CN116613517A - 一种强电磁防护型导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强电磁防护型导航天线，包括：介质基板(1)、金属辐射结构(2)、金属接地板(3)、馈电结构(4)和二极管(5)；所述金属辐射结构(2)和金属接地板(3)设置在所述介质基板(1)的相对两侧；所述金属辐射结构(2)包括：第一金属贴片(21)和第二金属贴片(22)；在所述第一金属贴片(21)的四周，在相互垂直的四个方向分别设置一个所述第二金属贴片(22)，且所述第二金属贴片(22)与所述第一金属贴片(21)采用所述二极管(5)相连接；所述第二金属贴片(22)与所述金属接地板(3)采用短路结构导通；所述馈电结构(4)分别与所述第一金属贴片(21)和所述金属接地板(3)相连接。
Description
技术领域
本发明涉及导航天线技术领域，尤其涉及一种强电磁防护型导航天线。
背景技术
强电磁武器是指利用定向辐射的高功率微波波束破坏、杀伤目标的新概念武器，可对一定区域内的信息系统、武器平台开展致命打击。目前，高功率脉冲功率驱动源技术、高功率微波产生、发射、传输与控制技术以及高功率微波效应机理等基础研究与关键技术取得重大突破，强电磁武器走向实战应用。强电磁辐射对电子设备危害极大，电磁波通过天线将能量耦合进入到系统前端，通过击穿效应与热效应破坏电子设备。
卫星导航系统因其定位准确、服务范围广、实时性好等特点，在现代社会中作用越来越大，小到手机定位，大到金融稳定、国防安全等，都离不开卫星导航系统。导航接收机主要用于接收卫星导航与授时信号，确定地面地理位置信息，同步本地系统时间，是整个导航系统的核心环节。目前，GPS、北斗以及伽利略等导航系统离地面高度均在上万公里，导航信号传输至导航天线口面时，信号幅度已大幅衰减至-130dBm量级。为有效接收导航信号，导航接收机必须具备较高灵敏度。但面对强电磁能量辐照，灵敏度越高，接收机越容易被损坏，进而导致导航系统无法正常运作。
天线是强电磁能量耦合的最主要通道，通过天线耦合进入射频前端的能量，不仅功率大，而且频率相近，对导航接收机威胁极大。面对强电磁能量辐照，从天线耦合进入系统的能量，即使加载了传统限幅模块，也难以保证导航接收机安全。
目前市场上已经针对卫星导航接收机提出了相应的强电磁能量防护措施，例如，参考文献[1]、参考文献[2]、参考文献[3]。这些现有技术中针对卫星导航接收机的防护手段主要有两种方式：一种是采用在天线后端加入限幅、滤波等防护模块；另一种是采用在天线外加装强电磁防护罩。第一种方式将单级PIN限幅结构改为多级防护结构，不可避免地增加了限幅结构的体积，增加了导航接收机射频前端设计难度。第二种方式中的防护罩由于加工制作中需要使用大量的PIN二极管，导致其成本非常高。
参考文献
[1]中国专利申请公布号CN111030069A，名称：射频前端电磁脉冲防护方法，申请公布日：2020.04.17；
[2]中国专利申请公布号CN107658859A，名称：一种用于飞机通信导航系统的电磁脉冲防护方法，申请公布日：2018.02.02；
[3]中国专利授权公告号CN207542775U，名称：一种用于飞机通信导航系统的电磁脉冲防护抑制器，授权公告日：2018.06.26。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强电磁防护型导航天线。
为实现上述发明目的，本发明提供一种强电磁防护型导航天线，包括：介质基板、金属辐射结构、金属接地板、馈电结构和二极管；
所述金属辐射结构和金属接地板设置在所述介质基板的相对两侧；
所述金属辐射结构包括：第一金属贴片和第二金属贴片；
在所述第一金属贴片的四周，在相互垂直的四个方向分别设置一个所述第二金属贴片，且所述第二金属贴片与所述第一金属贴片采用所述二极管相连接；
所述第二金属贴片与所述金属接地板采用短路结构导通；
所述馈电结构分别与所述第一金属贴片和所述金属接地板相连接。
根据本发明的一个方面，所述第一金属贴片采用方形金属贴片；
所述第二金属贴片与所述第一金属贴片的侧边相对的分别设置。
根据本发明的一个方面，所述第一金属贴片的至少一对对角切除设置。
根据本发明的一个方面，所述第二金属贴片采用多个所述二极管与所述第一金属贴片相连接；其中，在所述第二金属贴片上设置有多个用于连接所述二极管的连接臂；
所述二极管的正极与所述连接臂相连接，其负极与所述第一金属贴片相连接，或者，所述二极管的正极与所述第一金属贴片相连接，其负极与所述连接臂相连接。
根据本发明的一个方面，所述第二金属贴片还包括：第二金属贴片主体；
所述第二金属贴片主体为矩形结构；
所述连接臂为矩形结构；
所述连接臂与所述第二金属贴片主体相垂直的设置，且多个所述连接臂在所述第二金属贴片主体的同侧设置。
根据本发明的一个方面，沿所述第二金属贴片主体的长度方向，所述连接臂等间隔的设置有三个；其中，两个所述连接臂分别在所述第二金属贴片主体的相对两端设置，其余所述连接臂在所述第二金属贴片主体的中间位置设置。
根据本发明的一个方面，所述短路结构为设置在所述介质基板上金属化过孔。
根据本发明的一个方面，所述馈电结构为同轴馈电结构，且所述馈电结构与所述第一金属贴片偏心连接，用于对所述第一金属贴片偏心馈电。
根据本发明的一个方面，所述馈电结构与所述第一金属贴片的连接位置的馈电点圆心与所述第一金属贴片的中心的间距为14mm。
根据本发明的一个方面，所述第一金属贴片的边长为44mm，其切角尺寸为6mm；
所述第二金属贴片的长度与所述第二金属贴片主体的长度相一致，且设置为7mm，所述第二金属贴片的宽度为4.4mm；
相邻所述连接臂与所述第二金属贴片主体所构成的凹口的深度为1mm，长度为2mm；
所述凹口与所述第一金属贴片的边缘之间的间距为0.6mm；
所述馈电结构的馈电端口特征阻抗为50欧姆；
所述介质基板的厚度为1.6mm。
根据本发明的一种方案，本发明将PIN二极管引入天线接收设计中，实现了PIN二极管与天线的一体化设计，有效控制了天线整体体积。
根据本发明的一种方案，本发明中通过在第一金属贴片和第二金属贴片之间所使用的PIN二极管阵列，使得所设计的导航天线具有更高的承受功率。
根据本发明的一种方案，本发明中所设计的导航天线采用铜片、FR4基板、PIN二级管等常规材料制成，加工制作难度小、成本低。
根据本发明的一种方案，本发明将PIN二极管引入导航天线设计中，利用PIN二极管电导调制效应，改变导航天线通带开关状态，实现低场强导航信号正常耦合，强电磁能量无法耦合进入导航天线后端，在不影响正常导航功能前提下，有效避免导航接收机被耦合的强电磁能量损毁。
根据本发明的一种方案，本发明将PIN二极管引入的同时，综合优化导航天线的结构和参数，使所设计的导航天线满足频率、增益、轴比等指标要求。当正常导航信号(即低场强导航信号)辐照到防护型导航天线表面时，PIN二极管呈现为截止状态，通道开启，导航信号顺利从天线耦合进入后端电路；当强电磁能量辐照到防护型导航天线表面时，防护型导航天线通道关闭，强电磁能量无法从天线耦合进入后端射频电路。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式的强电磁防护型导航天线的结构图；
图2是根据本发明的一种实施方式的金属辐射结构与二极管的结构图；
图3是根据本发明的一种实施方式的金属接地板的结构图；
图4是根据本发明的一种实施方式的强电磁防护型导航天线在低场强信号条件下未导通时的S11曲线图；
图5是根据本发明的一种实施方式的强电磁防护型导航天线的远区轴比结果图；
图6是根据本发明的一种实施方式的强电磁防护型导航天线中二级管导通后的天线馈电处S11曲线图；
图7是根据本发明的一种实施方式的强电磁防护型导航天线的功能性仿真。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，本发明提供的一种强电磁防护型导航天线，包括：介质基板1、金属辐射结构2、金属接地板3、馈电结构4和二极管5。在本实施方式中，介质基板1为整个强电磁防护型导航天线的支撑结构，其中，金属辐射结构2和金属接地板3设置在介质基板1的相对两侧。在本实施方式中，介质基板1可采用FR4介质基板。
在本实施方式中，金属辐射结构2包括：第一金属贴片21和第二金属贴片22；其中，第二金属贴片22环绕在第一金属贴片21的周围设置，具体的，沿第一金属贴片21的周向，第二金属贴片22间隔的设置有多个，例如，参见图2在第一金属贴片21相互垂直的四个方向(左右方向和上下方向)分别与第一金属贴片21侧边相对的设置一个第二金属贴片22，且第二金属贴片22与第一金属贴片21采用二极管5相连接。在本实施方式中，第二金属贴片22采用等间隔角度的方式实现在第一金属贴片21的周向布置。在本实施方式中，第一金属贴片21和第二金属贴片22之间是具有间隔的，从而实现二极管5的安装。
在本实施方式中，第二金属贴片22的外形尺寸小于第一金属贴片21的外形尺寸；
在本实施方式中，第二金属贴片22与金属接地板3采用短路结构导通；
在本实施方式中，馈电结构4分别与第一金属贴片21和金属接地板3相连接，其中，馈电结构4用于将接收的低场强信号送往后端。在本实施方式中，馈电结构4包括内部导体与外导体，内部导体与第一金属贴片21相连，外导体与金属接地板3相连。
通过上述设置，本发明中仅需要在金属辐射结2中设置二极管5，有效的减少了二极管5的使用数量。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一金属贴片21采用方形金属贴片。在本实施方式中，第二金属贴片22与第一金属贴片21的侧边相对的分别设置，即第二金属贴片22设置有四个，每个第二金属贴片22与第一金属贴片21的每个侧边相对的设置。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一金属贴片21的至少一对对角切除设置。在本实施方式中，通过对第一金属贴片21进行切角处理，以进行微元控制，使得两种极化(水平和垂直)的特征模满足90°相位差，从而使轴比达到圆极化的要求。在本实施方式中，第一金属贴片21只有一对对角被切除。当然，还可以将两对对角均切除，可根据具体需要进行调整。在另一种实施方式中，还可通过设置加脊、加隙等方式实现微元控制。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第二金属贴片22采用多个二极管5与第一金属贴片21相连接；其中，在第二金属贴片22上设置有多个用于连接二极管5的连接臂221。在本实施方式中，二极管5的正极与连接臂22相连接1，其负极与第一金属贴片21相连接，或者，二极管5的正极与第一金属贴片21相连接，其负极与连接臂221相连接。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第二金属贴片22还包括：第二金属贴片主体222。在本实施方式中，第二金属贴片主体222为矩形结构；同样的，连接臂221也为矩形结构。在本实施方式中，连接臂221与第二金属贴片主体222相垂直的设置，且多个连接臂221在第二金属贴片主体222的同侧设置。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，沿第二金属贴片主体222的长度方向，连接臂221等间隔的设置有三个；其中，两个连接臂221分别在第二金属贴片主体222的相对两端设置，其余连接臂221在第二金属贴片主体222的中间位置设置。在本实施方式中，第二金属贴片22中三个连接臂221与第二金属贴片主体222可设置为一体的，且构成“E”字型结构。在本实施方式中，第二金属贴片22呈轴对称结构。当然，在其他实施方式中，沿第二金属贴片主体222的长度方向，连接臂221还可等间隔的设置为其他数量(如，两个)，而相应的二极管型号与第一金属贴片21、第二金属贴片22等的尺寸也需要随之改变。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，短路结构为设置在介质基板1上金属化过孔，以实现第二金属贴片主体222与金属接地板3的连接。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，馈电结构4与第一金属贴片21偏心连接，用于对第一金属贴片21偏心馈电。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，馈电结构4与第一金属贴片21的连接位置与第一金属贴片21的中心的间距为14mm。
通过上述设置，不仅有效实现了阻抗匹配，而且使得导航天线满足了轴比要求。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一金属贴片21的边长为44mm，其切角尺寸为6mm。在本实施方式中，第二金属贴片22的长度与第二金属贴片主体222的长度相一致，且设置为7mm，第二金属贴片22的宽度为4.4mm；在本实施方式中，相邻连接臂221与第二金属贴片主体222所构成的凹口的深度为1mm，长度为2mm；在本实施方式中，凹口与第一金属贴片21的边缘之间的间距为0.6mm；
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，馈电结构4为同轴馈电结构，其馈电端口特征阻抗为50欧姆。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，介质基板1的厚度为1.6mm。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，二极管5采用PIN二极管。在本实施方式中，二极管5采用型号为BAP5102的PIN二级管，其在截止状态下等效电路为0.17pf的电容与2欧姆电阻串联，在导通状态下，不同导通电流下，等效电阻不同。
结合图1、图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的强电磁防护型导航天线适用的导航信号工作频段为1.561～1.575GHz。在本实施方式中，在导航信号工作频段内，本发明的强电磁防护型导航天线能够实现低场强导航信号的正常通过以实现低场强导航信号与射频电路的耦合；当强电磁能量辐照至本发明的天线口面(即设置金属辐射结构2和二极管5的一侧)时，PIN二极管由截止变为导通，强电磁能量被阻隔，以阻止高场强导航信号耦合至射频电路。具体的，当低场强导航信号到达天线口面时，PIN二极管处于截止状态，导航天线输入阻抗与射频前端电路阻抗匹配，天线导航频段通带处于开启状态，导航信号通过天线顺利进入并耦合至后端射频电路，导航接收机正常实现导航功能；当强电磁辐射到达导航天线的天线口面时，使PIN二极管导通，整个导航天线输入阻抗与射频前端电路阻抗失配，导航天线通带关闭，强电磁能量无法从导航天线耦合进入后端射频电路，从而有效避免了敏感器件被强电磁能量损毁。
根据本发明，本发明的强电磁防护型导航天线可根据需要进行周期性的排列构成天线阵列，以实现导航信号的接收需要。
为进一步说明本方案的技术效果，基于前述的实施方式，建立相应的强电磁防护型导航天线仿真模型进行仿真验证。
在本实施方式中，第一金属贴片21周围设置有四个第二金属贴片22，则相应的二极管5数量则具有12个，如前所述其在截止状态下等效电路为0.17pf的电容与2欧姆电阻串联，而在导通状态下，不同导通电流下，等效电阻不同。为此，在本实施方式中，在导通状态下以等效电路为2欧姆电阻为例进行说明。
如图4所示，由馈电结构4的馈电端口的S11曲线可以看出，所设计强电磁防护型导航天线谐振频率在1.568GHz，在1.548GHz至1.622GHz频段范围内S11均小于-10dB，满足卫星导航天线要求。
如图5所示，本发明在-120°到120°范围内，所设计的导航天线轴比在3dB范围内，满足导航天线指标要求。
如图6所示，通过仿真结果表明，当二级管导通后，所设计卫星导航天线输入阻抗与后端射频前端电路失配，此时强电磁能量无法通过卫星导航天线进入射频前端电路。
如图7所示，本发明使用二极管替换传统的集总元件，在不同空间场强辐照下，天线端口接收波形。同时，本发明在强电磁能量辐照下，具有优良的防护效能。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种强电磁防护型导航天线，其特征在于，包括：介质基板(1)、金属辐射结构(2)、金属接地板(3)、馈电结构(4)和二极管(5)；
所述金属辐射结构(2)和金属接地板(3)设置在所述介质基板(1)的相对两侧；
所述金属辐射结构(2)包括：第一金属贴片(21)和第二金属贴片(22)；
在所述第一金属贴片(21)的四周，在相互垂直的四个方向分别设置一个所述第二金属贴片(22)，且所述第二金属贴片(22)与所述第一金属贴片(21)采用所述二极管(5)相连接；
所述第二金属贴片(22)与所述金属接地板(3)采用短路结构导通；
所述馈电结构(4)分别与所述第一金属贴片(21)和所述金属接地板(3)相连接。
2.根据权利要求1的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述第一金属贴片(21)采用方形金属贴片；
所述第二金属贴片(22)与所述第一金属贴片(21)的侧边相对的分别设置。
3.根据权利要求2的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述第一金属贴片(21)的至少一对对角切除设置。
4.根据权利要求3的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述第二金属贴片(22)采用多个所述二极管(5)与所述第一金属贴片(21)相连接；其中，在所述第二金属贴片(22)上设置有多个用于连接所述二极管(5)的连接臂(221)；
所述二极管(5)的正极与所述连接臂(221)相连接，其负极与所述第一金属贴片(21)相连接，或者，所述二极管(5)的正极与所述第一金属贴片(21)相连接，其负极与所述连接臂(221)相连接。
5.根据权利要求4的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述第二金属贴片(22)还包括：第二金属贴片主体(222)；
所述第二金属贴片主体(222)为矩形结构；
所述连接臂(221)为矩形结构；
所述连接臂(221)与所述第二金属贴片主体(222)相垂直的设置，且多个所述连接臂(221)在所述第二金属贴片主体(222)的同侧设置。
6.根据权利要求5的强电磁防护型导航天线，其特征在于，沿所述第二金属贴片主体(222)的长度方向，所述连接臂(221)等间隔的设置有三个；其中，两个所述连接臂(221)分别在所述第二金属贴片主体(222)的两端设置，其余所述连接臂(221)在所述第二金属贴片主体(222)的中间位置设置。
7.根据权利要求6的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述短路结构为设置在所述介质基板(1)上金属化过孔。
8.根据权利要求7的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述馈电结构(4)为同轴馈电结构，且所述馈电结构(4)与所述第一金属贴片(21)偏心连接，用于对所述第一金属贴片(21)偏心馈电。
9.根据权利要求8的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述馈电结构(4)与所述第一金属贴片(21)的连接位置的馈电点圆心与所述第一金属贴片(21)的中心的间距为14mm。
10.根据权利要求9的强电磁防护型导航天线，其特征在于，所述第一金属贴片(21)的边长为44mm，其切角尺寸为6mm；
所述第二金属贴片(22)的长度与所述第二金属贴片主体(222)的长度相一致，且设置为7mm，所述第二金属贴片(22)的宽度为4.4mm；
相邻所述连接臂(221)与所述第二金属贴片主体(222)所构成的凹口的深度为1mm，长度为2mm；
所述凹口与所述第一金属贴片(21)的边缘之间的间距为0.6mm；
所述馈电结构(4)的馈电端口特征阻抗为50欧姆；
所述介质基板(1)的厚度为1.6mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310771347.5A CN116613517A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种强电磁防护型导航天线 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310771347.5A CN116613517A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种强电磁防护型导航天线 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| CN202310771347.5A Pending CN116613517A (zh) | 2023-06-28 | 2023-06-28 | 一种强电磁防护型导航天线 |
Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118017215A (zh) * | 2024-04-09 | 2024-05-10 | 西南科技大学 | 一种用于北斗导航的圆极化能量选择天线及枝节防护结构 |
-
2023
- 2023-06-28 CN CN202310771347.5A patent/CN116613517A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118017215A (zh) * | 2024-04-09 | 2024-05-10 | 西南科技大学 | 一种用于北斗导航的圆极化能量选择天线及枝节防护结构 |
| CN118017215B (zh) * | 2024-04-09 | 2024-06-14 | 西南科技大学 | 一种用于北斗导航的圆极化能量选择天线及枝节防护结构 |
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