一种多体制调制器 |
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| 申请号 | CN202010767078.1 | 申请日 | 2020-08-03 | 公开(公告)号 | CN111800089A | 公开(公告)日 | 2020-10-20 |
| 申请人 | 江苏赛博空间科学技术有限公司; | 发明人 | 苗龙; 周小阳; 崔铁军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种多体制 调制器 ，该调制器由三层结构组成：下层为矩形金属 底板 层，中间一层为矩形介质 基板 层，上层为 刻蚀 在介质基板上的金属结构层，上层的金属结构层分为以下三部分：调制器部分和控制 信号 输入 电路 部分。本发明所述的多体制调制器可以在不同工作频点下实现不同的调制方式，基于一种结构分别实现对 微波 信号的幅度、 相位 和 频率 的调制功能。本发明所述的多体制调制器可以任意选择不同的调制方式将特定的二比特数字信息调制到特定频率的微波信号上，调制方式使用者自主选取。本发明利用了人工表面等离激元结构的色散调控特性，可以实现工作频率随结构参数可定制，同时还具备强场束缚的优异特性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多体制调制器，其特征在于，该调制器包括三层结构：下层为矩形金属底板层，中间层为矩形介质基板层，上层为刻蚀在介质基板上的金属结构层，上层的金属结构层分为以下两部分：调制器部分和控制信号输入电路部分； |
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| 说明书全文 | 一种多体制调制器技术领域背景技术[0002] 数字调制技术是现代信息系统最为关键的技术之一，它将数字信息与电磁波物理特性(如幅度特性、频率特性、相位特性等)紧密联系在一起，是构成通信、雷达等现代信息系统必不可少的组成部分。在各种调制技术中，幅移键控、频移键控和相移键控是最基础也是最常见的三种。这三种调制方式各具特色，幅移键控具有损耗低、功耗低的特点，频移键控凭借其低衰减的特性多用于数据传输，而相移键控抗干扰能力强、被广泛用于空间通信。然而，现有系统中使用的大多是单一方式的调制技术，将上述三种调制方式用同一结构实现的方法还没有深入研究。而这种多体制调制器有望在通信安全方面发挥重要作用，比如当一种方式的调制信号被攻击，使用者可人为切换成其他方式的调制信号，从而保证通信安全。 发明内容[0003] 发明目的：本发明的目的在于解决现有调制器调制方式单一不变的问题,创新性地引入一种可实现三种调制方式的多体制调制器；现有调制器无法将幅移键控、频移键控和相移键控用同一种结构来实现，本发明将克服上述难题，在安全通信领域起到重要作用。 [0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多体制调制器，该调制器由三层结构组成：下层为矩形金属底板层，中间一层为矩形介质基板层，上层为刻蚀在介质基板上的金属结构层，上层的金属结构层分为以下两部分：调制器部分和控制信号输入电路部分； [0005] 调制器部分包括中心金属条带，中心金属条带一侧中间位置设置有若干个单元，每个单元包括矩形金属块和T形金属结构，矩形金属块顶部通过金属化通孔穿过介质基板与底层金属板连接；并且矩形金属块底部和T形金属结构上端矩形金属块通过PIN二极管连接，并且T形金属结构下端与中心金属条带垂直连接；中心金属条带一端与微波信号输入端口连接，另一端与调制信号输出端口连接；并且微波信号输入端口与中心金属条带上距离最近的单元之间的金属条带上设置有若干个矩形金属块；调制信号输出端口与中心金属条带上距离最近的单元之间的中心金属条带上设置有若干个矩形金属块； [0006] 控制信号输入电路包括N段蛇形金属条带和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构，其中，N为大于等于3的整数，所述含有贴片电容的金属隔离结构包括一个贴片电容和两个矩形金属块，两个矩形金属块通过贴片电容连接；所述控制信号输入电路的N段蛇形金属条带两端和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构依次间隔连接，并且所述控制信号输入电路两端均为蛇形金属条带；所述控制信号输入电路其中一端的蛇形金属条带不与金属隔离结构连接的一端与中心金属条带另一侧连接，另一端的蛇形金属条带不与金属隔离结构连接的一端与控制信号输入端口连接。 [0007] 进一步的，所述若干个矩形金属块等间距。 [0008] 进一步的，中心金属条带一侧中间位置排列的若干个单元等间距。 [0009] 进一步的，所述微波信号输入端口到距离最近单元之间的矩形金属块的高度逐渐变高；所述调制信号输出端口到距离最近单元之间的矩形金属块的高度逐渐变高。 [0010] 此外，本发明还提出根据所述多体制调制器实现的调制方法，该方法包括如下步骤： [0011] (1)调整单元中的尺寸参数形成多体制调制器的工作截止频率； [0012] (2)在调制器的所述微波信号输入端口输入预设频率的微波信号，以及在调制器的控制信号输入端口输入高低电平信号，通过高低电平信号控制PIN二极管的通断，对微波信号进行幅度、相位、频率的一种或多种调制。 [0013] 进一步的，所述尺寸参数包括单元中矩形金属块长度、T形金属结构下方的矩形金属块的长度、以及单元在中心金属条带上间隔距离的一种或多种。 [0014] 所述数字人工表面等离激元传输线，通过结构设计和尺寸优化，以及PIN二极管加载的结构，使得当PIN二极管处于通、断两种状态时，整个结构所支持的传导电磁波在幅度、频率和相位方面，均呈现不同的物理响应。从而可以通过控制PIN二极管的通断来控制传导电磁波的状态，进而实现电磁波多体制调制的目的。 [0015] 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果： [0016] 本发明提供的一种多体制调制器，在微波段可以实现用同一器件实现对微波信号的幅度、相位和频率三种不同的调制方式，填补了相关技术的空白。本发明通过时域信号测量等方式已经被证明，所支持的三种调制方式均可以有效实现。附图说明 [0017] 图1为多体制调制器的核心调制器部分单元结构示意图及其色散特性图； [0018] 图2为多体制调制器结构示意图； [0019] 图3为控制信号输入电路结构示意图； [0020] 图4为本发明的S参数幅度、相位测试结果； [0021] 图5为本发明在10MHz方波控制信号下对微波信号幅度调制的时域信号测试结果； [0022] 图6为本发明在10MHz方波控制信号下对微波信号相位调制的时域信号测试结果； [0023] 图7为本发明在10MHz方波控制信号下对微波信号频率调制的时域信号测试结果。 具体实施方式[0024] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 [0025] 实施例 [0026] 本发明提出一种多体制调制器，该调制器由三层结构组成：最下面一层为矩形金属底板层，中间一层为矩形介质基板层，最上一层为刻蚀在介质基板上的金属结构层，最上层的金属结构层又分为以下三部分：调制器部分和控制信号输入电路部分。 [0027] 调制器部分由若干个单元沿周期等间距排列而成，每个单元最上方是一矩形金属块，矩形金属块顶部通过金属化通孔穿过介质基板与底层金属板连接；矩形金属块的另一端是“T”形金属结构，两者通过PIN二极管连接；“T”形金属结构下方与中心金属条带垂直连接。所述“T”形金属结构包括顶部矩形金属块和下部矩形金属块，顶部矩形金属块和下部矩形金属块垂直构成“T”形金属结构。 [0028] 中心金属条带一端与输入端口1连接，另一端与输出端口2连接；并且输入端口1与金属条带上距离最近的单元之间的金属条带上设置有若干个矩形金属块，并且所述若干个金属块的高度由输入端口1到距离最近的单元之间逐渐变高，称为左过渡结构；输出端口2与金属条带上距离最近的单元之间的金属条带上设置有若干个矩形金属块，并且所述若干个金属块的高度由输出端口2到距离最近的单元之间逐渐变高，称为右过渡结构； [0029] 所述左过渡结构和右过渡结构的金属块对称排列，并且金属块等间距。 [0030] 控制信号输入电路部分结构如图3所示，控制信号输入电路包括三段蛇形金属条带，第一段蛇形金属条带一端与中心金属条带连接，另一端与第一矩形金属块的底部一侧连接，并且第一矩形金属块顶部方向通过贴片电容与第二矩形金属块连接，第一矩形金属块的底部另一侧与第二段蛇形金属条带一端连接，第二段蛇形金属条带另一端与第三金属块的底部一侧连接，并且第三矩形金属块顶部方向通过贴片电容与第四矩形金属块连接，第三矩形金属块的底部另一侧与第三段蛇形金属条带一端连接，第三段蛇形金属条带的另外一端与控制信号输入端口连接。 [0031] 图3中只是示例，实际工作中，控制信号输入电路包括N段蛇形金属条带和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构，其中，N为大于等于3的整数，所述含有贴片电容的金属隔离结构包括一个贴片电容和两个矩形金属块，两个矩形金属块通过贴片电容连接；所述控制信号输入电路的N段蛇形金属条带和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构依次间隔连接，并且所述控制信号输入电路两端均为蛇形金属条带，所述控制信号输入电路其中一端的蛇形金属条带与中心金属条带另一侧连接，另一端的蛇形金属条带与控制信号输入端口连接。 [0032] 具体来说，控制信号输入电路包括N段蛇形金属条带和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构，并且，控制信号输入电路首尾均为蛇形金属条带，并且N段蛇形金属条带和N-1个含有贴片电容的金属隔离结构依次间隔连接，整个结构中心对称，并且首尾其中一个蛇形金属条带不与含有贴片电容的金属隔离结构连接的一端与中心金属条带的另一侧连接，首尾中另一个蛇形金属条带不与含有贴片电容的金属隔离结构连接的一端与控制信号输入端口连接。 [0033] 并且，依次间隔连接中，蛇形金属条带两端和金属隔离结构中的一个矩形金属块连接即可，具体连接方式不做限制。如图3所示，蛇形金属条带两端与其中的一个矩形金属块底部连接，这仅仅是其中一个连接形式，在依次间隔连接中，蛇形金属条带两端与金属隔离结构中一个矩形金属块接触连接即可。 [0034] 其中，整个控制信号输入电路，起到为调制器部分施加控制信号的作用，同时贴片电容和蛇形金属条带结构的设计可以起到防止调制器部分的微波信号从端口3泄露的作用，从而保证信号的完整性。 [0035] 该发明采用此种设计，装配简单。所述基于数字人工表面等离激元传输线的多体制调制器，通过结构设计和尺寸优化，以及PIN二极管加载的结构，使得当PIN二极管处于通断两种状态时，整个结构做支持的传导电磁波在幅度、频率和相位方面，均呈现不同的物理响应。从而可以通过控制PIN二极管的通断来控制传导电磁波的状态，进而实现电磁波多体制调制的目的。 [0036] 该发明所述的调制器，通过改变单元中的尺寸参数，如图1所示，如“T”形金属结构的下部矩形金属块长度h1、单元最上方矩形金属块长度h2和相邻单元间隔p等，可以调节截止频率的位置，从而进一步改变调制器所工作的频率。 [0037] 如图1所示为核心调制器部分的单元结构示意图及其色散特性图，从色散曲线仿真图可以看到，在PIN二极管“开”、“关”两种状态下，结构频率特性分别呈现带通和低通特性。 [0038] 如图2所示为基于数字人工表面等离激元传输线多体制调制器整体结构图，本发明在调制器部分之外，外接三个端口，均为标准SMA接口形式。其中，端口1和端口2为微波信号输入端和调制信号输出端，图片下方端口为控制信号输入端口。 [0039] 如图3所示为本发明的S参数幅度、相位测试结果，当在控制信号输入端口分别施加+5V和0V的电压，所述+5V和0V的电压对应高低电平，分别控制所述调制器呈现为“开”和“关”两种状态，使得所导行的电磁波分别呈现不同的物理响应，如信号的幅度、相位、频率。端口1输入的是工作在微波频段的微波信号；端口2是信号输出端，输出经过数字调制的微波调制信号。此处的高低电平只作为示例，可以为其它数值的高低电平形式。 [0040] 如图4左图所示，在I点所示频率附近，频率范围约为1-2.5GHz，“关”状态下的信号幅度允许电磁波通过，“开”状态下电磁波截断，因此控制PIN二极管通断可以控制导行电磁波的幅度特性，从而实现对输入的微波信号幅度的调控。III点所示频率附近同理，频率范围约为5-6GHz，只是“关”状态对应电磁波截止，“开”状态下电磁波导通，该频率下也可以实现对输入的微波信号幅度的调控。在II点所示频率附近，频率范围约为2.8-5GHz，两种状态均允许电磁波通过，但是两种状态下电磁波的相位刚好反相，如右图所示，因此可以实现对输入的微波信号相位的调控。而对输入的微波信号频率调控的实现则是依赖同时输入I点和II点所对应频率的信号，切换PIN二极管的工作状态，可以分别允许不同频率信号通过，从而实现对输入的微波信号频率的调控。综上，三种调制方式均可以用本发明所述的结构来实现。 [0041] 如图5所示为本发明在10MHz方波控制下的幅度调制时域信号测试结果，在控制信号输入端输入10MHz方波作为控制信号，方波作为高低电平控制调制器二极管的开与关，此处方波作为示例，可以是其它可以提供高低电平的形式。在输入端口输入1.7GHz或者6GHz的微波信号，输出端幅度调制信号如图所示。端口1输入1.7GHz的微波信号，当控制信号端口输入高电平，此时该调制器单元对应“开”状态，微波信号截止，在图5(a)中表现为输出信号幅度接近0；当控制信号端口输入低电平，此时该调制器单元对应“关”状态，微波信号通过，在图5(a)中表现为输出信号幅度接近1。端口1输入6GHz的微波信号，当控制信号端口输入高电平，此时该调制器单元对应“开”状态，微波信号通过，在图5(b)中表现为输出信号幅度接近1；当控制信号端口输入低电平，此时该调制器单元对应“关”状态，微波信号截止，在图5(b)中表现为输出信号幅度接近0。因此从实验的角度验证了该多体制调制器可以实现对输入微波信号幅度调控的功能。 [0042] 如图6所示为本发明在10MHz方波控制下的相位调控时域信号测试结果，在控制信号输入端输入10MHz方波作为控制信号，在输入端口输入3.7GHz的微波信号，输出端相位调控信号如图所示。端口1输入3.7GHz的微波信号，当控制信号端口输入高电平，此时该调制器单元对应“开”状态，在图6中表现为输出信号相位接近180°；当控制信号端口输入低电平，此时该调制器单元对应“关”状态，在图6中表现为输出信号相位接近0°。因此从实验的角度验证了该多体制调制器可以实现输入微波信号相位调控的功能。 [0043] 如图7所示为本发明在10MHz方波控制下的频率调控时域信号测试结果，在控制信号输入端输入10MHz方波作为控制信号，在输入端口输入1.7GHz和6GHz的微波信号，输出端频率调制信号如图所示。当控制信号端口输入高电平，此时该调制器单元对应“开”状态，此时6GHz的微波信号通过而1.7GHz的微波信号截止，在图7中表现为输出信号频率接近6GHz；当控制信号端口输入低电平，此时该调制器单元对应“关”状态，此时1.7GHz的微波信号通过而6GHz的微波信号截止，在图7中表现为输出信号频率接近1.7GHz。因此从实验的角度验证了该多体制调制器可以实现输入微波信号频率调控的功能。 |
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