CN106654600A - 一种水平面扫描共形阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平面扫描共形阵列天线，其包括：安装底盘和以安装底盘中心为圆心的同心圆上均匀分布的多个天线单元，每个天线单元连接一根同轴馈电电缆，天线罩下表面安装在安装底盘上、相位控制电扫装置通过同轴馈电电缆与天线单元相连，控制各个天线单元的相位来实现各个方向的波束扫描。本发明结构简单，能够完全与无人机或导弹平台共形，隐藏于在载体蒙皮下，保持载体良好的气动特性及电气指标，而且天线的辐射场可在水平面360度范围内均匀高增益扫描，可以满足无人机或导弹通信系统协同组网的需求。

Description

一种水平面扫描共形阵列天线
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域，涉及一种水平面扫描共形阵列天线，具体为一种能够实现水平面扫描，且能够与无人机、导弹等高速运动载体表面结构共形的阵列天线。
背景技术
目前民用飞机(尤是无人机)领域及军用导弹领域均提出了协同组网需求。无人机协同组网是指多无人机间的通信不完全依赖于地面控制站或卫星等基础通信设施，而是将无人机作为网络节点，各节点间能够相互转发指控指令，交换感知态势、健康情况等数据，自动连接建立起一个无线移动网络，多无人机系统协同应用比单个无人机系统具备可生存性更强、可扩展性更高、完成任务更快等优势，是对现有无人机通信体系的补充和完善，具有重要的理论研究和实践应用价值；导弹武器协同作战是利用协同数据链系统在导弹与导弹之间建立有机联系，将传感器、武器系统通过网络化有机地联系在一起，以实现信息共享，从而从整体上产生高效的协调，大大提高作战效能，支撑飞航武器协同侦察、协同控制、协同打击、在线远程指控、打击效果评估等多任务，对导弹武器系统的作战效能的提升将起到巨大作用。
无论是无人机还是导弹的协同组网，均需要使用水平面有能量辐射的天线系统，即使用垂直极化全向单天线或者阵列天线。应用于无人机或者弹载平台上的垂直极化全向单天线，一般多采用偶极子、单极子(如鞭状天线)或者刀型天线，这些天线类型虽然结构简单、电气性能稳定，但由于受到天线形式的限制，使得天线与弹载平台装配时，必须伸出平台表面突出到气流当中，不但增加了弹体的气动阻力、破坏了平台的气动特性，也容易发生物理损坏，而且这些类型的单天线增益较低，严重降低了载体之间的通信距离；应用于无人机或者弹载平台上的传统定向阵列天线，如果想要实现水平面全空域覆盖，需要使用四面阵列，这将极大提高成本，而且无人机或者导弹载体上可用安装位置非常有限，很难预留出4面阵列天线的位置。
考虑到上述情况，有必要为无人机、导弹等高速运动载体应用开发一种共形阵列天线系统，使其能够实现水平面高增益扫描，提供比现有的天线设计更理想的气动特性和电气指标特性，从而满足通信系统协同组网的需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种水平面扫描共形阵列天线，使其解决应用于无人机或者弹载平台上的垂直极化全向单天线，普遍采用偶极子、单极子或者刀型天线，占空间体积大，安装不便，容易发生物理损坏，影响载体的安全性，破坏载体的气动特性以及增益较低等问题；使其解决应用于无人机或者弹载平台上的传统多面定向阵列天线，占用体积空间大、成本高昂等问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种水平面扫描共形阵列天线，其包括：安装底盘4和以安装底盘4中心为圆心的同心圆上均匀分布的多个天线单元1，每个天线单元1连接一根同轴馈电电缆2，天线罩3下表面安装在安装底盘3上、相位控制电扫装置5通过同轴馈电电缆2与天线单元1相连，控制各个天线单1元的相位来实现各个方向的波束扫描。
其中，所述天线单元1为嵌入盘锥形全向垂直极化天线，包括天线本体，天线本体连接同轴馈电电缆2的内芯，天线本体嵌入到金属柱形腔体13内部；金属柱形腔体底部是一个金属平面反射面14，平面反射面14上面直接连接一个中空的金属圆锥振子12，同轴馈电电缆2的外皮与平面反射面14相连接，从而使得整个天线成为一个整体；同轴馈电电缆2的同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起天线表面电流，从而产生辐射。
其中，所述天线本体辐射体为金属圆盘11。
其中，所述金属圆盘11与同轴馈电电缆2的内芯通过焊接相连。
其中，所述天线单元1设置有8个。
其中，所述同轴馈电电缆2为硬同轴电缆。
其中，所述安装底盘3为铝制金属结构，它将天线单元1和相应同轴馈电电缆2按照设定的阵列分布方式排布，并固连在一起。
其中，所述天线罩4上表面与无人机或导弹载体蒙皮曲面弧度一致，下表面通过安装螺钉6安装在安装底盘3上。
其中，所述天线罩4由聚酰亚胺材料制成。
其中，所述相位控制电扫装置5采用常规相控阵有源或无源控制系统。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的水平面扫描共形阵列天线，用于发射和接收垂直极化电磁波，其结构简单，能够完全与无人机或导弹平台共形，隐藏于在载体蒙皮下，保持载体良好的气动特性及电气指标，而且天线的辐射场可在水平面360度范围内均匀高增益扫描，可以满足无人机或导弹通信系统协同组网的需求。
附图说明
图1是本发明天线侧视图
图2是本发明天线去掉天线罩的俯视图
图3是本发明天线的驻波比
图4是本发明天线的水平面辐射方向图
图5是本发明天线与无人机共形安装的示意图
图6是本发明天线与导弹共形安装的结构示意图
图7为嵌入盘锥形全向垂直极化天线整体结构示意图
图8为嵌入盘锥形全向垂直极化天线剖面图。
图中：1.天线单元，2.同轴馈电电缆，3.安装底盘，4.天线罩5.相位控制电扫装置，6.安装螺钉，7.无人机，8.导弹，11.金属圆盘，12.金属圆锥振子，13.金属柱形腔体，14.平面反射面，15.同轴电缆。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参见图1、图2所示，本发明是一种能够与安装载体表面结构共形的水平面扫描共形阵列天线，包括安装底盘4和以安装底盘4中心为圆心的同心圆上均匀分布的多个天线单元1，每个天线单元1连接一根同轴馈电电缆2，天线罩3下表面通过安装螺钉6安装在安装底盘3上、相位控制电扫装置5通过同轴馈电电缆2与天线单元1相连，控制各个天线单1元的相位来实现各个方向的波束扫描。
本实施例优选设置8个天线单元1。
天线单元1为嵌入盘锥形全向垂直极化天线，本身为嵌入式结构，可发射垂直极化波，并能实现水平面360°全向辐射。天线单元1的结构如图7和图8所示，天线单元1由天线本体及插入天线结构中的同轴馈电电缆共同构成。天线本体辐射体是一个金属圆盘11，它与同轴电缆15的内芯通过焊接相连，嵌入到一个金属柱形腔体13内部；金属柱形腔体底部是一个金属平面反射面14，上面直接连接一个中空的金属圆锥振子12，同轴电缆15的外皮与金属反射面相连接，从而使得整个天线成为一个整体；同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起天线表面电流，从而产生辐射。
同轴电缆15可以和同轴馈电电缆2为同一根电缆。
同轴馈电电缆2为市售产品，选用的是陕西华达科技有限公司生产的半钢3#电缆SFT-50-3-1，其直接安装在天线单元1上。同轴馈电电缆2为硬同轴电缆，同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起天线表面电流，产生辐射。
安装底盘3为铝制金属结构，它将天线单元1和相应同轴馈电电缆2按照特定的阵列分布方式(阵元间距0.5λ0，λ0为中心工作频率对应的波长)排布，并固连在一起，以实现结构的稳固性并保证天线电性能良好。
天线罩4为聚酰亚胺材料，其上表面与无人机或导弹载体蒙皮曲面弧度一致，下表面通过安装螺钉6安装在安装底盘3上。聚酰亚胺材料具有轻质、高强(其强度可与金属相媲美，且柔韧耐折)、耐高低温(能在-269℃～+250℃范围内长期使用)及优异的介电性能、耐辐射性能、耐磨性、化学稳定性和尺寸稳定性，保护罩内天线系统免受任何形式的损伤和破坏。
相位控制电扫装置5通过同轴馈电电缆2与天线单元1相连，控制各个天线单元的相位来实现各个方向的波束扫描，其具体形式较为灵活，可根据需要采用常规相控阵有源或无源控制系统。
在本发明中，天线单元1是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波，当发射信号时，同轴馈电电缆2输入发射信号，同轴接头输出的能量激起天线的表面电流，从而产生辐射；由于天线单元1采用嵌入盘锥形共形全向垂直极化天线单元，使得整个天线系统可以接收或发射垂直极化电磁波，满足无人机及导弹系统数据传输天线的极化需求；由于天线单元1采用嵌入式形结构且天线罩4曲率与无人机7或导弹8表面相应位置曲率一致，可以安装实现良好的气动特性；由于天线罩4采用耐高温等性能良好的聚酰亚胺材料，可以保护罩内天线系统免受任何形式的损伤和破坏，满足无人机7或导弹8等高速运动载体的热防护等特殊需求；由于天线单元1本身为全向水平面辐射天线，且在天线单元后端引入了相位控制电扫装置5，使得天线的辐射场可在水平面360度范围内均匀高增益扫描，可以实现无人机7或导弹8之间的协同组网通信。
参见图3、图4所示，图4为本发明天线中心频率的驻波比，各个端口驻波比小于2的带宽为10％，图4是本发明天线的中心频率水平面辐射方向图，天线阵列水平面增益>7dBi，可以满足无人机或导弹通信系统协同组网通信的常规需求。
参见图5、图6所示，图5是本发明天线与无人机共形安装的示意图，图6是本发明天线与导弹共形安装的结构示意图，本发明天线阵列可以与无人机、导弹等高速运动载体共形安装。
本发明和现有技术相对照，其效果是积极和明显的。本发明由于采用嵌入盘锥形共形全向垂直极化天线单元，使得天线可以接收或发射垂直极化电磁波，满足无人机及导弹系统数据传输天线的极化需求；由于天线单元采用嵌入式形结构且天线罩曲率与无人机或导弹表面相应位置曲率一致，可以使得天线完全嵌入到飞机或导弹平台内部同尺寸的腔体中，从而通过与载体结构的共形安装实现良好的气动特性；由于天线罩采用耐高温等性能良好的聚酰亚胺材料，可以保护罩内天线系统免受任何形式的损伤和破坏，满足无人机或导弹等高速运动载体的热防护等特殊需求；由于天线单元本身为全向水平面辐射天线，且在天线单元后端引入了相位控制电扫装置，使得天线的辐射场可在水平面360度范围内均匀高增益扫描，可以满足无人机或导弹通信系统协同组网的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，包括：安装底盘(4)和以安装底盘(4)中心为圆心的同心圆上均匀分布的多个天线单元(1)，每个天线单元(1)连接一根同轴馈电电缆(2)，天线罩(3)下表面安装在安装底盘(3)上、相位控制电扫装置(5)通过同轴馈电电缆(2)与天线单元(1)相连，控制各个天线单(1)元的相位来实现各个方向的波束扫描。
2.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述天线单元(1)为嵌入盘锥形全向垂直极化天线，包括天线本体，天线本体连接同轴馈电电缆(2)的内芯，天线本体嵌入到金属柱形腔体(13)内部；金属柱形腔体底部是一个金属平面反射面(14)，平面反射面(14)上面直接连接一个中空的金属圆锥振子(12)，同轴馈电电缆(2)的外皮与平面反射面(14)相连接，从而使得整个天线成为一个整体；同轴馈电电缆(2)的同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起天线表面电流，从而产生辐射。
3.如权利要求2所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述天线本体辐射体为金属圆盘(11)。
4.如权利要求3所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述金属圆盘(11)与同轴馈电电缆(2)的内芯通过焊接相连。
5.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述天线单元(1)设置有8个。
6.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述同轴馈电电缆(2)为硬同轴电缆。
7.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述安装底盘(3)为铝制金属结构，它将天线单元(1)和相应同轴馈电电缆(2)按照设定的阵列分布方式排布，并固连在一起。
8.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述天线罩(4)上表面与无人机或导弹载体蒙皮曲面弧度一致，下表面通过安装螺钉(6)安装在安装底盘(3)上。
9.如权利要求8所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述天线罩(4)由聚酰亚胺材料制成。
10.如权利要求1所述的水平面扫描共形阵列天线，其特征在于，所述相位控制电扫装置(5)采用常规相控阵有源或无源控制系统。
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