CN111313159B

CN111313159B - 一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法及宽带短波天线

Info

Publication number: CN111313159B
Application number: CN201911379983.3A
Authority: CN
Inventors: 江莉; 秦涛; 杨沛斌; 杨崇刚; 张昆
Original assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111313159A

Abstract

本发明属于机载短波通信天线，提供一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法及宽带短波天线，方法包含以下步骤：S1，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A；S2，调节天线A尺寸，使机载电小短波天线工作频带在2～30MHz内；S3，以S1中设计的机载电小短波天线A为中心，增加八个电小短波天线为寄生单元组成3×3阵列形式；S4，设计寄生单元，使寄生单元的结构与机载电小短波天线A结构相同，馈电端口删除；S5，将八个寄生单元与机载电小短波天线A相邻两个单元中心之间的距离设置成d；S6，通过调节d的大小，调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，在宽频带范围内使天线A端口阻抗达到易于匹配50Ω的状态。

Description

一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法及宽带短波天线

技术领域

本发明属于机载短波通信天线，涉及一种改善机载电小耦合短波天线阻抗特性的设计方法。

背景技术

短波电台由短波电台收发机、天调系统和短波天线组成。短波天线作为机载短波通信系统的前端，是整个短波通信系统的“耳目”，其性能的优劣直接影响着整个机载短波通信系统性能的优劣。

机载短波天线频率低、波长长，一般采用振子形式的天线，如性能较好的拉索天线、探针天线、顶端天线、分流天线等，但受限于目前先进飞机气动与结构条件的限制，短波天线尺寸必须小且能共形内埋或者共形贴到机身上，这些类型的天线均不适用。此外，并馈天线长达十七八米，在飞机上很难找到合适的安装位置；回形天线单天线性能较好，共形在飞机上后方向图受金属机身的影响，方向图在机体后向会产生大的凹陷；尾帽天线通过激励起整个机身进行工作，天线性能较好，但由于天线馈电点在尾翼顶端，如果对尾翼不进行特殊设计，天调很难就近安装在天线馈电点附近，且会导致馈线损耗大。

且上述短波天线均有一个缺点：天线尺寸小，导致辐射阻抗很小，天调系统调谐困难，天线辐射效率低，很难有效的将短波电台能量辐射出去，因此如何解决短波天线由于尺寸变小导致天线阻抗小、辐射效率低，是短波天线设计的要解决的重要难题。

发明内容

本发明的目的是：提出一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法及宽带短波天线，解决短波天线尺寸变小带来的阻抗急剧变小问题。

本发明的技术方案是：

一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法，包含以下步骤：

S1，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A；

S2，调节天线A尺寸，使机载电小短波天线工作频带在2～30MHz内；

S3，以S1中设计的机载电小短波天线A为中心，增加八个电小短波天线为寄生单元B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，组成3×3阵列形式；

S4，设计寄生单元，使寄生单元的结构与机载电小短波天线A结构相同，馈电端口删除；

S5，将八个寄生单元与机载电小短波天线A相邻两个单元中心之间的距离设置成d；

S6，通过调节d的大小，调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，在宽频带范围内使天线A端口阻抗达到易于匹配50Ω的状态。

所述步骤S1具体为，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A，机载电小短波天线为感性天线，即天线阻抗Z＝Re+j·Rim中Rim>0；

所述步骤S3具体为，以S1中设计的机载电小短波天线A为中心，增加八个电小短波天线为寄生单元B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，组成3×3阵列形式，八个寄生单元与机载电小短波天线A朝向摆放一致，相隔距离d，互相之间不重合。

所述步骤S6具体为，调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，在调节d的同时，用电磁仿真软件HFSS监控馈电端口处天线特性阻抗，当整个频带范围内电抗值零点随d变化时，注意变化规律，使电抗值零点在14～16MHz，且整个2～30MHz范围内电抗值不大于200，阻抗值由1Ω逐渐增大到30～80Ω。

一种宽带短波天线，包含一个辐射单元A、八个寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)和馈电端口F；其中，所述辐射单元A由一个金属贴片D、一个金属地板G、两个金属丝、一个金属螺旋和一个馈电端口构成，金属贴片D为正方形金属板，金属贴片D上蚀刻一个方形槽缝E，金属地板G为辐射单元A的地面，馈电端口F的地与金属地板G焊接，馈电端口F的芯线与中心金属丝H2连接，金属螺旋C夹在金属贴片D和金属地板G之间，由金属丝H1、H2分别连接在方形槽缝的短边；所述寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)用于耦合辐射单元电磁场，其结构与辐射单元结构一致，无馈电；所述馈电端口F给辐射单元A馈电。

所述金属贴片D与金属地板G尺寸为500mm×500mm。

所述金属贴片D与金属地板G平行，相距50mm。

所述方形槽缝E尺寸为100mm×10mm，其一端边界在金属贴片D中心。

所述寄生单元与辐射单元无重叠。

所述金属丝H1一端接金属贴片D上方形槽缝E外边，一端接金属螺旋C外端；所述金属丝H2一端接金属地板G，一端接金属螺旋C内端。

本发明的优点是：用一种简单的寄生方法和装置，解决了由于机载电小耦合短波天线尺寸减小带来的阻抗急剧变小问题，通过单极子天线加载电容电感器，使天线在电小尺寸下能够实现谐振，同时降低天线剖面高度。本发明可以被广泛地应用于飞机短波通信系统，具有显著的市场前景和经济效益。

附图说明

图1a是本发明的辐射单元A结构正视图。

图1b是本发明的辐射单元A结构侧视图。

图2a是本发明的机载宽频带阻抗特性短波天线结构正视图。

图2b是本发明的机载宽频带阻抗特性短波天线结构侧视图。

图3是本发明的机载宽频带阻抗特性短波天线阻抗仿真曲线图。

具体实施方式

本发明通过一种改善机载电小耦合短波天线阻抗特性的设计方法，通过增加与电小耦合短波天线一样的寄生单元，使单元间产生较强的耦合，合理地调节互耦的强弱，可有效的提高电小耦合短波天线的辐射阻抗，减小短波天线天调系统设计难度，增大天线有效辐射增益，从而提高短波电台通信距离。同时通过单极子天线加载电容电感器，使天线在电小尺寸下能够实现谐振，并降低天线剖面高度。

一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法，包含以下步骤：

S1，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A；

利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A，机载电小短波天线为感性天线，即天线阻抗Z＝Re+j·Rim中Rim>0。

调节天线A尺寸，使机载电小短波天线工作频带在2～30MHz内，天线谐振频率在14～20MHz内，以使天线在后续步骤中能够简单调谐到高阻抗值；

以S1中设计的机载电小短波天线A为中心，增加八个电小短波天线为寄生单元B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，组成3×3阵列形式，八个寄生单元与机载电小短波天线A朝向摆放一致，相隔一段距离，互相之间不重合；

设计寄生单元，使寄生单元的结构与机载电小短波天线A结构相同，无馈电端口，只有机载电小短波天线A有馈电端口供射频信号输入；

S5，将八个寄生单元与机载电小短波天线A相邻两个单元中心之间的距离设置成d(点O1到O2之间的距离)；

S6，通过调节d的大小，调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，合理地调节d，可在宽频带范围内使天线A端口阻抗达到易于匹配50Ω的状态。

调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，在调节d的同时，用电磁仿真软件HFSS监控馈电端口处天线特性阻抗，当整个频带范围内电抗值零点随d变化时，注意变化规律，使电抗值零点在10～16MHz，且整个2～30MHz范围内电抗值不大于200，阻抗值由1Ω逐渐增大到10～80Ω，此时，天线阻抗易于与射频馈线和天调系统匹配，天线辐射效率高于90％。

如图1a、1b、2a、2b所示，一种机载宽频带阻抗特性短波天线，包含一个辐射单元A、八个寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)和馈电端口F；其中，所述辐射单元A由一个金属贴片D、一个金属地板G、两个金属丝、一个金属螺旋和一个馈电端口构成，金属贴片D为正方形金属板，尺寸为W×W，金属贴片D上蚀刻一个方形槽缝E，金属地板G为辐射单元A的地面，馈电端口F的地与金属地板G焊接，馈电端口F的芯线与中心金属丝H2连接，金属螺旋C夹在金属贴片D和金属地板G之间，由金属丝H1、H2分别连接在方形槽缝的短边；所述寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)用于耦合辐射单元电磁场，其结构与辐射单元结构一致，无馈电；所述馈电端口F给辐射单元A馈电。

所述金属贴片D与金属地板G尺寸为500mm×500mm；

所述金属贴片D与金属地板G平行，相距50mm；

所述方形槽缝E尺寸为100mm×10mm，其一端边界在金属贴片D中心；

所述寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)结构与辐射单元结构完全一致，寄生单元与辐射单元组成3×3阵元；

所述寄生单元与辐射单元无重叠；

所述金属丝H1一端接金属贴片D上方形槽缝E外边，一端接金属螺旋C外端；

所述金属丝H2一端接金属地板G，一端接金属螺旋C内端；

所述天线阻抗特性仿真曲线如图3，在10MHz～25MHz阻抗值大于10Ω，此时，天线阻抗易于与射频馈线和天调系统匹配，天线辐射效率高于90％，满足天线宽带特性。

本发明首次解决了机载电小耦合短波天线由于尺寸变小后导致天线辐射阻抗急剧变小、天线效率降低的问题。

Claims

1.一种宽带短波天线，其特征在于：包含一个辐射单元A、八个寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)和馈电端口F；其中，所述辐射单元A由一个金属贴片D、一个金属地板G、金属丝H1、中心金属丝H2、一个金属螺旋C和一个馈电端口F构成，金属贴片D为正方形金属板，金属贴片D上蚀刻一个方形槽缝E，金属地板G为辐射单元A的地面，馈电端口F的地与金属地板G焊接，馈电端口F的芯线与中心金属丝H2连接，金属螺旋C夹在金属贴片D和金属地板G之间，由金属丝H1、H2分别连接在方形槽缝的短边；所述寄生单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)用于耦合辐射单元电磁场，其结构与辐射单元结构一致，无馈电；所述馈电端口F给辐射单元A馈电；

2.如权利要求1所述的一种宽带短波天线，其特征在于：所述金属贴片D与金属地板G尺寸为500mm×500mm。

3.如权利要求1所述的一种宽带短波天线，其特征在于：所述金属贴片D与金属地板G平行，相距50mm。

4.如权利要求1所述的一种宽带短波天线，其特征在于：所述方形槽缝E尺寸为100mm×10mm，其一端边界在金属贴片D中心。

5.如权利要求1所述的一种宽带短波天线，其特征在于：所述寄生单元与辐射单元无重叠。

6.一种机载电小短波天线阻抗特性优化方法，采用权利要求5所述的一种宽带短波天线，其特征在于，包含以下步骤：

S1，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A；

S5，将寄生单元与机载电小短波天线A中心之间的距离设置成d；

7.如权利要求6所述的机载电小短波天线阻抗特性优化方法，其特征在于：所述步骤S1具体为，利用电磁仿真软件HFSS设计常规机载电小短波天线A，机载电小短波天线为感性天线，即天线阻抗Z＝Re+j·Rim中Rim>0。

8.如权利要求6所述的机载电小短波天线阻抗特性优化方法，其特征在于：所述步骤S3具体为，以S1中设计的机载电小短波天线A为中心，增加八个电小短波天线为寄生单元B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，组成3×3阵列形式，八个寄生单元与机载电小短波天线A朝向摆放一致，相隔距离d，互相之间不重合。

9.如权利要求6所述的机载电小短波天线阻抗特性优化方法，其特征在于：所述步骤S6具体为，调节寄生单元与机载电小短波天线A之间的耦合，在调节d的同时，用电磁仿真软件HFSS监控馈电端口处天线特性阻抗，当整个频带范围内电抗值零点随d变化时，注意变化规律，使电抗值零点在14～16MHz，且整个2～30MHz范围内电抗值不大于200，阻抗值由1Ω逐渐增大到30～80Ω。