CN114336059A

CN114336059A - 一种应用于vhf/uhf频段的低剖面小型化可调谐天线

Info

Publication number: CN114336059A
Application number: CN202210015612.2A
Authority: CN
Inventors: 王亚鹏; 班永灵; 董瀚; 梁子越; 孙强
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2042-01-07
Also published as: CN114336059B

Abstract

本发明公开了一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，涉及VHF/UHF频段天线技术领域。通过利用开放式圆柱腔的TM₀₁模和TM₀₂模分别在VHF/UHF频段产生谐振，TM₀₁模和TM₀₂模分别由短路销钉和金属圆柱激励产生，两者皆是类单极子辐射模式，进而实现了VHF/UHF频段垂直极化全向辐射。因为TM₀₁模和TM₀₂模的谐振性质与圆柱腔剖面高度无关，而且开放式圆柱腔结构不需要较大的地平面，所以圆柱腔天线可以获得低剖面小型化性能，能够很好地与载体平台共形。通过四个状态的匹配网络，将圆柱腔天线的带宽进一步展宽，在低频段和高频段分别获得了46.8％和56％的阻抗带宽，并在宽频带内获得了稳定的垂直极化全向辐射模式，对推广VHF/UHF天线的应用有着很大的意义。

Description

一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线

技术领域

本发明涉及VHF/UHF频段天线技术领域，尤其涉及一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线。

背景技术

VHF频段又称甚高频，指的是30MHz～300MHz的电磁波，工作在VHF频段的天线称为超短波天线，而UHF频段也称超高频，覆盖频率为300MHz～3000MHz的电磁波。VHF/UHF频段具有频段宽、稳定性高、结构简单等特点，广泛应用于车载通信、机载通信和移动通信等领域。根据应用场景的不同，VHF/UHF天线一般可以分为两类：全向天线和定向天线，前者主要有鞭状天线、锥形天线以及笼形天线，后者包括八木天线、对数周期天线和反射面天线。VHF/UHF全向天线由于具有水平面均匀辐射的特点，在VHF/UHF无线通信系统中，得到了广泛的应用。

然而，对于普通的全向天线，如鞭状天线，天线的高度需要达到工作波长的四分之一，而VHF/UHF频段的工作波长相对较长，尤其是VHF频段的工作波长在10m～1m，此时天线的高度很大，这极大地限制了VHF/UHF天线的应用。因此，如何获得低剖面的特性，一直是VHF/UHF天线的研究热点。低剖面特性的实现，能够极大地拓展VHF/UHF天线的应用，比如：能够更好地实现与载体平台的共形，这不仅可以使载体平台维持更好的空气动力学特性，也能保证载体平台能够实现较好的隐身效果。

目前，常见的应用于VHF/UHF频段的低剖面天线主要还是采用鞭状天线或锥形天线，往往通过改进天线结构和运用曲流技术来获得低剖面特性，但受限于鞭状天线、锥形天线的谐振性质，实际效果往往并不理想。这是因为鞭状天线或锥形天线的工作频率主要由天线高度来决定，当天线高度过低时，天线增益将会极低。而且这类天线往往需要较大的地平面，这势必会影响其小型化效果。显然，当载体平台尺寸较小或者需要将天线嵌入载体平台内时，上述方案是不可行的，天线的低剖面特性也难以实现。

发明内容

本发明提出一种应用于VHF/UHF频段的基于开放式圆柱腔的低剖面小型化可调谐天线。与传统的鞭状天线或锥形天线相比，开放式圆柱腔的谐振性质不受天线剖面高度的影响，这为天线实现低剖面提供了可能，而且开放式圆柱腔不需要较大的地平面，这可以进一步减小天线的体积。因此，较之传统的鞭状天线或锥形天线，本发明天线不仅拓展了VHF/UHF天线的应用范围，也能够更好地满足VHF/UHF天线与载体平台的共形需求。

为实现上述目的，本发明具体采用的技术方案为一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，该天线包括：上层金属板、金属圆柱、圆锥筒、短路销钉、下层金属板、同轴探针、宽带匹配电路；所述上层金属板和下层金属板为圆形，并在对应位置有固定孔，通过螺栓和固定孔配合固定上层金属板和下层金属板，并在上层金属板和下层金属板之间安装有金属圆柱、圆锥筒、短路销钉；短路销钉直接连接上层金属板和下层金属板；所述圆锥筒顶点固定于下层金属板的圆心，开口正对上层金属板，下层金属板的圆心处开设有通孔，用于穿过同轴探针，同轴探针不与下层金属板接触；所述金属圆柱正对上层金属板和下层金属板圆心，位于圆锥筒内并不与圆锥筒、上层金属板和下层金属板直接接触，金属圆柱一端通过天线加载电阻与上层金属板连接，另一端连接同轴探针；同轴探针连接宽带匹配电路。

进一步的，所述宽带匹配电路，包括四个状态匹配电路，分别为状态1、状态2、状态3、状态4，每个状态匹配电路相互独立，各包括一个输入端和一个输出端，输入端接信号源，输出端连接天线；

所述状态1匹配电路由输入端到输出端依次为120pF的并联电容、16nH的并联电感、82nH的串联电感、10欧姆的串联电阻；

状态2匹配电路由输入端到输出端依次为27pF的并联电容、40nH的串联电感、62pF的并联电容、43nH的串联电感、30pF的串联电容；

状态3匹配电路由输入端到输出端依次为16pF的并联电容、27nH的串联电感、20pF并联电容、37nH的串联电感、25欧姆的串联电阻以及长度为21mm、宽度为6mm的调谐枝节；

状态4匹配电路由输入端到输出端依次为6.2pF的串联电容、33nH的串联电感、22pF的并联电容、13nH的串联电感、16pF的并联电容。

进一步的，所述上层金属板、金属圆柱、圆锥筒、短路销钉、下层金属板的材料都为铝；所述短路销钉为两根，对称设置于圆锥筒的两侧，半径为1.2mm，两者之间的距离为214mm；金属圆柱的半径为7mm，所述天线加载电阻大小为30欧姆。

进一步的，所述下层金属板的圆心处，位于圆锥筒的另一侧设置一个铝质长方体垫板，厚度为5mm，用于固定馈电探针。

本发明的有益效果在于：利用开放式圆柱腔的TM₀₁模和TM₀₂模实现了双频段低剖面小型化天线，整体尺寸仅有0.045λ_max*0.22λ_max*0.22λ_max；TM₀₁模的方向图为类单极子方向图，由短路销钉激励产生；TM₀₂模的方向图也是类单极子方向图，由金属圆柱激励产生；TM₀₁模和TM₀₂模的谐振波长与天线高度无关。因此，开放式圆柱腔天线可以在VHF频段和UHF频段实现水平面内全向辐射。另外，采用宽带匹配网络对天线进行阻抗匹配，实现了可调谐的低剖面小型化圆柱腔天线。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线的主视图；

图2为本发明提供的一种用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线的侧视图；

图3为本发明提供的一种用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线的匹配电路，其中：(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别对应状态1、状态2、状态3、状态4的匹配电路和对应的集总元件值；

图4为本发明提供的无宽带匹配网络的反射系数与实际增益仿真结果图；

图5为本发明提供的有宽带匹配网络的VHF频段反射系数仿真结果图；

图6为本发明提供的有宽带匹配网络的UHF频段反射系数仿真结果图；

图7为本发明提供的有宽带匹配网络的VHF频段实际增益仿真结果图；

图8为本发明提供的有宽带匹配网络的UHF频段实际增益仿真结果图；

图9为本发明提供的有宽带匹配网络的主极化与交叉极化辐射方向图，其中:(a)、(b)、(c)、(d)分别对应110MHz、140MHz、240MHz、320MHz处的E面辐射方向图，(e)、(f)、(g)、(h)分别对应110MHz、140MHz、240MHz、320MHz处的H面辐射方向图；

其中：1为上层金属板、2为短路销钉、3为下层金属板、4为金属圆柱、5为圆锥筒、6为铝质长方体垫块固定孔、7为圆柱腔体固定孔、8为铝质长方体垫块、9为同轴探针、10为天线体加载电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，并不限定本发明。

附图1为本申请实施例提供的一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐的圆柱腔天线的主视图，附图2位本申请实施例提供的一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐的圆柱腔天线的侧视图。如附图1和2所示，本申请实施例提供的低剖面小型化可调谐圆柱腔天线，包括上层金属板1、短路销钉2、下层金属板3、金属圆柱4、圆锥筒5；上层金属板1和下层金属板3具有相同尺寸，上下对齐，两者通过尼龙螺丝经由圆柱腔体固定孔7固定，形成圆柱腔体；短路销钉2的数目为2，以圆柱腔体的中心为基准，呈对称分布；金属圆柱4位于圆柱腔体中心轴线上，上方经由天线体加载电阻10连接上层金属板1，下方连接同轴探针9；圆锥筒5，围绕着金属圆柱4，下方与下层金属板3连接；金属圆柱4和圆锥筒5之间存在间隙，并不相接；同轴探针9固定在铝质长方体垫块8上，而铝质长方体垫块8固定在下层金属板3的中心位置；铝质长方体垫块8上存在铝质长方体垫块固定孔6，可以将其通过金属螺丝或尼龙螺丝固定在下层金属板3上；下层金属板3与铝质长方体垫块8的中心处存在一个半径为0.75mm的通孔，同轴探针9经由通孔对圆柱腔天线馈电；同轴探针9经由同轴电缆连接到匹配电路。为了更好地固定空气线连接器，在下层圆形金属板上增添了一个厚度为5mm铝质长方体垫板，使得空气线连接器在不影响天线结构的情况下，通过尼龙螺丝固定在下层圆形金属板上。

如附图3，与圆柱腔天线对应的匹配电路包含四个状态，每个状态由不同的集总元件构成，从上到下，依次为状态1、状态2、状态3和状态4；状态1匹配电路包括120pF的并联电容、16nH的并联电感、82nH的串联电感、串联的10Ohm的电阻，覆盖了108MHz-120MHz，具有10.5％的相对带宽；状态2匹配电路包括27pF的并联电容、40nH的串联电感、62pF的并联电容、43nH的串联电感、30pF的串联电容，覆盖了120MHz-174MHz，具有36.7％的相对带宽；状态3匹配电路包括16pF的并联电容、27nH的串联电感、20pF并联电容、37nH的串联电感、25Ohm的串联电阻以及长度为21mm、宽度为6mm的调谐枝节，覆盖了225MHz-300MHz，具有28.6％的相对带宽；状态4匹配电路包括6.2pF的串联电容、33nH的串联电感、22pF的并联电容、13nH的串联电感、16pF的并联电容，覆盖了300MHz-400MHz，具有28.6％的相对带宽。通过切换不同的状态，可以实现VHF频段和UHF频段宽带性能。

进一步，附图4为本申请实施例提供的无宽带匹配网络的反射系数与实际增益仿真结果图，从中可以看出，圆柱腔天线在VHF频段和UHF频段分别产生了谐振，对应着圆柱腔天线的TM₀₁模和TM₀₂模，覆盖了122MHz-148MHz和321MHz-378MHz，相对带宽分别为19.7％和16.3％。此时，圆柱腔天线在低频处的实际增益大于-5.5dBi，在高频处的实际增益大于-5dBi。这说明，利用开放式圆柱腔原理实现的VHF/UHF天线，在低剖面小型化的结构下，仍然可以获得较为可观的天线性能。

附图5和附图6为本发明实施例提供的有宽带匹配网络的VHF/UHF频段反射系数仿真结果图，在状态1匹配电路和状态2匹配电路的作用下，天线在低频段覆盖了108MHz-174MHz，相对带宽为46.8％；在状态3匹配电路和状态4匹配电路的作用下，天线在高频段覆盖了225MHz-400MHz，相对带宽为56％。

附图7和附图8为本发明实施例提供的有宽带匹配网络的VHF/UHF频段实际增益仿真结果图，从中可以看出，在频带范围内，天线的实际增益皆大于-5dBi。

附图9为本发明实施例提供的有宽带匹配网络的主极化与交叉极化辐射方向图。TM₀₁模和TM₀₂模的辐射方向图皆是类单极子模式，这使得圆柱腔天线可以实现垂直极化全向辐射，并且交叉极化比大于20dB。因为TM₀₁模和TM₀₂模分别由短路销钉和金属圆柱激励产生，并没有额外的激励结构，所以天线在频带范围内只存在TM₀₁模和TM₀₂模，并没有其他模式产生，这使得天线在宽频带内获得了稳定的辐射模式。另外，因为本发明中采用的宽带匹配网络对圆柱腔天线的辐射模式影响不大，无宽带匹配网络的辐射方向图与有宽带匹配网络情景类似，为简洁考虑，不再提供。

Claims

1.一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，该天线包括：上层金属板、金属圆柱、圆锥筒、短路销钉、下层金属板、同轴探针、宽带匹配电路；所述上层金属板和下层金属板为圆形，并在对应位置有固定孔，通过螺栓和固定孔配合固定上层金属板和下层金属板，并在上层金属板和下层金属板之间安装有金属圆柱、圆锥筒、短路销钉；短路销钉直接连接上层金属板和下层金属板；所述圆锥筒顶点固定于下层金属板的圆心，开口正对上层金属板，下层金属板的圆心处开设有通孔，用于穿过同轴探针，同轴探针不与下层金属板接触；所述金属圆柱正对上层金属板和下层金属板圆心，位于圆锥筒内并不与圆锥筒、上层金属板和下层金属板直接接触，金属圆柱一端通过天线加载电阻与上层金属板连接，另一端连接同轴探针；同轴探针连接宽带匹配电路。

2.如权利要求1所述的一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，其特征在于，所述宽带匹配电路，包括四个状态匹配电路，分别为状态1、状态2、状态3、状态4，每个状态匹配电路相互独立，各包括一个输入端和一个输出端，输入端接信号源，输出端连接天线；

3.如权利要求1所述的一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，其特征在于，所述上层金属板、金属圆柱、圆锥筒、短路销钉、下层金属板的材料都为铝；所述短路销钉为两根，对称设置于圆锥筒的两侧，半径为1.2mm，两者之间的距离为214mm；金属圆柱的半径为7mm，所述天线加载电阻大小为30欧姆。

4.如权利要求1所述的一种应用于VHF/UHF频段的低剖面小型化可调谐天线，其特征在于，所述下层金属板的圆心处，位于圆锥筒的另一侧设置一个铝质长方体垫板，厚度为5mm，用于固定馈电探针。