CN104916913A - 一种刀形三频水平极化的全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀形三频水平极化全向天线，包括天线罩、天线，所述天线封装在天线罩内部，天线罩为刀形结构。天线包括天线辐射单元及馈电单元，天线辐射单元由正面或背面的单面开口的长方体构成，馈电单元一体化成型，固定在长方体内部中央位置，所述馈电单元包括一个L形金属贴片、渐变形式金属贴片及矩形金属贴片，L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，长边矩形面的一端与短边矩形面空间正交相接，另一端则开路，所述短边矩形面的另一端与渐变形式金属贴片相接，渐变形式金属贴片另一端与矩形贴片连接，矩形金属贴片的另一端开路，本发明天线辐射体结构简单新颖、尺寸较小适用于我国无人驾驶航空器系统。

Description

一种刀形三频水平极化的全向天线

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶航空器使用的天线，特别涉及一种刀形三频水平极化的全向天线。

背景技术

随着社会的发展，科学技术的进步，无线通信在人们生活中发挥着愈来愈重要的作用，天线作为无线通信中必不可少的部分也得到了飞速发展。为满足应急救灾、森林防火、环境监测、科研试验等，工信部于2015年3月10号划分了无人驾驶航空器系统的频段，规划840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶航空器系统。由上述可知天线作为无线通信必不可少的部分，所以研究覆盖上述频段的水平极化全向天线非常有意义和必要。

水平极化全向天线是指在水平面内实现360度均匀辐射，垂直面内有一定波束宽度的天线，故其发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同时可接收水平面的各个方向的信号，在通信系统中一般应用大范围覆盖、点对多点通信系统中。在日常生活中，全向天线已经广泛应用于移动通信、射频识别、信道检测等场合；在军事上，全向天线在卫星通信、雷达传感器网络、空间飞行器等领域也有广泛应用。

全向天线中常见的多是垂直极化形式，水平极化的不多。由于水平极化天线辐射的电磁波与垂直极化电磁波相互正交，能最大程度地减少与垂直极化方式工作的电磁波之间的互扰，从而可以使用户获得更为清洁的无线电信号。据研究，在室内无线通信系统中，发射端和接受端都采用水平极化天线的系统比采用垂直极化天线的系统可以多获得平均10dB的功率。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种刀形三频水平极化全向天线。

本天线是一种小尺寸、且方向图稳定，结构简单，全向性好，交叉极化低的水平极化全向天线，使用单个天线，便可以实现我国无人驾驶航空器系统的三个频段：840.5-845MHz、1430-1444MHz、2408-2440MHz，且各频段内的全向性能良好，所以在水平面内不管用户移动的方向如何都能确保覆盖。

本发明采用如下技术方案：

一种刀形三频水平极化全向天线，包括天线罩，天线封装在天线罩内部，所述天线包括天线辐射单元及馈电单元，所述天线辐射单元由正面或背面开口的长方体构成，所述正面或背面由长方体高与宽构成。所述馈电单元一体化成型，固定在长方体内部，且处于长方体中央位置，所述馈电单元包括一个L形金属贴片、渐变形式金属贴片及矩形金属贴片，L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，所述长边矩形面的一端与短边矩形面空间正交相接，另一端则开路，所述短边矩形面的另一端与渐变形式金属贴片相接，所述渐变形式金属贴片另一端与矩形金属贴片连接，矩形金属贴片的另一端开路。

所述渐变形式金属贴片为椭圆渐变、圆形渐变或抛物线渐变，所述渐变式贴片长度是0.1λ_L-0.25λ_L。

所述长边矩形面与长方体侧面平行，所述短边矩形面与长方体的正面或背面平行，所述矩形金属贴片与长方体的侧面平行。

所述馈电单元采用开槽形式，在L形金属贴片及渐变形式的金属贴片上开有两条关于L形金属贴片中心线平行对称的槽，两槽的槽宽相等，均为0.5mm-1mm，两槽的总长度与两槽之间距离之和为0.2λ_L-0.3λ_L

所述天线罩为流线型的刀形结构，长方体开口面与天线罩的刀背面共面，所述天线罩的刀背面开口。

所述长方体宽长高分别为0.05λ_L-0.1λ_L、0.1λ_L-0.25λ_L、0.26λ_L-0.36λ_L，其中λ_L为该天线低频谐振频率f_L在自由空间中所对应波长。

所述馈电单元总的物理长度为0.3λ_L-0.5λ_L，λ_L为该天线低频谐振频率f_L在自由空间中所对应波长。

本发明的有益效果：

(1)该天线的结构简单新颖，其天线罩部分为采用玻璃纤维增强塑料制成的流线型的刀形结构，可以很好的保护天线辐射体，采用流线型的刀型结构在航空器系统的飞行中可以减少风阻。

(2)该天线的结构简单新颖，其辐射体的长方体开口面为实现水平极化全向辐射的关键，调节该开口面的长与宽会对天线的全向性能有所影响；

(3)该天线仅用一个辐射单元，便可以覆盖三个频段，并且此三个频段刚好可覆盖我国无人驾驶航空器系统的三个频段，且各频段分别可控，且三个频段都能获得良好的全向性能，且三个频段处的交叉极化均非常小；

(4)该天线的馈电结构新颖由一个L形与一个1/4椭圆渐变形式的贴片以及一个矩形贴片构成，且馈电方式简单。且该馈电网络仅对天线的阻抗特性产生影响，对天线的全向特性几乎不影响。且该天线的相对尺寸小，组成部件少，便于加工成型；且具有辐射方向图稳定、交叉极化小等特性。

附图说明

图1是本发明一种刀形三频水平极化全向天线封装后的结构示意图；

图2是本发明一种刀形三频水平极化全向天线封装前的结构示意图；

图3是本发明一种刀形三频水平极化全向天线封装前的俯视图；

图4是本发明一种刀形三频水平极化全向天线馈电部分的立体图；

图5是本发明一种刀形三频水平极化全向天线的回波损耗图；

图6是本发明一种刀形三频水平极化全向天线低频段中心频率处XOY面的辐射方向图；

图7是本发明一种刀形三频水平极化全向天线中频段中心频率处XOY面的辐射方向图；

图8是本发明一种刀形三频水平极化全向天线高频段中心频率处XOY面的辐射方向图；

图中示出：

K-天线罩，R-长方体，F1-长边矩形面，F2-短边矩形面，F3-椭圆渐变形式金属贴片，F4-矩形金属贴片，F5-槽，S-50欧姆同轴馈电。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例中长方体高与宽构成的面为正面或背面，长与宽构成的面为顶面或底面，长与高构成的面为左侧面或右侧面，其中长、宽、高的长度由长至短依次为：高、长、宽。

如图1-图4所示，一种刀形三频水平极化全向天线，包括天线罩K，所述天线封装在天线罩K内部，天线罩K为一种采用玻璃纤维增强塑料制成的流线型的刀形结构,采用流线型的刀形结构在飞机飞行的过程中可以减少风阻，所述天线包括天线辐射单元及馈电单元，所述天线辐射单元由一个正面或背面开口的长方体R构成，且天线辐射单元长方体开口面与该刀的刀背面共面，且该刀的刀背面开口，有利于辐射。

所述天线辐射单元由一个正面或背面的开口的长方体R构成，长方体单面开口，本实施例中该长方体R的材料采用金属铜，其右侧面ACEG，左侧面BDFH，ABCD为长方体的正面,也即为本实施例的开口面，其中CD、DH、BD分别为刀形长方体的宽长高，其宽长高分别为0.05λ_L-0.1λ_L、0.1λ_L-0.25λ_L、0.26λ_L-0.36λ_L，其中λ_L为该天线低频谐振频率f_L在自由空间中所对应波长。本实施例中宽长高比例为：1:2:4。

本实施例中馈电单元一体化成型，固定在长方体R内部的中央位置，所述馈电单元包括一个L形金属贴片、渐变形式金属贴片及矩形金属贴片，本实施例子中，贴片材料为金属铜，渐变形式金属贴片采用椭圆渐变形式，其中采用渐变形式金属贴片用于实现和扩展中频与高频的阻抗带宽，整个馈电单元的总的物理长度近似为0.5λ_L，所述L形金属贴片包括长边矩形面F1及短边矩形面F2，且长边矩形面F1与短边矩形面F2的长与宽均不相同。

所述长边矩形面F1与长方体的侧面平行，短边矩形面F2与长方体的正面或者背面平行；且长边矩形面的长与宽分别与长方体的长与高平行，短边矩形面的长与宽分别与长方体的宽与高平行；长边矩形面距离长方体的ACEG面及短边矩形面距离辐射体的EFGH面均为d1,此实施例中d1为1.9mm；所述长边矩形面一端与短边矩形面一端空间正交连接形成L形金属贴片,长边矩形面另一端开路，短边矩形面另一端与椭圆渐变形式金属贴片相连，椭圆渐变形式金属贴片另一端与矩形金属贴片F4一端连接，矩形金属贴片F4另一端向辐射体内部延伸，且末端开路。如图2所示，该矩形金属贴片F4与长方体的左右侧面平行，且恰好位于椭圆渐变形式金属贴片的长轴上。该矩形金属贴片用来调整低频谐振点位置，它向里延伸的长度为KL，在本实施例中，该矩形金属贴片的线宽与椭圆渐变形式金属贴片相同均为KW，该矩形金属贴片与上述的L型金属贴片以及椭圆渐变形式金属贴片总的物理长度近似为0.5λ_L，根据阶跃阻抗的原理，以实现馈线部分总的电长度为0.5λ_L，进而实现低频谐振点的位置为842.5MHz。

如图3所示，以坐标原点O为圆心，长轴在X轴上，短轴在Y轴上，此椭圆的长轴为ON，椭圆的短轴为OM，且坐标原点O与馈电位置同轴线S的距离恰好为其短轴OM，椭圆渐变贴片的线宽为KW，线宽决定了高频与中频之间的频率比。

所述L形金属贴片与椭圆渐变形式金属贴片F3的连接线的中点即为本天线的馈电位置，连接50欧姆同轴线S。

整个馈线单元环绕着长方体内壁，除渐变形式金属贴片，各段贴片均与其所对应的长方体内壁平行，但非共面，即与内壁均相距一定距离。渐变形式的贴片则与其所对应的长方体辐射体的内壁之间的距离具有渐变特征。

如图3与图4所示，所述馈电单元采用开槽形式，目的是为了在低频段获得理想的阻抗带宽，在L形金属贴片及渐变形式金属贴片上开两条与L形金属贴片中心线平行且对称的槽F5，槽的宽度为0.5mm，两槽的总长度与槽之间的距离的长度之和近似为0.25λ_L，且整个馈线部分的L形金属贴片部分均有开槽，槽余下的部分则开在椭圆渐变形式金属贴片上。

此实施例中，上述所涉及的参数数据如下：

长方体的宽AB＝28.6mm；长方体的高AC＝114.4mm；长方体的长DH＝57.2mm；椭圆的短轴OM＝55.3mm；椭圆的长轴ON＝21mm；KW＝32mm；KL＝20.5mm；两槽之间的距离S1＝14.8mm。

整个天线馈线部分各馈线部分的样子以及其长度和宽度，包括采取椭圆渐近形式，也包括馈电单元上采取的开槽(包括槽的位置以及槽的宽度和长度)以及馈电点所在的位置均为优化后的数据，目的只为实现所述天线的三个频段，以及在三个频段上获得良好的阻抗匹配，如图5所示，在所需要的三个频段上均实现了良好的回波损耗特性，具体可覆盖839.5-846.6MHz、1404-1447MHz、2393-2472MHz三个频段。且调节馈电部分的参数对天线的全向辐射性能影响不大，该天线的水平极化全向辐射性能主要依靠长方体辐射体开口面所形成的缝隙，并且该天线在上述三个频段均有良好的水平极化全向辐射特性，三个频段上的中心频率处的辐射方向图特性分别如图6、图7、图8所示，均实现了低交叉极化，交叉极化均低于-40dB,且均实现了良好的水平全向辐射性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种刀形三频水平极化全向天线，包括天线罩，天线封装在天线罩内部，所述天线包括天线辐射单元及馈电单元，其特征在于，所述天线辐射单元由正面或背面开口的长方体构成，所述正面或背面由长方体高与宽构成，所述馈电单元一体化成型，固定在长方体内部，且处于长方体中央位置，所述馈电单元包括一个L形金属贴片、渐变形式金属贴片及矩形金属贴片，L形金属贴片包括长边矩形面及短边矩形面，所述长边矩形面的一端与短边矩形面空间正交相接，另一端则开路，所述短边矩形面的另一端与渐变形式金属贴片相接，所述渐变形式金属贴片另一端与矩形金属贴片连接，矩形金属贴片的另一端开路。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述渐变形式金属贴片为椭圆渐变、圆形渐变或抛物线渐变，所述渐变形式金属贴片长度是0.1λ_L-0.25λ_L。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述长边矩形面与长方体侧面平行，所述短边矩形面与长方体的正面或背面平行，所述矩形金属贴片与长方体的侧面平行。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电单元采用开槽形式，在L形金属贴片及渐变形式金属贴片上开有两条关于L形金属贴片中心线平行对称的槽，两槽的槽宽相等，均为0.5mm-1mm，两槽的总长度与两槽之间距离之和为0.2λ_L-0.3λ_L。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线罩为刀形结构。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述长方体宽长高分别为0.05λ_L-0.1λ_L、0.1λ_L-0.25λ_L、0.26λ_L-0.36λ_L，其中λ_L为该天线低频谐振频率f_L在自由空间中所对应波长。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电单元总的物理长度为0.3λ_L-0.5λ_L，λ_L为该天线低频谐振频率f_L在自由空间中所对应波长。