CN212434825U - 机载天线和飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机载天线和飞行器。该机载天线包括：介质基板以及设置在所述介质基板的表面上的两个或者以上的辐射段，所述两个或者以上的辐射段通过阻抗匹配线连接，每一个辐射段均呈轴对称结构，不同辐射段的对称轴具有相同方向。本实用新型通过采用了辐射体分段设计，改善了天线在高频段的水平方向图畸变问题，在满足天线在低频段增益的基础上兼顾了天线在高频段的增益。

Description

机载天线和飞行器

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，具体涉及机载天线和飞行器。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，天线作为一种无线通讯的重要设备得到越来越广泛的应用，各种类型的天线应运而生。其中，机载天线用于为飞机器上安装的各类不同系统收发信号，其重要性不言而喻。但是由于机载天线要求带宽较宽，而高低频波长差距较大容易导致高频增益的水平方向图产生畸变，这也成为机载天线设计中的另一大难点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种机载天线，以解决上述问题。

根据本实用新型的第一方面，提供一种机载天线，包括：介质基板以及设置在所述介质基板的表面上的两个或者以上的辐射段，所述两个或者以上的辐射段通过阻抗匹配线连接，每一个辐射段均呈轴对称结构，不同辐射段的对称轴具有相同方向。

在一些实施例中，所述两个或者以上的辐射段包括通过所述阻抗匹配线连接的第一辐射段和第二辐射段，所述第一辐射段与所述第二辐射段的对称轴相同，且所述第一辐射段的辐射面积大于所述第二辐射段的辐射面积，其余辐射段以所述第一辐射和所述第二辐射段的对称轴为中心轴线两两对称设置。

在一些实施例中，所述第一辐射段和所述第二辐射段均呈长条形且每个辐射段的两端均包括向外突出的尖角结构，其余辐射段为长方体或者正方体，所述第一辐射段和所述第二辐射段相对设置的两个尖角结构通过所述阻抗匹配线连接。

在一些实施例中，所述第一辐射段的长度和宽度均分别大于所述第二辐射段的长度和宽度。

在一些实施例中，所述其余辐射段包括两两对称设置的第三辐射段与第四辐射段以及两两对称设置的第五辐射段与第六辐射段，所述第三辐射段和所述第四辐射段经由所述阻抗匹配线与所述第一辐射段连接，所述第五辐射段和第六辐射段经由所述阻抗匹配线与所述第二辐射段连接。

在一些实施例中，所述第三辐射段和所述第四辐射段的辐射面积均大于所述第五辐射段和所述第六辐射段的辐射面积。

在一些实施例中，所述第三辐射段和所述第四辐射段的长度均等于所述第一辐射段的长度，所述第五辐射段和第六辐射段的长度均等于所述第二辐射段的长度。

在一些实施例中，所述第三辐射段和所述第四辐射段的长度均大于所述第一辐射段的长度加上所述第一辐射段与所述第二辐射段之间的阻抗匹配线的长度。

在一些实施例中，位于所述第一辐射段一侧的所述第三辐射段和所述第五辐射段具有相同对称轴，位于所述第一辐射段另一侧的所述第四辐射段和所述第六辐射段具有相同对称轴。

根据本实用新型的第二方面，提供一种飞行器，包括上述任一项的机载天线。

本实用新型提供的技术方案采用了辐射体分段设计，改善了天线在高频段的水平方向图畸变问题，在满足天线在低频段增益的基础上兼顾了天线在高频段的增益。

进一步地，本实用新型还采用与飞行器的智能蒙皮共形的设计方法，改善了天线的安装环境，实现了更宽的工作带宽及更优的水平方向图。

附图说明

通过参照以下附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是一个示例性的飞行器的示意图；

图2a-2b是本实用新型第一实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图；

图3a-3b是本实用新型第二实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图；

图4a-4b是本实用新型第三实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图；

图5a是本实用新型实施例的机载天线在0.41f0时的水平方向图；

图5b是该机载天线在0.81f0时的水平方向图；

图5c是该机载天线在1.05f0时的水平方向图；

图5d是该机载天线在1.45f0时的水平方向图；

图5e是该机载天线在1.86f0时的水平方向图；

图6是本实用新型提供的机载天线应用于飞行器的垂直尾翼上的效果图；

图7是本实用新型提供的机载天线的电压驻波比。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。另外附图不一定是按比例绘制的。

图1是一个示例性的飞行器的示意图。如图上所示，飞行器10包括机身12、机翼11、垂直尾翼13和水平尾翼14。机载天线可以设置在机翼11、垂直尾翼13和水平尾翼14的至少其中之一的内部或者和表面集成在一起。设计飞行器时，可以将机载天线和飞行器的部件进行一体化设计。机载天线的类型可以不限定，例如可以选用微带天线(microstripantenna)，其主要包括介质基板以及设置在介质基板上的辐射单元，介质基板可以选用介电常数高、微波损耗低的材料，辐射片则可以选用具有导电率高、稳定性好、与介质基板的粘附性强等特点的导体材料。

图2a-2b是本实用新型第一实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图。参考图2a-2b所示，机载天线20包括介质基板21以及设置在介质基板21上的上表面上的第一辐射段22和第二辐射段24，第一辐射段22和第二辐射段24之间通过阻抗匹配线23连接。第一辐射段22和第二辐射段24均呈对称结构，且第一辐射段22和第二辐射段24具有相同的对称轴。如图上所示，虚线AA为第一辐射段22和第二辐射段24的对称轴。继续参考图上所示，第一辐射段22和第二辐射段24为长条形且两端均包括向外突出的尖角结构，第一辐射段22和第二辐射段24相对设置的尖角结构通过阻抗匹配线23连接。当然本实用新型不局限于此，也可以将每个辐射段设计成其他形体，例如，菱柱形、立方体、长方体等等诸如此类。第二辐射段22和第二辐射段24以及匹配线23可以采用覆盖在介质基板21上的同一层的导体层刻蚀而成，因此，第一辐射段22和第二辐射段24具有相同高度。从图上可以看出，第一辐射段22的辐射面积大于第二辐射段24的辐射面积，第一辐射段22的上表面的长度和宽度大于第二辐射段24的上表面的长度和宽度(由于是不规则图形，这里的长度和宽度指上表面的最大长度和最大宽度)。

在可选的实施例中，在第二辐射段24的上表面的顶部还设置电阻25，通过电阻25调试电压驻波比。上述机载天线的馈电点可以选择在第二辐射段24的上表面的顶部，即电阻25处，使得机载天线的最大辐射方向将由第一辐射段22朝向第二辐射段24。可以理解，机载天线的辐射特性(包括在高频段和低频段的辐射方向图)和第一辐射段22和第二辐射段24的结构参数(包括辐射面积、高度、几何形状)相关。辐射特性可以认为是结构参数的函数。因此可以通过调试结构参数影响辐射性能。

经验证，机载天线20能够实现低频段的辐射性能，并且通过较短辐射段改善中高频段的辐射性能，尤其是能够改善水平方向图的畸变问题。

图3a-3b是本实用新型第二实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图。参考图3a-3b所示，机载天线30包括介质基板31以及设置在介质基板31上的上表面上的多个辐射段。多个辐射段之间通过阻抗匹配线连接。具体地，多个辐射段包括第一辐射段32和第二辐射段34。第一辐射段32和第二辐射段34为长条形，而且第一辐射段32和第二辐射段34的两端均包括向外突出的尖角结构，第一辐射段32和第二辐射段34的相对设置的尖角结构通过阻抗匹配线33连接。多个辐射段还包括两两对称设置的第三辐射段35与第四辐射段36以及两两对称设置的第六辐射段37与第五辐射段38，第三辐射段35和第四辐射段36经由阻抗匹配线41和42与第一辐射段32连接，第五辐射段38和第六辐射段37经由阻抗匹配线39与第二辐射段34连接。从图上可以看出，各个辐射段均呈现轴对称结构，且每个辐射段的对称轴均为朝向同一方向(即图上的Y轴方向)。第三辐射段35和第五辐射段38位于第一辐射段32和第二辐射段34的一侧，且具有相同的对称轴，第四辐射段36和第六辐射段37位于第一辐射段32和第二辐射段34的另一侧，且具有相同的对称轴。从图上可以看出，第一辐射段32的辐射面积大于第二辐射段34的辐射面积，第一辐射段32的上表面的长度和宽度均大于第二辐射段34的上表面的长度和宽度，第三辐射段35和第四辐射段36各自的辐射面积分别大于第五辐射段38和第六辐射段37各自的辐射面积。第三辐射段35和第四辐射段36的长度和宽度均分别大于第五辐射段38和第六辐射段37的长度和宽度。而且，第三辐射段35和第四辐射段36的长度均大于第一辐射段32的长度加上第一辐射段与第二辐射段之间的阻抗匹配线33的长度。从图上可以看出，第三辐射段35和第五辐射段38之间并未接触，两者之间间隔一段距离，使得第五辐射段38和第六辐射段37的长度远小于第二辐射段的长度。

在可选的实施例中，可以经由实验得到较长辐射段和较短辐射段的比例关系，例如，在本实施例中，第三辐射段35和第五辐射段38的比例关系可以为3：1。

在可选的实施例中，在第二辐射段34的上表面的顶部还设置电阻42，通过电阻42调试电压驻波比。机载天线的馈电点可以选择在第二辐射段34的上表面的顶部，即电阻42处，使得机载天线的最大辐射方向将由辐射段22朝向辐射段24。

在可选的实施例中，多个辐射段以及连接多个辐射段的匹配线可以采用采用覆盖在介质基板31上的上表面的导体层刻蚀而成，从而使得各个辐射段位于同一层。

图4a-4b是本实用新型第三实施例提供的机载天线的立体结构图和平面图。参考图4a-4b所示，机载天线50包括介质基板51以及设置在介质基板51上的上表面上的多个辐射段。多个辐射段之间通过阻抗匹配线连接。具体地，多个辐射段包括第一辐射段52和第二辐射段54。第一辐射段52和第二辐射段54为长条形，而且第一辐射段52和第二辐射段54的两端均包括向外突出的尖角结构，第一辐射段52和第二辐射段54的相对设置的尖角结构通过阻抗匹配线53连接。第一辐射段52的辐射面积大于第二辐射段54的辐射面积。多个辐射段还包括两两对称设置的第三辐射段55与第四辐射段56以及两两对称设置的第六辐射段58与第五辐射段57，第三辐射段55和第四辐射段56经由阻抗匹配线59与第一辐射段52连接，第五辐射段57和第六辐射段58经由阻抗匹配线60与第二辐射段54连接。从图上可以看出，各个辐射段均呈现轴对称结构，且每个辐射段的对称轴均为朝向同一方向(即图上的Y轴方向)。第三辐射段55和第五辐射段57位于第一辐射段52和第二辐射段54的一侧，且具有相同的对称轴，第四辐射段56和第六辐射段58位于第一辐射段52和第二辐射段54的另一侧，且具有相同的对称轴。

与第二实施例的不同之处在于，本实施例中的第三辐射段55和宽度分别与第一辐射段52的长度和宽度相同，第四辐射段56的长度和宽度分别与第一辐射段52的长度和宽度相同，第六辐射段58的长度和宽度与第二辐射段54的长度和宽度相同，第五辐射段57的长度和宽度与第二辐射段54的长度和宽度相同。

可以将图3a-3b和图4a-4b所示的实施例看作图2所示的实施例的结构变形。其中图3a-3b为其中的最优的实施例。通过将辐射片分成多个辐射段能够改善中高频段的辐射性能，尤其是改善水平辐射方向图的畸变问题。

下面结合图5a-5e说明本实用新型实施例提供的机载天线的技术效果。

图5a是一个示例性的机载天线在0.41f0时的水平方向图，最大增益为-15.9dBi，最小增益为-18.3dBi。图5b是该机载天线在0.81f0时的水平方向图，最大增益为-3.1dBi，最小增益为-6.4dBi。图5c是该机载天线在1.05f0时的水平方向图，最大增益为-0.2dBi，最小增益为-8.8dBi。图5d是该机载天线在1.45f0时的水平方向图，最大增益为-1.6dBi，最小增益为-7.4dBi。图5e是该机载天线在1.86f0时的水平方向图，最大增益为1.3dBi，最小增益为-2.6dBi。

现有技术中的机载天线在低频段的水平辐射特性较好，但是在例如附图5a-5e所示的中高频段，机载天线的水平方向图会出现较大的凹陷区域。这种很大的凹陷区域表示在该频率下最小增益的数值非常小。而在本实用新型实施例中，由于采用较短的辐射段进行电磁辐射，能够得到如图5a-5e所示的各个中高频率的水平方向图。这些水平方向图中的最小增益均大于相应的未采用较短辐射段进行辐射的天线设计，由此使得相应频率下天线的水平方向图最小增益得以改善。

将图3a-3b与4a-4b的各个中高频率的水平方向图进行比较可以发现，图3a-3b所示的机载天线在中高频率上的水平方向图要优于图4a-4b所示的机载天线在中高频率上的水平方向图。这是因为，参见图6所示，图6是本实用新型提供的机载天线应用于飞行器的垂直尾翼上的效果图。其中61是飞机载体，用于承载如图3a-3b所示的机载天线30。从图上可以看出，

机载天线30的第一辐射段、第三辐射段和第四辐射段的尖角结构和飞机器的载体固定，主要用于电磁波辐射，而第二辐射段、第五辐射段和第六辐射段主要用于实现对机载天线的方向图进行微调，这种微调有助于改善机载天线在中高频率上的方向图的畸变问题，由于这些辐射段距离机体的高度较高，因此对机载天线高频整体方向图影响较小，也不会影响到机载天线在低频率方向图上的辐射参数。

还应该指出的是，本实用新型提供的机载天线可以和飞行器共形设计，例如与如图1所述的垂直尾翼进行共形设计。共形设计的机载天线能够贴合机体表面，不会额外带来空气阻力，有利于飞行器的气动性能设计。

综上所述，通过分段设计改善天线在高频段的水平方向图畸变的问题，在满足机载天线在低频段增益的基础上兼顾了机载天线在高频段的增益。在此基础上，可以设计多个分段实现的辐射片，并且在仿真环境对各个分段的形状、长宽、高度等结构参数做调试，以获得最佳效果的结构参数。

在上述实施例中，介质基板可以采用FR-4材料，厚度为30mil，覆盖在介质基板上的导体层可以选用导电金属，例如可以选用厚度为1/2oz的铜，耦接的电阻的阻值为100Ω，耐受功率为100W。其中，FR-4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。

进一步地，在共形设计时，还可以和飞行器上的智能蒙皮结合。例如，将机载天线设置在飞行器的某个区域的智能蒙皮的下方，使得智能蒙皮成为机载天线的保护层。进一步地，机载天线还可以嵌入在智能蒙皮中，使得智能蒙皮成为机载天线的一部分。通过智能蒙皮的共形设计能够减少由于飞机机身垂直的金属结构和碳纤维框架都会对共形天线的全向辐射产生不利影响。

图7是本实用新型提供的机载天线的电压驻波比。图7为机载天线在全频段内的电压驻波比，从图中可以看出天线在全频段内电压驻波比≤3.5,大部分频段内电压驻波比≤3.0。

本实用新型还提供一种飞行器，包括上述的机载天线。

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。例如，在实际应用中，可以不同的需要将上述模块功能划分为和本实用新型实施例不同的功能结构，或将本实用新型实施例中的几个功能模块合并和分解成不同的功能结构。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涵括在本实用新型内。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，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机载天线，其特征在于，包括：介质基板以及设置在所述介质基板的表面上的两个或者以上的辐射段，所述两个或者以上的辐射段通过阻抗匹配线连接，每一个辐射段均呈轴对称结构，不同辐射段的对称轴具有相同方向。

2.根据权利要求1所述的机载天线，其特征在于，所述两个或者以上的辐射段包括通过所述阻抗匹配线连接的第一辐射段和第二辐射段，所述第一辐射段与所述第二辐射段的对称轴相同，且所述第一辐射段的辐射面积大于所述第二辐射段的辐射面积，其余辐射段以所述第一辐射和所述第二辐射段的对称轴为中心轴线两两对称设置。

3.根据权利要求2所述的机载天线，其特征在于，所述第一辐射段和所述第二辐射段均呈长条形且每个辐射段的两端均包括向外突出的尖角结构，其余辐射段为长方体或者正方体，所述第一辐射段和所述第二辐射段相对设置的两个尖角结构通过所述阻抗匹配线连接。

4.根据权利要求2所述的机载天线，其特征在于，所述第一辐射段的长度和宽度均分别大于所述第二辐射段的长度和宽度。

5.根据权利要求2所述的机载天线，其特征在于，所述其余辐射段包括两两对称设置的第三辐射段与第四辐射段以及两两对称设置的第五辐射段与第六辐射段，所述第三辐射段和所述第四辐射段经由所述阻抗匹配线与所述第一辐射段连接，所述第五辐射段和第六辐射段经由所述阻抗匹配线与所述第二辐射段连接。

6.根据权利要求5所述的机载天线，其特征在于，所述第三辐射段和所述第四辐射段的辐射面积均大于所述第五辐射段和所述第六辐射段的辐射面积。

7.根据权利要求5所述的机载天线，其特征在于，所述第三辐射段和所述第四辐射段的长度均等于所述第一辐射段的长度，所述第五辐射段和第六辐射段的长度均等于所述第二辐射段的长度。

8.根据权利要求5所述的机载天线，其特征在于，所述第三辐射段和所述第四辐射段的长度均大于所述第一辐射段的长度加上所述第一辐射段与所述第二辐射段之间的阻抗匹配线的长度。

9.根据权利要求5所述的机载天线，其特征在于，位于所述第一辐射段一侧的所述第三辐射段和所述第五辐射段具有相同对称轴，位于所述第一辐射段另一侧的所述第四辐射段和所述第六辐射段具有相同对称轴。

10.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的机载天线。

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