CN110828984B - 一种方向图可重构的紧凑马刀天线 - Google Patents

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Abstract

一种方向图可重构的紧凑马刀天线，包括金属地板、介质基板、金属环和Π形金属多边形；金属环上开了1个细槽并且有1个开关位于细槽处。由于开关存在导通和截止两种状态，因此可以实现两种辐射模式的切换：单极子模式和偶极子模式。在开关导通时，天线工作于单极子辐射模式，金属环等效为单极子天线而Π形金属多边形作为电抗加载可进一步降低谐振频率、展宽带宽；开关截止时，金属环通过耦合激励起Π形金属多边形的偶极子模式，天线工作于偶极子辐射模式。本发明具有尺寸小、垂直片状结构风阻小和半空间角度覆盖等优点，适用于以飞机为代表的各种需要保证最大范围角度的通信覆盖和低风阻的紧凑马刀天线。

Description

一种方向图可重构的紧凑马刀天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种马刀天线，特别涉及一种方向图可重构的紧凑马刀天线。
背景技术
机载天线是飞机通过电磁波传播与外界空间进行交流的媒介，是飞机众多感知系统的一部分。机载天线的好坏决定着整个系统通信的质量，所以研究机载天线有着重要的意义。飞机在空中会实现复杂的机动动作，所以希望天线能够在飞机处于不同姿态时，保证最大范围的角度覆盖。由于飞机飞行特性，所以机载天线还要满足空气动力学需求，尽可能地减小空气的阻力。然而，机载天线的尺寸受限且位于金属表面，给机载天线的设计带来了巨大的挑战。因此，如何保证天线尺寸小的情况下实现通信尽可能大地覆盖半空间，是机载天线设计的关键问题。
目前，国内外关于机载天线的研究成果一般为具有水平全向辐射特性的天线，例如专利[CN102881995A]和文献[“Omnidirectional Dual-Polarized Antenna WithSabre-Like Structure”，P.Liu等，《IEEE Transactions on Antennas andPropagation》，第65卷，2017年3月]中提出的均为水平全向天线，无法完全覆盖半空间的角度覆盖，并且尺寸不够紧凑，风阻不够小。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种方向图可重构的紧凑马刀天线，基于方向图可重构技术，通过开关的导通和截止使天线分别工作在单极子和偶极子模式下，实现通信的半空间角度覆盖，其结构紧凑，风阻低，并且偶极子主辐射单元在单极子模式下作为电抗加载元件可进一步降低谐振频率、扩宽单极子模式的工作带宽。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种方向图可重构的紧凑马刀天线，包括金属地板1，在金属地板1上垂直焊接有一个矩形介质基板2，矩形介质基板2的正面蚀刻有Π形金属多边形4和金属环3，其中Π形金属多边形4位于上方，金属环3上部伸入至Π形金属多边形4的两个竖向枝节之间，下部位于Π形金属多边形4的下方，并连接有射频信号馈电端口5，在金属环3上开有一个细槽，在该细槽处设置有用于辐射模式间切换的开关6，其中开关6导通时，主辐射体为金属环3；开关6截止时，主辐射体为Π形金属多边形4。
所述Π形金属多边形4的上边沿与矩形介质基板2的上边沿平齐，左右边沿分别与矩形介质基板2的左右边沿平齐，下边沿越过矩形介质基板2水平中轴线，Π形金属多边形4的竖向中轴线与矩形介质基板2的竖向中轴线重合。
所述金属环3为矩形，其上边、左边和右边的宽度相等且均小于下边的宽度。
所述细槽开在金属环3的上边、左边或右边。
所述金属环3的左边或右边的内侧与下边之间通过电容元件连接，
所述Π形金属多边形4的顶边长30.5mm，内深11.5mm，两竖向枝节长9.25mm，高20.5mm，金属环3外长11mm，外高20mm，内长9mm，内高14.5mm，上边、左边和右边宽度均为1mm，下边宽度4.5mm。
所述开关6采用SURMOUNT MA4SPS402封装的Pin二极管元件。
所述开关6导通时，金属环3等效为单极子，Π形金属多边形4作为电抗加载，天线工作于单极子模式，产生水平全向辐射；开关6截止时，金属环3耦合激励起Π形金属多边形4的偶极子模式，天线工作于偶极子模式，产生侧射的辐射方向图。由于单极子和偶极子模式方向相互垂直，所以两者的辐射方向图具有覆盖上半空间的特性，从而使得马刀天线的天线单元在2.15–2.63GHz频带内具有半空间角度覆盖的特性。
与现有技术相比，本发明通过可重构技术将两种辐射模式集成在一起，实现了结构紧凑，半空间角度覆盖的马刀天线。并且只需1个开关即可实现模式间的切换。
本发明具有尺寸小、半空间覆盖、垂直片状结构等优点，适用于以飞机为代表的机载天线。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为介质基板和天线的局部放大图。
图3为本发明在两个工作模式下的电流分布示意图，其中包括(a)开关6导通时的单极子模式电流分布和(b)开关6截至时的偶极子模式电流分布。
图4为图2所述介质基板及天线的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。
图5为该实施实例下的天线S参数，包括单极子和偶极子两种工作模式的反射系数。
图6为本发明在2.6GHz时，两个工作模式下的辐射方向图，其中包括两个互相垂直平面的二维辐射方向图(a)和(b)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种基于可重构技术的小尺寸马刀天线。根据设计示意，给出了一个覆盖2.15-2.63GHz频段的半空间角度覆盖的机载天线的具体实施例，下面结合附图予以说明：
如图1和图2，该马刀天线含有金属地板1、介质基板2、金属环3和Π形金属多边形4。介质基板2为矩形，垂直焊接于金属地板1上，金属环3和Π形金属多边形4蚀刻在介质基板2的正面，其中Π形金属多边形4位于上方，金属环3上部伸入至Π形金属多边形4的两个竖向枝节之间，下部位于Π形金属多边形4的下方，并连接有射频信号馈电端口5，在金属环3上开有一个细槽，在该细槽处设置有用于辐射模式间切换的开关6，当开关6导通时，主辐射体为金属环3；开关6截止时，主辐射体为Π形金属多边形4。
在本实施例中，Π形金属多边形4竖向中轴线与矩形介质基板2的竖向中轴线重合，具体可由一条横向枝节和连接在横向枝节两端的两条竖向枝节构成。其横向枝节上边沿与矩形介质基板2的上边沿平齐，两条竖向枝节的外边沿分别与矩形介质基板2的左右边沿平齐，两条竖向枝节的下边沿越过矩形介质基板2水平中轴线，
在本实施例中，金属环3可为矩形，其上边、左边和右边的宽度相等且均小于下边的宽度，金属环3的左边或右边的内侧与下边之间亦可通过电容元件连接，细槽开在金属环3的右边，也可开在上边或左边。
如图3所示，当开关6导通时，金属环3等效为单极子，天线单元工作于单极子模式，产生水平全向辐射，Π形金属多边形4作为电抗加载，可进一步扩宽带宽，降低谐振频率；当开关6截止时，金属环3耦合激励起Π形金属多边形4的偶极子模式，天线单元在工作于偶极子模式，产生侧射的辐射方向图。因为单极子模式和偶极子模式方向相互正交，所以两者的辐射方向图具有覆盖上半空间的特性，从而使得马刀天线的天线单元在2.15–2.63GHz频带内理论上可实现半空间的角度覆盖。
图4给出了一种具体的参数选择，金属地板1采用长宽均为150mm，厚0.5mm的黄铜片，并与介质基板2通过焊接方式连接。介质基板2采用0.6mm厚度的FR-4基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，尺寸为30.5mm*32.5mm*0.6mm。Π形金属多边形4的顶边长30.5mm，内深11.5mm，两竖向枝节长9.25mm，高20.5mm，金属环3外长11mm，外高20mm，内长9mm，内高14.5mm，上边、左边和右边宽度均为1mm，下边宽度4.5mm。开关6采用SURMOUNTMA4SPS402封装的Pin二极管元件。
金属地板1通过激光切割加工制作，金属环3和Π形金属多边形4通过平面印刷电路(PCB)工艺蚀刻在介质基板2的正面。图中A是射频信号馈电位置，D是直流信号馈电位置。金属长方形7包含了3片与金属地板1相连接的长方形，其中一片通过平面印刷电路(PCB)工艺蚀刻在介质基板2的正面，其余两片(虚线表示)通过平面印刷电路(PCB)工艺蚀刻在介质基板2的背面。直流偏置电路用于控制Pin二极管元件的导通和截止。其中，电感L1连接蚀刻于介质基板2正面的金属长方形7和金属环3的下边；电容C1和电容C2连接金属环3的左边内侧与下边；电感L2连接金属环3的左边与一个金属矩形；限流电阻R连接金属矩形和与直流馈电端口D相接的金属矩形；电感C3连接两个金属矩形，其中左侧金属矩形通过通孔与背面的金属长方形7相连接；电容C4连接金属环3的下边和与射频信号馈电端口D相接的金属矩形。金属矩形均通过平面印刷电路(PCB)工艺蚀刻在介质基板2的正面。电容电感元件均采用muRata0402封装的贴片元件，其中电容C1、C2、C3、C4均为680皮法，电感L1、L2均为56纳亨。限流电阻R采用ROHM 0402封装的贴片元件，电阻值为150欧姆。
以图4所示尺寸设计的天线的反射系数如图5所示，其中单极子辐射模式的-8dB阻抗带宽覆盖了2-2.8GHz，偶极子辐射模式的-8dB阻抗带宽为：2.15-2.63GHz，均可以完全覆盖2.15-2.63GHz(相对带宽20％)频段。由于两个辐射模式方向正交，所以本发明实现半空间角度覆盖，如图6所示。
因此，本发明为机载天线提供了一种兼具尺寸小(天线尺寸为0.24λ0*0.26λ0*0.0048λ0，其中λ0对应中心频点在自由空间下的波长)、半空间角度覆盖、低风阻、结构紧凑且迎风面面积小等特性的解决方案，适用于以飞机为代表的各种需要保证最大范围角度的通信覆盖和低风阻的紧凑马刀天线。

Claims (8)

1.一种方向图可重构的紧凑马刀天线，用作机载天线，包括金属地板(1)，其特征在于，在金属地板(1)上垂直焊接有一个矩形介质基板(2)，矩形介质基板(2)的正面蚀刻有Π形金属多边形(4)和金属环(3)，其中Π形金属多边形(4)位于上方，金属环(3)上部伸入至Π形金属多边形(4)的两个竖向枝节之间，下部位于Π形金属多边形(4)的下方，并连接有射频信号馈电端口(5)，在金属环(3)上开有一个细槽，在该细槽处设置有用于辐射模式间切换的开关(6)，其中开关(6)导通时，主辐射体为金属环(3)，金属环(3)等效为单极子，Π形金属多边形(4)作为电抗加载，天线工作于单极子模式，产生水平全向辐射；开关(6)截止时，主辐射体为Π形金属多边形(4)，金属环(3)耦合激励起Π形金属多边形(4)的偶极子模式，天线工作于偶极子模式，产生侧射的辐射方向图。
2.根据权利要求1所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述Π形金属多边形(4)的上边沿与矩形介质基板(2)的上边沿平齐，左右边沿分别与矩形介质基板(2)的左右边沿平齐，下边沿越过矩形介质基板(2)水平中轴线，Π形金属多边形(4)的竖向中轴线与矩形介质基板(2)的竖向中轴线重合。
3.根据权利要求2所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述金属环(3)为矩形，其上边、左边和右边的宽度相等且均小于下边的宽度。
4.根据权利要求3所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述细槽开在金属环(3)的上边、左边或右边。
5.根据权利要求4所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述金属环(3)的左边或右边的内侧与下边之间通过电容元件连接。
6.根据权利要求2所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述Π形金属多边形(4)的顶边长30.5mm，内深11.5mm，两竖向枝节长9.25mm，高20.5mm，金属环(3)外长11mm，外高20mm，内长9mm，内高14.5mm，上边、左边和右边宽度均为1mm，下边宽度4.5mm。
7.根据权利要求1至4任一权利要求所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述开关(6)采用SURMOUNT MA4SPS402封装的Pin二极管元件。
8.根据权利要求1所述方向图可重构的紧凑马刀天线，其特征在于，所述单极子模式和偶极子模式方向相互垂直，两者的辐射方向图具有覆盖上半空间的特性，使得马刀天线的天线单元在2.15–2.63GHz频带内具有半空间角度覆盖的特性。
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