CN107910655A - 基于太阳能电池的共形天线及机翼及太阳能飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于太阳能电池的共形天线，包括天线块，隔离板和馈电块；天线块由若干小块太阳能电池板拼接，且下表面为金属材质，贴合于上蒙皮上表面，隔离板和馈电块位于上下蒙皮之间；天线块包括天线辐射单元，引向器和外围寄生区域，引向器由相互平行的矩形级联组成，外围寄生区域围绕在天线辐射单元和引向器四周；隔离板将馈电块覆盖在上蒙皮与隔离板之间；馈电块给天线块进行馈电。本发明还提供一种具有上述共形天线的机翼。本发明还提供一种具有上述机翼的太阳能飞行器。本发明的优点在于：实现了天线与太阳能电池板一体化设计，保证了太阳能电池板高覆盖率，并且天线只需由小块的太阳能电池板拼接而成，降低了天线的加工制作难度。

Description

基于太阳能电池的共形天线及机翼及太阳能飞行器
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种与现代太阳能飞行器载体一体化设计的水平极化端射天线。
背景技术
随着科学技术的进步，太阳能飞行器获得了快速发展。太阳能电磁板主要铺设在飞行器上表面，获取能量，为飞行器提供动能。为了实现飞行器的多功能化，在飞行器上装配了雷达，大型传感器等设备。但是传统的天线，直接焊接在载体外壳，剖面较高，容易损坏；或者直接外挂于载体上，影响了飞行器的启动外形，增加了阻力，降低了飞行性能。
为了解决上述问题，共形天线及其阵列便应运而生。如郭琳提出的《一种低剖面共形天线》(申请号：CN 201610441467.9)，但该共形天线阵的主辐射方向为侧射式，无法提供端射方向的工作模；郭琳提出另外一篇《一种高增益端射共形天线》(申请号：CN201510745761.4)，虽然该共形天线可以实现高增益端射模式，但是天线的载体必须为非金属载体，且该天线形式会导致可铺设的太阳能电池的面积大大减少，牺牲了飞行器的动能供给。周金柱提出了《结构功能一体化机翼天线》(授权号：CN 103887605 B)，但该天线放置于机翼内部，如果在飞行器表面上铺设太阳能板后，该共形天线阵设计方案无法正常工作，不适用于太阳能飞行器载体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种具有端射的工作模式，并且尽可能的降低该天线阵面占用铺设太阳能电池的面积的基于太阳能电池的共形天线。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于太阳能电池的共形天线，包括若干个平行排列的共形天线单元，每个共形天线单元包括：天线块(300)，隔离板(400)和馈电块(500)；
所述的天线块(300)由若干小块太阳能电池板拼接，并且小块太阳能电池的下表面为金属材质，贴合于上蒙皮(101)上表面，所述隔离板(400)和馈电块(500)位于上蒙皮(101)和下蒙皮(103)之间；
所述的天线块(300)包括：天线辐射单元(301)，引向器(302)和外围寄生区域(303)，所述的引向器(302)由相互平行的矩形级联组成，所述的外围寄生区域(303)围绕在天线辐射单元(301)和引向器(302)四周，并且与其相互连接；
所述的隔离板(400)将馈电块(500)覆盖在上蒙皮(101)与隔离板(400)之间；
馈电块(500)与天线块(300)连接，给天线块(300)进行馈电。
作为优化的技术方案，所述的天线辐射单元(301)为开口为折线形的Vivaldi天线。
作为优化的技术方案，引向器(302)之间的间距为0.5mm～2mm。
作为优化的技术方案，所述的上蒙皮(101)材质为碳纤维复材。
作为优化的技术方案，所述的隔离板(400)是由4块相互连接在一起的金属板组成，包括：2块左右对称的第一垂直金属板(401)，1块前端的第二垂直金属板(402)和1块倾斜的水平金属板(403)，所述的第一垂直金属板(401)关于天线中心左右对称，所述的第二垂直金属板(402)位于第一垂直金属板(401)的前端，并与其相互连接，所述的倾斜水平金属板(403)位于第一垂直金属板(401)的下方，并与第一垂直金属板(401)和隔离板402相互连接，所述的隔离板(400)位于天线块(300)的正下方；
左右对称的第一垂直金属板(401)和第二垂直金属板(402)分别贴合在上蒙皮(101)下方，馈电块(500)紧贴于上蒙皮(101)下方。
作为优化的技术方案，所述的馈电块(500)包括：馈电介质板(501)，微带馈电线(502)和馈电连接器(503)，所述的馈电介质板(501)固定于机翼上蒙皮(101)下方，其为透波介质板，所述的微带馈电线(502)刻蚀于微带介质板(501)的上表面，通过耦合的方式给天线块(300)进行馈电，所述的馈电连接器(503)位于馈电介质板(501)的下方，馈电连接器(503)的内导体连接于微带馈电线(502)，外导体连接于天线辐射单元(301)。
作为优化的技术方案，所述的馈电介质板(501)为罗杰斯4003C板材。
本发明还提供一种具有上述任一方案所述的基于太阳能电池的共形天线的机翼，包括：上蒙皮(101)，机翼骨架(102)，下蒙皮(103)和太阳能电池板(200)；
所述的机翼骨架(102)内置于所述的上蒙皮(101)和下蒙皮(103)之间；
所述的上蒙皮(101)为透电磁波的介质，下蒙皮(103)可为金属材质，也可是透电磁波的介质；
所述的太阳能电池板(200)是由小块的太阳能电池拼接而成，太阳能电池板(200)下表面为金属材质，并贴合于机翼上蒙皮(101)上表面；
所述的太阳能电池板(200)包括：非天线块201和天线块(300)，所述的天线块(300)有若干个，若干个天线块(300)平行排列。
作为优化的技术方案，所述的机翼骨架(102)由若干平行排列的翼肋组成。
本发明还提供一种具有上述方案所述的机翼的太阳能飞行器，包括机身、机尾、机翼以及动力系统。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明的天线实现了与太阳能飞行器一体化共形设计，相比于外挂的天线阵面，该天线结构符合气动性能的要求，具有风阻低，重量轻的优点。
2、本发明的天线保证了太阳能电池板高覆盖率，不可铺设太阳能电池板的区域保持在5％～10％，这种特性是传统的端射天线(如类八木天线)所不具备的。同时确保了太阳能飞行器充足的动能供给，并且该种天线的结构，适用于各种太阳能载体平台。
3、本发明的天线解决了
4、本发明的天线解决了现有的共形天线不适用于太阳能飞行器的难题，实现了天线与太阳能电池板一体化设计，并且该天线只需由小块的太阳能电池板拼接而成，无需对太阳能电池板二次切割或加工，大大降低了天线的加工制作难度。
附图说明
图1为本发明实施例一的太阳能飞行器机翼的结构示意图；
图2为图1的分解图；
图3为本发明的天线阵的总装示意图；
图4为图3的单元级的结构示意图；
图5为本发明的天线的结构示意图；
图6为图5的分解图；
图7为天线块和微带馈电线的展开后的相对位置的示意图；
图8为实施例二的基于太阳能电池的水平极化端射共形天线的结构示意图。
图中序号的含义：101-机翼上蒙皮；102-机翼骨架；103-机翼下蒙皮；200-太阳能电池板；201-非天线块；300-天线块；301-天线辐射单元；302-引向器；303-外围寄生区域；400-隔离板；401-左右对称的隔离板；402-前端矩形垂直隔离板；403-倾斜的矩形隔离板；500-馈电块；501-馈电介质板；502-微带馈电线；503-馈电连接器。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
参见图1和图2，一种太阳能飞行器的机翼包括：上蒙皮101，机翼骨架102，下蒙皮103和太阳能电池板200。其中，所述的上蒙皮101和下蒙皮103的材质为碳纤维复材；所述的机翼骨架102由若干平行排列的翼肋组成，内置于所述的上蒙皮101和下蒙皮103之间，如需对结构进行减重，可以按需在机翼骨架102进行挖孔；所述的太阳能电池板200是由小块的太阳能电池拼接而成，为了确保每块矩形区域内的太阳能电池板的能量能够有效级联，每小块太阳能电池板之间电连接。太阳能电池板200下表面为金属材质，并贴合于机翼上蒙皮101上表面。这里所述的“拼接”是指以满足太阳能板200工作原理为原则进行连接；所述的“贴合”包括但不限于直接贴覆在机翼上蒙皮200，或者太阳能电池板200先贴覆在特定的板材或薄膜上，再整体贴覆在机翼上蒙皮101。
同时参阅图3和图4所示，所述的太阳能电池板200包括：非天线块201和天线块300，天线块300位于非天线块201的一侧。所述的非天线块201按照“可铺设数量最大化为原则”，充分利用机翼上蒙皮101，使得每块的太阳能电池板之间的拼接缝隙尽可能的小，提高利用率。所述的天线块300有若干个，若干个天线块300平行排列，通过合理的优化，利用小块太阳能电池板拼接出特定的形状，使天线块300区域可以实现能量的有效辐射。
同时参见图5至图7，本发明的共形天线包括若干个平行排列的共形天线单元，每个共形天线单元包括：天线块300，隔离板400和馈电块500。所述的天线块300贴附在上蒙皮101上方；相邻的两个机翼骨架102内有若干个平行排列的隔离板400和馈电块500。
所述的天线块300包括：天线辐射单元301，引向器302和外围寄生区域303。所述的天线辐射单元301包括但不限于开口为折线形的Vivaldi天线。所述的引向器302由相互平行的矩形级联组成，引向器302之间的间距一般为0.5mm～2mm。所述的天线辐射单元301除vivaldi天线开口的边，剩下的三个边与所述的外围寄生区域303电连接。所述的引向器302与外围寄生区域303在长边方向相互电连接，两者在窄边方向有间隙，一般为5mm～15mm。
所述的天线辐射单元301，引向器302，外围寄生区域303和非天线块201均由小块的太阳能电池板拼接而成，并贴附于上蒙皮101的上表面。
所述的隔离板400是由4块相互连接在一起的金属板组成，包括：2块左右对称的垂直金属板401，1块前端的垂直金属板402和1块倾斜的水平金属板403。所述的垂直金属板401关于天线中心左右对称。所述的垂直金属板402位于垂直金属板401的前端，并与其相互连接。所述的倾斜水平金属板403位于垂直金属板401的下方，并与垂直金属板401和隔离板402相互连接。另外，所述的隔离板400位于天线块300的正下方，并与其相互连接。
所述的馈电块500包括：馈电介质板501，微带馈电线502和馈电连接器503。所述的馈电介质板501固定于机翼上蒙皮101下方，其为透波介质板，本实例中为罗杰斯4003C板材。所述的微带馈电线502刻蚀于微带介质板501的上表面，刻蚀的形状包括但不限于“Γ”形，其目的是通过耦合的方式给上面的天线块300进行馈电。所述的馈电连接器503位于馈电介质板501的下方，馈电连接器503的内导体连接于微带馈电线502，外导体连接于天线辐射单元301。
所述隔离板400将馈电块500覆盖住，左右对称的垂直金属板401和垂直金属板402分别贴合在上蒙皮101下方，馈电块(500)贴附于上蒙皮(101)下方。
该实施例中，天线实现了与太阳能飞行器一体化共形设计，相比于外挂的天线阵面，该天线结构符合气动性能的要求，具有风阻低，重量轻的优点。并且天线块300只需由小块的太阳能电池板拼接而成，无需对太阳能电池板二次切割或加工，大大降低了天线的加工制作难度。因为天线块300也是由小块的太阳能电池板拼接而成的，因此不可铺设太阳能电池板的区域很小，保持在5％～10％，确保了太阳能飞行器充足的动能供给。
实施例二
参见图8，本实施例二中的天线是对实施例1中天线进行了扩展，由原来的单阵面工作模式扩展为双阵面工作模式，即天线块位于非天线块的相对两侧。实施例2中的阵面结合相应的有源组件模块，可以实现在前后两个方向上同时实现一维相扫的工作模式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，包括若干个平行排列的共形天线单元，每个共形天线单元包括：天线块(300)，隔离板(400)和馈电块(500)；
所述的天线块(300)由若干小块太阳能电池板拼接，并且小块太阳能电磁板的下表面为金属材质，贴合于上蒙皮(101)上表面，所述隔离板(400)和馈电块(500)位于上蒙皮(101)和下蒙皮(103)之间；
所述的天线块(300)包括：天线辐射单元(301)，引向器(302)和外围寄生区域(303)，所述的引向器(302)由相互平行的矩形级联组成，所述的外围寄生区域(303)围绕在天线辐射单元(301)和引向器(302)四周，并且与其相互电连接；
所述的隔离板(400)将馈电块(500)覆盖在上蒙皮(101)与隔离板(400)之间；
馈电块(500)与天线块(300)连接，给天线块(300)进行馈电。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，所述的天线辐射单元(301)为开口为折线形的Vivaldi天线。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，引向器(302)之间的间距为0.5mm～2mm，所述的引向器(302)由一条细长的金属条串联组成。并且所述的引向器(302)与外围寄生区域(303)在长边方向相互电连接，两者在窄边方向有间隙，一般为5mm～15mm。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，所述的上蒙皮(101)材质为透电磁波的介质。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，所述的隔离板(400)是由4块相互连接在一起的金属板组成，包括：2块左右对称的第一垂直金属板(401)，1块前端的第二垂直金属板(402)和1块倾斜的水平金属板(403)，所述的第一垂直金属板(401)关于天线中心左右对称，所述的第二垂直金属板(402)位于第一垂直金属板(401)的前端，并与其相互连接，所述的倾斜水平金属板(403)位于第一垂直金属板(401)的下方，并与第一垂直金属板(401)和隔离板402相互连接，所述的隔离板(400)位于天线块(300)的正下方；
左右对称的第一垂直金属板(401)和第二垂直金属板(402)分别贴合在上蒙皮(101)下方，馈电块(500)贴附于上蒙皮(101)下方。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，所述的馈电块(500)包括：馈电介质板(501)，微带馈电线(502)和馈电连接器(503)，所述的馈电介质板(501)固定于机翼上蒙皮(101)下方，其为透波介质板，所述的微带馈电线(502)刻蚀于微带介质板(501)的上表面，通过耦合的方式给天线块(300)进行馈电，所述的馈电连接器(503)位于馈电介质板(501)的下方，馈电连接器(503)的内导体连接于微带馈电线(502)，外导体连接于天线辐射单元(301)。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能电池的共形天线，其特征在于，所述的馈电介质板(501)为罗杰斯4003C板材。
8.一种采用权利要求1至7任一项所述的基于太阳能电池的共形天线的机翼，其特征在于，包括：上蒙皮(101)，机翼骨架(102)，下蒙皮(103)和太阳能电池板(200)；
所述的机翼骨架(102)内置于所述的上蒙皮(101)和下蒙皮(103)之间；
所述的上蒙皮(101)和下蒙皮(103)的材质为透电磁波的介质；
所述的太阳能电池板(200)是由小块的太阳能电池拼接而成，太阳能电池板(200)下表面为金属材质，并贴合于机翼上蒙皮(101)上表面；
所述的太阳能电池板(200)包括：非天线块201和天线块(300)，所述的天线块(300)有若干个，若干个天线块(300)平行排列。
9.根据权利要求1所述的机翼，其特征在于，所述的机翼骨架(102)由若干平行排列的翼肋组成。
10.一种具有权利要求8或9所述的机翼的太阳能飞行器，其特征在于，包括机身、机尾、机翼以及动力系统。
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