理器（16）输出的控制信号转换为驱动电平，控制开关器件导通或断开相邻两个天线单元（4）。

2.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述光携能控制器（1）包括：

控制器电路（8），用于根据控制指令控制对应晶体管导通，并通过多个晶体管分别与对应的发光二极管电路连接，发光二极管的光线汇聚后射入光缆（2）；

电源模块（7），用于为所有发光二极管供电，所述电源模块（7）与每个发光二极管之间均连接有用于调节对应回路电流的限流电阻。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述控制指令为串行数据时序。

4.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述光携能信号携带编码信息，编码信息包含开关机构（3）的地址码和开关机构（3）的控制指令，每个开关机构（3）设置有唯一的地址码；所述开关机构（3）接收信息后核对地址码与自身地址码是否一致，如果一致则执行控制指令；所述处理器（16）根据电信号中控制指令控制开关器件的导通或断开；如果不一致，则开关机构（3）不执行控制指令；通过一个光携能控制器（1）对多个开关机构（3）进行控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述硅光电池组进行光电转换时间为μs级。

6.根据权利要求4所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述开关器件为磁保持继电器（19）。

7.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述处理器（16）采用MSP430系列的低功耗微处理器。

8.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述发光二极管安装于第一光学腔体（10）内，光学镜（9）安装于第一光学腔体（10）内，发光二极管的光线通过光学镜（9）汇聚后射入光缆（2）中。

9.根据权利要求1所述的一种基于光携能控制的大功率可重构短波天线，其特征在于，所述开关机构（3）包括用于安装光缆（2）的中空管（6），光缆（2）穿过中空管（6）。

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