CN116190995B - 一种可齐平安装的超短波宽带全向天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，该天线中有金属背腔，金属背腔的上部外接圆环状金属载体，与金属背腔共同构成超短波天线内埋安装环境,金属背腔的内部设置有圆柱状金属壁以实现腔体加载技术，将类锥形超短波天线结构安装于圆柱状金属壁的内部，能够同时提升低频段方位面与高频段方位面增益，此外类锥形超短波天线结构的内部设置有金属锥台来实现背腔修形技术。通过将类锥形超短波天线结构设置于金属背腔中，能够与载体齐平共形安装，与传统的载体平台天线突出载体共形安装的方式相比，能够有效降低载体空气阻力，提高隐身性能，为载体平台设计提供更多自由度。

Description

一种可齐平安装的超短波宽带全向天线
技术领域
本申请涉及通信天线领域，具体而言，涉及一种可齐平安装的超短波宽带全向天线。
背景技术
随着无线通信技术不断发展，跳频速率也越来越快，原本的窄带天线已经不满足符合机载的需求。同时在载体平台上所布置的收发天线越来越紧密，相互之间的干扰也越来越严重，因此为了适应这种发展，对天线提出了宽频带、小型化、低剖面的需求。但是不同于其它种类的天线，机载天线的载体是十分复杂的飞机金属机体。机体会对天线的辐射特性造成很大影响，而天线安装的位置不同也会有一定的影响。在设计好机载平面宽带天线之前必须要进行整体的仿真分析。
针对突出安装式天线，天线的突出载体部分尺寸要尽量小，外露天线的突出尺寸的大小对飞机的气动性、隐身性都有着比较大的影响。为了更好的提升天线与航空电子设备的整体性能，超宽带共形相控阵成为当前机载天线领域的一个研究热点。随着现代飞行器的不断发展，其飞行速度越来越快，对自身气动布局的要求越来越高。而平面阵天线安装于飞行载体的表面时，对于其外形影响较大，这样会影响其飞行性能，故安装于高速飞行器的天线则需要具有更小的横截面以及更优秀的贴合性。相对于平面相控阵天线，超宽带共形相控阵能够更好的与载体进行贴合，从而减小对载体外形布局的影响，对气动布局要求严格的载体，共形阵天线更为适合；其次天线与载体的形状基本一致，能更好的利用空间，对于剖面要求严格的载体能较为完美的契合；同时天线的结构强度高，共形阵天线由于与载体贴合较严，不需要额外的结构件便能很稳固，这样便于维护与安装。另外，将共形天线安装在电子设备上时，流动气体对电子设备的阻力得以减小，也减轻了电子设备的重量，提升性能，对于飞行器来说，共形后还可减小雷达散射面积，最终达到隐身目的。
现有超短波全向天线均为辐射体置于金属载体上方，突出载体的安装形式。这是因为针对极化方式为垂直极化的全向辐射天线，其辐射主要依靠竖直电流或与之对偶的水平磁流，因此将辐射体置于金属载体上方，周围没有遮挡的安装环境下，有利于实现其最优的电性能。然而针对超短波天线，由于其工作在低频段，电尺寸较大，因此保证其在频带范围内高效率辐射，天线剖面较高，其突出安装于载体表面会对载体气动性、隐身性造成较大的影响，同时载体表面的不规则曲率和异形结构的存在也会对超短波天线电性能造成较大影响。因此为解决以上问题，考虑将超短波天线与载体齐平共形安装(辐射体内埋安装)，在不影响载体内部结构的情况下有效利用载体内部空间、解决超短波天线这类大尺寸天线突出载体安装带来的载体气动性问题和隐身性问题。由于载体内部结构复杂、尺寸有限，需要针对与载体齐平共形安装的超短波天线进行小型化和低剖面化设计。原本良好匹配的天线由于放入腔体中，天线辐射的电磁波受到腔体的多次反射，天线的阻抗匹配特性也会严重恶化，超短波天线与载体齐平共形安装后的辐射性能和增益会受到极大影响。超短波天线与载体齐平共形安装所引入的金属背腔和金属载体会带来方向图波束上翘，高频段最为明显，因此重点关注的方位面上增益恶化严重，同时针对低频段，随着频段的下降辐射体与腔体之间电尺寸不断缩短，金属背腔上会感应出与辐射体上反向的电流，造成低频段的效率降低，增益恶化的问题。因此本领域技术人员不得不考虑如何解决上述的问题。
发明内容
本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，通过将超短波全向天线内埋于背腔结构，与载体齐平共形安装，突破传统载体平台天线突出载体共形安装的方式，可有效降低载体空气阻力，提高隐身性能，为载体平台设计提供更多自由度。
本申请目的通过下述技术方案来实现：
第一方面，本申请提出了一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，包括：金属背腔，所述金属背腔的上部外接圆环状金属载体，所述金属背腔与所述圆环状金属载体构成超短波天线内埋安装环境,所述金属背腔的内部设置有圆柱状金属壁以实现腔体加载技术，将类锥形超短波天线结构安装于所述圆柱状金属壁的内部，用于同时提升低频段方位面的增益与高频段方位面增益，所述类锥形超短波天线结构的内部设置有金属锥台，用于实现背腔修形技术。
可选的，所述类锥形超短波天线结构包括顶部金属板和多个竖直金属板，所述竖直金属板和所述顶部金属板均通过介质结构固定件固定于所述金属背腔上，且所述顶部金属板与所述竖直金属板之间存在间隙。
可选的，所述圆柱状金属壁、所述类锥形超短波天线结构以及所述金属锥台的高度均与所述金属背腔的高度一致，保证类锥形超短波天线结构的齐平安装。
可选的，所述间隙的尺寸为3毫米。
可选的，所述类锥形超短波天线结构为轴对称结构。
可选的，所述圆环状金属载体的直径为1.5λmax，λmax为低频波长。
可选的，所述竖直金属板采用梯形结构。
可选的所述介质结构固定件的材质选用玻璃纤维。
上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本申请公开了一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，该天线中有金属背腔，金属背腔的上部外接圆环状金属载体，与金属背腔共同构成超短波天线内埋安装环境,金属背腔的内部设置有圆柱状金属壁以实现腔体加载技术，将类锥形超短波天线结构安装于圆柱状金属壁的内部，能够同时提升低频段方位面与高频段方位面增益，此外类锥形超短波天线结构的内部设置有金属锥台来实现背腔修形技术。通过将类锥形超短波天线结构设置于金属背腔中，能够与载体齐平共形安装，与传统的载体平台天线突出载体共形安装的方式相比，能够有效降低载体空气阻力，提高隐身性能，为载体平台设计提供更多自由度。
附图说明
图1示出了本申请实施例提供的超短波宽带全向天线的结构图。
图2示出了本申请实施例提供的超短波宽带全向天线的侧向图。
图3示出了本申请实施例提供的驻波对比结果示意图。
图4a示出了本申请实施例提供的f1的对比增益图。
图4b示出了本申请实施例提供的1.25f1的对比增益图。
图4c示出了本申请实施例提供的1.5f1的对比增益图。
图4d示出了本申请实施例提供的1.78f1的对比增益图。
图4e示出了本申请实施例提供的2.27f1的对比增益图。
图5a示出了本申请实施例的全频段方位面最小增益对比示意图。
图5b示出了本申请实施例的全频段方位面最小增益对比示意图。
图标：1-金属背腔；2-圆环状金属载体；3-圆柱状金属壁；4-顶部金属板；5-竖直金属板；6-金属锥台。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了解决当前传统的突出载体共形安装的超短波天线中存在的剖面高和水平面增益恶化严重等问题，本申请实施例提出了一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，其具有的特点为齐平安装的、剖面极低、垂直极化、全频段方面增益更高、不圆度更优，该天线可以适用于机载、舰载平台上，接下来对该天线的结构进行详细说明。
请参照图1和图2，图1示出了本申请实施例提供的超短波宽带全向天线的结构图，图2示出了本申请实施例提供的超短波宽带全向天线的侧向图，超短波宽带全向天线包括金属背腔1，金属背腔1的上部外接圆环状金属载体2，金属背腔1与圆环状金属载体2同时构成超短波天线内埋安装环境,金属背腔1的内部还设置有圆柱状金属壁3，用来实现腔体加载技术，将类锥形超短波天线结构安装于所述圆柱状金属壁3的内部，用于同时提升低频段方位面的增益与高频段方位面增益，类锥形超短波天线结构的内部还设置有金属锥台6，来实现背腔修形技术。
其中，圆柱状金属壁3、类锥形超短波天线结构以及金属锥台6的高度均与金属背腔1的高度一致，用来模拟齐平安装的超短波宽带全向天线与载体平台共形的安装环境，保证类锥形超短波天线结构的齐平安装以及超短波天线仿真边界与超短波天线实际工作环境的一致性，从而确保仿真验证结果的可靠性。
类锥形超短波天线结构所产生的超短波天线主辐射体的中心位置与整个超短波宽带全向天线的中心位置重合，超短波天线主辐射体为类锥形天线，采用轴对称结构，该超短波天线主辐射体结构与传统的载体平台共形的扁平状刀形天线相比，具有极佳的方向图不圆度。在辐射性能方面，类锥形天线的阻抗带宽会较宽，从而容易实现宽带匹配。此外与容性加载、短路加载等多种宽带匹配技术联合设计，能够增加电长度、有效缩小天线尺寸，使得分布在各处的电流更加均匀，降低谐振频率的同时改善天线阻抗匹配，实现其低剖面宽带设计。
类锥形超短波天线结构的剖面高度和金属背腔1高度一致，同时位于圆环状金属载体2的下方，来模拟超短波天线安装的载体环境，保证辐射体不突出于金属背腔1与圆环状金属载体2，此外金属背腔1采用圆柱形腔体结构来避免超短波天线全向辐射不圆度恶化，金属背腔1结构的尺寸为0.6λmax*0.6λmax*0.08λmax，λmax为低频波长。
此外，类锥形超短波天线结构包括顶部金属板4和多个竖直金属板5，竖直金属板5和顶部金属板4均通过介质结构固定件固定，顶部金属板4与竖直金属板5之间并不直接连接，而是存在着一段间隙，二者之间间隙的尺寸为3毫米，竖直金属板5与顶部金属板4存在的间隙能够产生电容效应，进一步拓展带宽。顶部金属板4通过介质结构固定件固定于金属锥台6底板上，固定方式可以选用金属螺钉固定。介质结构固定件选用玻璃纤维作为材料，对外形进行优化设计，得到具有强稳固性、轻量化的结构件，用于固定竖直金属板5与顶部金属板4。同时引入短路加载技术使得顶端电荷积累，导致末端电流不为零，此时顶部不再是开路状态，天线的有效电长度增加，进而在有效缩小天线尺寸的同时使得分布在各处的电流更加均匀。此外在引入短路加载技术之后，在降低剖面的同时引入环电流模式，使其在更低频增加一个谐振点来改善天线阻抗匹配，进一步地拓展带宽，并实现低剖面设计。
竖直金属板5作为主辐射金属结构，为了保证较宽的工作带宽，可以将其计成梯形结构，并且还能带一定的倾斜角度，此时单极类天线的剖面高度约为天线最低工作频率对应波长的四分之一。竖直金属板5利用单极子模式产生一个谐振点，在纵向尺寸固定的情况下，辐射体横向尺寸以及结构的渐变特性对阻抗带宽影响较大。
该超短波宽带全向天线具有低剖面特性，其剖面厚度仅为0.08λmax，λmax为低频波长，工作带宽在f1～2.27f1之间，其中f1为低频频率，驻波比小于3，相对带宽占比为77.8％。
在一种可能的实施方式中，通过将锥形天线倾角设置为27度。在针对垂直极化全向辐射的超短波天线时，其纵向电流的大小直接影响天线输出功率的大小，纵向电流越大，则天线的反射波越小，这便意味着更多的入射功率传输给了天线，转化为更多的辐射效率。天线结构底部边缘的渐变可以改变天线中电流分布，抑制天线表面的横向电流，增强纵向电流，由此拓宽频带。采用电容加载和短路加载等技术手段，锥形天线顶部不再是开路状态，因此天线的有效电长度增加，可有效缩小天线使分布在各处的电流更加均匀，实现低剖面化和宽带匹配设计。
针对低频段，当频率下降时，辐射体与腔体之间电尺寸会越来越小，由于电尺寸的限制会导致随着频率的降低，此时腔壁会感应出越来越强的与辐射体上反向的电流，造成低频段的效率降低，增益恶化。本申请实施例提出的超短波宽带全向天线，其具有腔体修形技术，传统的金属底板结构为平板金属结构，而超短波宽带全向天线在其主辐射体与金属底板之间引入金属锥台6，能够有效提升低频段方位面增益。在f1～1.33f1的范围内增益提升约0.3dB，实现全频段增益大于-4dBi的效果。
针对高频段由于超短波天线内埋安装于腔体，并不突出于载体部分，由于腔体尺寸有限以及辐射地板的截断效应，会产生高频段波束上翘、水平方向增益恶化严重的问题。本申请实施例提出的超短波宽带全向天线还具有腔体加载技术，通过在金属背腔1的内部引入圆环状金属壁，来改善主辐射体与金属背腔1在高频段的电流分布，由此对E面方向图最大辐射方向接近90度方向进行调控，抑制波束上翘，提高高频段水平方向增益，在1.3f1～2.27f1的范围使增益提升1至5dB。
接下来对超短波宽带全向天线的背腔修形技术和腔体加载技术进行详细说明，请参照图3，图3示出了本申请实施例提出的驻波对比结果示意图，在频率范围为f1～2.27f1时，将引入腔体修形技术的超短波天线以及同时具有腔体修形技术和腔体加载技术的超短波天线的驻波相比，可以看出引入的腔体加载技术和腔体修形技术对驻波影响很小，此时的驻波小于3，天线的相对带宽为77.8％，具有宽带特性。
图4a-4e示出了本申请实施例的典型频点增益对比示意图，其中图4a示出了本申请实施例提供的f1的对比增益图，图4b示出了本申请实施例提供的1.25f1的对比增益图，图4c示出了本申请实施例提供的1.5f1的对比增益图，图4d示出了本申请实施例提供的1.78f1的对比增益图,图4e示出了本申请实施例提供的2.27f1的对比增益图。结合图4a-4e可知，在低频段时，从引入背腔修形技术的全向天线和未引入背腔修形技术前的全向天线的俯仰面方向图对比图来看，在低频f1时，引入背腔修形后低频段水平面增益有一定提升，能够实现对低频段方位面增益的提升的同时对高频段不产生影响的效果。
在高频段时，从引入腔体圆环加载技术的全向天线和未引入腔体加载技术前的全向天线俯仰面增益对比图来看，在高频1.78f1和2.2f1，引入腔体加载后水平面增益有明显提升，从而实现了对高频段方位面增益的提升同时对低频段不产生影响的效果。
图5a示出了本申请实施例的全频段方位面最小增益对比示意图，而图5b示出了本申请实施例的全频段方位面平均增益对比示意图，从图5a和图5b来看，在低频段时，从引入背腔修形技术的全向天线和未引入背腔修形技术的全向天线方位面最小增益和平均增益对比图来看，在低频为f1～1.3f1频段范围内，背腔修形后水平面最小增益和平均增益有一定提升，能实现对低频段方位面增益的提升同时对高频段不产生影响的效果。
在高频段时，从引入腔体圆环加载技术的全向天线和未引入腔体加载技术的全向天线方位面最小增益和平均增益对比图来看，在高频1.3f1～2.27f1频段范围内，引入腔体加载后水平面最小增益和平均增益有明显提升，实现了对高频段方位面增益的提升同时对低频段不产生影响的效果。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：
1、本申请实施例提出的超短波宽带全向天线具有腔体加载技术，通过在金属背腔的内部引入圆柱状金属壁，来改善主辐射体与金属背腔在高频段的电流分布，由此对E面方向图最大辐射方向接近90度方向进行调控，抑制波束上翘，提高高频段水平方向增益
2、本申请实施例提出的超短波宽带全向天线，其具有腔体修形技术，传统的金属底板结构为平板金属结构，而超短波宽带全向天线在其主辐射体与金属底板之间引入金属锥台，能够有效提升低频段方位面增益。
3、超短波天线为类锥形天线，采用轴对称结构，该超短波天线与传统的载体平台共形的扁平状刀形天线相比，具有极佳的方向图不圆度，在辐射性能方面，锥形天线的阻抗带宽会较宽，从而容易实现宽带匹配。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可齐平安装的超短波宽带全向天线，其特征在于，包括：金属背腔，所述金属背腔的上部外接圆环状金属载体，所述金属背腔与所述圆环状金属载体构成超短波天线内埋安装环境,所述金属背腔的内部设置有圆柱状金属壁以实现腔体加载技术，将类锥形超短波天线结构安装于所述圆柱状金属壁的内部，用于同时提升低频段方位面的增益与高频段方位面增益，所述类锥形超短波天线结构的内部设置有金属锥台，用于实现背腔修形技术；
所述类锥形超短波天线结构包括顶部金属板和多个竖直金属板，所述竖直金属板和所述顶部金属板均通过介质结构固定件固定于所述金属背腔上，且所述顶部金属板与所述竖直金属板之间存在间隙；
所述圆柱状金属壁、所述类锥形超短波天线结构以及所述金属锥台的高度均与所述金属背腔的高度一致，保证类锥形超短波天线结构的齐平安装。
2.如权利要求1所述超短波宽带全向天线，其特征在于，所述间隙的尺寸为3毫米。
3.如权利要求1所述超短波宽带全向天线，其特征在于，所述类锥形超短波天线结构为轴对称结构。
4.如权利要求1所述的超短波宽带全向天线，其特征在于，所述圆环状金属载体的直径为1.5，/>为低频波长。
5.如权利要求1所述的超短波宽带全向天线，其特征在于，所述竖直金属板采用梯形结构。
6.如权利要求1所述的超短波宽带全向天线，其特征在于，所述介质结构固定件的材质选用玻璃纤维。
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