CN210866471U - 应用于星载的nano型UV电小全向通信天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，包括中空的外导体，外导体的空腔中设有与外导体平行的内导体，外导体与内导体形成天线的馈电激励与刚度加强多功能共用结构。还包括短路支撑部件，短路支撑部件的一端与外导体连接，且短路支撑部件与外导体形成天线的导电反射金属地板结构。还包括辐射单元，辐射单元位于短路支撑部件的另一端，辐射单元包括第二辐射体、位于第二辐射体一端的第一辐射体、位于第二辐射体另一端的辐射地板，辐射地板与短路支撑部件连接。第一辐射体与第二辐射体具有不同的拓扑结构。全向通信天线具有小型化、轻量化、高可靠、高强度、全向辐射且方向图旋转对称性好的优点。

Description

应用于星载的nano型UV电小全向通信天线

技术领域

本实用新型属于天线通讯设备技术领域，具体涉及应用于星载的nano型UV电小全向通信天线。

背景技术

目前，星载超短波（UV）全向通信天线有3D大螺旋、平面印刷、介质加载、组合阵列及其变形改进等多种实现形式。其中，1.3D大螺旋天线，虽然为经典的准半球波束全向天线形式可以实现CP辐射，而且可以方便实现赋形方向图设计，但是由于其轴向长度过长、重量过重，按照不同辐射性能需求，其轴向长度从0.3~3m，难以满足现代小卫星及星座通信系统小型化轻量化应用需求。2.平面印刷天线，虽然具有良好的低剖面特性，且容易与后端射频电路实现共形集成，但是在UV超短波波段天线尺寸较大、效率较低、天线方向图前后比也不是十分理想，随着介电常数上升物理尺寸可以进一步缩减，但是工作带宽会显著减小，调谐难度急剧上升，容易受到卫星平台周围复杂EM电磁边界加载影响，而导致辐射性能急剧下降，难以满足小卫星平台紧凑布局复杂EM环境的全向方向图辐射特性应用需求。3.组合阵列天线可以满足小卫星平台全向方向图辐射性能需求，但是为了实现CP圆极化辐射，馈电网络复杂，需要对组合阵列天线的四个辐射臂差分激励相位和幅度进行严格控制，以实现对地和对天面正交圆极化辐射方向图，否则天线辐射性能将严重劣化，工程实现难度较大限制了此类天线的应用；同时该类型天线需要额外增加展开机构部组件实现在轨正交展开，方可完成阵列全向方向图辐射构型需要，设计较为复杂且重量较重，成本和风险控制要求均进一步提高，难以满足小卫星高可靠、高性能和低成本超短波全向通信天线应用需求。上述天线结构类型，无法在承受苛刻力学环境和热环境要求的同时，依然保持良好的电磁辐射性能；可能在载体或平台出现大量级振动或冲击时出现辐射结构或激励结构损坏而无法正常接收卫星导航信号，也可能在载体所处环境温度大范围变化时出现关键电性能指标剧烈劣化等现象，无法可靠完成星地超短波信号发送与接收，降低系统效能、影响整个系统高性能高可靠通信功能实现。

同时，一般来说天线的辐射效率与性能直接与天线的物理口径相关，当天线物理口径显著缩小时，在相同工作频率上天线性能会急剧恶化，甚至难以满足正常使用需求，无法有效接收和辐射电磁波。当通信天线工作频率低UV频段时，天线工作的波长超过1.5m，常规天线在满足电性能指标要求的同时，难以兼具天线小型化和轻量化设计特征。因此，在特定频段内，实现天线的小型化、轻量化设计，同时要求天线的电性能依然具有良好的鲁棒性，无论是对经典天线理论还是新型天线设计策略都提出了很高的要求。

因此，有必要对现有技术中的应用于星载的超短波（UV）全向天线进行改进，以克服上述问题。

发明内容

为解决上述应用于星载的超短波（UV）全向天线不能在确保其BW、Gain、不圆度和包络尺寸等一系列电性能最优化指标技术的基础上，满足小型化及轻量化设计目的，本实用新型提供了一种小型化、轻量化、高可靠、高强度、全向辐射且方向图旋转对称性好的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线。

实现本实用新型目的的技术方案如下：应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，包括中空的外导体，外导体的空腔中设有与外导体平行的内导体，外导体与内导体形成天线的馈电激励与刚度加强多功能共用结构。馈电激励与刚度加强多功能共用结构实现了同轴激励与传输，并能够同时实现硬同轴馈电激励、阻抗匹配调谐和结构刚度加固三种功能。

还包括短路支撑部件，短路支撑部件的一端与外导体连接，且短路支撑部件与外导体形成天线的导电反射金属地板结构，导电反射金属地板结构用于实现天线的辐射特性的重构调整，实现了天线的阻抗匹配调谐功能。

还包括辐射单元，辐射单元位于短路支撑部件的另一端，辐射单元包括第二辐射体、位于第二辐射体一端的第一辐射体、位于第二辐射体另一端的辐射地板，辐射地板与短路支撑部件连接。

第一辐射体与第二辐射体具有不同的拓扑结构，不同类型的拓扑结构组合设计，实现了所需工作频点的高精度准确谐振及高旋转对称性全向垂直极化波辐射，同时使得天线刚度更高、抗冲击和振动能力更强，且电尺寸更加紧凑。

在本实用新型的一个优选实施例中，第一辐射体、第二辐射体、辐射地板形成一体化的辐射结构，第一辐射体为空气介质螺旋结构，第二辐射体为直线结构。螺旋结构与直线结构结合形成的辐射单元，能够形成特定工作频点的全向辐射方向图，满足卫星平台任意角度、任意方向通信信号发送和接收的全方位便捷性需求。同时，还能使得天线的刚度更高、抗冲击和振动能力更强，力学和热性能更加优异且具有极其紧凑的外形尺寸和极轻的重量。

进一步的，空气介质螺旋结构的旋转圈数为20~30。

在本实用新型的一个优选实施例中，为了提高整个天线的传输性能及其力学性能（即制成作用），使短路支撑部件为台阶状的空腔结构，且空腔结构的小口端与内导体连接，且小口端直径大于内导体的直径。

进一步的，空腔结构由2～5个横截面为圆形，且2～5个横截面的直径依次扩大或依次缩小形成。

在本实用新型的一个优选实施例中，为了实现天线结构的紧固性及稳定性，使nano型UV电小全向通信天线还包括固定销盖，固定销盖用于将辐射单元与短路支撑部件进行固定。固定销盖的设置还能够实现传输线最佳连续性和最大反射抑制性能，为天线良好、可靠馈电激励提供保障。

在本实用新型的一个优选实施例中，为了提高外导体与内导体之间的稳定性，在外导体的空腔内壁上还设有隔离器，隔离器用于夹持及固定内导体。

在本实用新型的一个优选实施例中，为了实现通讯，在外导体的端部还设有高频插座接口。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的nano型UV电小全向通信天线通过最优方案设计、最大化逼近真实结构电磁仿真、差异化组合辐射臂结构设计、多功能阶梯空腔阻抗匹配微调谐设计、高精度螺旋辐射加载结构控制等设计，使得其具有小型化、高精度、高效率、低不圆度、全向辐射、高向抑制、阻抗匹配调谐、多功能结构硬同轴馈电激励与高强度高刚度结构支撑一体化迷你化轻量化、高EM性能鲁棒性、抗大量级振动和冲击、极宽温度冲击范围性能保持设计等特征。

附图说明

图1为本实用新型nano型UV电小全向通信天线的主视图；

图2为本实用新型nano型UV电小全向通信天线的S11反射系数曲线图；

图3为本实用新型nano型UV电小全向通信天线的方向图；

图4为本实用新型nano型UV电小全向通信天线的不圆度曲线图；

图5为本实用新型nano型UV电小全向通信天线的极坐标方向图；

其中，1、外导体；2、内导体；3、短路支撑部件；4、辐射单元；41、第二辐射体；42、第一辐射体；43、辐射地板；5、固定销盖；6、高频插座接口。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，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，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

本实用新型的nano型电小UV全向通信天线属于分布式阻抗加载nano型全向天线，其是以经典lambda/4单极天线为理论原型，通过加载技术实现了轴向长度紧凑化设计。nano型电小UV全向通信天线的设计是在保持原有理论模型辐射性能的基础上，克服BW、Gain、不圆度和包络尺寸等一系列电性能最优化指标技术实现设计技术及工艺难点与缺陷等问题，能够完全满足星上大振动及冲击量级、宽范围温度冲击等苛刻环境条件下的最优电气性能和力热性能应用需求，具备优异的增益等化全向辐射性能、轻量化、nano级小型化及耐力学和热冲击等优异特性，可以作为微纳卫星的星载超短波波段全向天线的理想选择形式。以下通过具体的实施例对本实用新型的Nano型电小UV全向通信天线作进一步的介绍。

实施例1：

请参图1所示，应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，在本实施方式中，nano型UV电小全向通信天线包括中空的外导体1，外导体1的空腔中设有与外导体1平行的内导体2，外导体1与内导体2形成天线的馈电激励与刚度加强多功能共用结构，馈电激励与刚度加强多功能共用结构实现了同轴激励与传输，并能够同时实现硬同轴馈电激励、阻抗匹配调谐和结构刚度加固功能。

其中，如图1所示nano型UV电小全向通信天线还包括短路支撑部件3，短路支撑部件3的一端与外导体1连接，且短路支撑部件3与外导体1形成天线的导电反射金属地板结构，导电反射金属地板结构用于实现天线的辐射特性的重构调整，短路支撑部件3用于对外导体1起到了支撑作用。

其中，nano型UV电小全向通信天线还包括辐射单元4，辐射单元4位于短路支撑部件3的另一端，辐射单元4包括第二辐射体41、位于第二辐射体41一端的第一辐射体42、位于第二辐射体41另一端的辐射地板43，辐射地板43与短路支撑部件3连接。在本实施例中辐射单元4采用金属材料，其第二辐射体41及第一辐射体42的形状、大小、升角、长度、位置和包络尺寸等均有严格要求，其中，辐射单元4尺寸及形位精度直接决定天线性能优劣。

其中，第一辐射体42与第二辐射体41具有不同的拓扑结构，不同类型的拓扑结构组合设计形成差异化组合结构，实现了所需工作频点的高精度准确谐振及高旋转对称性全向垂直极化波辐射，同时使得天线刚度更高、抗冲击和振动能力更强，且电尺寸更加紧凑。在天线辐射时，辐射单元4中不同长度、位置的第一辐射体42及第二辐射体41，实现了高精度谐振控制和高性能全向方向图辐射，同时使得天线刚度更高、抗冲击和振动能力更强，且电性能更加优异。

作为对本实施例的辐射单元4的进一步优化，第一辐射体42、第二辐射体41、辐射地板43形成一体化的辐射结构，第一辐射体42为空气介质螺旋结构，第二辐射体41为直线结构。通过螺旋结构和直线结构组合形成的辐射单元4，能够形成特定工作频点的全向辐射方向图，满足卫星平台任意角度、任意方向通信信号发送和接收的全方位便捷性需求；也能使得天线的刚度提高、抗冲击和振动能力更强，力学和热性能更加优异且具有极其紧凑的外形尺寸和极轻的重量。在本实施例中，第一辐射体42的螺旋结构的包络外形可以为立体、平面等多种方式。

进一步的，空气介质螺旋结构的旋转圈数为20~30。

其中，作为对本实施例的短路支撑部件3进一步优化，短路支撑部件3为台阶状的空腔结构，且空腔结构的小口端与内导体2连接，且小口端直径大于内导体2的直径，台阶状的空腔结构，能够提高整个天线的传输性能，同时能够提高天线的结构的力学性能（即对外导体1起到支撑作用）。

进一步的，空腔结构由2～5个横截面为圆形，且2～5个横截面的直径依次扩大或依次缩小形成。

nano型UV电小全向通信天线在保持良好电性能的同时，具有出色的抗振动和抗冲击能力，能够在苛刻环境条件下确保天线电性能鲁棒性和使用可靠性。其通过以下几点实现其上述功能及效果：1.nano型UV电小全向通信天线采用准全金属结合局部非金属隔离一体化加固设计理念，在保持天线优异电性能设计的同时，显著提高天线在不同电磁、力学和热环境下的生存能力和性能保持能力；运用电磁、力学和热一体化融合设计与仿真技术实现天线自由空间理论数值仿真性能分析与工程化实现的高度统一；2.固定销盖5和隔离器设计安装集成于外部结构加强同轴线内，实现馈电激励的同时完成阻抗变换与匹配功能；3.外导体1结合阶梯状的短路支撑部件3和一体化反射单元4实现整个天线结构刚度和强度加固支撑设计的同时，实现后向辐射抑制、阻抗匹配微调谐和方向图赋形调整功能；4.辐射单元4的不同拓扑结构的辐射体组合，且采用高强度和韧度金属材料通过专用成形夹具工装完成旋向、升角、半径和外形固化成形设计，具备构成高强度高精度辐射的同时，实现高精度谐振调谐和高效辐射设计。

实施例2：

作为对实施例1的进一步改进，nano型UV电小全向通信天线还包括固定销盖5，固定销盖5用于将辐射单元4与短路支撑部件3进行固定，在本实施例中，固定销盖5的一端与辐射单元4的第二辐射体连接，并在固定销盖5的内部开有共形槽腔体结构，通过将短路支撑部件3嵌入共形槽腔体结构内形成一体化连接结构；并在通过固定销盖5嵌入式固定实现与外导体1的绝缘互联，从而与辐射单元4进行短路集成互联，实现了辐射单元4、短路支撑部件3、外导体1之间可靠绝缘连接。用固定销盖5将辐射单元4与短路支撑部件3及外导体1进行连接，在实现天线的高性能结构紧固连接的同时，实现了传输线最佳连续性和最大反射抑制性能，为天线良好、可靠馈电激励提供保障。

作为对实施例1的进一步改进，外导体1的空腔内壁上还设有隔离器（附图中未画出），隔离器用于夹持及固定内导体2。隔离器一方面能够实现对外导体1内部的内导体2的固定，另一方面能够外导体1与内导体2之间稳固无共振耦合，再者，也能极大程度提高辐射单元4的高可靠性一体化连接定位。

作为对实施例1的进一步改进，为了稳固内导体2，在外导体1的空腔内还设有加强筋（附图内未画出）。

作为对实施例1的进一步改进，为实现通讯，在外导体1的端部还设有天线的高频插座接口6。

本实施例的nano型UV电小全向通信天线的增益约为1.5dB，在方位向360°波束范围内实现全向辐射性能，不圆度小于0.5dB，表明了天线在工作频点实现了很好的高效谐振工作特性，天线轴向尺寸仅0.07个波长，远远优于现有技术天线技术水平

实施例3：

本实施例是对实施例1及实施例2的nano型UV电小全向通信天线的效果作进一步的说明。

参照附图2～5所示，本实用新型中的nano型UV电小全向通信天线的性能通过常用的测试天线的商业软件三维全波电磁仿真和实际环境试验得出；nano型UV电小全向通信天线具有近乎理想的全向辐射性能。天线增益约1.5dB，不圆度小于0.5dB，实现了良好的全向辐射性能，可满足小卫星及星座系统UV频段全向通信任务需求。

从nano型UV电小全向通信天线的VSWR和不同切面方向图可以看出，天线具有接近理想VSWR特性，能够以接近100%效率实现高频能量馈送，远高于现有微带印刷形式的高介电常数陶瓷加载小型化天线辐射效率；在不同切面天线的辐射性能呈现出了良好的近乎一致的旋转对称性设计。因此，当将天线安装于不同载体和平台时，不论姿态如何，天线都具有出色的UV波段通信信号发送和接收性能，为载体星地通信任务顺利完成提供高可靠性保障。该天线可在-100°C～+100°范围内正常工作。由此可知，天线具有超级小型化、轻量化、高效率和全向辐射等优异性能。

参照附图2～5可知，nano型UV电小全向通信天线在UV工作频段，实现了极佳的阻抗匹配性能，能够实现空间无线电波到高频震荡电流的 转换的最佳接收、实现最小的反射和信号插损，是高性能超短波通信前端的理想天线形式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：包括中空的外导体，所述外导体的空腔中设有与所述外导体平行的内导体，所述外导体与所述内导体形成天线的馈电激励与刚度加强多功能共用结构；

还包括短路支撑部件，所述短路支撑部件的一端与所述外导体连接，且所述短路支撑部件与所述外导体形成天线的导电反射金属地板结构，所述导电反射金属地板结构用于实现天线的辐射特性的重构调整；

还包括辐射单元，所述辐射单元位于所述短路支撑部件的另一端，所述辐射单元包括第二辐射体、位于第二辐射体一端的第一辐射体、位于第二辐射体另一端的辐射地板，所述辐射地板与所述短路支撑部件连接；

所述第一辐射体与所述第二辐射体具有不同的拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述第一辐射体、所述第二辐射体、所述辐射地板形成一体化的辐射结构，所述第一辐射体为空气介质螺旋结构，所述第二辐射体为直线结构。

3.根据权利要求2所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述空气介质螺旋结构的旋转圈数为20~30。

4.根据权利要求1所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述短路支撑部件为台阶状的空腔结构，且所述空腔结构的小口端与所述内导体连接，且所述小口端直径大于所述内导体的直径。

5.根据权利要求4所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述空腔结构由2～5个横截面为圆形，且2～5个横截面的直径依次扩大或依次缩小形成。

6.根据权利要求1所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：nano型UV电小全向通信天线还包括固定销盖，所述固定销盖用于将所述辐射单元与所述短路支撑部件进行固定。

7.根据权利要求1所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述外导体的空腔内壁上还设有隔离器，所述隔离器用于夹持及固定所述内导体。

8.根据权利要求1所述的应用于星载的nano型UV电小全向通信天线，其特征在于：所述外导体的端部还设有高频插座接口。

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