CN117977200A - 一种双频段机载mimo天线及其航空飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线融合技术领域，具体涉及一种双频段机载MIMO天线及其航空飞行器。所述双频段机载MIMO天线，包括介质基板和底层金属地板；该介质基板的正面设置A1、A2、A3、A4、A5共五个单极子天线，且天线A1是S波段单极子天线，A2、A3、A4、A5是四个5G单极子天线；该介质基板的背面设置金属双圆开口环，采用超材料结构，用于增加单极子天线间的隔离；所述金属双圆开口环的位置在纵向上位于相邻两个单极子天线之间；所述底层金属地板与所述介质基板垂直安装。本发明实现S波段天线、5G天线全向覆盖，数据传输性能方面大大实时信息传输速率和响应速度，硬件尺寸方面实现了小型化设计目标。
Description
技术领域
本发明属于天线融合技术领域，具体涉及一种双频段机载MIMO天线、具有该双频段机载MIMO天线的航空飞行器。
背景技术
随着航空航天产业的快速发展，飞行器的技术升级加速了整个制造产业的革新。航空器的制造技术也反映了一个国家的工业水平，本方案主要应用于航空飞行器的智能制造。航空飞行器的制造涵盖多个环节，其中试验试飞技术首当其冲，试飞涵盖大量的试验数据。对于试验数据都是通过硬件载体从机载端拷贝，处理过程繁琐低效。随着5G技术的快速发展，工业5G牌照的发放，5G技术即将服务于航空制造产业。本技术将5G天线和机载天线融合，实现5G技术和试飞技术柔性融合，全面助力工业5G技术服务于航空飞行器的智能制造。本发明涉及多项技术的创新和融合，其中包含5G天线技术、机载天线技术、MIMO天线技术、共口径天线技术、去耦技术、电磁超材料技术。
原有机载S波段通信天线未有公开发表专利或其它文献。在设计机载天线过程中，机载天线的地为飞机本身，要充分考虑飞机的机体对天线辐射性能的影响。此外，现代飞机的飞行速度越来越高，对飞机外部天线的气动性要求也越来越高。对于一些小型飞机，要求天线具有低剖面特性。如单极子天线，尺寸约为其工作频点的四分之一波长。为了进一步降低天线的剖面，还可以对天线的辐射结构进行弯折，以延长其表面电流。机载天线还包括一些其它低剖面天线，如倒L天线、倒F天线，螺旋天线，片天线等。
传统的机载天线使用一种单天线或两种单天线来实现。例如：Han Y.A.(HanY.A.,etc.Design of Combined Printed Helical Spiral Antenna and HelicalInverted-F Antenna for Unmanned Aerial Vehicle Application[J].IEEE ACCESS,2020,8:54115-54124)设计出应用于全球定位系统(GPS)L1频段(1.57GHz)和遥测通信频段(2.33GHz)频段的机载印刷螺旋螺旋天线(PHSA)和螺旋印刷倒F天线(IFA)。所提出的天线在GPS L1频段和遥测通信频段的带宽分别约为20MHz(1.565-1.585GHz)和14MHz(2.322-2.336GHz)，增益分别为0.05dB和1.97dB。通过将两种天线辐射元件缠绕在同一陶瓷棒上来使天线小型化，形成共口径的融合天线。但是，该方案中天线虽然能工作在双频带，但其带宽较窄，增益也较低。此外，该天线需要印制在圆柱型陶瓷棒，加工难度比平面型大。
发明内容
基于现有技术，本申请提出一种双频段机载MIMO天线，把机载S波段通信天线和5GMIMO天线柔性融合，实现S波段天线、5G天线全向覆盖，数据传输性能方面大大实时信息传输速率和响应速度，硬件尺寸方面实现了小型化设计目标。
本发明提供了一种双频段机载MIMO天线，包括介质基板和底层金属地板；
该介质基板的正面设置A1、A2、A3、A4、A5共五个单极子天线，且天线A1是S波段单极子天线，A2、A3、A4、A5是四个5G单极子天线，5G单极子天线呈线性阵列排布且S波段单极子天线位于正中间；
该介质基板的背面设置金属双圆开口环，采用超材料结构，用于增加单极子天线间的隔离；所述金属双圆开口环的位置在纵向上位于相邻两个单极子天线之间；
所述底层金属地板与所述介质基板垂直安装，用作5个单极子天线的共地。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述S波段单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；一个S波段单极子天线对应一个馈电端口。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述5G单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；四个5G单极子天线对应四个馈电端口。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述底层金属地板上开孔，用于通过同轴电缆对各个单极子天线进行馈电。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述介质基板的材料为TRF-45，其相对介电常数为4.5。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述双频段机载MIMO天线还包括用于保护各个单极子天线的天线罩。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述S波段单极子天线与所述5G单极子天线间的隔离度高于20dB。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述5G单极子天线间的隔离度高于10dB。
本发明还提供了一种航空飞行器，包括上述双频段机载MIMO天线。
进一步地，为了更好地说明本发明，所述航空飞行器通信覆盖S波段、5G波段。
本发明的有益效果如下。
(1)本发明提供的双频段机载MIMO天线，将S波段单极子天线和5G单极子天线柔性融合，实现航空飞行器在试飞过程中的试验数据通过5G实时传输及处理，实现了实时快速的空地一体化。
(2)本发明提供的双频段机载MIMO天线，其S波段单极子天线和5G单极子天线分别工作在S频段和5G频段，形成双频段特性。
(3)本发明提供的双频段机载MIMO天线，在各单极子天线之间设置采用超材料结构的金属双圆开口环，用于增加单极子天线之间的隔离度。
(4)本发明提供的双频段机载MIMO天线，将S波段单极子天线和5G单极子天线柔性融合，形成共口径天线，有利于减小天线系统的总体尺寸。
附图说明
图1为本发明中双频段机载MIMO天线的三维结构示意图。
图2为本发明中双频段机载MIMO天线的介质基板正反面结构展开示意图。
图3为本发明中双频段机载MIMO天线的底面结构示意图。
图4为本发明中双频段机载MIMO天线加载天线罩的结构示意图。
图5为本发明中双频段机载MIMO天线加载天线罩的俯视图。
图6为5G单极子天线各端口反射系数Snn示意图；其中n＝2-4。
图7为S波段单极子天线与5G单极子天线各端口间的隔离Sn1示意图；其中n＝2-5。
图8为5G单极子天线各端口间的隔离Smn示意图；其中m,n＝2-5。
图9为S波段单极子天线的端口反射系数示意图。
图10为S波段单极子天线在2.3GHz频率的方位面方向图。
其中，100、介质基板；200、底层金属地板。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种双频段机载MIMO天线。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述双频段机载MIMO天线包括介质基板100和底层金属地板200。
该介质基板100的正面设置A1、A2、A3、A4、A5共五个单极子天线，且天线A1是S波段单极子天线，A2、A3、A4、A5是四个5G单极子天线；5G单极子天线呈线性阵列排布且S波段单极子天线位于正中间；即，S波段单极子天线位于中间、一边两个5G单极子天线；
该介质基板100的背面设置金属双圆开口环，采用超材料结构，用于增加单极子天线间的隔离；所述金属双圆开口环的位置在纵向上位于相邻两个单极子天线之间；
所述底层金属地板200与所述介质基板100垂直安装，用作5个单极子天线的共地。
本实施例所述双频段机载MIMO天线，在一块介质基板100的正面布置多频段的多个单极子天线、背面布置用于增加单极子天线间隔离的金属双圆开口环。五个单极子天线同一平面，因此能够支持使用同轴馈线进行馈电。同轴馈线的长度减短，能够减小其带给天线的额外损耗，进而提高天线的匹配性能和辐射性能等。
在另一具体实施方式中，所述S波段单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；一个S波段单极子天线对应一个馈电端口。
在另一具体实施方式中，所述5G单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；四个5G单极子天线对应四个馈电端口。
在另一具体实施方式中，所述底层金属地板200上开孔，用于通过同轴电缆对各个单极子天线进行馈电。
在另一具体实施方式中，所述双频段机载MIMO天线还包括用于保护各个单极子天线的天线罩。
本实施例所述的S波段单极子天线，可以直接使用机载ADAS天线。
本实施例提供的双频段机载MIMO天线，涉及多项技术的创新和融合，其中包含5G天线技术、机载天线技术、MIMO天线技术、共口径天线技术、去耦技术、电磁超材料技术。所述双频段机载MIMO天线，将原有的机载ADAS天线和5G MIMO天线进行柔性融合，在保证原有机载S波段的电性能和飞行器的气动性能不受影响的同时，将2乘以2的5G天线设计进去，成功的将工业5G专网应用于航空飞行器的制造。本实施例提供的双频段机载MIMO天线，实现了航空飞行器在试飞过程中的试验数据通过5G实时传输及处理，实现了实时快速的空地一体化。
实施例2：
在实施例1的基础上提供一种双频段机载MIMO天线。该双频段机载MIMO天线，作为一种融合天线，其介质基板100上布置有一个S波段单极子天线、四个5G单极子天线、六个金属双圆开口环；其中，一个S波段单极子天线、四个5G单极子天线在所述介质基板100的同一面，记为正面，六个金属双圆开口环在所述介质基板100的背面。
一个S波段单极子天线、四个5G单极子天线这五个单极子天线呈线性阵列分布。如图2所示，介质基板100正面，从左往右一次是天线A3、天线A2、天线A1、天线A4、天线A5；天线A1是S波段单极子天线；天线A3、天线A2、天线A4、天线A5是四个5G单极子天线且以天线A1对称分布。如图2所示，介质基板100背面，共有R1、R2、R3、R4、R5、R6共六个金属双圆开口环。
以面朝介质基板100的正面或背面进行纵向透视时，金属双圆开口环分布在相邻两个单极子天线之间。具体地，金属双圆开口环R1位于天线A3、天线A2之间，上下排布的金属双圆开口环R2、金属双圆开口环R3位于天线A2、天线A1之间，上下排布的金属双圆开口环R5、金属双圆开口环R6位于天线A1、天线A4之间，金属双圆开口环R6位于天线A4、天线A5之间。
所述金属双圆开口环，采用超材料结构，以增加各个单极子天线间的隔离。
需要说明的是，在尺寸有限的情况下，可以使用金属双圆开口环这类超材料结构来增加各天线间的隔离度；但是，金属双圆开口环这类超材料结构虽然能增加天线间的隔离度，但也会影响天线的阻抗匹配和辐射性能，将根据需要对各项性能进行平衡。如图2所示，
本实施例中，所述S波段单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；一个S波段单极子天线对应一个馈电端口。
本实施例中，所述5G单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；四个5G单极子天线对应四个馈电端口。
5G单极子天线，也叫MIMO天线，一般频段4.6-4.9GHz。本实施例中，S波段单极子天线和5G单极子天线分别工作在S频段和4.9GHz 5G频段，形成双频段特性。
本实施例中，所述底层金属地板200，用作所有单极子天线的共同地面。所述底层金属地板200的厚度2mm。
本实施例中，所述介质基板100垂直安装在所述底层金属地板200的中间。所述介质基板100的材料为TRF-45，其相对介电常数为4.5；厚度1mm。
如图3、图4、图5所示，通常在增设天线罩以保护天线。
本实施例提供的双频段机载MIMO天线，隔离度、辐射性能等参数详见图6、图7、图8、图9、图10所示。
图7所示，所述S波段单极子天线与所述5G单极子天线间的隔离度高于20dB。
图6、图8所示，所述5G单极子天线间的隔离度高于10dB。
实施例3：
于实施例1、实施例2提供的双频段机载MIMO天线，基于天线融合技术、共口径技术、超材料技术、去耦合技术和单极子天线技术，非常适合应用在航空器中。
本实施例一种航空飞行器，包括上述双频段机载MIMO天线。所述航空飞行器通信覆盖S波段、5G波段。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，包括介质基板(100)和底层金属地板(200)；该介质基板(100)的正面设置A1、A2、A3、A4、A5共五个单极子天线，且天线A1是S波段单极子天线，A2、A3、A4、A5是四个5G单极子天线，5G单极子天线呈线性阵列排布且S波段单极子天线位于正中间；
该介质基板(100)的背面设置金属双圆开口环，采用超材料结构，用于增加单极子天线间的隔离；所述金属双圆开口环的位置在纵向上位于相邻两个单极子天线之间；
所述底层金属地板(200)与所述介质基板(100)垂直安装，用作5个单极子天线的共地。
2.根据权利要求1所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述S波段单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；一个S波段单极子天线对应一个馈电端口。
3.根据权利要求1所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述5G单极子天线为矩形金属辐射片，由50欧姆的微带线馈电；四个5G单极子天线对应四个馈电端口。
4.根据权利要求1所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述底层金属地板(200)上开孔，用于通过同轴电缆对各个单极子天线进行馈电。
5.根据权利要求1所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述介质基板(100)的材料为TRF-45，其相对介电常数为4.5。
6.根据权利要求1所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，还包括用于保护各个单极子天线的天线罩。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述S波段单极子天线与所述5G单极子天线间的隔离度高于20dB。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种双频段机载MIMO天线，其特征在于，所述5G单极子天线间的隔离度高于10dB。
9.一种航空飞行器，包括如权利要求1-8任一项所述的双频段机载MIMO天线。
10.根据权利要求9所述的航空飞行器，其特征在于，通信覆盖S波段、5G波段。
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