CN102427160B - 一种用于圆柱形载体的共形天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于圆柱形载体的共形天线及其应用方法，共形天线包括从内至外依次同轴设置的圆柱形阻抗匹配层、绝缘层、辐射层，阻抗匹配层与辐射层同一端的两圆周外沿之间环形连接，绝缘层的长度大于阻抗匹配层和辐射层的长度。在应用时，共形天线包覆圆柱形载体外围，阻抗匹配层与辐射层连接的一端与其所在圆柱形载体的一端端面之间设有取值范围在λ/6~λ/4之间的辐射间隔，最小可为零，最大不大于圆柱形载体的长度，λ为天线工作频率对应波长；同轴馈电电缆的一端伸入载体内部，另一端内导体连接辐射层，外导体连接阻抗匹配层。本发明实现了天线与圆柱形载体表面的共形，降低了共形天线与载体本身性能之间的相互影响。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中的天线，特别是一种能用于圆柱金属体表面(如导弹)的共形天线及其应用方法。
背景技术
随着现代通信、军事不断发展，各种先进的飞行器和交通工具，如飞机、导弹、卫星和舰船、车辆，除了要求将它们所携带的天线具有更优异的性能，同时更要求天线单元能安装在它们表面，这种能够与载体表面相吻合的天线系统(共形天线)的研究近年来日益得到重视，因为它不仅可以提供原来所要求的天线性能，还不会影响载体本身的机动特性。传统的经典天线要与载体吻合存在诸多困难，经典天线的形状与载体吻合时，原有的天线性能往往会发生较大变化；更重要的，载体本身(尤其是金属载体)也会对天线性能影响很大。
为了克服现有的经典天线不便与载体吻合的不足，近年来不少专家学者对共形天线进行了研究。发明专利“一种薄片全向宽带表面共形天线”(申请人：北京航空航天大学)提出了一种同轴馈电、薄片结构宽频带全向共形天线，但只能与长方体物体、抛物柱面形状物体共形，主要用在电子通讯移动平台上；发明专利“一种三极化的共形天线”(申请人：清华大学)提出了一种具有三层(由第一介质基片、空气层和第二介质基片重叠组成)、三个端口、三种极化的共形天线，结构复杂、主要用于平面物体上，适用于多输入多输出MIMO无线通信系统；发明专利“一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线及其阵列”(申请人：电子科技大学)采用共形天线阵列，用多个探针或开关来调节，比较复杂、安装实施起来有一定技术难度；文献“一种新型的单层介质宽频带圆柱共形微带天线”(何芒、徐晓文，北京理工大学学报，Vol 24No.7，2004)中，作者设计了1个工作于L波段的同轴探针馈电具有U形贴片的宽频带单层介质圆柱共形微带天线,计算了其近场远场特性，但天线增益低，最大不到0dB。
由上可见，现有的共形天线或多或少有一定的不足，能用于圆柱金属体表面的共形天线有待深入研究。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供了一种用于圆柱金属载体表面的共形天线，其天线的表面能与圆柱形金属体表面吻合，并可大大减少天线性能与载体本身机动特性之间的相互影响，本发明同时提供此种共形天线的应用方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于圆柱形载体的共形天线，包括从内至外依次同轴设置的圆柱形阻抗匹配层、绝缘层、辐射层，阻抗匹配层与辐射层同一端的两圆周外缘之间环形连接，绝缘层的长度大于阻抗匹配层和辐射层的长度；还包括同轴馈电电缆，其内导体连接辐射层，外导体连接阻抗匹配层，且连接点位于辐射层与阻抗匹配层连接端的另外一端。
所述辐射层与阻抗匹配层的长度相等，具体来说，阻抗匹配层的长度最长不能超过辐射层的长度，以两者相等为最佳，可便于焊接同轴馈电电缆。
所述绝缘层的长度比辐射层长度长10mm或其它相近尺寸，只要便于不让同轴馈电电缆的内、外导体接触短路即可。
所述绝缘层为聚四氟乙烯材质，还可以采用PP塑料等绝缘性能较好的材料，选用绝缘性能好、介电常数稳定的材料便于共形天线性能的稳定。
作为本发明的改进，所述阻抗匹配层及辐射层除了选用常见金属材质铜外，阻抗匹配层、辐射层还可采用其他导电性能较好的材质，如：铝、银。
所述同轴电缆的内导体和外导体分别焊接在共形天线的辐射层的外壁和阻抗匹配层的内壁上，具体还可以采取其它的连接方式进行连接。在有绝缘层隔开的前提下，同轴电缆内导体还可与辐射层的内壁连接；同轴电缆外导体还可与阻抗匹配层的外壁连接。
本发明的共形天线在应用时，其与圆柱形载体同轴置于圆柱形载体的外围，且其阻抗匹配层与圆柱形载体外表面贴合；共形天线上阻抗匹配层与辐射层连接的一端端面与其所在圆柱形载体的一端端面之间设有辐射间隔，辐射间隔的长度最小可为零；辐射间隔的长度与辐射层长度之和的范围在λ/6～λ/4(λ为天线工作频率对应波长)之间，且不大于圆柱形载体的长度。所述辐射间隔和辐射层的长度与所需天线工作频率有关，可根据实际工程需要确定。上述辐射间隔以及共形天线的设置及其相应尺寸要求保证了在圆柱形载体四周有较好的辐射特性。
在应用时，共形天线从原理上说，是半波振子天线的变形，共形天线的外层辐射层和距离最近一个端面的辐射间隔充当辐射单元，辐射间隔的长度d与辐射层长度L1之和的范围在λ/6～λ/4(λ为天线工作频率对应波长)之间取值，经研究分析得到辐射间隔的长度d与辐射层长度L1之和的长度越短谐振频率点越高，反之，长度越长谐振频率点越低；内层阻抗匹配层起阻抗匹配作用，与辐射层的长度相等为最佳，这样便于焊接同轴馈电电缆；绝缘层起到隔离内层阻抗匹配层和外层辐射层的作用，它的长度比辐射层长度长10mm，便于不让同轴馈电电缆的内、外导体接触短路。所述绝缘层为聚四氟乙烯材质，还可以采用PP塑料等绝缘性能较好的材料，选用绝缘性能好、介电常数稳定的材料便于共形天线性能的稳定。
因为共形天线本身的外层辐射金属层能提供电磁辐射，所以作为本发明的一种改进，所述圆柱形载体的材质除了为金属也可以为非金属。
本发明的有益效果为：在保证天线性能的前提下，通过简单的结构设计实现天线与圆柱形载体表面的共形，降低了共形天线对载体本身的空气动力学性能的影响，可简化天线的安装；通过天线自身结构设计、内层采用金属材料，使天线的性能不因载体材质而受到影响，使用范围较广；通过恰当的尺寸设置可保证圆柱形载体周围较好的辐射特性，天线增益高，最高可达3.5dB；同时具有重量轻和低剖面的特点，从而更好地减小对载体本身重量、外形等的影响。
附图说明
图1所示为共形天线的安装示意图；
图2是共形天线的轴向剖面放大结构示意图；
图3是共形天线水平面方向图；
图4是共形天线垂直面方向图。
其中，共形天线-1，阻抗匹配层-11，绝缘层-12，辐射层-13，圆柱形载体-2，同轴电缆-3。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明。
结合图1至图2所示，本实施例中圆柱载体为外直径145mm的钢管，共形天线1同轴设置在钢管的外围，馈电同轴电缆的一端进入圆柱形载体内部，另一端内导体与外导体分别焊接在共形天线辐射层13的外壁14处和阻抗匹配层11的内壁15处，且焊接点皆位于共形天线辐射层13与阻抗匹配层11连接端的对立端，来实现给天线馈电。
阻抗匹配层11贴合钢管的外表面；共形天线的阻抗匹配层11和辐射层13连接的端面16与其所在钢管同端的端面21的辐射间隔长度d为20mm。绝缘层为长度113mm、厚度1.5mm的聚四氟乙烯，阻抗匹配层11为长度103mm的薄层金属，在共形天线中起到阻抗匹配的作用。辐射层13为长度103mm的薄层金属，其表面与圆柱形载体钢管上辐射间隔所对应的一段外表面共同形成辐射单元，保证载体周围较好的辐射性能。辐射层13与阻抗匹配层11在靠近辐射间隔的一端两圆周边沿为无缝焊接，以保证共形天线能四周全向辐射。图3是共形天线水平面方向图，图4是共形天线垂直面方向图，可见载体除了在顶端和底部之外在圆柱形载体四周都有较强辐射。
通过以上设置的共形天线经仿真实测，得到该共形天线谐振频点489.5MHz处dB(S11)＝-15.72dB；谐振频点489.5MHz处增益Gain＝3.57dB，达到了较高的天线增益，实现了较理想的天线性能。
本发明的共形天线可用于一个子母弹抛撒过程弹载测量记录系统，将共形天线通过螺钉安装在圆柱体钢管上。该测量系统是为了记录子母弹在抛撒过程中的动态参数，钢管作为模拟的子母弹，共形天线通过同轴电缆与钢管内部传感器等模块相连。通过实际使用结果表明这种新型全向共形天线能有效的用于该子母弹抛撒过程弹载测量记录系统，子母弹在抛撒过程中的动态参数能通过该共形天线可靠地传送到地面的接收模块，设计合理可行。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (9)
1.一种用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线包括从内至外依次同轴设置的圆柱形阻抗匹配层、绝缘层、辐射层，阻抗匹配层与辐射层同一端的两圆周外缘之间环形连接，绝缘层的长度大于阻抗匹配层和辐射层的长度；还包括同轴馈电电缆，其内导体连接辐射层，外导体连接阻抗匹配层，且连接点位于辐射层与阻抗匹配层连接端的另外一端；
共形天线与圆柱形载体同轴置于圆柱形载体的外围，且其阻抗匹配层与圆柱形载体外表面贴合；共形天线上阻抗匹配层与辐射层连接的一端端面与其所在圆柱形载体的一端端面之间设有辐射间隔，辐射间隔的长度最小为零；辐射间隔的长度与天线长度之和的范围在λ/6～λ/4之间，且不大于圆柱形载体的长度；λ为天线工作频率对应波长。
2.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的辐射层与阻抗匹配层的长度相等。
3.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的绝缘层的长度比辐射层长度长10mm。
4.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的绝缘层为聚四氟乙烯材质。
5.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的辐射层为金属材质。
6.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的阻抗匹配层为金属材质。
7.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的同轴馈电电缆的内导体焊接于辐射层的外壁上。
8.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，共形天线的同轴馈电电缆的外导体焊接于阻抗匹配层的内壁上。
9.根据权利要求1所述的用于圆柱形载体的共形天线，其特征是，所述圆柱形载体的材质为金属。
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