CN107394343A - 一种超宽带共形气球天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带共形气球天线，所述天线包括大气球、小气球、主辐射体、馈电体、垫片、射频扼流器；所述大气球内部设有所述小气球；所述主辐射体共形于所述小气球表面，所述主辐射体包括两个沿纬度方向和若干条沿经度方向的铝箔带，所述铝箔带宽度相等，主辐射体对称于所述馈电体；所述馈电体连接在所述主辐射体上下两部分之间；所述垫片设置在所述馈电体上下两部分之间；所述射频扼流器设置在所述纬度方向的铝箔条下方位置。本发明具有网络覆盖范围广、可用频带宽、数据传输效率高、无线基站建立方便灵活和维护成本低等优点，适合应用于遥测系统。

Description

一种超宽带共形气球天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种超宽带共形气球天线。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

其中，遥测系统是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的系统，适用于大范围、远距离的数据采集、传输和监控，广泛应用在国民经济、科学研究和军事技术等领域，如航空航天、导弹火箭、电力系统、地质勘探、交通运输和工业监控等。遥测系统由输入设备、传输设备和处理设备三部分组成，是一种特殊的通信系统。按照数据传输方式的不同，遥测系统可以分为两大类：有线遥测和无线遥测。相比于基于传统电缆的有线方式，无线遥测在许多方面都具有巨大的优越性，包括建设和维护成本低廉，系统建立和故障排除迅速，在复杂地形的场地布局容易，以及对自然环境的影响较小等优点。

为了实现无线遥测系统中的实时数据传输，目前采用的主要的技术解决方案有三种：第一种方案是为每个数据采集单元装备Wi-Fi收发器模块以建立无线局域网(WLAN)。然而，这种技术往往面临网络性能挑战和通信失败等问题，如在高山丘陵等复杂地形情况下，由于信号质量差，数据采集单元之间的有效传输距离明显减小，从而导致网络覆盖范围大打折扣。第二种解决方案是基于现有的移动通信网络，这样可在一定程度上简化系统配置。但是，由于遥测活动(如地震勘探活动、高压输电监控等)通常发生在荒郊野外，这些地区往往没有任何移动服务提供，因此该方案具有严重的地域局限性。第三种可行的方案是建立一个专用无线基站(与中央主机相连接)，利用甚高频(VHF)信号来实现数据采集单元与无线基站之间的通信。因为甚高频波(频带在30Mhz-300Mhz)具有强大的传播能力，链路可基于简单的点对多点(PMP)通信模式，从而能实现更加可靠的远程数据传输。比较而言，第三种方案较好。但此方案往往需要建造一座高塔来安装大型天线，所以成本较大且施工周期长。

综上所述，现有的气球天线设计难以满足无线遥测系统中的应用要求，因为这些天线设计不是工作带宽极窄就是抗风性能较差，例如定向柱面共形气球天线等，因此需要一种新的技术方案解决现有技术方案所存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带共形气球天线,提出利用轻型共形气球天线取代传统的笨重的铁塔天线结构的概念，以改进第三种无线遥测系统。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：一种超宽带共形气球天线，所述天线包括大气球、小气球、主辐射体、馈电体、垫片、射频扼流器；所述大气球内部设有所述小气球；所述主辐射体共形于所述小气球表面，所述主辐射体包括两个沿纬度方向和若干条沿经度方向的铝箔带，所述铝箔带宽度相等，主辐射体对称于所述馈电体；所述馈电体连接在所述主辐射体上下两部分之间；所述垫片设置在所述馈电体上下两部分之间；所述射频扼流器设置在所述纬度方向的铝箔条下方位置。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述大气球内部和小气球内部都填充有氦气。大气球不仅作为天线保护罩，还起到提高空气浮力的作用，天线依靠氦气球的升力从地面上升到所需的高度。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述两个沿纬度方向和若干条沿经度方向的铝箔带形成双半球状主辐射体。不仅能实现宽频带工作特性，而且可使制作简便并显著减轻天线重量。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体连接在所述主辐射体经度方向的铝箔带交汇处。馈电体位于天线几何中心，由两个表面金属化锥形外壳组成，有助于改善天线的高频特性和整体结构的稳定性。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体呈锥壳状，馈电体表面粘贴有铝箔层，从而实现馈电体表面的金属化。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述垫片采用聚四氟乙烯材质，垫片中心设有缺口。垫片中心部分被切除形成缺口，以减少馈电体两壳底面之间形成的电容。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体与所述主辐射体连接处设有球面共形边缘。馈电体上下两部分的锥形外壳都有一个球面共形边缘，以便与共形主辐射体形成良好的射频接触。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体上下两部分之间连接处焊接有SMA连接器。SMA连接器适用于频率范围直流至18GHz的微波领域的应用，应用范围如电信通讯、网络、无线通讯以及检测和测量仪器，具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体下部分的侧部设有射频缆线过孔。SMA连接器与馈电体上下两部分锥形壳中部焊接在一起，以连接射频电缆，射频电缆从射频缆线过孔引出，沿气球表面引出到天线底部。连接SMA连接器的射频缆线在到达扼流器之前被屏蔽于锥壳馈电体和铝箔带内。

如上所述的一种超宽带共形气球天线，所述馈电体上下两部分之间通过尼龙螺丝固定。

本发明具有如下优点：本发明提出了一种成本低廉、抗风性能强的超宽带准全向共形气球天线，可较好地应用于无线遥测系统。该气球天线利用氦气球的升力，从地面上升到所需高度，而不需要任何支撑结构，从而可显著降低系统成本并加快施工进度；此外，该天线具有很强的操控灵活性，可根据需要方便地对其进行充放气，且放气后因其体积小、重量轻，非常方便携带，从而便于中央基站的搬迁和重建；最后，该天线具有超宽的工作带宽和稳定的准全向辐射特性，从而可保证即使在大风天气下遥测系统的中央主机与其覆盖范围内所有采集单元之间依然可进行高速可靠的通信。总之，超宽带共形气球天线具有网络覆盖范围广、可用频带宽、数据传输效率高、无线基站建立方便灵活和维护成本低等优点，适合应用于遥测系统。

附图说明

图1超宽带共形气球天线结构示意图；

图2主辐射体、馈电体组合结构示意图；

图3主辐射体俯视图；

图4馈电体组合结构示意图；

图5馈电体俯视图；

图6垫片结构示意图；

图7气球天线阻抗优化趋势图；

图8电压驻波比仿真与实际测试对比图；

图9天线增益仿真与实际测试对比图；

图10气球天线方向图；

图11气球天线缩比模型测试示意图；

图12单一测试点接收功率波动图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，在本实施例中采用8个沿经度方向、2个沿纬度方向铝箔带6。主辐射体3上下两部分分别共形附着于两个完全相同小气球2的球面，主辐射体3由若干等宽度铝箔带6组合形成，主辐射体3对称于中间连接的馈电体结构。采用该球面共形辐射结构不仅能实现宽频带工作特性，而且可使制作简便并显著减轻天线重量。馈电体4位于天线几何中心，包括两个表面金属化锥形外壳9，表面金属化可以采用铝箔实现，两锥形外壳9与聚四氟乙烯垫片11(相对介电常数为2.1)相连接，而垫片11中心部分被切除形成缺口以减少两壳底面之间形成的电容。此外，每个锥形外壳9都有一个球面共形边缘7，以便与共形主辐射体3形成良好的射频接触，双锥形馈电结构设计有助于改善天线的高频特性和整体结构的稳定性。

此外，SMA连接器与馈电体4上下两部分锥形壳中部焊接在一起，以连接射频电缆，射频电缆从射频缆线过孔8引出，沿气球表面引出到天线底部。考虑到共形气球天线是一种平衡结构，须确保电缆走线能够让射频电缆被有效地屏蔽于锥形壳和铝箔带6内，再在贴近水平铝箔带6下方的位置装配一个商用射频扼流器5，以进一步防止电流泄漏到射频电缆的外表面上。最后，整个天线结构被装入大气球1内部。大气球1不仅作为天线保护罩，还起到提高空气浮力的作用。大气球1和小气球2内部均充满氦气，而天线依靠氦气球的升力从地面上升到所需的高度，天线高度可通过绳索长度来控制，根据需要覆盖的范围决定，因此不需要任何支撑结构，大大降低了系统成本，并加快了遥测系统的搭建速度。

为了使提出的超宽带共形气球天线实现良好的辐射性能，利用ANSYS高频结构仿真器(HFSS)对天线进行了仿真分析，并根据仿真结果对天线尺寸参数进行了优化。阻抗匹配是首先需要考虑的因素。图7所示为利用HFSS软件仿真得到的天线输入阻抗随结构尺寸的变化规律。可见，随着主辐射体3导电铝箔宽度w_r的增加，天线的阻抗波动趋于平缓。然而铝箔带6宽度增加，不仅会加大制造的难度，还会增加天线重量，对氦气球的浮力提出挑战。得益于主辐射体3的球面共形设计，适当的铝箔带6宽度(如w_r＝50毫米)即能保证气球天线的宽带特性。此外，随着辐射体上下部分间距的减小，天线输入电阻会不断降低。这可以通过将天线等效为有耗传输线来解释，辐射体上下间距会影响分布电容的大小。最后，本发明的双锥形馈电元件有助于改善天线的高频特性，能够在拓展天线工作带宽的同时增强了气球天线的结构稳定性。另一因素则是天线辐射方向图随频率变化的稳定性。本发明采用的半球面共形天线设计可以有效减少在较高频率情况下铝箔带6上反向电流的影响，使天线能够在整个可用带宽内具有稳定的准全向辐射性能。

通过以上的分析和设计，确定方案并进行加工制作。导电铝箔带6构成天线的主要辐射体，其宽度为50mm、厚度50.8μm。该厚度大于铝在100MHz下趋肤深度的6倍。铝箔带6一面具有导电胶，方便共形结构的制作与固定。双锥形金属化壳馈电体4是天线馈电的重要组成部分，为了减轻重量和方便制作，首先利用3D打印机打印出薄型工程塑料材质的锥形壳体，厚度为1mm，不导电，重量轻，无弹性。然后在其表面粘贴铝箔，压实后形成铝箔壳体。两铝箔壳之间加上聚四氟乙烯垫片11，用尼龙螺丝10固定，并与SMA同轴接头焊接。铝箔壳直径较大的底面具有与气球共形的边缘，将该边缘用铝箔胶带固定于8条铝箔带6交汇处的中心位置，上下两部分对称连接。同轴头连接缆线，缆线沿气球表面引出到天线底部。缆线上安装射频扼流圈，并固定在贴近水平铝箔带6偏下的位置，防止电流泄漏到射频电缆的外表面上。最后将气球天线装入大气球1中，完成天线的加工制作。

在电磁仿真的基础上，根据设计要求不断优化气球天线参数，并制作完成一个超宽带共形气球天线样机，用以验证该天线设计思路的正确性、创造性和设计方案的可行性、优越性。由于材料特性的偏差和人为加工误差，实际天线参数和特性难免与仿真有一定差别，故对天线进行实验测试，如驻波比、增益、方向图、信号传输测试等，并与仿真结果进行对比，验证气球天线的特性。

参见图8为电压驻波比仿真与实际测试对比图，电压驻波比是表征反射系数的参数，它描述了天线和传输线之间阻抗匹配的好坏。通常情况下，为了保证射频功率向天线的有效传输，驻波比必须小于2。使用R&S ZVL3矢量网络分析仪(VNA)来测试气球天线的驻波比，结果如图8所示。虚线为气球天线仿真结果，带宽是从108MHz到402MHz；实线为实际测量结果，带宽是从103MHz到384MHz。由于在气球尺寸的制造误差，相比于仿真频率范围，测得的频率范围略有下降。整体上，这两个轨迹是一致的，天线的相对带宽约为3.72:1，证明了气球天线的超宽带特性。

参见图9为天线增益仿真与实际测试对比图，天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是天线设计与选择最重要的参数之一。相同的条件下，天线增益越高，电波传播的距离越远，网络的覆盖范围越大。方向图可衡量天线的辐射方向性，表征天线辐射场与空间方向的关系。两个相同的气球天线放置距离地面一定高度的非金属支架上。这两个天线位于距离地面2米左右的同一高度，以克服地面反射的影响；水平相距5米，以满足远场区域条件。通过VNA测量这两个气球天线之间的传输系数S₂₁。根据以下公式得到增益：

G＝10log₁₀(4πd/λ)+10log|S₂₁|

上式中，λ为自由空间中的波长，测得的与仿真的增益一致。实际增益在整个工作频带上保持相对平坦，并且随着工作频率的增加下降2dB到-0.5dB不等，满足设计的要求。

参见图10为气球天线方向图，天线方向图的测量过程是通过手动旋转一个气球天线实现。两个完全相同的气球天线，其中一个静止不动，另一个每隔10度旋转一次，并记录S₂₁，直至转完一个圆周，得到各个方向的增益，据此画出方向图。图10为110MHz和370MHz下的水平和垂直方向图。其中实线为仿真曲线，带标记的实线为实际测量曲线，无论是水平还是垂直方向图，二者均比较吻合。且在整个工作频段内天线具有稳定的准全向辐射特性，这在实际应用中是非常有利的，不仅能用无线覆盖所有的数据采集单元，还能克服风的影响。

参见图11为气球天线缩比模型测试示意图，以气球天线为中心辐射器，在风级为4～5级的情况下进行了缩比模型传播实验，以证明气球天线通信的稳定性。如图11所示，气球天线位于中心，通过一250MHz单频信号驱动。气球充入氦气后，升高到距离地面6米。以谐振频率为250MHz的单极天线作为接收天线，模拟数据采集单元，并连接R&S FSV频谱分析仪，在气球天线覆盖区的六个不同位置上依次排列测量。相对于中心气球天线，这六个位置的极坐标为(10米，0°)，(10米，120°)，(10米，240°)，(50米，40°)，(50米，160°)，(50米，280°)。对于每一个位置，单极天线的接收功率每秒测量一次，持续时间约5分钟。

参见图12为单一测试点接收功率波动图，所示为在(50米，160°)这一典型位置的接收功率随测量时间变化的测量结果。两参数(平均功率μ和功率变化统计概率P{|P_r-μ|≤Δ})用于描述轨迹的特性，其中P_r是接收功率和Δ＝2.5dB是选择的标准。对于所有六个位置，从测量的功率曲线中提取出的值为μ和P，并在图11中标出。在风级为4～5级的天气条件下，μ几乎和方位角无关并随通信距离增加呈现合理的衰落。此外，所有位置的概率P均在95％以上，从而说明接收功率随时间波动很小。虽然在实际遥测系统中，气球天线可能放在数十米高，最远的数据采集监控单元可能位于数十公里以外，但气球天线缩比传输实验已从角度关系上有效地证明了气球天线的稳定性和抗风性能。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述天线包括大气球、小气球、主辐射体、馈电体、垫片、射频扼流器；所述大气球内部设有所述小气球；所述主辐射体共形于所述小气球表面，所述主辐射体包括两个沿纬度方向和若干条沿经度方向的铝箔带，所述铝箔带宽度相等，主辐射体对称于所述馈电体；所述馈电体连接在所述主辐射体上下两部分之间；所述垫片设置在所述馈电体上下两部分之间；所述射频扼流器设置在所述纬度方向的铝箔条下方位置。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述大气球和小气球内部都填充有氦气。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述两个沿纬度方向和若干条沿经度方向的铝箔带形成双半球状主辐射体。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体连接在所述主辐射体经度方向的铝箔带交汇处。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体呈锥壳状，馈电体表面粘贴有铝箔层。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述垫片采用聚四氟乙烯材质，垫片中心设有缺口。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体与所述主辐射体连接处设有球面共形边缘。

8.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体上下两部分之间连接处焊接有SMA连接器。

9.根据权利要求1或8所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体下部分的侧部设有射频缆线过孔。

10.根据权利要求1所述的一种超宽带共形气球天线，其特征在于：所述馈电体上下两部分之间通过尼龙螺丝固定。