CN113644402B - 小型化弹载微带共形导航天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化弹载微带共形导航天线，包括：锥台介质基板和馈电网络；所述锥台介质基板内部去掉一同心圆柱，锥台介质基板的内表面、外表面和上表面电镀金属层，内表面金属层形成金属接地板，上表面金属层形成上表面短路面，外表面金属层形成环形辐射贴片，金属接地板与外表面辐射贴片通过上表面短路面相连；贯穿内表面、锥台介质基板、外表面开有两个通孔作为天线馈点，两个通孔内壁进行金属化处理；馈电网络与两个天线馈点之间通过同轴电缆相连，馈电网络为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励。本发明提出的天线辐射性能好，增益高，体积小，结构简单，易于调试安装，成本低，解决了高弯曲度小型化锥体表面共形天线的设计问题。

Description

小型化弹载微带共形导航天线
技术领域
本发明涉及卫星导航天线技术领域，尤其涉及小型化弹载微带共形导航天线。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
随着北斗二代卫星导航系统的建立与运行，北斗卫星导航产品将广泛应用于各种军用平台。将小型化北斗卫星导航装置集成于弹体内，从而实现精确高效的打击能力，已经成为弹药平台小型化、智能化发展的趋势。实现这一趋势的关键技术之一是小型化弹载卫星导航天线的设计。考虑到弹体平台的特点，弹载卫星导航天线必须满足如下要求：小型化、抗高过载、共形化、高性能。
卫星导航天线需要根据其安装结构进行严格的设计制造。常见的天线类型有螺旋天线、微带天线、天线阵列等。
为了满足所设计天线与弹体共形的要求，既不影响其空气动力性能，又不破坏其机械结构和强度，同时节省弹体内部空间，弹载卫星导航天线主要采用微带天线阵列的形式。沿弹体周向均匀排列若干个离散的微带贴片辐射元，形成圆环形阵列，利用馈电网络为其提供圆极化所要求的幅度和相位激励，从而产生在弹体周向平面360度范围内的全向辐射，如图1所示。此外，某些研究单位利用微带天线固有的低刨面特性，选择柔性介质板材，采用若干个单元天线组成一维直线阵，用共面并馈网络对其馈电，进而将直线阵列弯曲共形于弹体表面，并利用螺钉加以固定，形成共形阵列，从而避免了弹体平台高速旋转对接收信号的干扰。
但是上述技术方案均存在问题：
对于采用微带平板天线单元组成圆环阵列的方案，需要对每一个阵元单独调试，工作量较大，成本较高。并且由于每一个阵元均为平板结构，非曲面结构，需要占用更多的弹体空间，限制了其在小型化空间中的应用。
对于将一维直线阵弯曲共形于弹体表面的方案，天线贴片及馈电网络加工在同一个矩形介质基片上，需要对阵列整体进行调试，无法对每个阵元单独调试，牵一发而动全身，调试难度高，工作量大。此外，该天线的安装方式为将矩形介质板材整体弯曲于弹体表面之上，并利用螺钉加以固定。只有在弹体安装部分半径较大(曲率较小)的情况下选择较薄的介质板材才能实现。否则，天线极易裂缝损坏，这大大限制了其在小型化方面的应用。
发明内容
本发明实施例提供一种小型化弹载微带共形导航天线，用以满足了高弯曲度小型化锥形弹体表面共形的要求，节省了弹体空间，不受飞行体运动轨迹和姿态的影响，能够实现信号的稳定接收，包括：锥台介质基板和馈电网络；
所述锥台介质基板内部去掉一同心圆柱，锥台介质基板的内表面、外表面和上表面电镀金属层，内表面金属层形成金属接地板，上表面金属层形成上表面短路面，外表面金属层形成环形辐射贴片，金属接地板通过上表面短路面与外表面辐射贴片相连；贯穿内表面、锥台介质基板、外表面开有两个通孔作为天线馈点，两个通孔内壁金属化处理；馈电网络安装于锥台介质基板的上表面，与两个天线馈点之间通过同轴电缆相连，馈电网络为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中的采用微带平板天线单元组成圆环阵列的方案示意图；
图2为本发明实施例中小型化弹载微带共形导航天线结构示意图；
图3为本发明实施例中小型化弹载微带共形导航天线回波损耗仿真曲线示意图；
图4为本发明实施例中小型化弹载微带共形导航天线XOZ主面内的右旋圆极化增益示意图；
图5为本发明实施例中小型化弹载微带共形导航天线YOZ主面内的右旋圆极化增益示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的目的在于基于小型化弹载共形天线的设计要求：1、安装空间不得大于30mm×45mm×30mm，且内部23.7mm×23.7mm×30mm空间为弹体空间不得占用；2、要求方向图在水平方向为全向；3、天线本身抗高过载，根据以往诸多项目经验的总结，以及大量仿真计算与试验验证，提供一款小型化弹载微带共形导航天线技术方案，该天线辐射性能好，增益高，体积小，结构简单，易于调试安装，成本低。解决了高弯曲度小型化锥体表面共形天线的设计问题。
图2为本发明实施例中小型化弹载微带共形导航天线结构示意图，如图2所示，该小型化弹载微带共形导航天线，包括：锥台介质基板1和馈电网络2；
所述锥台介质基板内部去掉一同心圆柱，锥台介质基板的内表面11、外表面12和上表面13电镀金属层，内表面金属层形成金属接地板，上表面金属层形成上表面短路面，金属接地板通过上表面短路面与外表面金属层相连，外表面金属层形成环形辐射贴片；贯穿内表面、锥台介质基板、外表面开有两个通孔14作为天线馈点，两个通孔内壁进行金属化处理；馈电网络安装于锥台介质基板的上表面，与两个天线馈点之间通过同轴电缆15相连，馈电网络为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励，且其极化状态可切换。
在本发明实施例中，所述锥台介质基板采用非均匀厚度，可以采用TAP-2型号，也可以采用其它型号。
在本发明实施例中，该小型化弹载微带共形导航天线的最大辐射方向在天线轴线方向。
在本发明实施例中，因为设计要求为安装空间不得大于30mm×45mm×30mm，且内部23.7mm×23.7mm×30mm空间为弹体空间不得占用，所以设计锥台介质基板的尺寸小于30mm×45mm×30mm，在其内部挖去一同心圆柱(为弹体内部设备空间)尺寸为23.7mm×23.7mm×30mm。且小型化弹载微带共形导航天线抗高过载。
在本发明实施例中，天线工作的中心频率为：1268.52MHz，自由空间波长λ0≈236mm，经换算，锥台介质基板的上底面、下底面直径分别约为0.125λ0与0.18λ0，锥台介质基板母线长约为0.13λ0。考虑到天线的安装空间极小且安装部位弹体曲率较大(直径D＜＜λ0)，根据微带天线理论及工程实现，无法采用共形阵列的形式，只能选择微带环形天线来实现。
依照微带天线的基本理论，天线贴片长度应为二分之一个工作波长(0.5λg)。在天线的设计中考虑到安装平台的尺寸限制，采用εr＝10.2的高介电常数介质材料，并通过在贴片上端面设置短路面的方法来进一步减小天线尺寸，最终辐射贴片长度缩小到约为0.26λg。
环形辐射贴片按照如下公式确定：
其中，L为微带贴片长度；f0为天线工作的中心频率，C为光速，约为3×108m/s；εr为介电常数。
作为环形辐射贴片的外表面金属层高度可调，用于调节小型化弹载微带共形导航天线的工作频率，比如可以为26mm。
在本发明实施例中，采用非均匀厚度的介质层，通过增大天线底部介质层厚度来提高天线的辐射性能。根据微带天线理论，如果弹体直径D和工作波长λ0之间的关系满足D＜0.5λ0时，那么采用一个馈电点就可以实现天线的全向覆盖。为了实现卫星导航系统圆极化的要求，设计两个天线馈点在锥台介质基板的圆周上间隔90°，且两个天线馈点的直径为1mm，距离锥台介质基板上端面3.8mm。
设计宽带功分移相馈电网络，为双馈点提供圆极化所要求的幅度和相位激励。其中，馈电网络与两个天线馈点之间通过两根等长度的50欧姆标准同轴电缆相连。
在本发明实施例中，所述馈电网络为一个电路板，该电路板可以为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励。所述馈电网络的极化可调节。
所述馈电网络可以安装于锥台介质基板的上表面。
在本发明实施例中，该小型化弹载微带共形导航天线的制造过程为：首先选取相应参数的介质材料，通过机加工得到满足要求的介质基板。采用表面电镀处理，在介质基板各个表面镀上金属层。通过调节馈点的位置及天线辐射贴片的高度可以方便地调节这种天线的工作频率。整个天线完全由普通的机加工工艺实现，制作简单，调试方便，对加工误差不敏感，成本低廉。
由图3可知，天线单元的谐振中心频率位于1268MHz，工作带宽超过20MHz，能够完全覆盖北斗卫星导航B3频段。
由图4可知，在XOZ主面内，天线单元最大辐射方向主极化(右旋圆极化)增益约为3.4dBi(如m1所示)，拥有较为对称的方向图。所设计天线的半功率波束宽度(HPBW)约为110°，能够实现较为稳定的信号接收。
由图5可知，在YOZ主面内，天线单元最大辐射方向主极化(右旋圆极化)增益约为3.4dBi(如m1所示)，拥有较为对称的方向图。所设计天线的半功率波束宽度(HPBW)约为110°，能够实现较为稳定的信号接收。
与现有各弹载卫星导航天线实现方案相比，本发明提出的小型化弹载微带共形导航天线具有如下优点：
1、这种新型的小型化弹载微带共形导航天线保留了微带天线低剖面的优点，不占用弹体内部空间，解决了高弯曲度小型化锥体表面共形天线的设计问题。
2、这种新型天线实现了在弹体周向平面360度范围内的全向辐射，天线不受飞行体运动轨迹和姿态的影响，能够实现信号的稳定接收。
3、这种新型天线结构简单，在设计过程中，仅需对馈点位置及贴片长度进行调节就可得到所需性能。结构参数少，大大缩短了设计优化的时间。
4、这种新型天线制造工艺简单方便，采用普通机加工工艺即可实现。对误差不敏感，调试方便。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，包括：锥台介质基板和馈电网络；
所述锥台介质基板内部去掉一同心圆柱，锥台介质基板的内表面、外表面和上表面电镀金属层，内表面金属层形成金属接地板，上表面金属层形成上表面短路面，外表面金属层形成环形辐射贴片，金属接地板通过上表面短路面与外表面辐射贴片相连；贯穿内表面、锥台介质基板、外表面开有两个通孔作为天线馈点，两个通孔内壁进行金属化处理；馈电网络安装于锥台介质基板的上表面，与两个天线馈点之间通过同轴电缆相连，馈电网络为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励；
其中，所述锥台介质基板采用非均匀厚度；小型化弹载微带共形导航天线的最大辐射方向在天线轴线方向。
2.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述锥台介质基板外尺寸小于30mm×45mm×30mm，小型化弹载微带共形导航天线抗高过载。
3.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述两个天线馈点在锥台介质基板的圆周上间隔90°排列。
4.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述馈电网络为一个电路板，用于为实现圆极化提供所需的幅度及相位激励。
5.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述馈电网络的极化状态可切换。
6.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述馈电网络安装于锥台介质基板的上表面。
7.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述馈电网络与两个天线馈点之间通过两根等长度的50欧姆标准同轴电缆相连。
8.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述外表面金属层高度可调，用于调节小型化弹载微带共形导航天线的工作频率。
9.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，环形辐射贴片尺寸按照如下公式确定：
其中，L为微带贴片长度；f0为天线工作的中心频率，C为光速，3×108m/s；εr为介电常数。
10.如权利要求1所述的小型化弹载微带共形导航天线，其特征在于，所述环形辐射贴片的长度为0.26λg，其中，λg为微带天线工作波长。
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