CN117977153A - 一种机载齐平安装的超短波全向天线 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种机载齐平安装的超短波全向天线，超短波全向天线包括圆台状金属背腔结构，圆台状金属背腔结构的上部外接金属载体结构，圆台状金属背腔结构的底座中心设置有螺旋渐变类锥形天线，螺旋渐变类锥形天线的顶部设置圆形磁流环天线结构，圆形磁流环天线结构中设有顶部馈电结构，超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构。通过引入含有顶部馈电结构的螺旋渐变类锥形天线与圆形磁流环天线结构的组合天线，能够保证安装于超短波天线内的超短波天线在实现低剖面化设计和宽带设计的同时有效抑制高频段波束上翘问题、大幅提升方位面增益。
Description
技术领域
本申请涉及机载天线技术领域，具体而言，其涉及一种机载齐平安装的超短波全向天线。
背景技术
随着无线通信技术不断发展，机载平台对天线提出了宽频带、小型化、低剖面以及与平台共形的需求。
在现有技术中，超短波全向天线辐射体多采用置于金属载体上方、突出机载平台的安装形式。因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。然而超短波天线工作在低频段、电尺寸大、天线剖面高的环境下，同时机载平台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机载平台齐平共形安装(辐射体内埋安装)，在不影响机载平台内部结构与设备的情况下有效利用机载平台内部空间。
此外由于机载平台内部结构复杂、尺寸有限，需要针对与机载平台齐平共形安装的超短波天线进行小型化和低剖面化设计。匹配较优的天线至于金属腔体中，由于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严重恶化，且辐射性能会受到极大影响。超短波天线与机载平台齐平共形安装所引入的金属背腔和金属表面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。
发明内容
本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种机载齐平安装的超短波全向天线，通过引入含有顶部馈电结构的螺旋渐变类锥形天线与圆形磁流环天线结构的组合天线，能够保证安装于超短波天线内的超短波天线在实现低剖面化设计和宽带设计的同时有效抑制高频段波束上翘问题、大幅提升方位面增益。
本申请目的通过下述技术方案来实现：
第一方面，本申请提出了一种机载齐平安装的超短波全向天线，所述超短波全向天线包括圆台状金属背腔结构，圆台状金属背腔结构的上部外接金属载体结构，所述圆台状金属背腔结构的底座中心设置有螺旋渐变类锥形天线，所述螺旋渐变类锥形天线的顶部设置圆形磁流环天线结构，所述圆形磁流环天线结构中设有顶部馈电结构，超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构。
在一种可能的实施方式中，所述超短波天线的高度小于或等于所述圆台状金属背腔结构的高度。
在一种可能的实施方式中，所述金属载体结构的直径为1.5λmax，λmax为低频波长。
在一种可能的实施方式中，所述圆台状金属背腔结构的顶部直径为0.6λmax，λmax为低频波长。
在一种可能的实施方式中，所述圆台状金属背腔结构的高度为0.08λmax，λmax为低频波长。
在一种可能的实施方式中，圆形磁流环天线结构和顶部馈电结构均处于同一个圆心。
在一种可能的实施方式中，超短波天线的主辐射体中心位置与圆台状金属背腔结构的中心位置重合。
在一种可能的实施方式中，螺旋渐变类锥形天线和圆台状金属背腔结构的底部之间通过金属螺钉固定。
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。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：
第一、通过将超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构，与机载平台齐平共形安装，突破传统机载平台UHF天线突出载体共形安装的方式，为机载平台设计提供更多自由度。
第二、本申请提出的超短波全向天线具有低剖面、超宽带的特性，在面对垂直极化全向辐射的超短波天线内埋共形安装于金属结构框的情况下，传统的单极类天线的辐射电阻在低频段会呈现出低阻高抗特性和匹配带宽大大缩减的问题，而本申请将圆形磁流环天线结构和螺旋渐变类锥形天线进行组合，通过多模辐射方式实现低剖面化和超宽带匹配设计。将螺旋渐变类锥形天线内埋安装后的剖面厚度仅为0.08λmax，工作带宽在f1～2.6f1频带内，驻波比小于3，相对带宽91％。
第三、通过螺旋渐变类锥形天线能够调整阶数与曲率，有效增加电长度，同时顶部加载的设计可以有效缩小天线尺寸，使分布在各处的电流更加均匀，在降低谐振频率的同时改善天线阻抗匹配，实现其在低频段的高效辐射。
第四、圆形磁流环天线结构位于螺旋渐变类锥形天线顶部、可与螺旋渐变类锥形天线顶部加载结构共形设计，有效利用设计空间，还能满足高频段高效辐射需求、避免对低频段电性能的恶化。
第五、本申请利用顶部馈电技术将超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构，在面对由于腔体尺寸有限以及地板的截断效应，导致高频段波束上翘，水平面方向图增益恶化等问题时，可以有效破坏地板上电流分布的均匀性，抑制波束上翘，展宽波束，提高高频段方位面增益，使得高频段增益提升大于3.5dB。
第六、本申请提出的超短波全向天线能够根据不同应用背景及使用环境调整天线的尺寸，导致其具有较好的适用性，可应用于超宽带、精度高、尺寸限制的无人机侦察和干扰等场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1示出了本申请实施例提出的一种机载齐平安装的超短波全向天线的结构示意图。
图2示出了本申请实施例提出的超短波全向天线的侧视图。
图3示出了本申请实施例提出的驻波对比结果示意图。
图4a示出了本申请实施例提出的一种内埋安装单极类天线场强示意图。
图4b示出了本申请实施例提出的一种磁流环类天线场强示意图。
图5a示出了传统单极类天线底部馈电形式与本申请提出的超短波全向天线的俯仰面增益对比图。
图5b示出了传统单极类天线底部馈电形式与本申请提出的超短波全向天线的俯仰面方位对比图。
附图标记：1-圆台状金属背腔结构；2-金属载体结构；3-螺旋渐变类锥形天线；4-圆形磁流环天线结构；5-顶部馈电结构。
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。
在现有技术中，超短波全向天线辐射体多采用置于金属载体上方、突出机载平台的安装形式。因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。然而超短波天线工作在低频段、电尺寸大、天线剖面高的环境下，同时机载平台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机载平台齐平共形安装(辐射体内埋安装)，在不影响机载平台内部结构与设备的情况下有效利用机载平台内部空间。
此外由于机载平台内部结构复杂、尺寸有限，需要针对与机载平台齐平共形安装的超短波天线进行小型化和低剖面化设计。匹配较优的天线至于金属腔体中，由于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严重恶化，且辐射性能会受到极大影响。超短波天线与机载平台齐平共形安装所引入的金属背腔和金属表面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。
因此为了解决现有技术中与机载平台齐平安装的超短波天线存在的宽带匹配差、波束上翘、方位面增益恶化等技术问题，本申请实施例提出了一种机载齐平安装的超短波全向天线，该天线通过引入含有顶部馈电结构的螺旋渐变类锥形天线与圆形磁流环天线结构的组合天线，能够保证共形内埋安装于金属背腔内的超短波天线在实现低剖面化设计和宽带设计的同时有效抑制高频段波束上翘问题、大幅提升方位面增益，接下来对其进行详细地说明。
请参照图1，图1示出了本申请实施例提出的一种机载齐平安装的超短波全向天线的结构示意图，该超短波全向天线能够与机载平台齐平安装，且具有剖面极低、方位面增益较优的特性，该超短波全向天线包括圆台状金属背腔结构1，圆台状金属背腔结构1的上部外接金属载体结构2，圆台状金属背腔结构1的底座中心设置有螺旋渐变类锥形天线3，螺旋渐变类锥形天线3的顶部设置圆形磁流环天线结构4，圆形磁流环天线结构4中设有顶部馈电结构5，超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构1。
圆台状金属背腔结构1的内部设置有超短波天线的辐射体，圆台状金属背腔结构1的顶部直径为0.6λmax，圆台状金属背腔结构1的高度为0.08λmax，λmax为低频波长。超短波天线的高度小于或等于圆台状金属背腔结构1的高度。
而图2示出了本申请实施例提出的超短波全向天线的侧视图，超短波天线和圆台状金属背腔结构1均安装于金属载体结构2的下方，辐射口面无金属载体遮挡。为了模拟超短波天线与机载平台齐平的安装环境，金属载体结构能够选用，来保证辐射体不突出于背腔与金属载体和超短波天线。金属载体结构2的直径为1.5λmax，λmax为低频波长。本申请实施例模拟出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，来保证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，确保仿真验证结果的可靠性。
由于现有技术中的超短波天线辐射体通常采用单一的单极类天线，如果将其内埋安装于有限金属结构框之中，由于腔体空间有限会使得工作带宽大大缩减。因此针对超短波天线内埋安装后低频段辐射电阻呈现的低阻高抗特性，采用单一的单极类天线作为辐射体无法实现。
本申请实施例在圆台状金属背腔结构1的底座中心设置有螺旋渐变类锥形天线3，该锥形天线为单极类天线结构，其与圆形磁流环天线结构4共同组成一个组合天线，该组合天线能够实现多模辐射，可有效拓展工作带宽。
此外本申请将顶部加载的螺旋渐变类锥形天线3作为单极类天线结构，能够满足内埋安装于有限金属结构框下低频段的电流谐振长度。其具有的优点分别在结构对称性方面和辐射性能方面体现出来。
在辐射性能方面：由于锥形天线具备轴对称结构，相比于传统与载体平台共形的扁平状刀形天线具有极佳的方向图不圆度。在辐射性能方面：锥形天线能够实现宽带匹配，与容性加载、短路加载等多种宽带匹配技术联合设计，增加电长度增加，有效缩小天线尺寸使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。
传统的垂直极化全向辐射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，为了适应平台需求并满足低剖面要求，本申请中螺旋渐变类锥形天线3和圆台状金属背腔结构1的底部之间通过金属螺钉固定。
由于有限尺寸金属结构框的引入，导致采用单极类的超短波天线高频段波束上翘，方位面增益恶化严重。将圆形磁流环天线结构4设置于螺旋渐变类锥形天线3的顶部，圆形磁流环天线结构4和顶部馈电结构5均处于同一个圆心。可以改变金属背腔与主辐射体的在高频段的电流分布，电流分布不均匀可以带来波束的展宽，由此提高高频段在方位面的增益。其与顶部加载结构共形设计，还能达到有效利用设计空间、可满足避免对低频段性能恶化的优点。
将超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构1，且不突出于圆台状金属背腔结构1，现有技术中存在着腔体作为有限大地板存在截断效应，存在着高频段波束上翘、水平方向增益恶化严重的问题，本申请的这种设计可以改善辐射体与腔体的表面电流分布，由此调控E面方向图最大辐射方向接近90度方向，抑制波束上翘、提高高频段水平方向增益。
在一种可能的实施例中，超短波天线的主辐射体中心位置与圆台状金属背腔结构1的中心位置重合，超短波天线的辐射体结构具有轴对称结构，可以保证全向辐射的超短波天线具有较优的不圆度。
超短波天线宽带设计以及低剖面设计后的剖面厚度仅为0.08λmax，工作带宽f1～2.6f1频带内，驻波比小于3，相对带宽91％，因此具有低剖面特性。
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，在工作带宽f1～2.6f1频带内其引入单极类与磁流环组合结构的可齐平安装超短波宽带全向天线驻波<3，天线相对带宽为91％，具有宽带特性。
进一步的，图4a示出了本申请实施例提出的一种内埋安装单极类天线场强示意图，图4b示出了本申请实施例提出的一种磁流环类天线场强示意图，通过引入磁流环结构的可齐平安装超短波宽带全向天线，使得高频段场能量主要集中与天线腔体顶部。相较于传统单极类天线高频段场主要集中于腔体底部，引入磁流环结构的可齐平安装超短波宽带全向天线具有更优的全向且高效辐射特性。
图5a示出了传统单极类天线底部馈电形式与本申请提出的超短波全向天线的俯仰面增益对比图，图5b示出了传统单极类天线底部馈电形式与本申请提出的超短波全向天线的俯仰面方位对比图，从图中可以得出,在高频段引入顶部馈电技术之后俯仰面波束展宽、方位面增益明显提升，最小增益提升高于3.5dB，进而实现了对高频段方位面增益的提升。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：
第一、通过将超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构，与机载平台齐平共形安装，突破传统机载平台UHF天线突出载体共形安装的方式，为机载平台设计提供更多自由度。
第二、本申请提出的超短波全向天线具有低剖面、超宽带的特性，在面对垂直极化全向辐射的超短波天线内埋共形安装于金属结构框的情况下，传统的单极类天线的辐射电阻在低频段会呈现出低阻高抗特性和匹配带宽大大缩减的问题，而本申请将圆形磁流环天线结构和螺旋渐变类锥形天线进行组合，通过多模辐射方式实现低剖面化和超宽带匹配设计。将螺旋渐变类锥形天线内埋安装后的剖面厚度仅为0.08λmax，工作带宽在f1～2.6f1频带内，驻波比小于3，相对带宽91％。
第三、通过螺旋渐变类锥形天线能够调整阶数与曲率，有效增加电长度，同时顶部加载的设计可以有效缩小天线尺寸，使分布在各处的电流更加均匀，在降低谐振频率的同时改善天线阻抗匹配，实现其在低频段的高效辐射。
第四、圆形磁流环天线结构位于螺旋渐变类锥形天线顶部、可与螺旋渐变类锥形天线顶部加载结构共形设计，有效利用设计空间，还能满足高频段高效辐射需求、避免对低频段电性能的恶化。
第五、本申请利用顶部馈电技术将超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构，在面对由于腔体尺寸有限以及地板的截断效应，导致高频段波束上翘，水平面方向图增益恶化等问题时，可以有效破坏地板上电流分布的均匀性，抑制波束上翘，展宽波束，提高高频段方位面增益，使得高频段增益提升大于3.5dB。
第六、本申请提出的超短波全向天线能够根据不同应用背景及使用环境调整天线的尺寸，导致其具有较好的适用性，可应用于超宽带、精度高、尺寸限制的无人机侦察和干扰等场景。
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 (8)
1.一种机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，所述超短波全向天线包括圆台状金属背腔结构，圆台状金属背腔结构的上部外接金属载体结构，所述圆台状金属背腔结构的底座中心设置有螺旋渐变类锥形天线，所述螺旋渐变类锥形天线的顶部设置圆形磁流环天线结构，所述圆形磁流环天线结构中设有顶部馈电结构，超短波天线内埋安装于圆台状金属背腔结构。
2.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，所述超短波天线的高度小于或等于所述圆台状金属背腔结构的高度。
3.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，所述金属载体结构的直径为1.5λmax，λmax为低频波长。
4.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，所述圆台状金属背腔结构的顶部直径为0.6λmax，λmax为低频波长。
5.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，所述圆台状金属背腔结构的高度为0.08λmax，λmax为低频波长。
6.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，圆形磁流环天线结构和顶部馈电结构均处于同一个圆心。
7.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，超短波天线的主辐射体中心位置与圆台状金属背腔结构的中心位置重合。
8.如权利要求1所述的机载齐平安装的超短波全向天线，其特征在于，螺旋渐变类锥形天线和圆台状金属背腔结构的底部之间通过金属螺钉固定。
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