一种超宽带能量选择天线

1.本技术涉及天线技术领域，特别是涉及一种超宽带能量选择天线。


背景技术：

2.随着高强度辐射场的威胁日益严峻，如何实现对电子系统的保护同时保持其正常工作引起了学者的广泛关注。天线作为各种射频和微波系统的前门，是实现将自由空间中电磁场转换到微波电路中导行波的主要通道。高强度辐射场入射经过前门耦合，很可能产生浪涌电压和电流，因此与天线相关的电子系统极易受到损伤甚至摧毁。
3.目前针对高强度辐射场的防护手段主要有：能量选择表面、大功率限幅器以及能量选择天线。
4.然而，现有技术防护手段在工作频段上十分有限，大多集中在一个波段，带宽仅为0.1ghz左右，无法满足高频段多频段电子系统的防护需求。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超宽带能量选择天线，能够在超宽带的范围内提供良好的工作性能，同时在此基础上可以实现在整个频段范围内良好的防护效果。
6.一种超宽带能量选择天线，包括：介质基板、设在所述介质基板顶部的第一金属层以及设在所述介质基板底部的第二金属层；
7.所述第一金属层与所述第二金属层形成对拓天线；
8.所述第一金属层的中部具有线形的第一加载段，所述第二金属层的中部具有线形的第二加载段；
9.所述第一加载段上设有第一排线，所述第二加载段上设有与所述第一排线对应的第二排线，且所述第二排线位于对应所述第一排线的正下方；
10.所述第一排线上设有二极管a，所述第二排线上设有与所述二极管a对应的二极管b，所述二极管a与所述二极管b的方向相反；
11.所述第一排线上靠近二极管a的一端与对应所述第二排线上靠近二极管b的一端电连接。
12.在一个实施例中，所述第一排线关于天线的竖直中心线垂直等分；
13.所述第一排线上对称设有两个方向相反的二极管a。
14.在一个实施例中，当所述第一排线的数量为3个以上时，相邻两条第一排线的距离相等。
15.在一个实施例中，所述第一排线的数量为4至8条。
16.在一个实施例中，所述第一加载段与所述第二加载段重合的部分形成过渡结构；
17.所述第一排线的长度小于或等于所述过渡结构宽度的五倍。
18.在一个实施例中，所述第一排线的宽度范围是0.15mm至1mm。
19.在一个实施例中，所述第二加载段上对应所述过渡结构的部分为第二过渡段；
20.所述第二金属层包括：第二巴伦，所述第二巴伦的顶部与所述第二过渡段的底部相连；
21.所述第二巴伦为矩形结构，且所述第二巴伦上靠近所述第二过渡段的位置设有对称的弧形切槽。
22.在一个实施例中，所述弧形切槽的圆心设在所述介质基板边缘且与所述第二过渡段底部高度一致的位置，所述弧形切槽的半径为所述过渡结构宽度的20至25倍。
23.在一个实施例中，所述第一加载段上对应所述过渡结构的部分为第一过渡段；
24.所述第一金属层包括：第一巴伦，所述第一巴伦的顶部与所述第一过渡段的底部相连；
25.所述第一巴伦为塔式结构。
26.在一个实施例中，所述介质基板上与所述第一排线两端对应且不与所述第一金属层重合的位置设有垂直贯穿所述介质基板的通孔，孔壁上设有金属层。
27.上述超宽带能量选择天线，在对拓天线上设置了线形的第一加载段和线形的第二加载段，形成了弱电场，在第一加载段和第二加载段上分别设置了第一排线和第二排线，并在第一排线和第二排线上分别设置了二极管a和二极管b，并利用二极管在正常电磁波信号入射时断开而在高强度电磁波信号入射时导通的特性，从而实现了天线超宽带的防护效果，同时减弱了对原来天线性能的影响；本技术将二极管设置在线形的第一加载段以及线形的第二加载段形成的10000-20000v/m相对较弱的电场中，在很大程度上避免了由于二极管加载而引入的寄生参数对高频性能的影响，避免了匹配效果的变差，从而在不减弱原来天线性能的基础上实现了超宽带(4-16ghz，c频段、x频段以及ku频段)的防护效果。
附图说明
28.图1为一个实施例中超宽带能量选择天线的立体示意图；
29.图2为一个实施例中超宽带能量选择天线的细节示意图；
30.图3为一个实施例中超宽带能量选择天线的细节示意图；
31.图4为一个实施例中超宽带能量选择天线的等效电路模型图；
32.图5为一个实施例中超宽带能量选择天线在工作状态和防护状态时增益曲线图以及屏蔽效能曲线图；
33.图6为一个实施例中超宽带能量选择天线在正常工作和防护两种状态下的反射系数图；
34.图7为一个实施例中超宽带能量选择天线在4ghz频点下的e面和h面方向图，图7(a)为e面，图7(b)为h面；
35.图8为一个实施例中超宽带能量选择天线在8ghz频点下的e面和h面方向图，图8(a)为e面，图8(b)为h面；
36.图9为一个实施例中超宽带能量选择天线在12ghz频点下的e面和h面方向图，图9(a)为e面，图9(b)为h面；
37.图10为一个实施例中超宽带能量选择天线在16ghz频点下的e面和h面方向图，图10(a)为e面，图10(b)为h面。
38.附图标记：
39.1第一金属层，11第一辐射结构，12第一过渡段，13第一巴伦，14第一排线，15二极管a；
40.2第二金属层，21第二辐射结构，22第二过渡段，23第二巴伦，24第二排线，25二极管b；
41.3介质基板，31馈电端口，32金属过孔；
42.x长度方向，y宽度方向，z高度方向。
具体实施方式
43.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
44.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
45.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
46.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
47.另外，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
48.本技术提供了一种超宽带能量选择天线，如图1至图3所示，在一个实施例中，包括：介质基板3、设在介质基板3顶部的第一金属层1以及设在介质基板3底部的第二金属层2。
49.需要说明：介质基板一般为矩形的板状结构，具体可以选择f4bk225，以馈电端口中心所在方向为天线的长度方向x(竖直方向)，以馈电端口截面所在的方向为天线的宽度方向y，以板状结构的厚度方向为天线的高度方向z。
50.第一金属层1包括：依次相连的第一辐射结构11、第一过渡段12以及第一巴伦13，也就是说，第一过渡段12的顶部与第一辐射结构11的底部相连，第一过渡段12的底部与第一巴伦13的顶部相连；第二金属层2包括：依次相连的第二辐射结构21、第二过渡段22以及第二巴伦23，也就是说，第二过渡段22的顶部与第二辐射结构21的底部相连，第二过渡段22的底部与第二巴伦23的顶部相连。
51.第一辐射结构11与第二辐射结构21的尺寸和形状完全相同但方向相反，第一过渡段12与第二过渡段22在垂直方向上重合，第一巴伦13以及第二巴伦23均关于天线的竖直中心线呈轴对称结构，以使第一金属层1与第二金属层2形成对拓天线。
52.本技术不限制第一辐射结构11与第二辐射结构21的具体形状和尺寸，可以根据实际情况进行具体设计，或者采用现有技术中的结构。
53.第一过渡段12与第二过渡段22为沿天线长度方向的矩形结构。
54.第一巴伦13的底部和第二巴伦23的底部均与馈电端口31相连，其中，馈电端口31可以使用sma接头，第一巴伦13与sma接头的内导体相连，第二巴伦23与sma接头的外导体相连。
55.第一金属层1的中部具有线形的第一加载段，第二金属层2的中部具有线形的第二加载段。第一加载段和第二加载段均沿天线的长度方向设置，具体的，第一辐射结构11的底部、第一过渡段12以及第一巴伦13的顶部形成线形的第一加载段，第二辐射结构21的底部、第二过渡段22以及第二巴伦23的顶部形成线形的第二加载段。
56.第一加载段上设有第一排线14，第二加载段上设有与第一排线14对应的第二排线24，且第二排线24位于对应第一排线14的正下方。
57.第一排线14上设有二极管a，第二排线24上设有与二极管a对应的二极管b，二极管a与二极管b的方向相反，具体可以采用pin二极管。
58.需要说明，第一排线14与第二排线24的位置、形状、尺寸以及二极管(包括二极管的数量和二极管的位置)均是一一对应的。二极管a设在第一排线上与第一金属层不存在重合的位置，二极管b设在第二排线上与第二金属层不存在重合的位置。
59.第一排线上靠近二极管a的一端与对应第二排线上靠近二极管b的一端电连接。
60.优选地，介质基板上与第一排线两端对应且不与第一金属层重合的位置设有垂直贯穿介质基板的通孔，孔壁上设有金属层，以形成金属过孔32。
61.本实施例的工作过程为：当正常电磁波信号入射天线时，二极管a处于断开状态，等效为一个并联的小电容，能量选择天线与自由空间阻抗匹配，天线阻抗不受影响，从而能够正常接收信号，接收的信号由馈电端口进入第一金属层，并沿着第一加载段到达第一辐射结构并扩散到周围空气中，天线实现正常工作；当高强度辐射场电磁波信号入射天线时，二极管a处于导通状态，等效为一个并联的小电阻，能量选择天线与自由空间阻抗失配，天线阻抗急剧下降趋于零，接收的信号由馈电端口进入第一金属层，沿着第一加载段到达二极管a，经过二极管a、二极管b后，沿着第二加载段返回馈电端口，从而反射高强度辐射场，仅有极少信号沿着第一加载段到达第一辐射结构并扩散到周围空气中，天线实现防护功能。
62.上述超宽带能量选择天线，在对拓天线上设置了线形的第一加载段和线形的第二加载段，形成了弱电场，在第一加载段和第二加载段上分别设置了第一排线和第二排线，并在第一排线和第二排线上分别设置了二极管a和二极管b，并利用二极管在正常电磁波信号入射时断开而在高强度电磁波信号入射时导通的特性，能够根据电磁环境的变化自适应改变自身工作状态，使正常信号可以无阻碍通过天线传输而高强度辐射场无法经过天线进入电子系统，从而实现了天线超宽带的防护效果，扩展防护频段，提高防护能力，对频率在通带内的强电磁脉冲进行有效防护，同时减弱了对原来天线性能的影响，降低了由于二极管
集成导致的额外插损，保持了天线的超宽带辐射性能，具备对没有防护能力的超宽带天线原位替换的潜力；本技术将二极管设置在线形的第一加载段以及线形的第二加载段形成的10000-20000v/m相对较弱的电场中，在很大程度上避免了由于二极管加载而引入的寄生参数对高频性能的影响，避免了匹配效果的变差，从而在不减弱原来天线性能的基础上实现了超宽带(4-16ghz，工作频段涵盖了c频段、x频段以及ku频段)的防护效果，拓展了天线的应用场景。此外，本技术将高强度辐射场防护功能集成于天线设计中，有效减小了成本和尺寸，并具有高度的设计灵活性和极低的性能影响，同时由于加载二极管带来的电容参数影响，使得整体的等效电容增大，这就使得达到原有谐振效果的电感减小，因此加载二极管能够进一步减小天线的尺寸，使得天线进一步小型化，进一步降低了天线的成本以及防护成本。
63.优选地，第一排线14关于天线的竖直中心线垂直等分；第一排线14上对称设有两个方向相反的二极管a。也就是说，第一排线14以及第一排线14上的两个二极管a均关于天线的竖直中心线对称，第二排线24以及第二排线24上的两个二极管b也均关于天线的竖直中心线对称。需要说明，位于天线竖直中心线同一侧的二极管a的方向相同，位于天线竖直中心线同一侧的二极管b的方向也相同。
64.上述设置可以使第一加载段以及第二加载段上的电流均匀分布，从而减弱了对原来天线性能的影响。
65.进一步优选地，当第一排线14的数量为3个以上时，相邻两条第一排线的距离相等，对应的，第二排线24的数量也为3个以上，相邻两条第二排线的距离也相等，以使第一加载段以及第二加载段上的电流进一步均匀分布，从而进一步减弱对原来天线性能的影响，避免了由于二极管加载而引入的寄生参数对超宽带的影响，进一步增强了超宽带的防护效果。
66.在一个实施例中，第一排线14的数量为4至8条，也就是说，第二排线24的数量也为4至8条，同时，二极管a以及二极管b的数量均为4至8对。
67.上述设置既可以保证在正常电磁波信号入射时的天线性能，又可以保证在高强度电磁波信号入射时的防护效果。
68.在一个实施例中，第一加载段与第二加载段重合的部分形成过渡结构；第一排线14的长度小于或等于过渡结构宽度的五倍，第二排线24与第一排线14的长度相等。
69.上述设置可以增强天线方向图的方向性，保证良好的反射系数，并实现全频段(c频段、x频段以及ku频段)大于15db的防护效果。
70.在一个实施例中，以第一排线沿天线竖直中心线的方向为第一排线的宽度方向，第一排线14的宽度范围是0.15mm至1mm，第二排线24与第一排线14的宽度相等。
71.上述设置可以给电路带来相对大电感，从而减小对二极管电容的需求，这就使得实现整个频段防护性能和正常工作性能兼容更为容易。同时根据现有pcb加工精度，其尺寸无法无限度减小，而过宽的排线会和二极管原有参数形成不必要的谐振，从而减低带宽，也使得防护效果变差，本技术的设置能够进一步提升工作性能和防护性能。
72.在一个实施例中，第一加载段上对应过渡结构的部分为第一过渡段12；第一巴伦13为塔式结构。具体的，第一巴伦是渐变巴伦阻抗匹配调谐器，包括若干矩形结构的金属贴片，各矩形贴片沿天线的长度方向呈直线结构依次首尾相连，以靠近馈电端口的矩形贴片
为前方，以天线的宽度方向为矩形贴片的宽度方向，前一矩形贴片的宽度大于相邻的后一矩形贴片的宽度。
73.第二加载段上对应过渡结构的部分为第二过渡段22；第二巴伦23为矩形结构，且第二巴伦上靠近第二过渡段的位置设有对称的弧形切槽。
74.上述设置保证了第二加载段的线形结构，使第二排线以及二极管b的加载成为可能，同时排线的加载带来的等效电感电容参数可以和窄的结构组合，其效果等效为现有的宽结构的巴伦，从而实现了天线超宽带的防护效果，这使得整个能量选择天线在正常工作时实现了超宽带，同时窄的巴伦为加载二极管提供更多可能，增加了在整个频段效果内的防护效果。
75.优选地，弧形切槽的圆心设在介质基板边缘且与第二过渡段底部高度一致的位置，弧形切槽的半径为过渡结构宽度的20至25倍。
76.上述设置保证了天线在正常电磁波信号入射时能够满足4-16ghz的超宽带性能，又保证了天线在高强度电磁波信号入射时能够满足全频段(c频段、x频段以及ku频段)大于15db的防护效果，应用背景多，适用范围广；随着科技的发展，如果二极管性能、第一排线以及第二排线可以突破现在技术的限制，本技术可以将超宽带防护范围拓展到0-30ghz的范围。
77.如图4所示，为深入研究超宽带能量选择天线的工作机理，本技术提出了一个等效电路模型。其中zr为未引入二极管时天线等效阻抗，引入的二极管等效为一个与天线并联的二极管，二者结合成为能量选择天线。当正常信号入射时，二极管处于断开状态，可以等效为一个并联小电容c
off
，此时能量选择天线与自由空间阻抗匹配从而能够正常接收信号；当高强度辐射场入射时，二极管导通，可以等效为一个并联小电阻r
on
，此时能量选择天线与自由空间阻抗失配从而反射高强度辐射场。
78.如图5所示，对本技术的超宽带能量选择天线进行增益仿真。图中箭头指示了纵坐标。该仿真证实了本发明可以在超宽带(c波段、x波段以及ka波段)范围内明显抑制在高强度辐射场辐照下超宽带能量选择天线的增益，从而实现良好的防护功能。
79.如图6所示，对本技术的超宽带能量选择天线进行s参数仿真。当超宽带能量选择天线正常工作时，其反射系数在c波段、x波段以及ka波段一直小于-14db，说明超宽带能量选择天线的驻波比特性良好，能够很好地满足正常工作要求；当超宽带能量选择天线处于防护状态时，其整个频段内的反射系数趋于0db，也就是说高强度辐射场被反射。该仿真证实了本设计可以在超宽频率范围(c波段、x波段以及ka波段)内实现对高强度辐射场的有效防护，同时可以保证天线的正常性能不受影响。
80.如图7至图10所示，对本技术的超宽带能量选择天线进行方向图仿真。图中实线表示该天线正常工作状态的方向图，虚线表示其防护状态下的方向图。从图中所示的仿真结果可以发现，在高强度电磁辐射场入射时，超宽带能量选择天线的方向图增益明显减小，从而实现高强度电磁辐射防护功能。
81.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
82.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。