CN112751176B - 一种机载低频低高度宽带全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载低频低高度宽带全向天线，所述天线包括中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构以及天线罩；所述中心激励结构包括金属锥形体结构，以及同轴设置在所述金属锥形体顶部的金属圆盘，金属锥形体以及圆盘共同构成辐射体；所述外侧寄生结构包括在所述金属锥形体外侧、沿圆盘周向均匀分布的一圈金属柱；所述电参数递变多层介质结构为分布在所述金属锥形体外侧的至少一层介质材料柱；所述天线罩设置在中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构的外侧，其下端固定在天线安装面上，对整个结构进行完整的包裹。

Description

一种机载低频低高度宽带全向天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种机载低频低高度宽带全向天线。
背景技术
如今，随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，对信道工作频段的覆盖能力要求越来越高；相应地，希望天线的工作带宽具有宽带甚至超宽带特性。同时，对于机载系统而言，考虑到载荷承受能力以及空气动力学特性，往往还要求天线具有小型化、低重量。
当前已有的、能够用于机载端的全向宽带天线，常见形式包括：外置式刀型天线；外置式振子天线；嵌入式盘锥天线；多角域覆盖叠加等。在这些形式的基础上，一般可进一步结合集总/分布式加载、匹配网络等办法提高带宽。
当前的各种类型或技术具有各种不足，包括刀型天线以及振子天线的带宽不够、刀型天线或倾斜式振子天线方位面不圆度在高频时相对较差、嵌入式盘锥等天线的波瓣上翘较为严重、多角域覆盖的方式存在盲区或需要更加复杂的判断与切换系统、采用加载或匹配网络后天线效率显著下降特别是在低频段从而导致通信作用距离受限等。这些对于机载移动通信应用来说都是较为显著的不足。因此，设计一种辐射性能良好的小型化的全向通信天线具有较大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种机载低频低高度宽带全向天线，具备小型化的优点，适合于机载环境下应用。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种机载低频低高度宽带全向天线，所述天线包括中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构以及天线罩；
所述中心激励结构包括金属锥形体结构，以及同轴设置在所述金属锥形体顶部的金属圆盘，金属锥形体以及圆盘共同构成辐射体；在金属锥形体的末端为作为馈电点的圆形的电连接处；金属锥形体的顶部直径大于圆盘的直径；
所述外侧寄生结构包括在所述金属锥形体外侧、沿圆盘周向均匀分布的一圈金属柱，相邻的金属柱之间不连接；所述金属柱的顶部与圆盘连接，底部与设置在中心激励结构下部的天线安装面连接，天线安装面接地；
所述电参数递变多层介质结构为分布在所述金属锥形体外侧的至少一层介质材料柱；当介质材料柱设置多层时，多层介质材料柱同轴设置；相邻的介质材料柱层中，每一个介质材料柱位于与其最接近的两个介质材料柱之间，形成不同层的介质材料柱层交错分布式结构；所述介质材料柱的顶部与圆盘或金属锥形体连接，底部与天线安装面连接；
所述天线罩设置在中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构的外侧，其下端固定在天线安装面上，对整个结构进行完整的包裹。
进一步地，所述的金属锥形体为圆锥或倒圆锥结构，其中，圆锥或倒圆锥结构的轴向剖面曲线为直线或弧线。
进一步地，所述的金属柱为实心柱或内部带有通孔的空心柱，金属柱层的顶部设置有一圈与金属锥形体结构同轴的金属圆环。
进一步地，当介质材料柱设置多层时，最内侧的介质材料柱的上端加工为与金属锥形体外侧相适配的斜面，并固定在金属锥形体上.。
进一步地，位于金属锥形体最外侧的介质材料柱层的外接圆的大小与所述圆盘直径大小一致。
进一步地，当介质材料柱设置多层时，每一层中介质材料柱的直径一致。
进一步地，当介质材料柱设置多层时，从最内的第1层到最外的第N层，介质材料柱的相对介电常数εr与相对磁导率μr同时逐渐增大，均从1离散过渡到10。
进一步地，在天线工作时，电连接处与馈线连接，射频电流流经金属锥形体结构到达圆盘处，通过高频振荡向外辐射，在机体的蒙皮上形成二次辐射，形成整个天线的辐射方向图；在此过程中，金属柱层和介质材料柱层起到阻抗匹配的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
本发明提出的天线结构兼具超宽带(可超过四个倍频)与小型化(高度可低至0.06λ0，其中λ0为最低频率所对应的波长)特征，且在空间覆盖上为垂直极化全向侧射，非常适用于机载等平台的通信需求；辐射效率高、功率容量大，远距离作用的效果好；在与集总或分布式电阻加载、以及宽带匹配网络等手段结合后，还可以进一步提高其阻抗带宽。
附图说明
图1为本发明的侧视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图，其中m＝1、3……M标识了M根金属圆柱的位置，n＝1、3……N标识了N个介质材料柱层的位置；
图3为设置金属圆环时的侧视结构示意图；
图4为设置金属圆环时的俯视结构示意图；
图5的(a)与(b)为本发明实施例f0频率的俯仰面与方位面方向图；
图6的(a)与(b)为本发明实施例2f0频率的俯仰面与方位面方向图；
图7的(a)与(b)为本发明实施例3f0频率的俯仰面与方位面方向图；
图8的(a)与(b)为本发明实施例4f0频率的俯仰面与方位面方向图。
图中标号说明：1金属锥形体，2圆盘，3金属柱，4介质材料柱，5天线罩，6天线安装面，7金属圆环。
具体实施方式
参见图1，本发明的一种机载低频低高度宽带全向天线，所述天线包括中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构以及天线罩5；
所述中心激励结构包括金属锥形体1结构，以及同轴设置在所述金属锥形体1顶部的金属圆盘2，金属锥形体1以及圆盘2共同构成辐射体；在金属锥形体1的末端为作为馈电点的圆形的电连接处；金属锥形体1的顶部直径为d1，而圆盘2的直径为d2，则有d2>d1；从而使得圆盘2下部边缘与金属锥形体1顶部的圆周之间存在一个用于设置外侧寄生结构以及电参数递变多层介质结构的环状区域。本方案中，金属锥形体1结构能有效覆盖基本工作带宽的高频部分；而设置的金属圆盘2能实现电容效应的扩展，从而向低频段延伸。
所述外侧寄生结构包括在所述金属锥形体1外侧、沿圆盘2周向均匀分布的一圈金属柱3，相邻的金属柱3之间不连接；所述金属柱3的顶部与圆盘2连接，底部与设置在中心激励结构下部的天线安装面6连接，天线安装面6接地。本方案中的金属柱3，可以形成短路折合从而可使天线在更低的模式下谐振，即有利于天线的小型化。本方案中，金属柱3以及与中心激励结构分离式的寄生结构，可以形成双频段谐振或者进一步拓展频带。
所述电参数递变多层介质结构为分布在所述金属锥形体1外侧的至少一层介质材料柱4；当介质材料柱4设置多层(≥2)时，多层介质材料柱4同轴设置；每一层介质材料柱4层共同围城一个圆形，所有层对应的圆形同心；相邻的介质材料柱4层中，每一个介质材料柱4位于与其最接近的两个介质材料柱4之间，形成不同层的介质材料柱4层交错分布式结构；所述介质材料柱4的顶部与圆盘2或金属锥形体1连接，底部与天线安装面6连接。电参数递变多层介质结构层的设置，可以在介质加载效应缩小尺寸的同时调节天线阻抗向自由空间波阻抗逐渐渐变，即可在调节匹配的同时增强小型化特征。
当介质材料柱4设置多层时，最内侧的介质材料柱4的上端加工为与金属锥形体1外侧相适配的斜面，并固定在金属锥形体1上；位于金属锥形体1最外侧的介质材料柱4层的外接圆的大小与所述圆盘2直径大小一致。
所述天线罩5设置在中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构的外侧，其下端固定在天线安装面6上，对整个结构进行完整的包裹。
在本发明的一个实施例中，所述的金属锥形体1为圆锥或倒圆锥结构，其中，圆锥或倒圆锥结构的轴向剖面曲线为直线或弧线。
可选地，所述的金属柱3为实心柱或内部带有通孔的空心柱，且金属柱3层的顶部设置有一圈与金属锥形体1结构同轴的金属圆环7；如图3和图4所示，金属圆环7与金属圆盘2之间则形成了可优化的缝隙。
当介质材料柱4设置多层时，每一层中介质材料柱4的直径一致；从最内的第1层到最外的第N层，介质材料柱4的相对介电常数εr与相对磁导率μr同时逐渐增大，均从1离散过渡到10。
在天线工作时，电连接处与馈线连接，射频电流流经金属锥形体1结构到达圆盘2处，通过高频振荡向外辐射，在机体的蒙皮上形成二次辐射，形成整个天线的辐射方向图；在此过程中，金属柱3层和介质材料柱4层起到阻抗匹配的作用；将传统的单极子天线的形状变化成了本方案中的金属锥形体1+金属柱3+介质材料层的整体圆柱状结构，可以有效降低天线的垂直高度，相比于传统可降低一半以上，能很好地满足在机上的小型化安装需求。另外，本发明的天线可与集总/分布加载、馈电端宽带匹配网络等手段相结合，以进一步优化天线的性能。
实施例：
在本例中，天线总高度为0.06λ0、最外侧直径为0.11λ0，其中λ0为带内最低频率所对应的空气波长。在中心激励结构顶部圆盘2的下方、金属锥形体1外侧，布置了N＝5层等厚度的介质材料柱4层，相对介电常数εr由内向外从2递增至10，相对磁导率也保持同步变化。外侧的一圈金属柱3的数目为M＝4，分别位于
Figure BDA0002869616760000051
90°、180°、270°四个方位；此天线的工作带宽可达四个倍频，即f0～4f0。图5～图8给出了四个典型频率下的俯仰面及方位面方向图，由图可见，虽然地板的存在使得在中高频段波束略有上翘，但总体上仍维持了很好的侧向辐射特性，最低端的最大理论增益接近1dBi，中高端最大增益可达4dBi以上。同时其方位面内的不圆度也在3dB之内，其俯仰面也能达到全向覆盖，符合一般的全向应用要求。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，所述天线包括中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构以及天线罩(5)；
所述中心激励结构包括金属锥形体(1)结构，以及同轴设置在所述金属锥形体(1)顶部的金属圆盘(2)，金属锥形体(1)以及圆盘(2)共同构成辐射体；在金属锥形体(1)的末端为作为馈电点的圆形的电连接处；金属锥形体(1)的顶部直径小于金属圆盘(2)的直径；
所述外侧寄生结构包括在所述金属锥形体(1)外侧、沿圆盘(2)周向均匀分布的一圈金属柱(3)，相邻的金属柱(3)之间不连接；所述金属柱(3)的顶部与圆盘(2)连接，底部与设置在中心激励结构下部的天线安装面(6)连接，天线安装面(6)接地；
所述电参数递变多层介质结构为分布在所述金属锥形体(1)外侧的至少一层介质材料柱(4)；当介质材料柱(4)设置多层时，多层介质材料柱(4)同轴设置；相邻的介质材料柱(4)层中，每一个介质材料柱(4)位于与其最接近的两个介质材料柱(4)之间，形成不同层的介质材料柱(4)层交错分布式结构；所述介质材料柱(4)的顶部与圆盘(2)或金属锥形体(1)连接，底部与天线安装面(6)连接；
当介质材料柱(4)设置多层时，从最内的第(1)层到最外的第N层，介质材料柱(4)的相对介电常数εr与相对磁导率μr同时逐渐增大，均从1离散过渡到10；
所述天线罩(5)设置在中心激励结构、外侧寄生结构、电参数递变多层介质结构的外侧，其下端固定在天线安装面(6)上，对整个结构进行完整的包裹。
2.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，所述的金属锥形体(1)为圆锥或倒圆锥结构，其中，圆锥或倒圆锥结构的轴向剖面曲线为直线或弧线。
3.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，所述的金属柱(3)为实心柱或内部带有通孔的空心柱，金属柱(3)层的顶部设置有一圈与金属锥形体(1)结构同轴的金属圆环(7)。
4.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，当介质材料柱(4)设置多层时，最内侧的介质材料柱(4)的上端加工为与金属锥形体(1)外侧相适配的斜面，并固定在金属锥形体(1)上。
5.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，位于金属锥形体(1)最外侧的介质材料柱(4)层的外接圆的大小与所述圆盘(2)直径大小一致。
6.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，当介质材料柱(4)设置多层时，每一层中介质材料柱(4)的直径一致。
7.根据权利要求1所述的机载低频低高度宽带全向天线，其特征在于，在天线工作时，电连接处与馈线连接，射频电流流经金属锥形体(1)结构到达圆盘(2)处，通过高频振荡向外辐射，在机体的蒙皮上形成二次辐射，形成整个天线的辐射方向图；在此过程中，金属柱(3)层和介质材料柱(4)层起到阻抗匹配的作用。
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