CN106058465B - 一种降低机载天线间耦合度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要公开了一种降低机载天线间耦合度的装置，包括北斗天线，应答机天线，复合材料平板和金属平板。本发明通过使用复合材料作为耦合通道来衰减传播的电磁波能量，相比传统意义上的去耦合方式，这是一种疏通耦合的方式来降低天线间的耦合。本发明中将选取所述天线，计算复合材料平台天线工作特性和天线间的耦合度，并与无复合材料的金属平台仿真结果进行了对比，验证了有复合平台的时候可以降低耦合。

Description

一种降低机载天线间耦合度的装置

技术领域

本发明涉及电磁兼容领域，尤其涉及一种降低机载天线间耦合度的装置。

背景技术

随着电子科学技术的发展，机载电子设备越来越强，造成飞机表面的天线数目越来越多。在机载平台上，天线的主要功能是将发射机馈送来的电信号转换成为电磁波，辐射到自由空间中，或者将自由空间中微弱的电磁波信号，转换成为电信号，输入高灵敏度的机载接收机。而天线大多集中在飞机表面的有限空间里，天线和天线之间存在耦合干扰对天线的正常工作造成影响。常用的降低天线耦合度的方法有空间分集技术，极化分集技术和使用耦合器的方法。该空间分集技术是指利用多个接收天线来接收信号，利用信号之间的不相关性，要求天线间距足够大来满足降低耦合的要求；极化分集技术是采用正交极化的方法，利用水平路径和垂直路径上的信号不相关特性，在发射端和接收端各装一个水平极化天线和垂直极化天线，来满足天线间降低耦合度的要求。

中国专利公开号CN 101677149A，是天线被要求满足一定距离来降低天线间的耦合度。该申请现有技术存在以下问题：天线在安装时被要求放置在一定距离来满足降低天线间耦合度的要求。采用去耦合的方法去消除耦合能量，装置要求天线能量。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种降低机载天线间耦合度的装置，以有效地降低机载天线间耦合度。

本发明技术解决方案：一种降低机载天线间耦合度的装置，包括：北斗天线，应答机天线，复合材料平板和金属平板；所述北斗天线与所述应答机天线间距W＝0.6-0.75m，是安装在机载平台上的机载天线，且在天线密集的机背位置，所述北斗天线用于发射天线信号，为全向天线，工作频段与所述应答机天线接近，易与应答机天线形成互扰；所述应答机天线用于接收询问天线信号，并将接收到的询问信号送至应答机进行判断，为全向天线，工作频段与北斗天线接近，易与北斗天线形成互扰。所述复合材料涂敷在金属平板上形成复合材料平板，所述复合材料平板作为平台放置所述的北斗天线和应答机天线；复合材料平板的宽度W_m＝0.6-0.75m，与北斗天线和应答机天线间距相同，所述复合材料平板长度是L_m＝1.2-1.5m，其中，所述复合材料作为一种耦合通道，将所述发射天线的一部分能量通过所述复合材料耦合到接收天线。

所述复合材料的各项电磁参数设置为：相对介电常数ε_r为13、相对磁导率为μ_r为2、电介质损耗角正切tanδ_e为0.06，复合材料的厚度h_m为2.5mm。

所述北斗天线指标为：频带:1616±10MHz；驻波≤2；增益：2dBi；所述北斗天线形式是微带天线，使用HFSS工具进行天线的仿真设计，北斗天线的尺寸参数:辐射贴片使用方形贴片，贴片宽度W_patch为19.2mm，北斗天线介质基片采用基板厚度h_sub为4mm的方形微波陶瓷基板，方形微波陶瓷基板是制作天线的板材，它的宽度W_sub为25mm，馈电方式为同轴馈电，馈电点到方形贴片中心距离xp为3mm，通过方形贴片切角实现圆极化，切角宽度c为2mm。

所述应答机天线发射频率为1030M±1MHz，接收频率为1090M±3MHz，方向图为水平全向；所述应答机天线的形式为单极子天线；应答机天线选择了λ/4作为振子高度，经优化设计后得到应答机天线的尺寸参数为：天线材料为铜，振子高度为68mm，振子半径为1mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在有限的空间中，天线之间安放的距离不能按要求满足一定的间隔，如安放在飞机上的北斗天线和应答机天线，安放的距离不能满足一定的间隔。典型的机载天线，如北斗天线和应答机天线，放置在传统的金属平台上，由于北斗天线和应答机天线之间的距离是一定的，在有限的飞机表面空间上是不能满足足够的间隔距离来降低天线间的耦合度。但是北斗天线的工作频段与应答机天线的工作频段靠近，两幅天线间易发生邻带干扰现象。由于复合材料导电性能远低于金属材料，因此机身上使用的复合材料在电磁波进入复合材料后会产生透射现象。位于复合材料平台上的天线发射的电磁波，透射入复合材料，其在复合材料内部的传播。采用本发明通过大量试验，通过复合材料提供了一种新的耦合通道，使耦合的电磁波能量在其中传播衰减，达到降低天线间耦合度的效果；特别是复合材料具有质量轻，强度高的优点，涂敷在金属平板上形成复合材料平板，简单易行，且能达到降低耦合度的要求，有效地降低机载天线间耦合度。通过选取所述天线，计算复合材料平台天线工作特性和天线间的耦合度，并与无复合材料的金属平台仿真结果进行了对比，验证了有复合平台的时候可以降低耦合。

(2)本发明装置简单易行，相比现有技术的去耦合方法，是一种新颖的疏通耦合路径的装置。

(3)本发明可以用于平台天线性能和耦合度变化的预测分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，同时也作为复合材料平台天线电磁耦合特性分析模型；

图2为北斗天线模型结构；

图3为北斗天线仿真及测试结果；其中(a)S11结果，(b)E面方向图，(c)H面方向图；实线代表仿真结果，虚线代表测试结果；

图4为应答机天线仿真及测试结果；(a)仿真模型，(b)S11结果图，(c)E面方向图，(d)H面方向图；实线代表仿真结果，虚线代表测试结果；

图5为复合材料电磁分析模型；

图6为复合材料厚度为2mm、2.5mm、3mm时的反射系数仿真结果；其中三角连成线的表示h＝2mm，小方框连成的线代表h＝2.5mm，小圆连成的线代表h＝3mm；

图7为复合材料相对介电常数为8、13、18时的反射系数仿真结果；其中三角连成线的表示ε_r＝8，小方框连成的线代表ε_r＝13，小圆连成的线代表ε_r＝18；

图8为复合材料电损耗角正切为0.04、0.06和0.08时的反射系数仿真结果；其中三角连成线的表示tanδ_e＝0.04，小方框连成的线代表tanδ_e＝0.06，小圆连成的线代表tanδ_e＝0.08；

图9为复合材料相对磁导率为1、2和3时的反射系数仿真结果；其中三角连成线的表示μ_r＝1，小方框连成的线代表μ_r＝2，小圆连成的线代表μ_r＝3；

图10为复合材料磁损耗角正切为0.2、0.4和0.6时的反射系数仿真结果；其中三角连成线的表示tanδ_m＝0.2，小方框连成的线代表tanδ_m＝0.4，小圆连成的线代表tanδ_m＝0.6；

图11为金属平台和复合材料平台天线工作特性仿真结果；(a)北斗天线S11参数，(b)应答机天线S11参数，(c)北斗天线增益，(d)应答机天线增益；

图12为金属平台和复合材料平台天线耦合度仿真结果；

图13为金属平台和复合材料平台天线耦合度实测结果。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚地，完整地描述。

参见图1，本发明包括北斗天线1，应答机天线2，复合材料3，金属平板4。

所述北斗天线1和应答机天线2同处于机背，两者距离接近，工作频率也接近，易发生邻带干扰。相对于天线波长，机载平台尺寸很大，在机背表面可以等效成为较大平台。因此将机载平台的机背环境简化为下图所示的平板模型，将选取的北斗天线和应答机天线放置在该较大金属平板4上，该金属平板4上放置有选取的复合材料3，天线间距离设置与实际装机后距离一致。其各项参数为，较大地板L_m*W_m＝1.5m*0.75m，两部天线分别为北斗天线和应答机天线，天线间距为0.7m，在金属平板上放置的复合材料为所选用的复合材料，各项电磁参数设置为：相对介电常数ε_r为13、相对磁导率为μ_r为2、电介质损耗角正切tanδ_e为0.06，设置材料厚度为2.5mm。

参见图2，本发明提供的北斗天线模型结构图。

所述北斗天线的尺寸参数如下：辐射贴片使用方形贴片，贴片宽度W_patch为19.2mm，方形微波陶瓷基板的宽度W_sub为25mm，基板厚度h_sub为4mm，馈电方式为同轴馈电，馈电点到贴片中心距离xp为3mm，通过方形贴片切角实现圆极化，切角宽度c为2mm。

参见图3，本发明提供的北斗天线仿真及测试结果图。

所述北斗天线进行了实物加工和测试，用于验证设计结果。所述北斗天线的S11参数的测试使用了安捷伦公司的N9918A型号的矢量网络分析仪进行测试，并使用天线近场测试系统在暗室中进行了天线的方向图测量。

从图3中可以看出，北斗天线的仿真结果具有的S11参数-10dB带宽为1.595～1.634GHz，最大增益达2.2dBi，水平全向，而在实物测试中北斗天线的S11参数-10dB带宽缩减，实测结果显示的带宽也为1.605～1.626GHz，且其H面方向图较仿真结果更好，不圆度较优。满足设计指标要求。

参见图4，本发明提供的应答机天线仿真及测试结果图。

所述应答机天线形式为单极子天线，其主要指标有：发射频率为1030M±1MHz，接收频率为1090M±3MHz，方向图为水平全向。应答机天线选择了λ/4作为振子高度，经优化设计后得到应答机天线的尺寸参数为：天线材料为铜，振子高度为68mm，振子半径为1mm。

所述应答机天线仿真结果具有的S11参数-10dB带宽为970～1128MHz，其实测带宽为978～1108MHz，最大增益达2.8dBi，水平全向，满足设计指标要求。

参见图5，本发明提供的复合材料电磁分析模型图，1为复合材料，2为金属平板。

所述复合材料电磁分析模型，复合材料涂敷在金属平板表面，所示的设置主从边界和Floquet激励以获得无限大面积的材料涂敷反射分析结果。在设计分析中，只需要建立如图所示的宽为W_c的方形复合材料，设置复合材料基板厚度改为h_c，放置于同样大小的方形理想导体上，并建立高度Lambda为仿真频段中心频点1/2波长的空气腔将复合材料及理想导体模型包含在内，空气腔的四个侧面上设置两组主、从边界，并在空气腔的上端面设置Floquet端口激励，模拟电磁波垂直入射情况。由于使用了主从边界以模拟无限大复合材料的电磁波反射特性，因此方形复合材料模型的宽度W_c对仿真结果并没有太大影响，综合考虑计算精度和计算量设置宽度W_c为20mm。

参见图6，本发明提供的复合材料厚度为2、2.5、3mm时的反射系数仿真结果图。

所述复合材料的样品厚度为2.5mm，改变模型的厚度分别为2mm、2.5mm和3mm，得到模型S11参数如图6所示。

从图6中可以看出，复合材料厚度的微小改变即可以引起材料反射特性的显著改变，材料的厚度越大，其反射率的谐振频率点就越低，原因是材料厚度一般为谐振频率点波长的四分之一，当材料厚度增加时，相应的谐振频率点的波长也增加，进而其谐振频率降低。

参见图7，本发明提供的复合材料相对介电常数为8、13、18时的反射系数仿真结果。

改变模型相对介电常数时，以选取的材料相对介电常数为中心，分别设置了8、13和18三个数值，分别进行了仿真。

从图7中可以看出，随着材料相对介电常数的增加，材料反射率的谐振频率点向低频移动，原因是同样频率的电磁波在具有更高的相对介电常数的材料内部，其波长更短，因而当厚度不变为四分之一波长时，提高材料的相对介电常数，会导致谐振频率点变低。除了谐振频率点的变化之外，材料的相对介电常数也会引起材料特征阻抗的变化及Q值，相对介电常数越高，其匹配越好，但Q值也更高，带宽更窄。

参见图8，本发明提供的复合材料电损耗角正切为0.04、0.06和0.08时的反射系数仿真结果图。

复合材料的介电常数包含了虚部，在电磁参数上通过电介质损耗角正切tanδ_e来表征电场的损耗。分别取电介质损耗角正切的值为0.04、0.06和0.08，得到材料的反射率变化如图8。电损耗角正切值的变化范围较为有限，因此材料的反射率变化并不明显，电损耗角正切值增大，材料的反射减小，谐振频率增大。

参见图9，本发明提供的复合材料相对磁导率为1、2和3时的反射系数仿真结果图。

复合材料中掺杂了磁硅等磁性材料会使材料本身带有磁性，选择材料的相对磁导率分别为1、2和3，得到材料反射率仿真结果。

从图9看出，相对磁导率对谐振频率的影响与相对介电常数的影响原理类似，均是由于改变了材料中电磁波的波长，使得谐振频率随着相对磁导率的增加而减小，但与相对介电常数不同的是，由于计算阻抗时相对磁导率与阻抗值呈正比，而相对介电常数与阻抗值呈反比，因此在介质交界面处的匹配情况，相对磁导率对匹配程度的影响也与相对介电常数的影响相反，相对磁导率增大，匹配程度变差。

参见图10，本发明提供的复合材料磁损耗角正切为0.2、0.4和0.6时的反射系数仿真结果图。

复磁导率的虚部部分与实部的比值为磁损耗角正切tanδ_m，改变材料磁损耗角正切值为0.2、0.4和0.6，仿真得到材料的反射率如图10所示。磁损耗角正切值越大，材料反射率的谐振频率点越低，其匹配情况也越好。

参见图11，本发明提供的金属平台和复合材料平台天线工作特性仿真结果图。

图11中(a)和(b)分别为北斗天线和应答机天线的S11参数，相较于金属平台，两幅天线均发生了谐振频率左偏，工作带宽展宽的现象，按前述的分析，北斗天线的工作频率左偏，带宽展宽的现象使得其更加靠近应答机天线的发射频点，易受到干扰。造成这种现象的原因，是由于天线周围使用了复合材料后，由于复合材料的相对介电常数和相对磁导率均较高，形成了介质的加载效应，使得天线的有效介电常数和有效磁导率变大，谐振频率点降低。图(c)(d)分别为北斗天线和应答机天线的增益曲线，从图中可以看出，金属平台和复合材料平台，两幅天线均发生了方向图畸变现象，复合材料平台上方向图畸变程度相比金属平台有所减弱，原因是金属平台产生二次辐射效应较为明显，而复合材料平台由于对电磁波的反射产生了损耗和吸收，因此方向图的变化比较金属平台较小，应答机天线在金属平台和复合材料平台上的方向图畸变相差不多。从图(c)(d)中可以看出，金属平台上的增益方向图较大，金属平台的二次辐射场与原天线辐射场叠加，造成了天线方向图的畸变，且增益有所增加。复合材料平台由于材料的导电性相比于金属很弱，且材料对电磁波的具有吸收和损耗的效果，使得复合材料平台天线的增益值小于金属平台天线。

参见图12-13，本发明提供的金属平台和复合材料平台天线工作特性仿真结果图和实测图。

在图1模型下，使用HFSS进行了天线间耦合度计算，设置扫频范围为0.8～2GHz，分别得到金属平台和复合材料平台的天线耦合度结果如图12所示。

从图12中可以看出复合材料平台的天线耦合度计算结果低于金属平台天线的耦合度，造成这种结果的原因在于选用的复合材料是有耗材料，复合材料中传播的表面波因为损耗而无法到达接收天线处，而由于复合材料对电磁波的吸收作用，天线间的反射式耦合能量也受到衰减，因而复合材料平台相比金属平台具有较低的耦合度，但两者在北斗天线工作频点处，均具有超过-35dB的耦合度，天线间存在隔离问题。

图13，由于未计入转接头和测试线的衰减，实测结果低于仿真结果，但两者规律一致，在北斗天线工作频点附近，选取的有耗复合材料平台上天线间的耦合度较金属平台有所降低。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种降低机载天线间耦合度的装置，其特征在于：包括北斗天线，应答机天线，复合材料平板和金属平板；所述北斗天线与所述应答机天线间距W＝0.6-0.75m，是安装在机载平台上的机载天线，且在天线密集的机背位置，所述北斗天线用于发射天线信号，为全向天线，工作频段与所述应答机天线接近，易与应答机天线形成互扰；所述应答机天线用于接收询问天线信号，并将接收到的询问信号送至应答机进行判断，为全向天线，工作频段与北斗天线接近，易与北斗天线形成互扰，所述复合材料涂敷在金属平板上形成复合材料平板，所述复合材料平板作为平台放置所述的北斗天线和应答机天线；复合材料平板宽度W_m＝0.6-0.75m，与北斗天线和应答机天线间距W的范围相同，所述复合材料平板长度是L_m＝1.2-1.5m，其中，所述复合材料作为一种耦合通道，将所述发射天线的一部分能量通过所述复合材料耦合到接收天线。

2.根据权利要求1所述的降低机载天线间耦合度的装置，其特征在于：所述复合材料的各项电磁参数设置为：相对介电常数ε_r为13、相对磁导率为μ_r为2、电介质损耗角正切tanδ_e为0.06，复合材料的厚度h为2.5mm。

3.根据权利要求1所述的降低机载天线间耦合度的装置，其特征在于：所述北斗天线指标为：频带:1616±10MHz；驻波≤2；增益：2dBi；所述北斗天线形式是微带天线，使用HFSS工具进行天线的仿真设计，北斗天线的尺寸参数:辐射贴片使用方形贴片，贴片宽度W_patch为19.2mm，北斗天线介质基片采用基板厚度h_sub为4mm的方形微波陶瓷基板，它的宽度W_sub为25mm，馈电方式为同轴馈电，馈电点到方形贴片中心距离xp为3mm，通过方形贴片切角实现圆极化，切角宽度c为2mm。

4.根据权利要求1所述的降低机载天线间耦合度的装置，其特征在于：所述应答机天线发射频率为1030M±1MHz，接收频率为1090M±3MHz，方向图为水平全向；所述应答机天线的形式为单极子天线；应答机天线选择了λ/4作为振子高度，经优化设计后得到应答机天线的尺寸参数为：天线材料为铜，振子高度为68mm，振子半径为1mm。