CN211088506U - 一种mini型高效重构的VHF/UHF天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超短波通信天线技术，公开了一种mini型高效重构的VHF/UHF天线，包括中空辐射体，中空辐射体由上辐射板、下辐射板、立辐射板围绕形成的一端开口C型的中空辐射体，其中，立辐射板的上端与上辐射板的端部连接，立辐射板的下端与下辐射板的端部连接，且立辐射板分别与上辐射板及下辐射板垂直。中空辐射体内设有阵列辐射器，阵列辐射器靠近中空辐射体的开口端，且中空辐射体与阵列辐射器形成VHF/UHF天线的辐射单元。本实用新型克服了传统VHF/UHF天线设计重量重、尺寸大、工艺复杂、馈电结构复杂等一系列问题，具有电小、高效、灵活组阵、便于组阵极化重构与方向图重构等特点。

Description

一种mini型高效重构的VHF/UHF天线

技术领域

本实用新型属于天线领域，特别涉及超短波通信天线技术，具体为一种 mini型高效重构的VHF/UHF天线。

背景技术

甚高频/超高频(VHF/UHF)无线通信的频率范围为30MHz-412MHz。甚高频/超高频(VHF/UHF)通信具有可用频率宽、制造简单、设备体积小等优点，其被广泛用于电视、调频广播、雷达、车辆导航等设备的通信信号的传输。

而无线通信离不开天线，天线是射频无线通信系统中的出口和入口，是空间电磁信号与导波设备之间的转换中介，天线性能的好坏直接影响整个通信系统的优劣。现有甚高频/超高频(VHF/UHF)天线在设计时，需同时满足两个指标：1.甚高频/超高频(VHF/UHF)天线在工作频带内要求的电压驻波比、增益及辐射效率等多项电性能指标；2.甚高频/超高频 (VHF/UHF)天线的尺寸。因此，现有超短波天线的设计重点在天线的尺寸和天线的匹配性能，各种技术的使用都是围绕这两方面进行的，在要求天线覆盖较宽工作频带的同时，尺寸尽可能小，使天线的设计具有很大的难度。

实用新型内容

为解决目前VHF/UHF天线设计时，存在重量重、尺寸大、工艺复杂、馈电结构复杂，无法满足现代超短波通信系统对于天线的小型化、轻量化、高性能、易于集成等苛刻应用需求的问题，本实用新型提供了一种mini型高效重构的VHF/UHF天线。

实现本实用新型目的的技术方案如下：一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，包括中空辐射体，中空辐射体由上辐射板、下辐射板、立辐射板围绕形成一端开口的C型的中空辐射体，其中，立辐射板的上端与上辐射板的端部连接，立辐射板的下端与下辐射板的端部连接，且立辐射板分别与上辐射板及下辐射板垂直。

中空辐射体内设有阵列辐射器，阵列辐射器靠近中空辐射体的开口端，且中空辐射体与阵列辐射器形成VHF/UHF天线的辐射单元。

本实用新型的mini型高效重构的VHF/UHF天线通过采用高集成度高效折叠组合辐射结构(指C形中空辐射体、耦合地板等结构一体化组合折叠集成)对天线众多结构参数进行优化调谐并通过在天线设计中对场敏感处进行扰动设计，建立优化目标适应度函数，多轮多次对其进行数值逼近，实现电性能最优化设计。

其中，阵列辐射器包括上齿片阵列及下齿片阵列，上齿片阵列包括若干个上齿片，上齿片由上辐射板内壁垂直向下辐射板延伸形成，且根据按照工作频点通过最优化数值计算和仿真来计算，上齿片的自由端与下辐射板的内壁不接触。下齿片阵列包括若干个下齿片，下齿片由下辐射板内壁垂直向上辐射板延伸形成，且下齿片的自由端与上辐射板的内壁不接触。

上齿片阵列与下齿片阵列相互交叉并部分嵌入形成交指结构，且上齿片与其相邻下齿片或下齿片与其相邻的上齿片之间形成隔腔结构，其中，隔腔结构的数量和宽度均不固定，通过改变隔腔结构的数量和宽度参数，能够有效调节天线的谐振频率，实现优异的小型化设计性能。

进一步的，上齿片及下齿片均为长方形齿片，且上齿片与其相邻的下齿片之间的距离或下齿片与其相邻的上齿片之间的距离相同。

进一步的，上齿片的长度及下齿片的长度为a，隔腔结构的宽度为b，上齿片及下齿片的厚度为c。依照VHF/UHF天线的工作频率、工作带宽、缩减程度和目标方向图要求，交指结构的齿片数量、齿片位置、齿片长度、齿片间距、齿片厚度等众多参数需要进行优化计算，曲流扰动表面电流分布，达到目标电性能要求，为了实现最大程度的尺寸缩减小型化，使a＞b＞c。

进一步的，上齿片及下齿片均有2～8个，上齿片及下齿片的结构相同或者相似，且当上齿片及下齿片大数量小于2时，天线尺寸缩减小型化效果并不显著，尤其是在VHF/UHF天线进行mini型电小设计情况下。当上齿片及下齿片的数量过多大于8时，虽然可以进一步缩减天线包络尺寸，达到超级电小设计目的，但是难以实现良好方向图及阻抗宽带设计性能，也不利于工程实现。

进一步的，上齿片及所下齿片均由金属材料或PCB材料制成。

其中，为了实现方向图重构，VHF/UHF天线还包括耦合地板，耦合地板经介质支撑体及圆柱空腔结构与下辐射板连接。介质支撑体位于下辐射板的自由端的下部，介质支撑体由非金属材料制成，不同的非金属材料具有不同的介电常数，能够实现各种不同数值的等效介电常数，当调整介质支撑体的支撑高度时，会改变下辐射板与耦合地板之间的平行空腔的高度，引起耦合量及相位变化，影响方向图与谐振频率。圆柱空腔结构位于下辐射板非自由端的下部，圆柱空腔结构形成VHF/UHF天线的高频馈电硬同轴结构。优选的，耦合地板为可变尺寸矩形结构。

其中，为了更进一步的将包络尺寸缩减，在立辐射板的中上部设有多个贯穿立辐射板的矩形槽体，矩形槽体与上辐射板平行。同时，为了实现较好的阻抗匹配，在上辐射板上且靠近立辐射板的一端设有贯穿上辐射板的环形槽体。

进一步的，中空辐射体内设有变径圆柱体，变径圆柱体的上端嵌入环形槽体，变径圆柱体与环形槽体集成形成辐射单元的激励馈电与阻抗匹配调谐结构，通过调整环形槽体的内径及外径尺寸，以及调整变径圆柱体的直径及变径的位置，可以改变天线阻抗加载特性，实现最优谐振性能。

变径圆柱体的下端嵌入圆柱空腔结构内，变径圆柱体与耦合地板集成形成辐射单元的阻抗调谐与方向图重构结构，通过在0～20mm内调整耦合地板与下辐射地板之间的距离，能够实现天线谐振频率位置和谐振深度调谐，提高天线性能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.VHF/UHF天线能够实现定向/全向辐射方向图重构，以满足不同目标波束使用需求，能显著降低系统费效比，提高系统设计自由度，为未来高性能低成本微纳卫星星座建设提供重要驱动力支撑。

2.VHF/UHF天线可方便实现全向与定向辐射波束，全向辐射模式增益大于1.4dB，定向辐射模式增益大于4dB。VHF/UHF天线可以最大化程度的满足各类载体、各种工作模式对于高效小型化UHF天线的迫切需求。

3.采用高集成度高效折叠组合辐射结构(指C形中空辐射体、交指结构、耦合地板等结构一体化组合折叠集成)对天线众多结构参数进行优化调谐并通过在天线设计中对场敏感处进行扰动设计，建立优化目标适应度函数，多轮多次对其进行数值逼近，实现电性能最优化设计。

4.通过耦合地板与辐射单元一体化融合设计，可进一步实现VHF/ UHF天线方向图重构设计；通过紧耦合组阵设计，可实现阵列天线极化重构与方向图重构。

附图说明

图1为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的结构示意图；

图2为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的S11特性曲线图；

图3为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的全向模式方向图；

图4为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的全向模式3D方向图；

图5为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的定向模式方向图；

图6为本实用新型mini型高效重构的VHF/UHF天线的定向模式3D方向图；

其中，1.上辐射板；2.下辐射板；3.立辐射板；4.上齿片；5.下齿片；6 隔腔结构；7耦合地板；8.介质支撑体；9.圆柱空腔结构；10.矩形槽体；11. 环形槽体；12.变径圆柱体。

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VHF/UHF天线是在单频谐振式结构天线的设计基础上，融合了低剖面微带天线设计技术、小型化倒F天线设计技术、加载天线设计技术、通用化的电小天线优化设计技术等多项技术，通过引入多重交指型交叠空气加载辐射体技术，在显著缩小天线沿X、Y和Z方向包络尺寸的同时，保持天线高效率辐射，实现了中等增益全向方向图设计，同时由于空气加载技术的引入，增加了VHF/UHF天线的工作带宽，使VHF/UHF天线更易于实现近乎无反射的优异阻抗匹配性能。以下通过具体的实施例对本实用新型的mini型高效重构的VHF/UHF天线作进一步的介绍。

实施例1：

请参图1所示，一种mini型高效重构的VHF/UHF天线，在本实施方式中，VHF/UHF天线包括中空辐射体，中空辐射体由上辐射板1、下辐射板2、立辐射板3围绕形成一端开口的C型的中空辐射体，其中，立辐射板 3的上端与上辐射板1的端部连接，立辐射板3的下端与下辐射板2的端部连接，且立辐射板3分别与上辐射板1及下辐射板2垂直。在本实施例中，中空辐射体的开口方向可以在左侧，也可以在右侧，具体以VHF/UHF天线的安装位为准。

其中，中空辐射体内设有阵列辐射器，阵列辐射器靠近中空辐射体的开口端，且中空辐射体与阵列辐射器形成VHF/UHF天线的辐射单元。

在本实施例中，阵列辐射器可以与中空辐射体一体成型形成，也可以将阵列辐射器与中空辐射体连接集成形成。

具体的，如图1所示，阵列辐射器包括上齿片阵列及下齿片阵列，上齿片阵列包括若干个上齿片4，上齿片4由上辐射板1内壁垂直向下辐射板2 延伸形成，且根据按照工作频点通过最优化数值计算和仿真来计算，上齿片 4的自由端与下辐射板2的内壁不接触。下齿片阵列包括若干个下齿片5，下齿片5由下辐射板2内壁垂直向上辐射板1延伸形成，且下齿片5的自由端与上辐射板1的内壁不接触。

如图1所示，上齿片阵列与下齿片阵列相互交叉并部分嵌入形成交指结构，且上齿片4与其相邻下齿片5或下齿片5与其相邻的上齿片4之间形成隔腔结构6，其中，隔腔结构6的数量和宽度均不固定，通过改变隔腔结构 6的数量和宽度参数，能够有效调节天线的谐振频率，实现优异的小型化设计性能。

进一步的，上齿片4及下齿片5均为长方形齿片，且上齿片4与其相邻的下齿片5之间的距离或下齿片5与其相邻的上齿片4之间的距离相同。

进一步的，上齿片4的长度及下齿片5的长度为a，隔腔结构6的宽度为b，上齿片4及下齿片5的厚度为c。依照VHF/UHF天线的工作频率、工作带宽、缩减程度和目标方向图要求，交指结构的齿片(上齿片4及下齿片5)数量、齿片(上齿片4及下齿片5)位置、齿片(上齿片4及下齿片5) 长度、齿片(上齿片4及下齿片5)间距、齿片(上齿片4及下齿片5)厚度等众多参数需要进行优化计算，曲流扰动表面电流分布，达到目标电性能要求，为了实现最大程度的尺寸缩减小型化，使a＞b＞c。

进一步的，上齿片4及下齿片5均有2～8个，上齿片4及下齿片5的结构相同或者相似，且当上齿片4及下齿片5大数量小于2时，天线尺寸缩减小型化效果并不显著，尤其是在VHF/UHF天线进行mini型电小设计情况下。当上齿片4及下齿片5的数量过多大于8时，虽然可以进一步缩减天线包络尺寸，达到超级电小设计目的，但是难以实现良好方向图及阻抗宽带设计性能，也不利于工程实现。

进一步的，上齿片4及所下齿片5均由金属材料或PCB材料制成，优选的，交指结构可采用CNC一体化3D加工工艺或PCB印制板离散拼接加工工艺等方式进行集成。

本实施例的mini型高效重构的VHF/UHF天线通过采用高集成度高效折叠组合辐射结构(指C形中空辐射体、交指结构、耦合地板等结构一体化组合折叠集成)对天线众多结构参数进行优化调谐并通过在天线设计中对场敏感处进行扰动设计，建立优化目标适应度函数，多轮多次对其进行数值逼近，实现电性能最优化设计。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上做进一步的改进，如图1所示，为了实现方向图重构，VHF/UHF天线还包括耦合地板7，耦合地板7经介质支撑体8及圆柱空腔结构9与下辐射板2连接。介质支撑体位8于下辐射板2的自由端的下部，介质支撑体8由非金属材料制成，不同的非金属材料具有不同的介电常数，能够实现各种不同数值的等效介电常数，当调整介质支撑体的支撑高度时，会改变下辐射板与耦合地板之间的平行空腔的高度，引起耦合量及相位变化，影响方向图与谐振频率。

如图1所示，圆柱空腔结构9位于下辐射板2非自由端的下部，圆柱空腔结构9形成VHF/UHF天线的高频馈电硬同轴结构。优选的，耦合地板7 为可变尺寸矩形结构。

其中，如图1所示，为了更进一步的将包络尺寸缩减，在立辐射板3的中上部设有多个贯穿立辐射板的矩形槽体10，矩形槽体10与上辐射板1平行，在本实施例中，有3个相互平行的矩形槽体10。同时，为了实现较好的阻抗匹配，在上辐射板1上且靠近立辐射板2的一端设有贯穿上辐射板1的环形槽体11。

进一步的，中空辐射体内设有变径圆柱体12，变径圆柱体12的上端嵌入环形槽体11，变径圆柱体12与环形槽体11集成形成辐射单元的激励馈电与阻抗匹配调谐结构，通过调整环形槽体11的内径及外径尺寸，以及调整变径圆柱体12的直径及变径的位置，可以改变天线阻抗加载特性，实现最优谐振性能。

变径圆柱体12的下端嵌入圆柱空腔结构9内，变径圆柱体12与耦合地板7集成形成辐射单元的阻抗调谐与方向图重构结构，通过在0～20mm内调整耦合地板7与下辐射地板2之间的距离，能够实现天线谐振频率位置和谐振深度调谐，提高天线性能。

参考图2所示，实施例1及实施例2的mini型高效重构的VHF/UHF 天线在实现极致小型化设计的前提下，同样实现了近乎理想的阻抗匹配性能，S11接近-50dB，实现了微波能量从馈线到天线的无反射完美传输。

参照图3及图4可知，实施例1及实施例2的mini型高效重构的VHF/ UHF天线的工作带宽完全覆盖超短波通信系统对于天线工作带宽的需求。图3及图4给出了天线全向辐射模式增益仿真结果，可以看出该天线增益近 1.4dB，天线方向图具有良好的旋转对称性，可以保证载体通信系统在任意方位方向都具有良好的且稳定一致的发射及接收性能，保证了数据传输的可靠性。在上述全向模式设计基础之上，引入重构技术调整耦合地板7参数，可实现天线定向辐射方向图。

参考图5及图6所示，VHF/UHF天线的增益约4dB，形成了旋转对称性良好的半球定向波束。通过图3与图5对比，实施例1及实施例2的mini 型高效重构的VHF/UHF天线除了具备出色的小型化设计特征外，具有方向图重构优势。通过采用空气介质及全金属折叠组合拼接曲流设计理念，在保持天线良好电性能设计的同时，显著缩减了天线结合尺寸，实施例1及实施例2的VHF/UHF天线的电尺寸仅有一个波长4％～6％，尺寸远远小于传统 VHF/UHF频段经典天线及改进小型化天线的尺寸。

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。

Claims (9)

1.一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：包括中空辐射体，所述中空辐射体由上辐射板（1）、下辐射板（2）、立辐射板（3）围绕形成一端开口的C型的中空辐射体，其中，所述立辐射板（3）的上端与所述上辐射板（1）的端部连接，所述立辐射板（3）的下端与所述下辐射板（2）的端部连接，且所述立辐射板（3）分别与所述上辐射板（1）及所述下辐射板（2）垂直；

所述中空辐射体内设有阵列辐射器，所述阵列辐射器靠近所述中空辐射体的开口端，且所述中空辐射体与所述阵列辐射器形成VHF/ UHF天线的辐射单元。

2.根据权利要求1所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述阵列辐射器包括上齿片阵列及下齿片阵列，所述上齿片阵列包括若干个上齿片（4），所述上齿片（4）由所述上辐射板（1）内壁垂直向所述下辐射板（2）延伸形成，且所述上齿片（4）的自由端与所述下辐射板（2）的内壁不接触；

所述下齿片阵列包括若干个下齿片（5），所述下齿片（5）由所述下辐射板（2）内壁垂直向所述上辐射板（1）延伸形成，所述下齿片（5）的自由端与所述上辐射板（1）的内壁不接触；

所述上齿片阵列与所述下齿片阵列相互交叉并部分嵌入形成交指结构，且所述上齿片（4）与其相邻所述下齿片（5）或所述下齿片（5）与其相邻的所述上齿片（4）之间形成隔腔结构（6）。

3.根据权利要求2所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述上齿片（4）及所述下齿片（5）均为长方形齿片，且所述上齿片（4）与其相邻的所述下齿片（5）之间的距离或所述下齿片（5）与其相邻的所述上齿片（4）之间的距离相同。

4.根据权利要求2所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述上齿片（4）的长度及所述下齿片（5）的长度为a，所述隔腔结构（6）的宽度为b，所述上齿片（4）及所述下齿片（5）的厚度为c，其中，a＞b＞c。

5.根据权利要求2所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述上齿片（4）及所述下齿片（5）均有2~8个。

6.根据权利要求2所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述上齿片（4）及所述下齿片（5）均由金属材料或PCB材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：VHF/ UHF天线还包括耦合地板（7），所述耦合地板（7）经介质支撑体（8）及圆柱空腔结构（9）与所述下辐射板（2）连接；

所述介质支撑体（8）位于所述下辐射板（2）的自由端的下部，且所述介质支撑体（8）由非金属材料制成；

所述圆柱空腔结构（9）位于所述下辐射板（2）非自由端的下部，所述圆柱空腔结构（9）形成VHF/ UHF天线的高频馈电硬同轴结构。

8.根据权利要求7所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述立辐射板（3）的中上部设有多个贯穿所述立辐射板（3）的矩形槽体（10），所述矩形槽体（10）与所述上辐射板（1）平行；

所述上辐射板（1）上且靠近所述立辐射板（3）的一端设有贯穿所述上辐射板的环形槽体（11）。

9.根据权利要求8所述的一种mini型高效重构的VHF/ UHF天线，其特征在于：所述中空辐射体内设有变径圆柱体（12），所述变径圆柱体（12）的上端嵌入所述环形槽体（11），所述变径圆柱体（12）与所述环形槽体（11）集成形成所述辐射单元的激励馈电与阻抗匹配调谐结构；

所述变径圆柱体（12）的下端嵌入所述圆柱空腔结构（9）内，所述变径圆柱体（12）与所述耦合地板（7）集成形成所述辐射单元的阻抗调谐与方向图重构结构。

Images