一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统及控制方法与流程

[0001]
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统及控制方法。


背景技术：

[0002]
微波输能，采用微波能量经过自由空间进行能量传输，然后将其转换成直流能量，其中，整流天线是微波输能系统中的重要器件之一。目前，单一模式的整流天线应用场合比较单一，已不能满足用户的需求。因此，整流天线已向多模式，小型化发展。由d.schaubert提出的可重构技术，即采用一个天线结构实现多个天线的功能，使天线实现了小型化和多模式。可重构天线有以下几种类型：频率可重构、极化可重构以及方向图可重构天线。其中，方向图可重构或极化可重构天线通过切换寄生贴片上开关的状态，控制天线不同的辐射特性(如波束方向或极化方式)，使天线在高增益下接收不同方向的来波或减少极化损失，提高自由空间传输效率；频率可重构天线通过控制天线上的可控器件状态，使天线在不同的工作频率下都能较好的工作。而整流电路将天线接收到的电磁波能量转换成直流电能，提供给负载。因此，将可重构技术引入到整流天线中，整流天线可多模式工作，灵活地接收周围空间中的不同频率、方向或极化的电磁来波，并由整流电路转换为直流，为电子设备提供电能。
[0003]
而在多个发射天线的微波输能系统，往往空间中电磁波束的来波方向、接收天线的最佳工作频率、极化方式未知，方向图、频率、极化可重构整流天线可成为探测并接收未知来波方向、选择频率与极化方式的可行方案之一。通过控制开关的状态使得接收天线工作在最佳状态下，接收来波射频能量，并将其转换为直流能量。为了灵活地控制开关状态，需要一种自适应地来波检测与模式选择微处理器系统，它可以实时控制整流天线上开关状态，接收周围空间的来波能量。通过比较直流能量大小，检测并确定天线的工作模式，使整流天线可以输出最高直流功率。
[0004]
文献“杨雪霞,梅欢,朱戈亮.双极化方向回溯整流天线阵列设计与实验[j].电波科学学报,2018,33(4):380-386.doi:10.13443/j.cjors.2018071801.”公开了一种由双极化方向回溯vanatta天线阵和差分整流电路组成的方向回溯整流天线阵,它能够避免接收波束未对准和收发天线极化失配而造成整流天线转换效率的急剧下降,使整流天线在宽入射角和任意极化时仍能保持稳定的直流输出。虽然它可以自动控制波束扫描方向，但其波束方向扫描角度有限，不能实现全向扫描。
[0005]
文献“东晋雯,任晓飞,何绍林,李相众。一种基于afss的可重构天线设计[j/ol].电波科学学报:1-8[2020-05-12].”公开了一种基于有源频率选择表面(activefrequencyselectivesurface,afss)的可重构天线。afss能够在3.4-3.6ghz、4.8-5.0ghz两个频段互为反射模式和透射模式，通过控制pin二极管的开关状态来控制这两种模式，从而对全向馈源天线激励的电磁波进行调控，在不同频段下具有不同工作模式(反射或透射模式)，从而天线可实现波束动态扫描，在以上两个频段分别实现了全向\定向波束
切换和波束360
°
扫描功能。但是，需要人为地控制直流电源的偏置电压来控制开关的状态，不能实现自适应控制开关状态。


技术实现要素：

[0006]
针对上述问题，本发明提供一种基于微处理器的模式选择控制可重构整流天线系统,可重构整流天线(方向图、频率、极化可重构天线)具有不同波束朝向(可全向扫描)、工作频率或极化方式的工作模式，在不同工作模式下接收微波能量，并通过整流电路将其转换为直流能量。通过微处理器系统控制可重构整流天线贴片上开关的状态，智能切换天线不同的工作模式。
[0007]
本发明采用下述的技术方案：
[0008]
一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统，其特征在于，包括整流天线系统和微处理器系统，所述整流天线系统包括接收天线和整流电路；
[0009]
所述微处理器系统与整流电路和接收天线相连；
[0010]
所述接收天线为可重构整流天线；
[0011]
所述微处理器系统控制整流天线系统的工作模式；
[0012]
根据接收天线的类型，微处理器系统通过比较接收天线在各个来波方向、工作频带或者极化方式下经整流电路整流后得到的电压幅值，判断和确定整流天线最佳工作模式，微处理器控制开关的工作状态，使整流天线系统输出最高直流功率。
[0013]
优选的，所述微处理器系统包括微处理器，与微处理器相连的下拉电阻，还包括与微处理器相连的oled液晶显示屏。
[0014]
优选的，所述可重构整流天线为方向图可重构整流天线，频率可重构整流天线或极化可重构整流天线中的一种。
[0015]
优选的，所述接收天线包括一个主辐射贴片和分布在主辐射贴片四周的寄生贴片，所述寄生贴片上设有开关。
[0016]
优选的，所述整流电路包括倒l形微带线，复阻抗压缩网络电路和两个次级整流电路，所述复阻抗压缩网络电路与其中一个次级整流电路串联后与另一个次级整流电路并联，并联后再与倒l形微带线串联。
[0017]
优选的，所述复阻抗压缩网络为π型微带枝节。
[0018]
优选的，所述次级整流电路包括串联的电容c和直通滤波器，所述电容c与直通滤波器之间设有并联的二极管，所述二极管与微带线l串联，所述微带线l远离二极管的一端接地。
[0019]
一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统的控制方法，包括以下步骤：
[0020]
a1、依次闭合寄生贴片上的开关，根据可重构整流天线的类型，检测自由空间中来波的电磁参数，将检测到的射频能量经整流电路整流输出的电压幅值与设定好的阈值电压幅值进行预判断；
[0021]
a2、微处理器系统对整流天线系统各个模式整流输出后的电压幅值进行比较，保留最大电压幅值的开关状态；
[0022]
a3、将步骤a2中检测到的来波能量最大值所对应的整流天线系统开关状态，利用以下公式：
[0023]
f＝f
n
×
10
(n-1)
+f
n-1
×
10
(n-2)
+f
n-2
×
10
(n-3)
+f
n-3
×
10
(n-4)
+......
[0024]
设置为n位二进制数串，得到控制量；
[0025]
式中，f
n
表示第n个开关所对应的寄生贴片判断后输出的开关状态值，分别为断开0,闭合1；且f下标大于等于1；n表示寄生贴片的数量，n为正整数；
[0026]
a4、根据不同的控制量，确定整流天线系统的工作模式，并将工作模式显示到oled液晶显示屏上，微处理器系统自适应地闭合对应寄生贴片上的开关，并转换为直流能量供给给负载。
[0027]
优选的，所述电磁参数包括工作频带，极化方式和波束方向。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
本发明通过比较整流天线在各个来波方向、不同工作频带或者不同极化方式下得到的直流能量大小，自适应地判断和确定天线的最佳工作模式，最终根据来波的特性，微处理器控制开关状态，可重构整流天线接收未知来波能量并转换为直流能量供给负载。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
[0031]
图1为本发明的结构示意图；
[0032]
图2为本发明可重构整流天线的结构示意图；
[0033]
图3为本发明方向图可重构整流天线在mode1模式下波束方向示意图；
[0034]
图4为本发明方向图可重构整流天线在mode2模式下波束方向示意图；
[0035]
图5为本发明方向图可重构整流天线在mode3模式下波束方向示意图；
[0036]
图6为本发明整流电路结构示意图；
[0037]
图7为本发明微处理器及下拉电阻的结构示意图；
[0038]
图8为本发明微处理器的编码流程示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
[0040]
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统,包括整流天线系统和微处理器系统，所述整流天线系统包括接收天线和整流电路；
[0044]
所述接收天线为方向图可重构整流天线。
[0045]
如图2所示，所述接收天线包括一个圆形贴片和分布在圆形贴片四周的四个寄生贴片；所述四个寄生贴片上分别设有开关s1,开关s2,开关s3,开关s4；整流天线系统根据开关的不同状态工作在不同模式下，因寄生贴片的引向性和发射性，整流天线系统可实现全向辐射模式和宽波束全方向扫描模式，可以接收空间中来自不同方向的来波能量。
[0046]
如图6所示，所述整流电路包括倒l形微带线，复阻抗压缩网络(cicn)电路和两个次级整流电路，所述复阻抗压缩网络(cicn)电路与其中一个次级整流电路串联后与另一个次级整流电路并联，并联后再与倒l形微带线串联。
[0047]
所述倒l形微带线包括微带线l1和微带线l2，所述微带线l2的一端与接收天线的输出端相连，另一端连接在复阻抗压缩网络(cicn)电路和次级整流电路的输入端，所述微带线l1设置在微带线l2左端；
[0048]
所述复阻抗压缩网络(cicn)电路为π型微带枝节。
[0049]
所述次级整流电路包括串联的电容c和直通滤波器，所述电容c与直通滤波器之间设有并联的二极管，所述二极管与微带线l串联连接，所述微带线l远离二极管的一端接地，所述直通滤波器的型号为hsms2850；
[0050]
所述微处理器系统与整流电路和接收天线相连；
[0051]
微处理器系统通过比较整流天线系统在各个来波方向得到的直流能量大小，从而判断并确定接收天线的最佳工作模式，控制相应寄生贴片上的开关状态，确保整流天线系统接收自由空间能量并输出最高直流功率；
[0052]
如图7所示，所述微处理器系统包括微处理器，oled液晶显示屏，与微处理器相连的下拉电阻，所述微处理器型号为ht66f0185；
[0053]
所述下拉电阻为微处理器pb3，pb4，pc1，pc2引脚上分别设有的电阻r1，电阻r2，电阻r3，电阻r4；微处理器引脚输出电压为3.3v左右，通过下拉电阻将电压降低到1.0v，避免电压过大而击穿开关，以更好地控制开关的状态。
[0054]
所述电阻r3，电阻r4分别连接开关s1，开关s2；所述电阻r1，电阻r2分别连接开关s4，开关s3；
[0055]
微处理器通过引脚pb3，pb4，pc1，pc2连接开关s1，开关s2，开关s3，开关s4，控制寄生贴片的开关状态，从而切换接收天线不同的工作模式，使整流天线系统工作在最佳工作模式下；
[0056]
微处理器的引脚pa3连接整流电路的输出端，整流电路的输入端连接接收天线的输出端；
[0057]
所述oled液晶显示屏连接微处理器的引脚pc3，pc4、pc5、pc6。
[0058]
一种基于微处理器控制的可重构整流天线系统的控制方法，针对方向图可重构整流天线，包括以下步骤：
[0059]
1、依次检测整流天线系统周围各个方向的来波能量，将检测到的射频能量经整流电路整流后输出的直流电压幅值与设定好的阈值电压进行预判断；由于自由空间中来波方向是未知的，且整流天线系统在不同模式下的增益在各个方向是不同的，所以接收到来波能量大小不同，整流电路输出的电压大小也不同。为了避免由于整流天线系统旁瓣而引起接收天线输出微小直流电压/电流对来波方向进行错误判断，所以在微处理器内部会设定
阈值，所述阈值根据弗林斯传输公式以及整流效率计算得出：
[0060]
所述弗林斯传输公式：
[0061][0062]
p
r
：接收天线的接收功率；(待求量)
[0063]
p
t
：发射天线的发射功率；
[0064]
g
t
：发射天线在接收天线接收方向上的增益；
[0065]
由于360
°
全向扫描，不可避免地在不同模式工作产生的主波束会有重叠部分，g
r
为两个相邻主波束相交点的增益大小与3db主波束宽度处增益的最大值；
[0066]
λ：天线的工作波长；
[0067]
r：收发天线的距离；
[0068][0069]
v：所求阈值电压；
[0070]
r
l
：整流电路负载电阻值；
[0071]
微处理器比较和判断整流天线系统接收并转换后输出的直流能量与阈值之间的大小，当输出电压大于阈值时，判定接收到的电磁波足够大且有效，否则忽略不计。
[0072]
2、保留上述步骤中从各个方向探测到的来波能量最大值所对应的整流天线系统开关状态，开关状态用0,1表示。1表示开关闭合，0表示开关断开；
[0073]
具体的，
[0074]
依次关闭每个开关s1，s2，s3和s4，检测接收天线坐标轴方向的来波能量；
[0075]
依次关闭相邻开关状态，检测整流天线系统坐标轴对角线方向的来波能量；利用公式计算得到控制量：
[0076]
f＝f4×
1000+f3×
100+f2×
10+f1[0077]
式中，f1,f2,f3,f4分别表示开关s4,开关s3,开关s2,开关s1所对应的寄生贴片判断后输出的开关状态值；若来波能量检测完毕后，发现整流电路整流后输出的电压幅值相同，此时开关全闭合或断开状态，f1,f2,f3,f4都为1或0。
[0078]
3、根据控制量f，可确定整流天线系统最终的最佳工作模式及判断出来波方向，微处理器系统开启对应的寄生贴片上的开关，整流天线系统接收来波能量并转换为直流供给给负载；
[0079]
由于接收天线上有4个开关，所以在微处理器系统内部设定了一个四位二进制数串，每一位代表相应开关的状态，开关的开合状态不同，则整流天线系统的工作模式也不同。按照这个原理，将判断后的结果设置为这样的四位二进制数串，得到控制量。将控制量输出到整流天线系统以控制相应位置开关的开合，同时将其输出给oled液晶显示屏；
[0080]
具体的
[0081]
如表1所示：
[0082][0083][0084]
表1二进制数字串与模式的对应关系表
[0085]
3、当f为1000，0100，0010，0001时，接收天线分别工作于对应的定向模式mode1.1、mode1.2、mode1.3、mode1.4状态下，其对应的主瓣波束指向分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
，微处理器系统自适应地开启对应寄生贴片上的开关，并转换为直流供给给负载；
[0086]
4、当f为1100，0110，0011，1001时，接收天线分别工作于对应的定向模式mode2.1、mode2.2、mode2.3、mode2.4状态下，其对应的主瓣波束指向分别为45
°
、135
°
、225
°
、315
°
，微处理器系统自适应地开启对应寄生贴片上的开关(相邻两个开关开启)，并转换为直流供给给负载；
[0087]
5、当f为1111或0000时，接收天线工作于全向辐射模式mode3，考虑开关的损耗，此时自适应地断开所有开关，选择0000工作模式，同时接收来自各个方向的来波能量并转换为直流供给给负载。
[0088]
本发明所提出的微处理器系统作为一个中控系统，应用于不同类型的可重构天线对来波电磁参数的检测及可重构整流天线本身的最佳工作模式选择，包括基于方向图可重构天线对来波方向的检测、基于频率可重构整流天线对来波频率的检测以及基于极化可重构整流天线对来波极化的检测等，通过控制天线上的可控装置(开关、二极管等)实现最佳工作模式的选择。
[0089]
实施例2
[0090]
a21、依次检测自由空间中不同频率(针对频率可重构整流天线)或者不同极化(针对极化可重构整流天线)的来波能量，将检测到的射频能量经整流电路整流后输出的电压幅值与设定好的阈值电压幅值进行预判断，避免旁瓣对微处理器系统引起的误判断；
[0091]
由于自由空间中频率、极化是未知的，且整流天线系统在不同模式下的增益在不同极化，不同频率下是不同的，所以接收到来波能量大小不同，整流电路输出的电压大小也不同。为了避免由于整流天线系统旁瓣而引起整流天线系统输出微小直流电压/电流对来波方向进行错误判断，所以在微处理器系统内部会设定阈值，所述阈值根据弗林斯传输公式以及整流效率计算得出：
[0092]
所述弗林斯传输公式：
[0093][0094]
p
r
：接收天线的接收功率；(待求量)
[0095]
p
t
：发射天线的发射功率；
[0096]
g
t
：发射天线在接收天线接收方向上的增益；
[0097]
若不同工作模式下波束有重叠部分，g
r
为两个相邻主波束相交点的增益大小与3db主波束宽度处增益的最大值；若不同工作模式下波束没有重叠部分，g
r
为不同模式下3db主波束宽度处的最小增益值。
[0098]
λ：天线的工作波长；
[0099]
r：收发天线的距离；
[0100][0101]
v：所求阈值电压；
[0102]
r
l
：整流电路负载电阻值；
[0103]
微处理器系统比较和判断整流天线系统接收并转换后输出的直流能量与阈值之间的大小，当输出电压大于阈值时，判定接收到的电磁波足够大且有效，否则忽略不计。
[0104]
a22、微处理器系统对整流天线系统各个模式整流输出后的电压幅值进行比较，保留最大电压幅值的开关状态，为0,1。1表示开关闭合，0表示开关断开；将比较判断后的最大值所对应的整流天线系统开关状态，利用公式计算得到控制量：
[0105]
f＝f4×
1000+f3×
100+f2×
10+f1[0106]
式中，f1,f2,f3,f4分别表示开关s4,开关s3,开关s2,开关s1所对应的寄生贴片判断后输出的开关状态值；若来波能量检测完毕后，发现整流电路整流后输出的电压幅值相同，此时开关全闭合/断开状态，f1,f2,f3,f4都为1或0。
[0107]
若接收天线为频率可重构整流天线：
[0108]
当f为1000，0100，0010，0001时，接收天线工作在对应的模式mode1，其对应的频率为5.8ghz，此时，微处理器系统自适应地只开启一个寄生贴片上的开关，实现接收并转换5.8ghz的射频来波；
[0109]
当f为1100，0110，0011，1001时，接收天线工作在对应的模式mode2，其对应的频率为5.2ghz，此时，微处理器系统自适应地开启相邻两个寄生贴片上的开关，实现接收并转换5.2ghz的射频来波；
[0110]
当f为1111或0000时，接收天线工作于模式mode3，其对应的频率为5.2ghz和5.8ghz，此时，微处理器系统自适应地开启或闭合所有寄生贴片上的开关，同时接收5.2ghz和5.8ghz的来波能量并转换为直流供给给负载。值得注意的是，与方向图可重构整流天线
不同，f为1111和0000，方向图可以保持一致，但是天线的工作频率是不一样的，所以根据接收天线设计，通过微处理器比较输出直流电压幅值，最终确定天线是0000还是1111工作模式。
[0111]
若接收天线为极化可重构整流天线
[0112]
当f为1000，0100，0010，0001时，天线工作在对应的模式mode1，其对应的天线极化为线极化模式，此时，微处理器系统自适应地只开启一个寄生贴片上的开关，实现接收并转换对应的线极化射频来波；
[0113]
当f为1100，1001，0110，0011时，接收天线工作在对应的模式mode3，其对应的对应的天线极化为左旋圆极化模式(右旋圆极化模式)，此时，微处理器系统自适应地闭合对应寄生贴片上的开关，实现接收并转换左旋圆极化模式(右旋圆极化)的射频来波；
[0114]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。