CN107819194B - 方向可重构共型机载天线、馈电网络及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向可重构共型机载天线、馈电网络及无人机。包括金属层，高频微波介质层，SIW馈电口；两层金属层中间设置高频微波介质层，SIW馈电口贯穿金属层和高频微波介质层，金属层和高频微波介质层对应位置设置过孔调整不同区域的有效介电常数。本发明所设置的结构，实现不同方向的天线阵列，从而实现天线方向可重构的效果；通过switch扫描可切换至不同SIW天线实现方向图可重构，切换方式简单易实现；通过介质板材过孔阵列可对相位进行调整，解决电磁波相位不一致问题。本发明通过天线可与机身共型，解决现有无人机天线不够美观，不易集成问题，同时提高无人机空气动力性能。

Description

方向可重构共型机载天线、馈电网络及无人机
技术领域
本发明涉及无人机天线领域，具体为一种方向图可重构的共型机载天线、馈电网络及无人机。
背景技术
可重构天线是指采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。可重构天线的天线阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的。可重构天线能够减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性。
随着无人机技术的发展，无人机机载天线所需要实现的功能越来越多，现有无人机天线外接将导致机身与天线不易于一体化与集成化，影响无人机整体美观性，外接天线同时也不利于无人机空气动力优化。现有无人机天线一般采用全向或定向波束天线，全向天线虽然满足无人机信号不同方位角接收，但是发射功率相同时全向辐射天线不如定向辐射天线增益高，不利于无人机远距离通信。定向天线虽然较全向天线增益高，但无法满足无人机信号不同方位角接收问题。若采用可重构天线与共型天线技术结合作为无人机机载天线，能够解决天线定向高增益与不同方位角接收问题，并且减轻无人机负重，与某些采用相控阵天线技术无人机相比可降低生产成本。
发明内容
1、发明目的。
本发明为了解决现有无人机定向天线辐射方向固定与全向天线辐射增益低以及天线不易与机身集成问题，通过对无人机机载共型天线材料、结构的设计，提供一种方向可重构的无人机共型机载天线、馈电网络及无人机。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种方向可重构共型机载天线，包括金属层，高频微波介质层，SIW馈电口；两层金属层中间设置高频微波介质层，SIW馈电口贯穿金属层和高频微波介质层，金属层和高频微波介质层对应位置设置过孔调整不同区域的有效介电常数。
更进一步具体实施方式中，金属层和高频微波介质层上下相对应的位置设置过孔，通过圆心至边缘排列的过孔将天线划分多个区域，每个区域为一个共型阵列天线单元，每个共型阵列天线单元有一个SIW馈电口。
更进一步具体实施方式中，通过过孔将天线划分多个区域，区域两两对称设置。
更进一步具体实施方式中，区域两两对称具有相同的掺杂，不同掺杂区具有不同的有效介电常数。
更进一步具体实施方式中，所述的不同掺杂区具有不同的有效介电常数，具体为：
介质板材不同掺杂区的区域对应的尺寸为R1，R2，有效介电常数ε1和ε2。
更进一步具体实施方式中，每个区域内部根据至边缘的距离不同设置多列阵列，距离相同的一列其过孔直径相同，距离不同的过孔阵列直径不同。
本发明提出的一种方向可重构无人机共型馈电网络，馈电网络包括switch开关，传输线，射频接口，馈电介质基板；射频接口包括馈电PIN，接头，射频线缆；射频接口依次穿过馈电介质基板及所述的天线，传输线与每个区域的SIW馈电口连接，射频信号通过线缆馈入，通过接头与馈电PIN相连，经过switch射频开关分配到所需共型阵列天线单元，因每个共型阵列天线单元辐射方向不同，从而实现波束方向可重构。
本发明提出的一种方向可重构无人机，包括使用所述的共型机载天线。
更进一步具体实施方式中，还包括馈电网络。
3、本发明所产生的技术效果。
1)本发明所设置的结构，实现不同方向的天线阵列，从而实现天线方向可重构的效果。
2)本发明通过switch扫描可切换至不同SIW天线实现方向图可重构，切换方式简单易实现。
3)本发明通过介质板材过孔阵列可对相位进行调整，解决电磁波相位不一致问题。
4)本发明通过天线可与机身共型，解决现有无人机天线不够美观，不易集成问题，同时提高无人机空气动力性能。
附图说明
图1为搭载有共型天线的无人机机身示意图。
图2为无人机共型天线侧视示意图。
图3为无人机共型天线俯视示意图。
图4为椭圆形高频介质板材示意图。
图5为椭圆形高频介质基板一掺杂区域过孔阵列示意图。
图6为多边形高频微波介质板材示意图。
图7为圆形高频微波介质板材示意图。
图8为馈电网络俯视示意图。
图9为馈电网络侧视示意图。
图10为共面SIW天线单元辐射方向仿真结果图，z0y面。
图11为共面SIW天线单元辐射方向仿真结果图，x0y面。
图12为共面SIW天线单元输入反射系数仿真结果图。
具体实施方式
实施例
方向可重构共型机载天线由无人机共型天线和馈电网络组成。
所述无人机共型天线包括SIW馈电口，共面SIW天线阵列，高频微波介质基板。
其中，所述共面SIW天线阵列包括金属层、金属过孔。
其中，所述高频微波介质基板包括不同掺杂介质区和过孔阵列，所述不同掺杂介质区为所述介质基板上的An个对称区，每个对称区Ai的掺杂介质均不同。所述高频微波介质基板可为椭圆形、多边形和圆形。其中，所述高频微波介质板材为圆形时，不同对称区域Ai为相同掺杂介质。
所述过孔阵列由不同直径过孔组成，每一列过孔直径φi相同，不同列过孔直径φi≠φj。
所述馈电网络包括switch开关，传输线，射频接口，馈电介质基板。其中，所述射频接口包括馈电PIN，接头，射频线缆。所述接头为SMA，3.5mm，2.92mm接头或其他50欧姆馈电接口。
所述高频介质基板具有不同的掺杂区域。
所述高频介质基板不同掺杂区的区域A1，A2对应的尺寸R1，R2与有效介电常数ε1和ε2的对应关系为：
信号在微带线中的传递速度为：
其中，c为电磁波真空速度，ε有效介质常数。
介质A1上的R1长的传输线共振频率与传播速度关系为：
共振频率
其中R1为每个区域长度，ε1为对应介质有效介电常数。
天线工作时，不同区域A1与A2工作频率相等：f1＝f2
即
可知不同区域有效介电常数εi和εj与尺寸之间的关系为：
所述无人机共型天线有三层，上下两层为所述共面SIW天线阵列的金属层，中间层为所述高频介质基板，所述共面SIW天线阵列的金属过孔贯穿上下金属层，所述SIW馈电口贯穿天线，射频信号通过SIW馈电口馈入共面SIW天线单元。
图2为无人机共型天线侧视示意图。如图2所示，共型天线包括金属层1，高频微波介质层2，SIW馈电口3贯穿金属层和介质层。
图3为无人机共型天线俯视示意图。如图3所示，共型天线金属层1上有金属过孔4，金属过孔4将金属层划分为多个区域，一个区域为一个共型阵列天线单元5，每个共型阵列天线单元有一个SIW馈电口3。
图4为椭圆形或其他多边形高频介质板材示意图。如图所示，介质板材被分为2An个两两对称的区域，这些区域为不同掺杂区，每组对称区域具有相同的掺杂，不同掺杂区具有不同的有效介电常数。介质板材不同掺杂区的区域A1，A2，对应的尺寸为R1，R2，R1，R2与有效介电常数ε1和ε2的对应关系为：
图5为椭圆形高频介质基板一掺杂区域过孔阵列示意图。介质基板过孔8将介质板材划分为多个不同掺杂区域，介质基板过孔8与金属层金属过孔4位置对应，不同掺杂区域与金属层共型阵列天线单元位置对应。不同掺杂区域有如图5所示的过孔阵列。过孔阵列有多列过孔组成(如直径为φ1的一列大过孔6，直径为φ2的一列小过孔7)，同一列过孔直径相同，不同列过孔直径不同。过孔阵列可以解决电磁波相位不一致问题。
图6和图7为标准多边形与圆形高频微波介质板材示意图。当介质板材为圆形时，因为区域长度Ri＝Rj，根据即所有区域为相同掺杂区，当介质板材为菱形时，即掺杂区的介电常数有所不同。
图8为馈电网络俯视示意图，图9为馈电网络侧视示意图。如图8，图9所示，馈电网络包括switch开关9，传输线11，射频接口12，馈电介质基板10。
如图9所示，射频接口包括馈电PIN 13，接头14，射频线缆15。传输线11与SIW馈电口3连接，射频信号通过线缆15馈入，经过switch射频开关9分配到所需SIW天线单元，因每个SIW单元辐射方向不同，从而实现波束方向可重构。所述无人机SIW天线可设计在无人机底部或顶部，因具有尺寸厚度较低优势可实现与机身一体化。
图10和图11为共面SIW天线单元辐射方向仿真结果图，工作频率为15GHz。图9为在z0y平面辐射方向图，图10为在x0y平面方向图。如图所示，天线单元在y方向辐射强度达到最大。
图12为共面SIW天线单元输入反射系数仿真结果图。如图所示，天线在15GHz-15.5GHz之间有峰值，可达到S11＝-22.5dB。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种方向可重构共型机载天线，应用于方向可重构无人机，其特征在于：所述机载天线包括金属层(1)，高频微波介质层(2)，SIW馈电口(3)；两层金属层(1)中间设置高频微波介质层(2)，SIW馈电口(3)贯穿金属层(1)和高频微波介质层(2)，金属层(1)和高频微波介质层(2)对应位置设置过孔调整不同区域的有效介电常数；
金属层(1)和高频微波介质层(2)上下相对应的位置设置过孔，通过圆心至边缘排列的过孔将天线划分多个区域，每个区域为一个共型阵列天线单元，每个共型阵列天线单元有一个SIW馈电口；
通过过孔将天线划分多个区域，区域两两对称设置；
区域两两对称具有相同的掺杂，不同掺杂区具有不同的有效介电常数；
所述的不同掺杂区具有不同的有效介电常数，具体为：
介质板材不同掺杂区的区域对应的尺寸为R1，R2，有效介电常数ε1和ε2；
每个区域内部根据至边缘的距离不同设置多列阵列，距离相同的一列其过孔直径相同，距离不同的过孔阵列直径不同；
方向可重构无人机还包括馈电网络，所述馈电网络包括switch开关(9)，传输线(11)，射频接口(12)，馈电介质基板(10)；射频接口(12)包括馈电PIN(13)，接头(14)，射频线缆(15)；射频接口(12)依次穿过馈电介质基板(10)及所述的共型机载天线，传输线(11)与每个区域的SIW馈电口(3)连接，射频信号通过射频线缆(15)馈入，通过接头(14)与馈电PIN(13)相连，经过switch开关(9)分配到所需共型阵列天线单元，因每个共型阵列天线单元辐射方向不同，从而实现波束方向可重构。
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