CN114050402A - 一种多功能复合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能复合天线,属于天线领域,解决了现有技术中机载天线数量多、天线间相互干扰严重的问题。所述天线包括复合形成的定向天线和全向天线,所述定向天线包括辐射单元、引导单元、反射单元;辐射单元、反射单元均与TNC连接器连接,通过TNC连接器对反射单元进行馈电使得反射单元形成全向天线;其中,反射单元高度为λ/2±Δλ1,辐射单元高度为λ/4±Δλ2,引向单元高度小于λ/4±Δλ2,λ为天线波长,Δλ1,Δλ2分别为反射单元、辐射单元的高度调节量。通过将两种功能不同的天线进行复合,减少了天线数量,有效改善了天线间相互干扰问题。

Description

一种多功能复合天线
技术领域
本发明涉及天线领域,尤其涉及一种多功能复合天线。
背景技术
随着信息与电子科技的飞速发展,现今各种机载平台上,系统功能不断的综合化和多样化,需要越来越多的天线安装在平台上。工作频段从短波到毫米波,天线的形式各不相同,尤其是同频段同极化的天线之间的相互干扰非常严重。使得电磁环境变得更加恶劣,天线之间的电磁干扰问题也就越来越突出。在如此复杂的电磁环境下,如何解决机载平台上天线布局问题具有重要的研究价值。
如业内人士所知,各种机载平台上需要安装不同功能的天线,传统的天线布局通常是在平台上不同区域安装不同功能的天线,为满足电子系统之间的电磁兼容性,要求不同天线之间满足一定的空间距离安装。但随着信息与电子科技的发展,同一机载平台上需要配备的电子功能越来越多,安装的天线也就越来越多,这使机载平台上的天线布局变得很复杂,甚至影响机载平台整体设计。
发明内容
为了应对机载平台上系统功能不断综合化和多样化,电磁干扰越来越严重的使用环境,解决复杂电磁环境下,机载平台上天线布局等问题,本发明提出了一种多功能复合天线,设计了一种将同频段,同极化不同功能的两个天线集成到一起的复合天线,具有良好的电性能,减少了机载平台上的天线数量,有效地改善了天线间相互干扰问题。
方案具体如下:
一种多功能复合天线,所述天线包括复合形成的定向天线和全向天线,所述定向天线包括辐射单元、引导单元、反射单元;
辐射单元、反射单元均与TNC连接器连接,通过TNC连接器对反射单元进行馈电使得反射单元形成全向天线;
其中,反射单元高度为λ/2±Δλ1,辐射单元高度为λ/4±Δλ2,引向单元高度小于λ/4±Δλ2,λ为天线波长,Δλ1,Δλ2分别为反射单元、辐射单元的高度调节量。
进一步,所述复合天线还包括印制板,所述辐射单元、引导单元以及反射单元为印刷在所述印制板上的印刷单极子。
进一步,其特征在于,所述反射单元、辐射单元、引导单元之间的间距均为,为间距调节量。
进一步,其特征在于,所述辐射单元、引导单元向远离反射单元的一侧倾斜。
进一步,其特征在于,所述复合天线还包括金属底板,所述印制板安装在所述金属底板上,并且使得印制板所在平面与金属底板所在平面相垂直。
进一步,所述辐射单元、引导单元以及反射单元优选为矩形,在反射单元靠近金属底板一侧的两个角切除,并将切角后的反射单元通过金属接地柱接地。
进一步,所述复合天线还包括天线罩,所述天线罩与金属底板铆接,使得印制板处于天线罩与金属底板形成的空腔内。
进一步,所述复合天线还包括两块PMI填充料,两块PMI填充料置于天线罩中除印制板之外的空间中,并且分别位于印制板两侧。
进一步,所述TNC连接器穿过金属底板与印制板上的反射单元和辐射单元焊接,并通过螺钉固定在金属底板上。
进一步,所述天线罩下方开有铆钉孔,通过铆钉将天线罩与金属底板铆接在一起。
与现有技术相比,本发明至少可实现如下有益效果之一:
1、本发明中的复合天线,通过全向与定向辐射集成设计,将两个不同功能的天线集成在一起,减少了机载平台上的天线数量,有效地改善了天线间相互干扰等电磁兼容问题。
2、通过优化设计反射单元、辐射单元、引导单元的高度、以及三者之间的间距,同时,将辐射单元与引导单元向着远离反射单元的方向倾斜,并且在反射单元靠近金属底板的一侧进行切角、连接金属接地柱,使得在同频段同极化情况下两天线的隔离度达到-32dB,全向天线的方位面增益0dB,具有很好的全向性,不圆度在3dB以内。定向天线的增益5dB,前后比达到17dB。
3、通过在安装罩中配置两块PMI板,对印制板进行加固,使得本发明中的复合天线能够很好的适用于航天飞行器这种强振动环境。
4、本发明中的反射单元、辐射单元以及引导单元为金属贴片,采用微带印刷电路蚀刻在印制板上,因此天线结构形式简单,重量轻,剖面低,电性能稳定,一致性高,可广泛应用于识别、通信等相关领域的载体平台上。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明一个实施例中的天线外形正视图;
图2为本发明一个实施例中的天线外形俯视图和仰视图;
图3为本发明一个实施例中的天线组成图;
图4为本发明一个实施例中的PCB印制板电路图;
图5为本发明一个实施例中的天线罩示意图;
图6为本发明一个实施例中的PMI填充料示意图;
图7为本发明一个实施例中的PCB印制板示意图;
图8为本发明一个实施例中的金属底板示意图;
图9为本发明一个实施例中的TNC连接器示意图;
图10为本发明一个实施例中的金属铆套示意图;
图11为本发明一个实施例中的天线结构参数图;
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例,公开了一种多功能复合天线,如图1-10所示,所述天线包括复合形成的定向天线和全向天线,所述定向天线包括辐射单元、引导单元、反射单元;
辐射单元、反射单元均与TNC连接器连接,通过TNC连接器对反射单元进行馈电使得反射单元形成全向天线;
其中,反射单元高度为λ/2±Δλ1,辐射单元高度为λ/4±Δλ2,引导单元高度小于λ/4±Δλ2,λ为天线波长,Δλ1,Δλ2分别为反射单元、辐射单元的高度调节量。
具体的,复合天线还包括印制板,所述辐射单元、引导单元以及反射单元为印刷在所述印制板上的金属贴片,形成三单元印刷单极子。
具体的,辐射单元、引导单元以及反射单元可以采用微带印刷电路蚀刻在印制板上。
如图4所示,为了将两个不同功能的天线集成在一起,本发明中的复合天线主体结构为三单元印刷单极子,两边的单元为寄生单元,中间单元为受激单元,作为定向天线的辐射单元,将其中一个TNC连接器与受激单元焊接为其进行馈电。左边单元为电感性,起反射器作用,为反射单元。右边单元为电容性,起引向作用,为引导单元。三单元组合实现定向辐射。
为实现全向辐射,反射单元焊接另外一个TNC连接器,形成全向天线。
为使定向天线和全向天线相互隔离不影响,将反射单元高度设置为λ/2±Δλ1,辐射单元高度设置为λ/4±Δλ2,从而使得两者高度相差较大,在进行信号辐射时能够互不影响。引导单元高度设置为小于λ/4±Δλ2,起到引向作用。
需要说明的是,上述Δλ1,Δλ2的值相对于λ/2和λ/4是一个小量,反射单元高度、辐射单元高度取值就在λ/2和λ/4附近,在对具体的天线结构进行优化时,最后优化得出的高度值可能会偏离λ/2和λ/4,但一定是在λ/2和λ/4附近。
优选的,所述反射单元、辐射单元、引导单元之间的间距均为λ/4±Δλ3,Δλ3为间距的调节量。需要说明的是,上述间距是指两个单元底部中心点之间的距离,底部是指靠近金属底板的部分。Δλ3相对于λ/4是一个小量,间距取值就在λ/4附近,在对具体的天线结构进行优化时,最后优化得出的间距值可能会偏离λ/4,但一定是在λ/4附近。
优选的,所述辐射单元、引导单元向远离反射单元的一侧倾斜。
优选的,辐射单元、引导单元的倾斜角度相同。倾斜角度的具体数值,可以通过HFSS仿真软件优化得到。
通过优化三单元的间距以及尺寸,在不影响三单元定向功能的基础上改善全向天线的全向性。同时,通过将辐射单元、引导单元向远离反射单元的一侧倾斜,可以进一步提高定向天线和全向天线的隔离度。
具体的,所述印制板安装在所述金属底板上,并且使得印制板所在平面与金属底板所在平面相垂直。
实施时,可以在金属底板上设置突起的L形阶梯,在印制板下方开螺钉孔,印制板通过螺钉固定在金属底板上突起的L形阶梯上。
优选的,所述辐射单元、引导单元以及反射单元优选为矩形,在反射单元靠近金属底板一侧的两个角切除,并将切角后的反射单元通过金属接地柱接地。
具体的,金属底板作为金属接地面,为将反射单元接地,可将金属接地柱直接与金属底板连接。
通过切角和加金属接地柱能够展宽全向天线阻抗带宽,使全向天线和定向天线工作于同一频段。
辐射单元、引导单元以及反射单元还可以设置为其他形状,例如椭圆形,不同形状对应的三个单元的表面电流不同,会影响天线本身性能,但最终可以通过HFSS仿真确定具体形状,只要保证三个单元的高度符合本发明的设计高度,都能够实现复合天线的功能。
具体的,所述复合天线还包括天线罩,所述天线罩与金属底板铆接,使得印制板处于天线罩与金属底板形成的空腔内。
实施时,天线罩可以采用环氧玻璃布材料;
具体的,天线罩下方开有铆钉孔,通过铆钉将天线罩与金属底板铆接在一起。如图5所示,天线罩下方开设有8个铆钉孔,与其相对应的,在金属底板上设置有8个铆套。
优选的,所述复合天线还包括两块PMI填充料,两块PMI填充料置于天线罩中除印制板之外的空间中,并且分别位于印制板两侧。即天线罩中除印制板之外的其他空间都被PMI填充料填充,能够对印制板起到固定保护的作用,防止天线内部由于振动而损坏,因此使得本发明的复合天线能够适用于机载高振动环境。
如图3所示,两个TNC连接器穿过金属底板与印制板上的反射单元和辐射单元焊接,并通过螺钉固定在金属底板上。
在进行天线组装时,首先将PCB印制板通过螺钉固定安装在金属底板上,然后将两个TNC连接器穿过金属底板与PCB印制板上的反射单元、辐射单元焊接,并通过螺钉将TNC连接器固定。PMI填充料通过固化工艺固定在天线罩内,两块PMI填充料中间留出印制板厚度槽,然后印制板插入到天线罩内,最后用铆钉将天线罩与金属底板铆接,整个天线装配完成。
本发明中的复合天线结构可以适用于任何波段,在选定波段后,根据本发明的复合天线结构原理,可以优化设计出具体的天线结构。
根据本发明的复合天线结构原理,设计了一套工作于L频段的复合天线,波长λ约为300mm,根据复合天线设计原理,反射单元高度取λ/2,辐射单元高度取λ/4,引导单元高度取小于λ/4,三单元之间间距取λ/4。反射单元的高度主要影响全向天线的谐振频点,辐射单元高度主要影响定向天线的谐振频点,三单元之间距离主要影响全向天线的不圆度和定向天线的前后比。最终的尺寸参数通过HFSS仿真软件进行仿真,优化全向和定向天线的指标参数而得到,主要参数值见图11。
可见,优化之后反射单元高度为161.1mm,在λ/2附近,辐射单元高度为70.4mm,在λ/4附近,引导单元高度为47.3mm,小于λ/4,反射单元与辐射单元之间的距离为60.2mm,辐射单元与引导单元之间的距离为50.7mm,均在λ/4附近,即最终优化后的天线结构符合本发明复合天线设计原理。
另外,通过仿真分析,在同频段同极化情况下两天线的隔离度达到-32dB。全向天线的方位面增益0dB,具有很好的全向性,不圆度在3dB以内。定向天线的增益5dB,前后比达到17dB。因此采用本发明中的复合天线能够有效减少机载平台上的天线数量,改善天线间相互干扰等电磁兼容问题。
该天线结构形式简单,重量轻,剖面低,电性能稳定,一致性高,可广泛应用于识别、通信等相关领域的载体平台上。
本领域技术人员可以理解,实现上述实施例方法的全部或部分流程,可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中,所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能复合天线,其特征在于,所述天线包括复合形成的定向天线和全向天线,所述定向天线包括辐射单元、引导单元、反射单元;
辐射单元、反射单元均与TNC连接器连接,通过TNC连接器对反射单元进行馈电使得反射单元形成全向天线;
其中,反射单元高度为λ/2±Δλ1,辐射单元高度为λ/4±Δλ2,引向单元高度小于λ/4±Δλ2,λ为天线波长,Δλ1,Δλ2分别为反射单元、辐射单元的高度调节量。
2.根据权利要求1所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述复合天线还包括印制板,所述辐射单元、引导单元以及反射单元为印刷在所述印制板上的印刷单极子。
3.根据权利要求2所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述反射单元、辐射单元、引导单元之间的间距均为λ/4±Δλ3,Δλ3为间距调节量。
4.根据权利要求3所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述辐射单元、引导单元向远离反射单元的一侧倾斜。
5.根据权利要求4所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述复合天线还包括金属底板,所述印制板安装在所述金属底板上,并且使得印制板所在平面与金属底板所在平面相垂直。
6.根据权利要求5所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述辐射单元、引导单元以及反射单元优选为矩形,在反射单元靠近金属底板一侧的两个角切除,并将切角后的反射单元通过金属接地柱接地。
7.根据权利要求5所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述复合天线还包括天线罩,所述天线罩与金属底板铆接,使得印制板处于天线罩与金属底板形成的空腔内。
8.根据权利要求7所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述复合天线还包括两块PMI填充料,两块PMI填充料置于天线罩中除印制板之外的空间中,并且分别位于印制板两侧。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述TNC连接器穿过金属底板与印制板上的反射单元和辐射单元焊接,并通过螺钉固定在金属底板上。
10.根据权利要求7或8所述的一种多功能复合天线,其特征在于,所述天线罩下方开有铆钉孔,通过铆钉将天线罩与金属底板铆接在一起。
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