CN112821047A - 一种短波宽带频率可重构的鞭状天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波宽带频率可重构的鞭状天线，包括：天线辐射单元，其由第一辐射体和第二辐射体拼接而成；加载网络，其设置于第一辐射体上；匹配网络，包括多个子匹配网络且不同的子匹配网络对应短波频段中的不同分波段；集成网络电路，用于获取天线辐射单元的实际通信频率，选择实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络对天线辐射单元进行阻抗匹配；本发明根据天线的辐射特性，对天线的工作频带进行合理地划分，为每个分频段的天线分别设计了一套与之适应的辐射体结构、加载和匹配网络结构等，每个分波段的网络结构根据实际通信需要进行适时切换，使天线在各频段下获得更好的工作带宽和辐射特性，大大提高了天线的通信效率和通信距离。

Description

一种短波宽带频率可重构的鞭状天线

技术领域

本发明属于无线电短波天线技术领域，更具体地，涉及一种短波宽带频率可重构的鞭状天线。

背景技术

短波鞭状天线的工作频段为3～30MHz，频带范围非常宽，高达10个倍频，在整个短波段，对于电流呈驻波分布的鞭状天线来说，其工作频带的限制主要是由它的阻抗特性引起的，也就是说鞭状天线的输入阻抗对频率的变化非常敏感，这会大大加大天线与馈线阻抗匹配的难度，使工作频带变窄。而且，鞭状天线在短波频段要实现谐振，天线在低频段需要高达25米的高度，为了实现天线的小型化，常用于车载和舰载的短波宽带鞭状天线通常仅有10米，在低频段的有效高度很小，仅为1/10波长，使天线在输入端呈低电阻、高容抗特性，导致天线辐射能力差、阻抗匹配难；在高频段，天线的有效长度远大于1/4波长，辐射体上的反相电流不断增大，天线方向图的最大方向偏离水平方向，出现“上翘”的现象，这使得天线在高频段不利于远程通信。

目前，现有的实现宽带化办法一般分为以下几种：一是在天线体上添加多处RLC加载网络，阻抗加载可以提高天线的输入阻抗，大大降低天线与馈线的匹配难度，但是电阻元件的引入使天线增加了额外的损耗电阻，给天线带来了较大的功率损耗，降低了天线效率；二是在天线末端添加匹配网络，采用无耗或低耗元件进一步对天线进行阻抗匹配，降低天线驻波比。这种传统的办法一般需要2个以上的加载网络，往往是在大大牺牲增益和效率的前提下实现天线的宽带化，而对于高频段方向图上翘的问题一直没有得到有效解决。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种短波宽带频率可重构的鞭状天线，其目的在于解决现有的短波宽带鞭状天线在低频段天线辐射能力差、阻抗匹配难，导致天线增益和效率低下，工作频带窄；在高频段方向图的最大方向偏离水平方向，出现“上翘”的现象，不利于天线的远程通信的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种短波宽带频率可重构的鞭状天线，该天线包括：

天线辐射单元，其由第一辐射体和第二辐射体拼接而成，所述第一辐射体、第二辐射体之间通过对接组件进行物理连接；

加载网络，其设置于第一辐射体上，用于进行初次阻抗匹配；

匹配网络，其设置在第二辐射体远离第一辐射体的端部，包括多个子匹配网络且不同的所述子匹配网络对应短波频段中的不同分波段；

集成网络电路，用于获取天线辐射单元的实际通信频率，选择所述实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络对天线辐射单元进行阻抗匹配；以及，

当所述实际通信频率属于第一工作频段范围时，选择第一辐射体和第二辐射体共同进行信号辐射；

当所述实际通信频率属于第二工作频段范围时，单独选择第二辐射体进行信号辐射；所述第一工作频段范围的短波频段小于第二工作频段。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线还包括与集成网络电路电连接的射频开关，所述射频开关设置在对接组件的内部，通过自身的开关状态控制第一辐射体与第二辐射体之间的微波信号通道的断开或连接。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述第一辐射体的一端与集成网络电路电连接，第二辐射体的两端分别与集成网络电路电连接；

当所述实际通信频率属于第一工作频段范围时，射频开关在集成网络电路的控制下连接，使第一辐射体和第二辐射体共同进行信号辐射；

当所述实际通信频率属于第二工作频段范围时，射频开关在集成网络电路的控制下断开，第二辐射体与集成网络电路电连接，单独进行信号辐射。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述集成网络电路包括：

检测网络，用于获取天线辐射单元的实际通信频率，确定所述实际通信频率属于第一工作频段范围或第二工作频段范围，根据确定结果生成开关指令；以及，确定所述实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络，生成通道选择指令；

开关矩阵，分别连接每个子匹配网络，根据所述开关指令控制射频开关断开或连接；以及，根据所述通道选择指令选择对应的子匹配网络，使其与第二辐射体连接。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述检测网络包括：

射频前端，用于获取天线辐射单元的实际通信频率；

微处理器，用于根据所述实际通信频率形成开关指令和通道选择指令。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述加载网络包括多个串联或并联的阻抗元件。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，每个所述子匹配网络包括并联设置的传输线变压器和LC谐振网络；

所述传输线变压器连接第二辐射体，所述LC谐振网络连接集成网络电路。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述集成网络电路通过同轴线缆连接短波电台。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述第一辐射体和第二辐射体均为内部中空的金属管，集成网络电路的控制线路布设于所述金属管的腔体中，连接射频开关。

优选的，上述短波宽带频率可重构的鞭状天线，所述对接组件采用螺环。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明根据天线的辐射特性，对天线的工作频带进行合理地划分，为每个分频段的天线分别设计了一套与之适应的辐射体结构、加载和匹配网络结构等，每个分波段的网络结构将由集成网络电路根据实际通信需要进行适时切换，使天线在各频段下获得更好的工作带宽和辐射特性，解决了现有短波宽带鞭状天线在低频段增益低、效率低，和高频段方向图上翘等问题，大大提高天线的通信效率和通信距离。

(2)本发明将短波频段划分为多个分频段，为每个分波段都设置了对应的子匹配网络，根据工作频率通过集成网络电路选择对应波段的子匹配网络，实现了通过加载可变网络来完成天线的可重构。天线的分频段设计减小了频带宽度，降低了天线匹配的难度，也间接提高天线的增益和效率。

(3)本发明中，集成网络电路通过射频开关控制上、下辐射体的通断，实现了通过改变天线的辐射体结构完成天线的可重构。

(4)本发明提供的短波宽带频率可重构的鞭状天线总高10m，整个天线占地面积≤0.1m×0.1m，具有小型化、宽频带、高增益、大功率的优点，适用于车载和舰载等应用场景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的短波宽带频率可重构的鞭状天线的硬件结构示意图；

图2是本发明实施例提供的短波宽带频率可重构的鞭状天线的组成示意图；

图3是本发明实施例提供的匹配网络的组成示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-天线辐射单元，11-第一辐射体，12-第二辐射体；2-加载网络；3-对接组件；4-匹配网络；5-集成网络电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，以下的说明在本质上只不过是示例，并非意图限制本发明、本发明适用物或本发明的用途。进而，附图是示意性的，各尺寸的比例等不是必须与现实情况一致。

图1是本实施例提供的短波宽带频率可重构的鞭状天线的硬件结构示意图；图2是本实施例提供的短波宽带频率可重构的鞭状天线的组成示意图；参见图1、2，该鞭状天线包括天线辐射单元1、加载网络2、对接组件3、匹配网络4和集成网络电路5；

其中，天线辐射单元1由第一辐射体11和第二辐射体12拼接而成，第一辐射体11、第二辐射体12之间通过对接组件3进行物理连接；

加载网络2设置于第一辐射体11上，用于进行初次阻抗匹配；

匹配网络4设置在第二辐射体12远离第一辐射体11的端部，包括多个子匹配网络，不同的子匹配网络对应短波频段中的不同分波段；

集成网络电路5用于获取天线辐射单元1的实际通信频率，选择实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络对天线辐射单元1进行阻抗匹配；以及，

当实际通信频率属于第一工作频段范围时，选择第一辐射体11和第二辐射体12共同进行信号辐射；

当实际通信频率属于第二工作频段范围时，单独选择第二辐射体12进行信号辐射；第一工作频段范围的短波频段小于第二工作频段范围。

在一个具体的示例中，第一辐射体11与第二辐射体12上下拼接构成一个完整的鞭状天线，对接组件优选采用螺环。加载网络2设置在第一辐射体11的本体上，其安装位置不做具体限制，一般将其设置在第一辐射体11的中段，如图1所示；匹配网络4固定在第二辐射体12远离第一辐射体11的下端端部，与集成网络电路5电连接；在一个优选的示例中，集成网络电路5布设在天线座内部的空腔中，天线座一方面起到固定天线辐射单元1的作用，其内部空间还可用于容置集成网络电路5。第一工作频段范围属于低频段，第二工作频段范围属于高频段，在一个具体示例中，第一工作频段范围为3-15Mhz，第二工作频段范围为15-30Mhz。

本实施例中，将短波频段划分为多个分频段，为每个分波段都设置了对应的子匹配网络，根据工作频率通过集成网络电路选择对应波段的子匹配网络，实现了通过加载可变网络来完成天线的可重构。此外，将鞭状天线分解为第一辐射体与第二辐射体，当天线工作在低频段时，第一辐射体与第二辐射体共同参与辐射；而当天线工作在高频段时，仅第二辐射体参与辐射，从而降低了天线的有效长度，有效防止了高频段天线方向图的上翘。

本实施例根据天线的辐射特性，对天线的工作频带进行合理地划分，为每个分频段的天线分别设计了一套与之适应的辐射体结构、加载和匹配网络结构等，每个分波段的网络结构将由集成网络电路根据实际通信频率需要进行适时切换，使天线在各频段下均获得更好的工作带宽和辐射特性，解决了现有短波宽带鞭状天线在低频段增益低、效率低，和高频段方向图上翘等问题，大大提高天线的通信效率和通信距离。

作为一个优选的实施例，上述鞭状天线还包括与集成网络电路5电连接的射频开关，该射频开关设置在对接组件3的内部，通过自身的开关状态控制第一辐射体11与第二辐射体12之间的微波信号通道的断开或连接。

请参阅图2，第一辐射体11的一端与集成网络电路5电连接，第二辐射体12的两端分别与集成网络电路5电连接；

当采集的实际通信频率属于第一工作频段范围时，射频开关在集成网络电路5的控制下连接，使第一辐射体11和第二辐射体12共同进行信号辐射；

当采集的实际通信频率属于第二工作频段范围时，射频开关在集成网络电路5的控制下断开，第二辐射体12与集成网络电路5电连接，单独进行信号辐射。

在一个优选的示例中，第一辐射体11和第二辐射体12均为内部中空的金属管，集成网络电路5的控制线路布设于金属管的腔体中，连接射频开关。

集成网络电路5通过射频开关控制上、下辐射体的通断，实现了通过改变天线的辐射体结构完成天线的可重构。

请继续参阅图2，作为一个可选的实施例，集成网络电路包括检测网络和开关矩阵；

其中，检测网络主要负责获取天线辐射单元的实际通信频率，并确定实际通信频率属于第一工作频段范围或第二工作频段范围，根据确定结果生成开关指令；具体的，当实际通信频率属于第一工作频段范围时，检测网络生成关闭指令；当实际通信频率属于第二工作频段范围时，检测网络生成打开指令；

以及，确定实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络，生成通道选择指令；

开关矩阵分别连接每个子匹配网络，根据所述开关指令控制射频开关断开或连接；以及，根据所述通道选择指令选择对应的子匹配网络，使其与第二辐射体12连接。

在一个具体的示例中，每个子匹配网络具有唯一的通道号，该通道号对应开关矩阵中的一个开关通道；检测网络中存储有每个短波频段与其对应的子匹配网络的通道号之间的映射关系；当确定实际通信频率所属的短波频段后，即可确定该短波频段对应的子匹配网络在开关矩阵中的通道号，从而控制开关矩阵选择对应的子匹配网络。

请继续参阅图2，作为一个可选的实施例，所述检测网络包括：

射频前端，主要负责获取天线辐射单元的实际通信频率；

微处理器，从射频前端采样所述实际通信频率，并根据该实际通信频率形成开关指令和通道选择指令，发送给开关矩阵。

本实施例在天线底端的集成网路电路5中加入检测网络，通过检测网络中的射频前端可实现鉴频功能，检测结果用于控制开关矩阵。

本实施例中，在天线上端设置加载网络2，该加载网络2由阻抗元件通过串/并联方式组成，实现天线的初次阻抗匹配。天线仅设置一个加载网络，大大减少了加载阻抗元件所带来的阻抗损耗，提高了天线增益和效率。

此外，采用宽带匹配技术，在天线底端设置匹配网络4，实现天线的进一步阻抗匹配；匹配网络4中包括多个子匹配网络，请参阅图3，每个子匹配网络包括并联设置的传输线变压器和LC谐振网络；传输线变压器连接第二辐射体，LC谐振网络连接集成网络电路。

由于天线辐射单元1在工作于不同频段时具有不同的阻抗，为了实现对天线辐射单元1的自适应阻抗匹配，本实施例采用频率可重构技术，将短波频段划分为多个分波段，并为每个分波段都设置了对应的子匹配网络，从而降低了阻抗匹配的难度，天线驻波比<3。

在一个具体示例中，将短波频段划分为3段或5段，实验结果表明，3段式频率可重构增益全部≥-4.5dB，效率≥11.5％，水平方向全向通信；5段式频率可重构天线增益全部≥-2.5dB，效率≥18.2％，水平方向全向通信。

天线的分频段设计减小了频带宽度，降低了天线匹配的难度，也间接提高天线的增益和效率。

请参阅图1，设置在鞭状天线底端的集成网络电路5通过同轴线缆6连接短波电台，短波电台的工作频率范围为3～30MHz，可实现水平方向全向通信。

在一个具体的示例中，本方案提供的鞭状天线总高10m，由2根5m的金属鞭体(辐射体)拼接而成，通过螺环连接；在天线体上段设置加载网络，在天线底端设置匹配网络，集成网路电路位于天线底端，与同轴电缆连接，整个天线占地面积≤0.1m×0.1m。本方案提供的有源短波宽带双鞭天线达到了如下技术指标：

(1)工作频率：3～30MHz

(2)天线形式：直立天线

(3)极化方式：垂直极化

(4)驻波比：<3

(5)输入阻抗：50Ω

(6)天线增益：≥-4.5dB(3段式)，≥-2.5dB(5段式)

(7)通信范围：360°

(8)天线占地面积：≤0.1m×0.1m

相比于现有的短波鞭状天线，本发明提供了一种短波宽带频率可重构鞭状天线，天线上端设置加载网络，底端设置匹配网络，天线由两段金属鞭体(辐射体)上下拼接组成，由螺环连接，螺环内嵌射频开关，由集成网络电路中的检测网络和开关矩阵控制通断，两辐射体为金属管，集成网络电路的控制线路由金属管内腔到达螺环内的射频开关。天线底端接入集成网络电路，由检测网络和开关矩阵组成，开关矩阵通过检测网络的结果对螺环内的射频开关和匹配网络进行控制，具有小型化、宽频带、高增益、大功率的优点。

本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，包括：

天线辐射单元，其由第一辐射体和第二辐射体拼接而成，所述第一辐射体、第二辐射体之间通过对接组件进行物理连接；

加载网络，其设置于第一辐射体上，用于进行初次阻抗匹配；

匹配网络，其设置在第二辐射体远离第一辐射体的端部，包括多个子匹配网络且不同的所述子匹配网络对应短波频段中的不同分波段；

集成网络电路，用于获取天线辐射单元的实际通信频率，选择所述实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络对天线辐射单元进行阻抗匹配；以及，

当所述实际通信频率属于第一工作频段范围时，选择第一辐射体和第二辐射体共同进行信号辐射；

当所述实际通信频率属于第二工作频段范围时，单独选择第二辐射体进行信号辐射；所述第一工作频段范围的短波频段小于第二工作频段。

2.如权利要求1所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，还包括与集成网络电路电连接的射频开关，所述射频开关设置在对接组件的内部，通过自身的开关状态控制第一辐射体与第二辐射体之间的微波信号通道的断开或连接。

3.如权利要求2所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述第一辐射体的一端与集成网络电路电连接，第二辐射体的两端分别与集成网络电路电连接；

当所述实际通信频率属于第一工作频段范围时，射频开关在集成网络电路的控制下连接，使第一辐射体和第二辐射体共同进行信号辐射；

当所述实际通信频率属于第二工作频段范围时，射频开关在集成网络电路的控制下断开，第二辐射体与集成网络电路电连接，单独进行信号辐射。

4.如权利要求1或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述集成网络电路包括：

检测网络，用于获取天线辐射单元的实际通信频率，确定所述实际通信频率属于第一工作频段范围或第二工作频段范围，根据确定结果生成开关指令；以及，确定所述实际通信频率所属的短波频段对应的子匹配网络，生成通道选择指令；

开关矩阵，分别连接每个子匹配网络，根据所述开关指令控制射频开关断开或连接；以及，根据所述通道选择指令选择对应的子匹配网络，使其与第二辐射体连接。

5.如权利要求4所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述检测网络包括：

射频前端，用于获取天线辐射单元的实际通信频率；

微处理器，用于根据所述实际通信频率形成开关指令和通道选择指令。

6.如权利要求1或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述加载网络包括多个串联或并联的阻抗元件。

7.如权利要求1或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，每个所述子匹配网络包括并联设置的传输线变压器和LC谐振网络；

所述传输线变压器连接第二辐射体，所述LC谐振网络连接集成网络电路。

8.如权利要求1或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述集成网络电路通过同轴线缆连接短波电台。

9.如权利要求2或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述第一辐射体和第二辐射体均为内部中空的金属管，集成网络电路的控制线路布设于所述金属管的腔体中，连接射频开关。

10.如权利要求1或3所述的短波宽带频率可重构的鞭状天线，其特征在于，所述对接组件采用螺环。

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