CN114122679A - 一种曲流加载的机载刀型天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种曲流加载的机载刀型天线，根据刀型天线的电流流向，以及保证安装尺寸的前提下采用引入切断缝隙1、切断缝隙2以及切断缝隙3，有效的扩充超短波的工作频带，因此本发明可在有限的空间内实现了小型化、宽频带，并极大的改善了空间辐射特性，实现良好的水平面全向辐射特性。

Description

一种曲流加载的机载刀型天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种曲流加载的机载刀型天线。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，现代无线通信系统对天线宽频带、小型化、高增益、易集成等性能提出了越来越高的要求，无线通信按工作频段可分为以下几个频段：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波。超短波通信是利用超短波频段的无线电波传送信息的无线电通信。超短波传播主要依靠地波传播和空间波视距直线传播，具有一定的绕射能力，但随着频率的升高，超短波绕射能力则越来越弱。

在广义超短波频段中的通信主要是视距范围内空/空、空/地话音和数据的传输，依靠其较宽的频带以及较远的传播距离进行传输。超短波传播特性特别适合应用于机载通信场景。

常用机载通信天线为单极子天线，但一般的单极天线相对于接地面是垂直状态，由于飞机空气动力学的要求，天线在俯仰方向将出现倾角，影响飞行方向的增益与带宽。但是由于机载天线的尺寸有一定的限制，传统机载天线由于尺寸限制所能达到的工作频带较窄，低频段难以发生有效谐振。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种曲流加载的机载刀型天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供的一种曲流加载的机载刀型天线，所述机载超短波天线包括：介质支撑层7以及馈电结构，所述介质支撑层7呈刀型结构，所述介质支撑层7的上边长为0.09λ，下边长为0.1λ，高为H，H＝0.13λ，倾斜角度为52度，在所述介质支撑层7上开设有切断缝隙1、切断缝隙2以及切断缝隙3，所述切断缝隙1距离所述介质支撑层7下沿0.76H，所述切断缝隙2距离所述介质支撑层7下沿0.58H，所述切断缝隙3距离所述介质支撑层7下沿0.46H，所述切断缝隙1在所述介质支撑层7上的开缝长度取值范围为0.078λ～0.085λ，所述切断缝隙2在所述介质支撑层7上的开缝长度取值范围为0.089λ～0.093λ，所述切断缝隙3在所述介质支撑层7上的开缝长度取值范围为0.0069λ～0.0078λ，所述切断缝隙1与所述切断缝隙2的开缝口分别位于所述介质支撑层7左右两侧，所述切断缝隙1、所述切断缝隙2以及所述切断缝隙3的开缝宽度为0.02H。

可选的，在所述介质支撑层7的下端，绕所述介质支撑层7的弯曲方向一圈开槽有U型切断缝隙4，所述U型切断缝隙4的开口朝下，所述切断缝隙4的开缝宽度为0.025H，所述U型切断缝隙4距离所述介质支撑层7左侧的距离为0.013λ，所述U型切断缝隙4的高度为0.041H，所述U型切断缝隙4用以改善天线高频处驻波特性。

可选的，在所述U型切断缝隙4中加载一电阻元件R1以及一集总电感L。

可选的，所述超短波天线还包括：匹配网络电路6，所述匹配网络电路6加载在馈电结构用以进行宽带匹配。

可选的，所述介质支撑层7采用FR-4，介电常数为ε_r＝4.4的材料制成，所述介质支撑层7的厚度为2mm。

可选的，所述馈电结构是探针式馈电结构。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明所提出的一种曲流加载的机载刀型天线能够在与机体共形的设计基础上，在飞机垂尾的有限空间内实现了天线的宽频辐射，同时本发明所提出的在天线弯曲贴片表面电流的路径上开缝的方式，可大大延长电流路径，在保证良好的水平全向辐射特性的前提下实现了小型化，具有广阔的应用前景。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1a是本发明实施例提供的反射系数的仿真效果图；

图1b是本发明实施例提供的驻波比的仿真效果图；

图2a是本发明实施例提供的模式1的电流图；

图2b是本发明实施例提供的模式1的远场方向的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于经典特征模理论的超短波天线的结构图；

图4a是本发明实施例提供的添加切断缝隙L1，L2，L3的刀形天线S11仿真效果图；

图4b是本发明实施例提供的添加切断缝隙L1，L2，L3的刀形天线回波损耗仿真效果图；

图5是本发明实施例提供的添加切断缝隙L4及电阻元件和电感元件的刀形天线结构示意图；

图6a本发明实施例提供的添加切断缝隙L4及电阻元件以及集总电感元件的刀形天线S11仿真效果图；

图6b本发明实施例提供的添加切断缝隙L4及电阻元件以及集总电感元件的刀形天线E面与H面方向图；

图7是本发明实施例提供的添加匹配网络的刀型天线的结构图；

图8是本发明实施例提供的添加匹配网络的刀型天线S₁₁曲线仿真效果图；

图9a是本发明实施例提供的为天线在35MHz频率下匹配前后H面方向图；

图9b是本发明实施例提供的为天线在50MHz频率下匹配前后H面方向图；

图9c是本发明实施例提供的为天线在80MHz频率下匹配前后H面方向图。

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。

在详述本发明实施例提供的一种曲流加载的机载刀型天线之前，首先对本发明的原理进行分析。

参照图1a以及图1b，图1a中横轴是频率，单位是MHZ，如果一个天线呈刀型结构，则该天线称为刀型天线。在刀形天线未开缝时天线反射系数曲线带宽较窄。图1a中曲线是反射系数曲线，图1b中的曲线是驻波比曲线，由初始刀型天线仿真结果图1a以及图1b可知，该未开缝刀型天线S11频段及VSWR低于3.5部分过窄。因此可通过天线Q值来拓展天线带宽，天线Q值的计算公式有：

其中，f₀，Δf，ΔX，R，X分别是中心频率，频率间隔，电抗绝对值变化量，以及在f₀处的馈电点电阻和电抗。由公示可以看出天线的Q值与带宽成反比，Q值越大，带宽越小。若要实现较宽的阻抗带宽，降低天线Q值为一个有效的方法。而曲流技术，可以延长特征电流有效路径，从而降低Q值扩展天线带宽。

选取典型模式进行分析。参考图2a是模式1的电流图2b是远场方向图。现对S11刀型天线进行模式分析，天线下方为无限大地板。从图2a刀型天线模式1在50MHz的电流示意图观察可知，模式1中电流在左侧边电流较强，在右侧电流较弱，两侧电流方向同向向下，为纵向电流谐振模式。同时从图2b模式1远场方向图看出，该模式下的远场方向图为典型的单极子天线方向图，同样印证了模式电流为纵向电流。

根据上面分析，曲流技术可以有效延长特征电流路径，增强谐振特性，下面在刀型天线表面三分线处分别进行开缝，进一步根据天线表面电流分布确定切断缝隙1(L1)、切断缝隙2(L2)以及切断缝隙3(L3)的开缝位置。在保证机体金属结构强度的情况下，选定合适的开缝位置，对开缝长度进行优化，研究其对曲流效果的影响。

实施例一

如图3所示，本发明实施例提供的一种曲流加载的机载刀型天线，所述超短波天线包括：介质支撑层7以及馈电结构，所述介质支撑层7呈刀型结构，所述介质支撑层7的上边长为0.09λ，下边长为0.1λ，高为0.13λ，倾斜角度为52度，在所述介质支撑层7上开设有切断缝隙1、切断缝隙2以及切断缝隙3，所述切断缝隙1距离所述介质支撑层7下沿0.76H，所述切断缝隙2距离所述介质支撑层7下沿0.58H，所述切断缝隙3距离所述介质支撑层7下沿0.46H，所述切断缝隙1在所述介质支撑层7上的开缝长度为0.083λ，所述切断缝隙2在所述介质支撑层7上的开缝长度为0.091λ，所述切断缝隙3在所述介质支撑层7上的开缝长度为0.0077λ，所述切断缝隙1与所述切断缝隙2的开缝口分别位于所述介质支撑层7左右两侧，所述切断缝隙1、所述切断缝隙2以及所述切断缝隙3的开缝宽度为0.02H。在刀形天线底部采用探针式馈电结构，即在电场最大处附近也就是电流最小处)放置电容性激励。λ为中心频率波长，所述中心频率波长由通频带的中心频率确定。

其中，所述介质支撑层7的上边长为0.09λ，下边长为0.1λ，高为0.13λ，倾斜角度为52度的尺寸是根据机载VHF天线实际安装的空间环境尺寸设置的。

其中，λ为中心频率波长，c＝λ×f为中心频率与波长关系公式，其中c是光速为定值3.0×108m/s，f是中心频率，单位是Hz。

可以理解，当通频带带宽确定时，下限截止频率与上限截止频率确定，则中心频率是下限截止频率与上限截止频率的平均值，在中心频率获知的情况下，中心频率波长也随之确定。

应该知道的，本实施例缝隙长度并不限于上述，本领域技术人员可以根据实际带宽需求将缝隙L1，L2的长度设计成取值范围内的其他长度。

该刀形天线仿真结果如图4a以及图4b所示。图4a为天线S11曲线，横坐标为频率，单位为MHz，范围为30MHz—90MHz，图4b为驻波比曲线，横坐标单位为MHz，范围为30MHz—90MHz。开缝后的刀型天线，原天线相比，现天线的高频处带宽有所展宽，VSWR小于3.5的高频频段有所改善，说明曲流技术有效延长了天线的电流路径，是一种可行的方案。

本发明实施例提供的一种曲流加载的机载刀型天线，根据刀型天线的电流流向，以及保证安装尺寸的前提下采用引入切断缝隙1、切断缝隙2以及切断缝隙3，有效的扩充超短波的工作频带，因此本发明可在有限的空间内实现了小型化、宽频带，并极大的改善了空间辐射特性，实现良好的水平面全向辐射特性。

实施例二

作为可选的实施例，如图5所示，在所述介质支撑层(7)的下端，绕所述介质支撑层(7)的弯曲方向一圈开槽有U型切断缝隙(4)，所述U型切断缝隙(4)的开口朝下，所述切断缝隙(4)的开缝宽度为0.025H，所述U型切断缝隙(4)距离所述介质支撑层(7)左侧的距离为0.013λ，所述U型切断缝隙(4)的高度为0.041H，所述U型切断缝隙(4)用以改善天线高频处驻波特性。

在所述U型切断缝隙4中间添加一电阻元件5(R1)以及一集总电感6(L)。

其中，R1＝65Ω和L＝200Nh。

对实施例二的刀型天线进行仿真分析，如图6a为U型槽添加电阻元件以及集总电感元件的刀形天线S11仿真效果图，图6b为U型槽添加电阻元件以及集总电感元件的刀形天线E面与H面方向图。图6a的横坐标为频率，单位为MHz，范围为30MHz—90MHz，由图可以看出，添加U型槽与集总元件后天线工作带宽大大展宽，并且由方向图可以看出E面呈八字型，H面呈水平全向型辐射，具有良好的全向性。

实施例三

作为可选的实施例，如图7所示，所述超短波天线还包括：匹配网络电路6，所述匹配网络电路6与所述馈电结构的端口电连接。

其中，匹配网络如图7右下角电路所示，匹配网络由两个π型的电路组成，匹配网路的电路结构与现有技术相同，此处不再赘述。

调节频段内匹配网络技术是一种可以有效展宽天线频带的方法，主要原理为将阻抗匹配网络接入天线和信号馈源之间，阻抗匹配网络可将负载端的天线阻抗Z_L通过阻抗变换电路转换成能和馈源阻抗Z_g良好匹配的阻抗特性Z_in，满足

从而展宽天线的阻抗带宽。本实施例采用π型匹配网络，π型网络理论上可以实现天线的全域匹配，匹配范围与实际采用的电抗原件的最值有关。

仿真效果如图8以及图9所示，图8是添加匹配网络的刀形天线S₁₁曲线示意图，横坐标为频率，单位为MHz，范围为30MHz—90MHz。从图8可见，本发明实施例与未加匹配网络相比，回波损耗S₁₁曲线在30-88MHz工作频段内低于-5dB(对应VSWR＝3.5)，全频段近似低于-10dB(对应VSWR＝1.92)，与原天线相比，现天线在全频段具有良好的匹配特性。

图9为天线在35MHz，50MHz，80MHz频率下匹配前后H面方向图，可以看到加载宽带固定匹配网络的机载刀型天线在各个频率水平面方向图以及不圆度都比较好，具有良好的全向性。

本发明实施例通过加载集总元件优化等措施，结合宽带匹配网络，实现了小型化(0.11λ×0.09λ)、宽频段(30-88MHz)。其包括缝隙1，缝隙2，缝隙3和缝隙4，缝隙4中加载电阻元件R1及集总电感L扩展带宽。在刀型天线底部电流最小处采用探针式馈电结构形成电容性激励。在馈电端加载匹配网络的用于进行宽带匹配设计，可在有限的空间内实现了小型化、宽频带，并极大的改善了空间辐射特性，实现良好的水平面全向辐射特性，可用于飞机垂尾的超短波天线。

实施例五

作为本发明可选的实施例，所述介质支撑层7采用FR-4，介电常数为ε_r＝4.4的材料制成，所述介质支撑层7的厚度为2mm。

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”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一个或者更多个该特征。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。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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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、结构、材料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、结构、材料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。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

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 (5)

1.一种曲流加载的机载刀型天线，所述超短波天线包括：介质支撑层(7)以及馈电结构，其特征在于，所述介质支撑层(7)呈刀型结构，所述介质支撑层(7)的上边长为0.09λ，下边长为0.11λ，高为H，H＝0.13λ，倾斜角度为52度，在所述介质支撑层(7)上开设有切断缝隙(1)、切断缝隙(2)以及切断缝隙(3)，所述切断缝隙(1)距离所述介质支撑层(7)下沿0.76H，所述切断缝隙(2)距离所述介质支撑层(7)下沿0.58H，所述切断缝隙(3)距离所述介质支撑层(7)下沿0.46H，所述切断缝隙(1)在所述介质支撑层(7)上的开缝长度取值范围为0.081λ～0.085λ，所述切断缝隙(2)在所述介质支撑层(7)上的开缝长度取值范围为0.089λ～0.093λ，所述切断缝隙(3)在所述介质支撑层(7)上的开缝长度取值范围为0.0069λ～0.0078λ，所述切断缝隙(1)与所述切断缝隙(2)的开缝口分别位于所述介质支撑层(7)左右两侧，所述切断缝隙(1)、所述切断缝隙(2)以及所述切断缝隙(3)的开缝宽度为0.02H，λ为中心频率波长，所述中心频率波长由通频带的中心频率确定。

2.根据权利要求1所述的机载超短波天线，其特征在于，在所述介质支撑层(7)的下端，绕所述介质支撑层(7)的弯曲方向一圈开槽有U型切断缝隙(4)，所述U型切断缝隙(4)的开口朝下，所述切断缝隙(4)的开缝宽度为0.025H，所述U型切断缝隙(4)距离所述介质支撑层(7)左侧的距离为0.013λ，所述U型切断缝隙(4)的高度为0.041H，所述U型切断缝隙(4)用以改善天线高频处驻波特性。

3.根据权利要求2所述的机载超短波天线，其特征在于，在所述U型切断缝隙(4)中加载有一电阻元件(R1)以及一集总电感(L)。

4.根据权利要求3所述的机载超短波天线，其特征在于，所述机载超短波天线还包括：匹配网络电路(6)，所述匹配网络电路(6)加载在馈电结构用以进行宽带匹配。

5.根据权利要求1所述的机载超短波天线，其特征在于，所述馈电结构是探针式馈电结构。

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