CN117543189A - 一种抗强电磁脉冲超宽带导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗强电磁脉冲超宽带导航天线。天线盖板窗设置在背板反射腔上，并通过安装螺钉锁紧；圆柱形吸波材料容置于天线盖板窗和背板反射腔形成的空间内，背板反射腔的内腔用于穿过沿竖直方向延伸的平面微带巴伦；平面微带巴伦的一端和天线辐射单元连接，天线辐射单元位于天线盖板窗和圆柱形吸波材料之间；平面微带巴伦的另一端和射频连接器连接，射频连接器位于圆柱形吸波材料的远离天线盖板窗的一侧，射频连接器穿过背板反射腔底部的孔槽，通过安装螺钉固定在背板反射腔底部，射频连接器从背板反射腔底部侧面伸出射频连接器自身的外接口。提高天线抑制工作频带外强电磁脉冲毁伤的能力，对于提高无线通信设备和系统的可靠性具有一定效果。
Description
技术领域
本申请涉及天线设计及强电磁脉冲防护的技术领域，特别是一种抗强电磁脉冲超宽带导航天线。
背景技术
近年来超短波通信、5G通信、自动驾驶毫米波雷达等无线通信和民用雷达应用场景越来越多，雷电等强电磁脉冲构成的高功率或高能量电磁环境，对电子、电气设备及系统的安全运行构成了严重威胁。这些设备的损毁往往并非直接遭受雷击造成，多半因雷电电磁脉冲将雷电释放的能量耦合进电子、电气系统，在设备端口上形成的过电压、过电流超出设备的承受能力所致。而集成度越来越高的微电子器件在电子、电气设备中的广泛应用使设备承受过电压、过电流能力不断降低。因此无线设备的电磁脉冲防护是十分有必要的。
对于民用电子设备和设施而言，0.2GHz～5GHz频段的高功率电磁环境是最具威胁性的，原因如下：(1)大量的发射和接收天线工作在这一频段，为电磁场提供了耦合途径；(2)典型的孔、缝、开口等谐振频率处于这一频段，可将环境电磁场耦合进电子、电气设备和系统；(3)金属外壳连接处的螺钉间距典型尺寸一般是这一频段的四分之一波长，故耦合效应较强；(4)一般电路箱体的物理尺寸决定了其谐振频率大致在1～2GHz频段；(5)系统内部的电线和电缆长度大致为这一频段对应波长的四分之一，为环境电磁场的耦合提供了内部途径。
发明内容
本申请提供一种具备强电磁脉冲防护的导航天线，提高了天线抑制工作频带外强电磁脉冲毁伤的能力，可用于在强电磁脉冲环境下的无线设备，对于提高无线通信设备和系统的可靠性具有一定效果。
第一方面，提供了一种抗强电磁脉冲超宽带导航天线，包括天线盖板窗、天线辐射单元、平面微带巴伦、圆柱形吸波材料、背板反射腔、射频连接器、安装螺钉；
天线盖板窗设置在背板反射腔上，并通过安装螺钉锁紧；圆柱形吸波材料容置于天线盖板窗和背板反射腔形成的空间内，背板反射腔的内腔用于穿过沿竖直方向延伸的平面微带巴伦；平面微带巴伦的一端和天线辐射单元连接，天线辐射单元位于天线盖板窗和圆柱形吸波材料之间；平面微带巴伦的另一端和射频连接器连接，射频连接器位于圆柱形吸波材料的远离天线盖板窗的一侧，射频连接器穿过背板反射腔底部的孔槽，通过安装螺钉固定在背板反射腔底部，射频连接器从背板反射腔底部侧面伸出射频连接器自身的外接口。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述天线盖板窗的材料为聚酰亚胺，天线盖板窗的中部具有向上突出的圆柱形突起，在所述圆柱形突起的中心具有圆柱形空腔，用于容纳所述平面微带巴伦的穿过天线辐射单元的上端部，天线辐射单元的中部具有用于穿过平面微带巴伦的上端部的孔槽。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述天线辐射单元的材料为FR4，采用阿基米德螺旋天线形式。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述平面微带巴伦的材料为FR4，采用微带形式，所述平面微带巴伦的正面图案背离射频连接器的外接口设置，平面微带巴伦的反面图案面向射频连接器的外接口设置。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述平面微带巴伦满足ZL为负载端阻抗，Z0为源端阻抗，L为规定长度，曲率α。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述射频连接器通过第一安装脚和平面微带巴伦的正面图案对接，射频连接器通过第二安装脚和第三安装脚，与平面微带巴伦的反面图案对接，其中第一安装脚相对于正面图案的中心设置，第二安装脚和第三安装脚分别相对于反面图案的左右两侧设置。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述圆柱形吸波材料的材料为PEI30。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述背板反射腔的材料为铝。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述安装螺钉的规格为M2.5螺钉。
第二方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的导航天线。
与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：
本发明提出一种具备强电磁脉冲防护的导航天线，通过增加平面微带巴伦，阻止低频电磁波进入导航天线，提高了天线抑制低频强电磁脉冲毁伤的能力，对于提高整体无线通信设备和系统的可靠性具有一定效果。
附图说明
图1为导航天线装配图。
图2为天线盖板窗示意图。
图3为天线辐射单元示意图。
图4为平面微带渐变线巴伦示意图。
图5为圆柱形吸波材料示意图。
图6为背板反射腔示意图。
图7为射频连接器示意图。
图8为组合体1示意图。
图9为组合体2示意图。
图10为组合体3示意图。
图11为组合体4示意图。
图12为导航天线示意图。
图13为微带渐变线巴伦S21抑制低频电磁脉冲强度图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。
强电磁脉冲可通过多种途径耦合进入无线通信设备与系统，其耦合途径主要有：前门耦合，指入射波通过系统的天线接收形成的耦合；后门耦合，指入射波通过系统金属壳体上的孔、缝、电缆接头等形成的耦合。基于前门耦合防护方法，本申请提供一种具备强电磁脉冲防护的导航天线，提高了天线抑制工作频带外强电磁脉冲毁伤的能力，可用于在强电磁脉冲环境下的无线设备，对于提高无线通信设备和系统的可靠性具有一定效果。
图1示出了本申请实施例提供的一种具备强电磁脉冲防护的导航天线的示意性结构图。图7至图12示出了本申请实施例提供的一种导航天线的部分或完整组装的示意性结构图。导航天线可以包括天线盖板窗1、天线辐射单元2、平面微带巴伦3、圆柱形吸波材料4、背板反射腔5、射频连接器6、安装螺钉7。
天线盖板窗1设置在背板反射腔5上，并通过安装螺钉7锁紧。圆柱形吸波材料4容置于天线盖板窗1和背板反射腔5形成的空间内。背板反射腔5的内腔用于穿过沿竖直方向延伸的平面微带巴伦3。平面微带巴伦3的一端和天线辐射单元2连接，天线辐射单元2位于天线盖板窗1和圆柱形吸波材料4之间；平面微带巴伦3的另一端和射频连接器6连接，射频连接器6位于圆柱形吸波材料4的远离天线盖板窗1的一侧，射频连接器6穿过背板反射腔5底部的孔槽，通过安装螺钉7固定在背板反射腔5底部，射频连接器6从背板反射腔5底部侧面伸出射频连接器6自身的外接口。
图2示出了本申请实施例提供的一种天线盖板窗1的示意性结构图。在一些实施例中，天线盖板窗1的材料为聚酰亚胺，天线盖板窗1的中部具有向上突出的圆柱形突起，在该圆柱形突起的中心具有圆柱形空腔，用于容纳平面微带巴伦3的上端部。天线盖板窗1可以用于做天线本体防护和方向图增益提升。
图3示出了本申请实施例提供的一种天线辐射单元2的示意性结构图。在一些实施例中，天线辐射单元2的材料为FR4，采用阿基米德螺旋天线形式，天线辐射单元2的中部具有用于穿过平面微带巴伦3上端部的孔槽。天线辐射单元2可以用于无线信号的发射和接收。
图4示出了本申请实施例提供的一种平面微带巴伦3的示意性结构图。其中图4中的上图示出了平面微带巴伦3的正面图案，图4中的下图示出了平面微带巴伦3的反面图案。结合图6和图7所示的实施例，平面微带巴伦3的正面图案可以背离射频连接器6的外接口设置，平面微带巴伦3的反面图案可以面向射频连接器6的外接口设置。
在一些实施例中，平面微带巴伦3的材料为FR4，采用微带形式，用于天线辐射单元2和端口之间的阻抗匹配、具备低频高功率微波防护功能。平面微带巴伦3的长度L、宽度W及曲率α的关系决定了天线单元可进入的电磁场频率，具体设计可阻止低频电磁波进入导航天线，从而达到强电磁脉冲防护的目的。根据公式已知ZL为负载端阻抗，Z0为源端阻抗，L为规定长度，可求得曲率α。
图5示出了本申请实施例提供的一种圆柱形吸波材料4的示意性结构图。在一些实施例中，圆柱形吸波材料4的材料为PEI30，用于吸收天线辐射单元的反向辐射能量，改善导航天线轴比。
图6示出了本申请实施例提供的一种背板反射腔5的示意性结构图。在一些实施例中，背板反射腔5的材料为铝，用于保护天线本体、将天线辐射单元向后辐射能量反射到天线前部。
在一些实施例中，射频连接器6用于导航天线和后端电气设备的射频信号传输。结合图7和图8，射频连接器6通过安装脚1和平面微带巴伦3的正面图案对接，射频连接器6通过安装脚2和安装脚3，与平面微带巴伦3的反面图案对接，其中安装脚1相对于正面图案的中心设置，安装脚2和安装脚3分别相对于反面图案的左右两侧设置。与一些实施例中，安装螺钉7的数量可以8个，规格为M2.5螺钉，用于天线盖板窗1、背板反射腔5、射频连接器6的安装和固定。
本申请实施例提供一种天线装配流程：
(1)按照图8将射频连接器6和平面微带巴伦3组装并在A、B两处焊点进行焊接，形成组合体1；
(2)按照图9将圆柱形吸波材料4和背板反射腔5组装，形成组合体2；
(3)按照图10将组合体1从组合体2底部插入，并在底部使用4个M2.5螺钉7将组合体1和组合体2紧固，形成组合体3；
(4)按照图11在组合体3顶部放置天线辐射单元2，在C、D两处焊点进行焊接，形成组合体4；
(5)按照图12在组合体4顶部放置天线盖板窗1，对齐安装孔，并使用4个M2.5螺钉7将组合体4和天线盖板窗1紧固，形成导航天线。
指数渐变线是非均匀传输线的一种，其分布参数变化规律为指数规律，如单位长度的电感、电容、特性阻抗等。采用微带渐变线巴伦且增加电容器件，可显著降低频带外的强电磁脉冲信号，而且增加电容器件可以隔除直流信号。参考图13，通过仿真分析，微带渐变线巴伦可有效抑制低频电磁脉冲强度15dB(0.2GHz～1.2GHz)，显著提高低频抗强电磁脉冲能力。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种抗强电磁脉冲超宽带导航天线，其特征在于，包括天线盖板窗(1)、天线辐射单元(2)、平面微带巴伦(3)、圆柱形吸波材料(4)、背板反射腔(5)、射频连接器(6)、安装螺钉(7)；
天线盖板窗(1)设置在背板反射腔(5)上，并通过安装螺钉(7)锁紧；圆柱形吸波材料(4)容置于天线盖板窗(1)和背板反射腔(5)形成的空间内，背板反射腔(5)的内腔用于穿过沿竖直方向延伸的平面微带巴伦(3)；平面微带巴伦(3)的一端和天线辐射单元(2)连接，天线辐射单元(2)位于天线盖板窗(1)和圆柱形吸波材料(4)之间；平面微带巴伦(3)的另一端和射频连接器(6)连接，射频连接器(6)位于圆柱形吸波材料(4)的远离天线盖板窗(1)的一侧，射频连接器(6)穿过背板反射腔(5)底部的孔槽，通过安装螺钉(7)固定在背板反射腔(5)底部，射频连接器(6)从背板反射腔(5)底部侧面伸出射频连接器(6)自身的外接口。
2.根据权利要求1所述的导航天线，其特征在于，所述天线盖板窗(1)的材料为聚酰亚胺，天线盖板窗(1)的中部具有向上突出的圆柱形突起，在所述圆柱形突起的中心具有圆柱形空腔，用于容纳所述平面微带巴伦(3)的穿过天线辐射单元(2)的上端部，天线辐射单元(2)的中部具有用于穿过平面微带巴伦(3)的上端部的孔槽。
3.根据权利要求2所述的导航天线，其特征在于，所述天线辐射单元(2)的材料为FR4，采用阿基米德螺旋天线形式。
4.根据权利要求1所述的导航天线，其特征在于，所述平面微带巴伦(3)的材料为FR4，采用微带形式，所述平面微带巴伦(3)的正面图案背离射频连接器(6)的外接口设置，平面微带巴伦(3)的反面图案面向射频连接器(6)的外接口设置。
5.根据权利要求4所述的导航天线，其特征在于，所述平面微带巴伦(3)满足ZL为负载端阻抗，Z0为源端阻抗，L为规定长度，曲率α。
6.根据权利要求4或5所述的导航天线，其特征在于，所述射频连接器(6)通过第一安装脚和平面微带巴伦(3)的正面图案对接，射频连接器(6)通过第二安装脚和第三安装脚，与平面微带巴伦(3)的反面图案对接，其中第一安装脚相对于正面图案的中心设置，第二安装脚和第三安装脚分别相对于反面图案的左右两侧设置。
7.根据权利要求1所述的导航天线，其特征在于，所述圆柱形吸波材料(4)的材料为PEI30。
8.根据权利要求1所述的导航天线，其特征在于，所述背板反射腔(5)的材料为铝。
9.根据权利要求1所述的导航天线，其特征在于，所述安装螺钉(7)的规格为M2.5螺钉。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至9中任一项所述的导航天线。
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