CN107404011A - 一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法。系统包括：多个低频机载天线、机载平台、激励结构、匹配网络、激励结构介质保护层和功分馈电网络。方法特点是：基于特征模理论系统化的设计出具有高增益和高端口隔离度的低频机载多天线系统，对机载平台自身的低阶模式使用多目标优化算法综合出目标方向图，并通过激励该组合模式电流来提高辐射效率。本发明提供的低频机载多天线系统的优点是能够同时满足天线的辐射性能要求、与平台的共形要求、以及多天线之间的电磁兼容性能要求。其设计方法系统化、有物理机理上的清晰解释，可灵活用于不同平台结构的低频多天线系统设计。

Description

一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法

技术领域

本申请属于机载天线工程技术领域，具体地说，涉及一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法。

背景技术

在现代多功能一体化机载综合电子系统中，低频(HF/VHF频段)机载多天线系统是其关键子系统，广泛应用于中长距离的空对地通信及NVIS(Nearly Vertical IncidentSky Wave，近垂直入射天波)短波通信，其性能的好坏直接影响着整个通信系统的通信质量。

由于机载平台上的复杂电磁环境以及机体自身的物理结构都会对机载天线的辐射性能造成影响，辐射性能良好的孤立天线在机载平台上往往有不同程度的恶化。同时低频机载天线的谐振长度与机体尺寸相当，低频天线尺寸往往较大，通常采用外露式安装，这又破坏了飞机的空气动力学特性，增加了飞机的雷达散射截面，也不利于天线的机械性抗毁性能。另一方面，随着机载通信系统的快速发展，安装在机载平台上的天线数目越来越多，除了上述适于单个天线的问题外，减小机载多天线设备之间的干扰也显得十分重要。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法，以设计出同时满足辐射特性需求、飞行器飞行安全要求、以及电磁兼容性能要求的一体化低频机载多天线系统。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种基于特征模理论的低频机载多天线系统及其设计方法。本申请提供一种基于特征模理论的低频机载多天线系统，系统包括：多个低频机载天线、机载平台、激励结构、匹配网络、激励结构介质保护层和功分馈电网络；

所述机载平台为天线的载体，包括：机头、机身、主翼、垂直尾翼和水平尾翼；

所述激励结构用以激励起特定的模式电流或组合模式电流，进而满足特定的方向图要求；所述激励结构的布局和类型根据机载平台的特征模分析结果确定；

所述匹配网络连接在激励结构端口与同轴馈线之间，用以实现宽带阻抗匹配。

如上所述的系统，其中，所述多个低频机载天线为不同用途的天线，不同的天线激励起不同的平台模式组合；所述平台模式组合由平台低阶模式组成，加权系数通过多目标优化算法确定。

如上所述的系统，其中，所述多个低频机载天线采用开槽结构的感性耦合结构或折叠单极子形式的容性耦合结构；所述天线的外表面设置有介质保护层，所述天线的安装方式为嵌入式安装在机载平台上。

如上所述的系统，优选的，所述匹配网络为集总元件组成的L型匹配网络。

如上所述的系统，其中，所述低频机载天线的数量为三个，分别为：工作在8MHz的NVIS通讯天线，辐射方向图为向上的笔状波束；工作在18MHz的LRSW通讯天线，辐射方向图为水平全向波束；工作在28MHz的空对地通信天线，辐射方向图为向下的笔状波束；

所述机载平台为全金属结构的飞行器模型机，通过对所述飞行器模型采用全金属结构特征模理论进行分析，在天线的三个工作频点及相应带宽内得出相应的低阶模式特性，所述低阶模式特性包括：模式显著性、模式电场和模式电流；

所述激励结构为三组激励结构，所述三组激励结构从低频到高频依次选定为感性耦合结构、容性耦合结构、容性耦合结构；所述感性耦合结构选定为槽天线，并在槽的一端进行馈电；所述容性耦合结构选定为折叠单极子，并在单极子与平台的连接处进行馈电；所述三组结构依据模式电流组合分布，通过优化算法综合确定；所述优化算法采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)，设置三个优化目标：

目标一：保证最大辐射方向，对于任意的平面，约束电场最大值出现在θ＝π/2方向上；

目标二：保证全向方向图的不圆度较小，在θ＝π/2平面内，约束电场最大值与最小值比值接近于1；

目标三：保证能量集中在目标方向上，约束辐射出去的总能量与θ＝π/2±π/12区域内的辐射能量比值尽量小。

本申请提供一种基于特征模理论的低频机载多天线系统的设计方法，该方法包括下列步骤：

步骤A：获取天线的载体平台结构及天线性能的指标要求；

步骤B：依据指标要求的频带对载体平台结构进行特征模分析；

步骤C：判断步骤B分析得到的低阶模式是否满足指标要求，若不满足则需通过多个模式的加权组合综合出目标方向图；

步骤D：依据不同天线激励起不同的模式或组合模式的原则选取相应的综合结果；

步骤E：依据步骤D的选择结果确定激励结构的位置、类型以及馈电幅相；

步骤F：设计相应的激励结构、匹配网络及功分移相网络；

步骤G：将机载天线以嵌入式方式安装在机载平台上；

步骤H：对整个多天线系统进行一体化仿真和实验验证。

如上所述的方法，其中，所述低频机载天线的数量为三个，分别为：工作在8MHz的NVIS通讯天线，辐射方向图为向上的笔状波束；工作在18MHz的LRSW通讯天线，辐射方向图为水平全向波束；工作在28MHz的空对地通信天线，辐射方向图为向下的笔状波束；采用基于分解的多目标优化算法进行方向图综合，设置目标函数为：

所述目标函数对应的目标分别为：

目标一：保证最大辐射方向，对于任意的平面，约束电场最大值出现在θ＝π/2方向上；

目标二：保证全向方向图的不圆度较小，在θ＝π/2平面内，约束电场最大值与最小值比值接近于1；

目标三：保证能量集中在目标方向上，约束辐射出去的总能量与θ＝π/2±π/12区域内的辐射能量比值尽量小。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

1、从天线设计的初始阶段就考虑了平台结构的影响，平台的存在不仅不会带来天线辐射特性的恶化，反而会带来有利影响。

2、由于天线仅仅是用于激励机载平台模式电流的一种激励结构，所以天线的尺寸一般较小，便于嵌入式安装在飞机机身内部，从而避免破坏飞行器的空气动力学特性。

3、这里的电小天线并不是低频机载天线的主辐射器，机载平台自身的大口径才是提高辐射效率的根本因素，因此天线增益较高。

4、使用多目标优化算法对模式方向图进行综合，实现了不同频率处的特定方向图指向，用以满足不同的通信要求。

5、根据综合出的组合模式电流分布，合理选择不同天线的激励位置及激励形式，可以实现较高的天线之间的隔离度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的基于特征模理论的低频机载多天线系统的结构示意图；

图2是本申请实施例的基于特征模理论的低频机载多天线系统的设计方法的流程图；

图3为实施例中平台结构示意图；

图4A为实施例中平台在18MHz的模式1电流和电场分布；

图4B为实施例中平台在18MHz的模式2电流和电场分布；

图4C为实施例中平台在18MHz的模式3电流和电场分布；

图4D为实施例中平台在18MHz的模式4电流和电场分布；

图4E为实施例中平台在18MHz的模式5电流和电场分布；

图4F为实施例中平台在18MHz的模式6电流和电场分布；

图5A为实施例中综合的NVIS辐射方向图及相应的组合模式电流分布；

图5B为实施例中综合的水平全向辐射方向图及相应的组合模式电流分布；

图5C为实施例中综合的向下辐射方向图及相应的组合模式电流分布；

图6为实施例中三副天线在机载平台上的分布图；

图7A为实施例中三副天线的反射系数仿真曲线；

图7B为实施例中三副天线的传输系数仿真曲线；

图8A为实施例中天线1在8MHz的仿真辐射方向图(XZ面和YZ面)；

图8B为实施例中天线2在18MHz的仿真辐射方向图(XZ面和YZ面)；

图8C为实施例中天线2在18MHz的仿真辐射方向图(XY面)；

图8D为实施例中天线3在28MHz的仿真辐射方向图(XZ面和YZ面)。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

传统的低频机载天线及天线布局优化设计缺乏对低频机载天线辐射问题物理机理上的清晰解释，更多的是带有一定盲目性的电磁数值仿真与数值优化相结合的反复寻优过程。这类方法难以系统化，且设计出来的低频天线增益很低(<-10dBi)，为此国际天线研究领域开始有意识地从一些新的角度寻找设计方法。基于特征模理论的结构天线概念正是上述问题的有效解决方案之一，基于该类方法的多天线系统设计具有重要的实际意义。

图1是本申请实施例的基于特征模理论的低频机载多天线系统的结构示意图。如图1所示，本实施例的基于特征模理论的低频机载多天线系统包括：多个低频机载天线、机载平台、激励结构、匹配网络、激励结构介质保护层和功分馈电网络。其中，所述机载平台为天线的载体，包括：机头、机身、主翼、垂直尾翼和水平尾翼；所述激励结构用以激励起特定的模式电流或组合模式电流，进而满足特定的方向图要求；所述激励结构的布局和类型根据机载平台的特征模分析结果确定；所述匹配网络连接在激励结构端口与同轴馈线之间，用以实现宽带阻抗匹配。

在具体应用中，如上所述的系统，所述多个低频机载天线为不同用途的天线，不同的天线激励起不同的平台模式组合；

所述平台模式组合由平台低阶模式组成，加权系数通过多目标优化算法确定。

如上所述的系统，优选地，所述多个低频机载天线采用开槽结构的感性耦合结构或折叠单极子形式的容性耦合结构；所述天线的外表面设置有介质保护层，所述天线的安装方式为嵌入式安装在机载平台上。

如上所述的系统，优选地，所述匹配网络为集总元件组成的L型匹配网络。

图2是本申请实施例的基于特征模理论的低频机载多天线系统的设计方法的流程图。如图2所示，该方法包括下列步骤：

步骤A：获取天线的载体平台结构及天线性能的指标要求；

步骤B：依据指标要求的频带对载体平台结构进行特征模分析；

步骤C：判断步骤B分析得到的低阶模式是否满足指标要求，若不满足则需通过多个模式的加权组合综合出目标方向图；

步骤D：依据不同天线激励起不同的模式或组合模式的原则选取相应的综合结果；

步骤E：依据步骤D的选择结果确定激励结构的位置、类型以及馈电幅相；

步骤F：设计相应的激励结构、匹配网络及功分移相网络；

步骤G：将机载天线以嵌入式方式安装在机载平台上；

步骤H：对整个多天线系统进行一体化仿真和实验验证。

如上所述的系统，以所述低频机载天线的数量为三个举例，如图3所示，飞行器模型采用全金属结构，尺寸为某款典型战斗机大小18.9米×13.56米×4米，包含有机头、机身、主翼、垂直尾翼和水平尾翼五个部分。依据如图2所示机载多天线系统的系统化设计方法流程图，首先确定指标为实现包含三款低频机载天线的多天线系统，工作在8MHz的NVIS(near-vertically incident sky-wave，近垂直入射天波)通讯天线，辐射方向图为向上的笔状波束；工作在18MHz的LRSW(Long Range Sky Wave，远距离天波)通讯天线，辐射方向图为水平全向波束；工作在28MHz的空对地通信天线，辐射方向图为向下的笔状波束；所述机载平台为全金属结构的飞行器模型机，通过对所述飞行器模型采用全金属结构特征模理论进行分析，在天线的三个工作频点及相应带宽内得出相应的低阶模式特性，所述低阶模式特性包括：模式显著性、模式电场和模式电流；所述激励结构为三组激励结构，所述三组激励结构从低频到高频依次选定为感性耦合结构、容性耦合结构、容性耦合结构；所述感性耦合结构选定为槽天线，并在槽的一端进行馈电；所述容性耦合结构选定为折叠单极子，并在单极子与平台的连接处进行馈电；所述三组结构依据模式电流组合分布，通过优化算法综合确定；所述优化算法采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)，设置三个优化目标(以全向方向图为例)：

目标一：保证最大辐射方向，对于任意的平面，约束电场最大值出现在θ＝π/2方向上；

目标二：保证全向方向图的不圆度较小，在θ＝π/2平面内，约束电场最大值与最小值比值接近于1；

目标三：保证能量集中在目标方向上，约束辐射出去的总能量与θ＝π/2±π/12区域内的辐射能量比值尽量小。

在相应频带对平台结构进行特征模分析，这里以工作在18MHz水平全向天线为例，如图4A-4F所示为机载平台的前6个模式的模式电流及电场。可以看出，没有任何一个单一模式满足指标要求，需要通过多个模式的加权组合来实现目标方向图。这里采用基于分解的多目标优化算法进行方向图综合，设置目标函数为：

多目标优化算法综合出来的结果为一组帕累托最优解，考虑到多个天线间的耦合，采用同样的方法综合另外两幅天线的方向图，在同时考虑三款天线的组合模式电流分布的基础上选择对应每款天线的最优解，选取原则为使得不同的天线激励起不同的模式或模式组合，这里将其等效为对应于不同天线的组合模式电流最大最小值分布在不同的地方。如图5A-5C所示分别为实施例选定的对应于三组天线组合模式最优解的模式电流及电场分布，可以看出，对应于向上辐射方向图的组合模式电流最大值分布在飞机垂直尾翼的前边缘；对应于水平全向辐射方向图的组合模式电流最大值分布在飞机垂直尾翼的后边缘；对应于向下辐射方向图的组合模式电流最大值分布在飞机水平尾翼的后边缘，虽然机身上的电流分布对方向图也有一定的贡献，但由于其幅值相对较小，这里可以忽略。

下一步即是根据组合模式电流分布来确定相应的激励结构位置、类型及馈电幅相。依据激励结构选取原则，感性耦合结构应放置在模式电流最大处，容性耦合结构放置在模式电流最小处。本实施例中选择天线2和天线3为容性耦合结构，由于天线1和天线2的最大电流分布同时位于垂直尾翼上，考虑到激励结构的布局问题，天线1选择为与天线2不同的感性耦合结构。具体的激励结构位置分布及具体形式如图6所示，所有的天线都嵌入式安装在飞机上，并在实际使用中在天线外表面加一层介质保护层，仿真及实验结果表明其对天线性能影响不大。

为天线系统设计相应的匹配网络及功分馈电网络并进行多天线系统一体化仿真验证。图7A所示为三款天线的反射系数，其中心频率分别为8MHz,18MHz和28MHz，符合目标要求。如图7B所示为三款天线的传输系数，可以看出在整个频段天线之间的端口隔离度大于10dB。图8A-8D分别为三款天线在各自频率的辐射方向图，三款天线的增益皆大于0dBi，远远大于传统的低频机载天线。

综上所述，本申请提供的基于特征模理论的低频机载多天线系统包括：多个低频机载天线、机载平台、激励结构、匹配网络、激励结构介质保护层和功分馈电网络。本申请提供的基于特征模理论的低频机载多天线系统的设计方法特点是：基于特征模理论系统化的设计出具有高增益和高端口隔离度的低频机载多天线系统，对机载平台自身的低阶模式使用多目标优化算法综合出目标方向图，并通过激励该组合模式电流来提高辐射效率。本发明提供的低频机载多天线系统的优点是能够同时满足天线的辐射性能要求、与平台的共形要求、以及多天线之间的电磁兼容性能要求。其设计方法系统化、有物理机理上的清晰解释，可灵活用于不同平台结构的低频多天线系统设计。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改，并能够在本申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于特征模理论的低频机载多天线系统，其特征在于，包括：多个低频机载天线、机载平台、激励结构、匹配网络、激励结构介质保护层和功分馈电网络；

所述机载平台为天线的载体，包括：机头、机身、主翼、垂直尾翼和水平尾翼；

所述激励结构用以激励起特定的模式电流或组合模式电流，进而满足特定的方向图要求；所述激励结构的布局和类型根据机载平台的特征模分析结果确定；

所述匹配网络连接在激励结构端口与同轴馈线之间，用以实现宽带阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个低频机载天线为不同用途的天线，不同的天线激励起不同的平台模式组合；

所述平台模式组合由平台低阶模式组成，加权系数通过多目标优化算法确定。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个低频机载天线采用开槽结构的感性耦合结构或折叠单极子形式的容性耦合结构；

所述天线的外表面设置有介质保护层，所述天线的安装方式为嵌入式安装在机载平台上。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述匹配网络为集总元件组成的L型匹配网络。

5.如权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，

所述低频机载天线的数量为三个，分别为：工作在8MHz的NVIS通讯天线，辐射方向图为向上的笔状波束；工作在18MHz的LRSW通讯天线，辐射方向图为水平全向波束；工作在28MHz的空对地通信天线，辐射方向图为向下的笔状波束；

所述机载平台为全金属结构的飞行器模型机，通过对所述飞行器模型采用全金属结构特征模理论进行分析，在天线的三个工作频点及相应带宽内得出相应的低阶模式特性，所述低阶模式特性包括：模式显著性、模式电场和模式电流；

所述激励结构为三组激励结构，所述三组激励结构从低频到高频依次选定为感性耦合结构、容性耦合结构、容性耦合结构；所述感性耦合结构选定为槽天线，并在槽的一端进行馈电；所述容性耦合结构选定为折叠单极子，并在单极子与平台的连接处进行馈电；所述三组结构依据模式电流组合分布，通过优化算法综合确定；所述优化算法采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)，设置三个优化目标：

目标一：保证最大辐射方向，对于任意的平面，约束电场最大值出现在θ＝π/2方向上；

目标二：保证全向方向图的不圆度较小，在θ＝π/2平面内，约束电场最大值与最小值比值接近于1；

目标三：保证能量集中在目标方向上，约束辐射出去的总能量与θ＝π/2±π/12区域内的辐射能量比值尽量小。

6.一种如权利要求1所述基于特征模理论的低频机载多天线系统的设计方法，该方法包括下列步骤：

步骤A：获取天线的载体平台结构及天线性能的指标要求；

步骤B：依据指标要求的频带对载体平台结构进行特征模分析；

步骤C：判断步骤B分析得到的低阶模式是否满足指标要求，若不满足则需通过多个模式的加权组合综合出目标方向图；

步骤D：依据不同天线激励起不同的模式或组合模式的原则选取相应的综合结果；

步骤E：依据步骤D的选择结果确定激励结构的位置、类型以及馈电幅相；

步骤F：设计相应的激励结构、匹配网络及功分移相网络；

步骤G：将机载天线以嵌入式方式安装在机载平台上；

步骤H：对整个多天线系统进行一体化仿真和实验验证。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低频机载天线的数量为三个，分别为：工作在8MHz的NVIS通讯天线，辐射方向图为向上的笔状波束；工作在18MHz的LRSW通讯天线，辐射方向图为水平全向波束；工作在28MHz的空对地通信天线，辐射方向图为向下的笔状波束；采用基于分解的多目标优化算法进行方向图综合，设置目标函数为：

所述目标函数对应的目标分别为：

目标一：保证最大辐射方向，对于任意的平面，约束电场最大值出现在θ＝π/2方向上；

目标二：保证全向方向图的不圆度较小，在θ＝π/2平面内，约束电场最大值与最小值比值接近于1；

目标三：保证能量集中在目标方向上，约束辐射出去的总能量与θ＝π/2±π/12区域内的辐射能量比值尽量小。