CN113690591B - 一种高增益机载全向短波回线天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益机载全向短波回线天线，包括：等腰梯形金属片；菱形金属片，位于等腰梯形金属片的上方，并与等腰梯形金属片平行，其长对角线和等腰梯形金属片的上下底边的中点连线两者在竖直方向上的投影重合；两个直条型的开路枝节，对称地分布在菱形金属片的水平两侧；开路枝节的一端通过第一短路枝节与菱形金属片的第一端相连，另一端向外伸展，使得开路枝节与菱形金属片的长对角线之间呈一个夹角，任一开路枝节垂直落在等腰梯形金属片上的投影不超出等腰梯形金属片；第二短路枝节，连接菱形金属片的第二端和等腰梯形金属片的下底边。本发明提供的短波回线天线具有高增益、全向性以及小型化的特性。

Description

一种高增益机载全向短波回线天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种高增益机载全向短波回线天线。
背景技术
短波通信是工作在3MHz～30MHz频率范围内的无线电通信，其利用地球电离层反射实现远距离的无线信号传输。短波通信在某些特殊的通信环境中具有优良的性能，具有传播距离远、抗毁坏性强、灵活可靠等特点，被广泛应用于国际通信、抢险救灾、军事、气象等领域。
机载短波天线作为飞机通信系统中的无线信号的收发前端，是飞机通信系统不可或缺的部分，其主要用于飞机与地面之间的远距离通信。现代复杂的通信环境和军事通讯的飞速发展，在满足天线的机械强度、安装要求的前提下，对天线的电性能、结构尺寸等指标要求越来越高。
传统的机载短波天线大部分都是外露式的，这种外露式安装的天线不仅影响飞机的气动性能和隐身性能，而且天线在使用过程中需要经常性的维护和保养。随着飞机机身上的复合材料的大量使用与机身有限的天线安装空间的限制，传统的短波天线已经无法满足新型飞机的通信需求，因此，如何在不破坏原有飞机气动外形与紧凑的空间限制下，发明一款增益、方向特性均满足要求的机载天线是本领域中的一个亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种高增益机载全向短波回线天线。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种高增益机载全向短波回线天线，包括：
等腰梯形金属片；
菱形金属片，位于所述等腰梯形金属片的上方，并与所述等腰梯形金属片平行；所述菱形金属片的长对角线和所述等腰梯形金属片的上下底边的中点连线两者在竖直方向上的投影重合；所述长对角线的两头分别对应所述菱形金属片的第一端和第二端；
两个直条型的开路枝节，与所述菱形金属片位于同一水平面，且对称地分布在所述菱形金属片的两侧；每个所述开路枝节的一端均通过一个第一短路枝节与所述菱形金属片的所述第一端相连，连接处为馈电点，每个所述开路枝节的另一端均向所述菱形金属片的外侧伸展，使得该开路枝节与所述菱形金属片的长对角线之间呈一个夹角，任一所述开路枝节垂直落在所述等腰梯形金属片上的投影不超出所述等腰梯形金属片；
第二短路枝节，连接所述菱形金属片的所述第二端和所述等腰梯形金属片的下底边。
可选地，所述高增益机载全向短波回线天线还包括：天线调谐器；
所述天线调谐器，通过馈线连接至所述高增益机载全向短波回线天线，以匹配所述高增益机载全向短波回线天线的输入阻抗和外部阻抗。
可选地，所述第一短路枝节的宽度和所述开路枝节的宽度相等；所述第二短路枝节的宽度和所述菱形金属片的所述第二端的宽度相等。
可选地，所述菱形金属片和两侧的所述开路枝节之间间隔有非导电材料。
可选地，所述菱形金属片和所述等腰梯形金属片之间的间距为0.15m～0.25m，所述第二短路枝节的高度等于该间距。
可选地，所述等腰梯形金属片的高为0.28λ～0.32λ，下底边的长度为0.04λ～0.08λ；λ为天线工作波长。
可选地，所述菱形金属片的长对角线的长度为0.28λ～0.32λ，短对角线的长度为0.04m～0.12m；λ为天线工作波长。
可选地，所述开路枝节的长度为0.28λ～0.32λ，宽度为0.03m～0.06m，λ为天线工作波长。
可选地，所述等腰梯形金属片、所述菱形金属片、所述开路枝节、所述第一短路枝节以及所述第二短路枝节的厚度均为0.5mm～1mm。
可选地，所述夹角为15°～45°的夹角。
本发明提供的高增益机载全向短波回线天线中，馈电电流可经由馈电点传递到菱形金属片，然后经由第二短路枝节以及下方的等腰梯形金属片流回馈电点对应的接地点形成射频电流回路，等效为环天线向外辐射信号；此时天线的辐射方向图在短波频带范围内可呈现出电小环天线的特性，具有较高的增益，能够保证飞机的远距离通信。并且，本发明通过在菱形金属片的两侧加载一对开路枝节来丰富辐射电流的方向，从而补偿天线在水平面方向上的辐射范围，使得天线可以对外进行全向辐射，保证了短波天线水平面方向图的全向性，补偿了飞机机身对天线方向图的影响。此外，当天线接馈电时，能够在两侧开路枝节上形成电感效应，且在开路枝节与菱形金属片之间形成电容效应，从而拓宽天线的低频工作范围，改善天线低频阻抗特性，进一步提高天线增益。并且，本发明提供的高增益机载全向短波回线天线采用金属片即可制成，可以很好地与飞机机身的蒙皮共形，不会影响机身的气动性能，可满足机载平台小型化、一体化、隐蔽化等多种需求。
综上可见，本发明提供的高增益机载全向短波回线天线具有高增益、全向性以及小型化等多种特性，且结构简单，易于加工制造。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高增益机载全向短波回线天线的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明实施例提供的另一种高增益机载全向短波回线天线的结构示意图；
图4(a)、图4(b)以及图4(c)是对本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线进行仿真验证时，所选用的一款高增益机载全向短波回线天线在8MHz、16MHz以及21MHz的水平面方向图；
图5是对本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线进行仿真验证时，所选用的一款高增益机载全向短波回线天线在5MHz～25MHz的峰值增益曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例提供了一种高增益机载全向短波回线天线。参见图1和图2所示，图1是本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线的结构示意图，图2是图1的俯视图。本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线，包括：等腰梯形金属片1、菱形金属片2、两个直条型的开路枝节3、两个第一短路枝节4，以及第二短路枝节6。
其中，菱形金属片2位于等腰梯形金属片1的上方，并与等腰梯形金属片1平行；菱形金属片2的长对角线和等腰梯形金属片1的上下底边的中点连线两者在竖直方向上的投影重合；菱形金属片2的长对角线的两头分别对应该菱形金属片2的第一端和第二端。
两个直条型的开路枝节3与菱形金属片2位于同一水平面，且对称地分布在菱形金属片2的两侧；每个开路枝节3的一端均通过一个第一短路枝节4与菱形金属片2的第一端相连，连接处为馈电点5，每个开路枝节3的另一端均向菱形金属片2的外侧伸展，使得该开路枝节3与菱形金属片2的长对角线呈一个夹角，任一开路枝节3垂直落在等腰梯形金属片1上的投影不超出该等腰梯形金属片1。
第二短路枝节6连接菱形金属片2的第二端和等腰梯形金属片1的下底边。
本领域技术人员均知晓的是，开路枝节3、第一短路枝节4以及第二短路枝节6的材质均为金属，实际中可用金属片制成。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，是以等腰梯形金属片1作为天线结构中的最底层来对本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天的结构进行描述的，在实际安装或使用该天线时，等腰梯形金属片1可以和菱形金属片2从任意方向上呈平行关系，并不局限于上下平行。另外，等腰梯形金属片1的上下底边的命名方式与几何学中等腰梯形的上下底边的命名方式相同，并不以等腰梯形金属片1为位置参考来进行命名。
本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线中，馈电电流可经由馈电点5传递到菱形金属片2，然后经由第二短路枝节6以及下方的等腰梯形金属片1流回馈电点对应的接地点形成射频电流回路，等效为环天线向外辐射信号；此时天线的辐射方向图在短波频带范围内可呈现出电小环天线的特性，具有较高的增益，能够保证飞机的远距离通信。并且，本发明实施例通过在菱形金属片2的两侧加载一对开路枝节3来丰富辐射电流的方向，从而补偿天线在水平面方向上的辐射范围，使得天线可以对外进行全向辐射，保证了短波天线水平面方向图的全向性，补偿了飞机机身对天线方向图的影响。此外，当天线接馈电时，能够在两侧开路枝节3上形成电感效应，且在开路枝节3与菱形金属片2之间形成电容效应，从而拓宽天线的低频工作范围，改善天线低频阻抗特性，进一步提高天线增益。并且，本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线采用金属片制成，可以很好地与飞机机身的蒙皮共形，不会影响机身的气动性能，可满足机载平台小型化、一体化、隐蔽化等多种需求。
综上可见，本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线具有高增益、全向性以及小型化等多种特性，且结构简单，易于加工制造，可同时满足飞机有限的安装空间需求和远距离下高增益全向通信等多种需求。
在一个实施例中，参见图3所示，本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线还可以包括：天线调谐器7；该天线调谐器7，通过馈线8连接至高增益机载全向短波回线天线，以匹配该天线的输入阻抗和外部阻抗。具体而言，该天线调谐器7的输出端通过馈线8连接至高增益机载全向短波回线天线；该馈线8为同轴电缆，其内导体连接高增益机载全向短波回线天线的馈电点5，其外导体连接等腰梯形金属片1的上底边，并与天线调谐器7的金属外壳共地。
在实际使用中，天线调谐器7的输入端连接外部阻抗，该外部阻抗可以是外部的发射机的输出阻抗，或者是外部射频电路的输出阻抗等。
图3所示天线的具体工作流程如下：射频信号进入天线调谐器7，通过天线调谐器7进行阻抗匹配得到最大效率辐射能量的射频信号，该射频信号随后经由馈线8送至馈电点5，形成的馈电电流经由馈电点5传递到菱形金属片2，然后经由第二短路枝节6以及下方的等腰梯形金属片1流回馈线8形成射频电流回路。
可以理解的是，天线调谐器7可根据天线自身的阻抗特性在一个较宽的频带内实现阻抗匹配，保证天线在宽带范围内均具有较佳的辐射能力，从而适用于宽带通信系统中。
在一个实施例中，第一短路枝节4的宽度和开路枝节3的宽度可以相等，第二短路枝节6的宽度和菱形金属片2的第二端的宽度相等，这样有利于更好的实现阻抗匹配，从而提高天线的辐射效率。
在一个实施例中，为了使开路枝节3与菱形金属片2之间形成的等效电容可以维持在一个相对稳定的容值范围内，本发明实施例可以在菱形金属片2和两侧的开路枝节3之间填充非导电材料。这样，该两者之间的等效容值不会因湿度或外部磁场等原因而产生异常的变化。并且，非导电材料还可以对天线的结构起到稳固的作用。同理的，实际在飞机中安装本发明实施例提供的高增益机载全向短波回线天线时，还可以使用更多的非导电材料来对整个天线实现结构的稳固和定型。
在一个实施例中，菱形金属片2和等腰梯形金属片1之间的间距为0.15m～0.25m，第二短路枝节6的高度等于该间距。也就是说，第二短路枝节6可以垂直地连接在菱形金属片2的第二端和等腰梯形金属片1的下底边之间。
在一个实施例中，等腰梯形金属片1的高可以为0.28λ～0.32λ，下底边的长度可以为0.04λ～0.08λ，λ为天线工作波长。
在一个实施例中，菱形金属片2的长对角线的长度可以为0.28λ～0.32λ，短对角线的长度可以为0.04m～0.12m。
在一个实施例中，开路枝节3的长度可以为0.28λ～0.32λ，宽度可以为0.03m～0.06m。
在一个实施例中，等腰梯形金属片1、菱形金属片2、开路枝节3、第一短路枝节4以及第二短路枝节6的厚度均可以为0.5mm～1mm；也就是说，整个高增益机载全向短波回线天线的金属辐射结构中使用的金属片的厚度为0.5mm～1mm。金属片的材质可以为铜或金，这样，可以使得天线能够承载较大的发射功率，同时天线的重量又不会显著地增加。
在一个实施例中，每个开路枝节3与菱形金属片2的长对角线之间所呈的夹角可以是一个15°～45°的夹角。
在一个优选的实施例中，菱形金属片2和等腰梯形金属片1之间的间距为0.17m。菱形金属片2的长对角线的长度为2.8m，短对角线的长为0.066m。等腰梯形金属片1的高为2.8m，上底边的长度为0.264m，下底边的长度为0.4m，菱形金属片2两侧的开路枝节3的长度为2.8m，宽度为0.03m。基于该实施例进行仿真，仿真结果参见图4(a)、图4(b)、图4(c)以及图5所示。
图4(a)、图4(b)以及图4(c)是该选优实施例中所选用的天线在8MHz、16MHz以及21MHz的水平面方向图；其中，极坐标曲线的经度坐标为角度，范围为0°～360°，纬度坐标为天线增益，范围为-30dBi～5dBi。由图4(a)、图4(b)以及图4(c)可以看出，该款天线的增益不圆度在8MHz时为6.5dBi，在16MHz时为6.2dBi，在21MHz时为9.2dBi，表现出了优越的全向辐射特性，良好的增益全向性可以保证天线在水平面实现均匀的全向覆盖。
图5示出了该选优实施例中所选用的天线在5MHz～25MHz的峰值增益的仿真结果，其中横坐标为频率，单位为MHz，纵坐标为峰值增益幅度的分贝值，单位为dBi。由图5可以看出，该天线在5MHz～25MHz的全频段天线峰值增益高于0dBi，各频点平均峰值增益约为3dBi，全频段最大峰值增益为4.2dBi，在95％的工作频段内增益大于2dBi。由此可以说明相比于现有的短波天线，本发明实施例所提出的高增益机载全向短波回线天线具有更好的全向性与高增益特性。
需要说明的是，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一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，包括：
等腰梯形金属片(1)；
菱形金属片(2)，位于所述等腰梯形金属片(1)的上方，并与所述等腰梯形金属片(1)平行；所述菱形金属片(2)的长对角线和所述等腰梯形金属片(1)的上下底边的中点连线两者在竖直方向上的投影重合；所述长对角线的两头分别对应所述菱形金属片(2)的第一端和第二端；
两个直条型的开路枝节(3)，与所述菱形金属片(2)位于同一水平面，且对称地分布在所述菱形金属片(2)的两侧；每个所述开路枝节(3)的一端均通过一个第一短路枝节(4)与所述菱形金属片(2)的所述第一端相连，连接处为馈电点(5)，每个所述开路枝节(3)的另一端均向所述菱形金属片(2)的外侧伸展，以使该开路枝节(3)与所述菱形金属片(2)的长对角线之间呈一个夹角，任一所述开路枝节(3)垂直落在所述等腰梯形金属片(1)上的投影不超出所述等腰梯形金属片(1)；
第二短路枝节(6)，连接所述菱形金属片(2)的所述第二端和所述等腰梯形金属片(1)的下底边。
2.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，还包括：天线调谐器(7)；
所述天线调谐器(7)，通过馈线(8)连接至所述高增益机载全向短波回线天线，以匹配所述高增益机载全向短波回线天线的输入阻抗和外部阻抗。
3.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述第一短路枝节(4)的宽度和所述开路枝节(3)的宽度相等；所述第二短路枝节(6)的宽度和所述菱形金属片(2)的所述第二端的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述菱形金属片(2)和两侧的所述开路枝节(3)之间间隔有非导电材料。
5.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述菱形金属片(2)和所述等腰梯形金属片(1)之间的间距为0.15m～0.25m，所述第二短路枝节(6)的高度等于该间距；所述第二短路枝节(6)垂直地连接在所述菱形金属片(2)的第二端和所述等腰梯形金属片(1)的下底边之间。
6.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述等腰梯形金属片(1)的高为0.28λ～0.32λ，下底边的长度为0.04λ～0.08λ；λ为天线工作波长。
7.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述菱形金属片(2)的长对角线的长度为0.28λ～0.32λ，短对角线的长度为0.04m～0.12m；λ为天线工作波长。
8.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述开路枝节(3)的长度为0.28λ～0.32λ，宽度为0.03m～0.06m，λ为天线工作波长。
9.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述等腰梯形金属片(1)、所述菱形金属片(2)、所述开路枝节(3)、所述第一短路枝节(4)以及所述第二短路枝节(6)的厚度均为0.5mm～1mm。
10.根据权利要求1所述的高增益机载全向短波回线天线，其特征在于，所述夹角为15°～45°的夹角。
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