CN104103913B - 小型平面倒f加载阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了小型平面倒F加载阵列天线，包括天线罩、金属板和基座，金属板紧贴在基座上表面，天线罩固定在基座上，还包括四个平面倒F天线、中心加载体和四个无源金属去耦模块；四个平面倒F天线均匀排布在金属板上表面形成方形平面倒F天线阵列，中心加载体位于方形平面倒F天线阵列中心且与金属板上表面连接。本发明方形平面倒F天线阵列中心设置中心加载体：无源金属体或者中心加载平面倒F天线，以展宽天线带宽；在平面倒F天线间均匀添加一个无源金属去耦模块以削弱耦合；本发明在较宽频率范围内实现两种辐射模式的切换：定向90°波束扫描和全向360°波束扫描；该天线效率高、天线结构稳定、减小了天线的尺寸且结构简单。

Description

小型平面倒F加载阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线领域，特别是小型平面倒F加载阵列天线。

背景技术

天线在飞机通信系统中一直占据着无可取替代的地位，在机载通信系统中，往往需要天线具有特殊的方向图以满足特定工作的需要，而阵列天线技术通过控制天线辐射单元的排布、天线辐射单元的幅度、相位分布可以方便地实现天线波束赋型并获取高功率、高增益的特性。飞机天线受高空环境的限制，天线的尺寸要小，剖面要低，并且需要满足极化和方向图等电性能要求。传统的机载阵列天线的设计常采用线型/平面微带阵列或波导缝隙阵列设计，微带阵列天线有导体和介质损耗，容易激励表面波，导致辐射效率低，天线辐射距离近，在较低频段，微带天线的尺寸大，这与机载天线小尺寸设计原则相矛盾；对于波导缝隙阵，阵元间耦合影响是比较大的，必须考虑内部和外部耦合效应，在实际应用中，通过实验测量阵元间的耦合误差较大，而且实验工作量很大，并且波导缝隙阵列天线很难实现宽频段和宽波束扫描。

平面倒F阵列天线与其它的阵列天线相比优点在于：无需附加匹配电路，结构紧凑，体积小，重量轻，成本低，单个天线方向图在水平方向上具有全向性，组成阵列后容易实现宽波束通信。但传统的平面倒F天线带宽较窄，在有限的空间范围内组成阵列后由于天线单元间的强烈耦合造成了天线辐射能量的耗散，天线辐射效率低，方向图往往不能满足实际应用。如何解决现有技术的不足已成为阵列天线领域亟待解决的一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足而提供了小型平面倒F加载阵列天线。本发明天线能够在较宽频率范围内实现两种辐射模式的切换：定向90°波束扫描和全向360°波束扫描，该天线效率高、结构简单、稳定且体积小。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的小型平面倒F加载阵列天线，包括天线罩、金属板和基座，金属板紧贴在基座上表面，天线罩固定在基座上，还包括四个平面倒F天线、中心加载体和四个无源金属去耦模块；

其中，四个平面倒F天线均匀排布在金属板上表面构成方形平面倒F天线阵列，中心加载体位于方形平面倒F天线阵列中心且与金属板上表面连接，四个无源金属去耦模块均匀排布在四个平面倒F天线之间并与金属板上表面连接。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述中心加载体为无源金属体。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述无源金属体包括圆形金属片和金属柱，圆形金属片设置于金属柱上，金属柱与金属板上表面连接。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述中心加载体为中心加载平面倒F天线。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述无源金属去耦模块为铜柱。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述金属板为铜板，基座为铝基座。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述天线罩采用环氧玻璃钢天线罩。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述平面倒F天线的金属辐射平面为椭圆形或圆形或矩形或矩形与梯形的组合。

作为本发明的小型平面倒F加载阵列天线进一步的优化方案，所述中心加载平面倒F天线的金属辐射平面为曲线构成的四边形。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明采用四个平面倒F天线构成方形平面倒F天线阵列，在方形平面倒F天线阵列中心设置中心加载体：无源金属体或者中心加载平面倒F天线，以展宽天线带宽；在方形平面倒F天线阵列间均匀添加无源金属去耦模块以削弱耦合，平面倒F天线辐射平面紧贴介质天线罩，不仅使天线结构稳定，而且减小了天线的尺寸；本发明的天线在较宽频率范围内实现两种辐射模式的切换：定向90°波束扫描和全向360°波束扫描；该天线效率高、结构简单、稳定且体积小。

附图说明

图1是本发明中心加载体为无源金属体的阵列天线结构示意图。

图2是本发明中心加载体为中心加载平面倒F天线的阵列天线结构示意图。

图3是平面倒F天线的金属辐射平面为椭圆形的平面示意图。

图4是平面倒F天线的金属辐射平面为圆形的平面示意图。

图5是平面倒F天线的金属辐射平面为矩形的平面示意图。

图6是平面倒F天线的金属辐射平面为矩形与梯形组成的平面示意图。

图7是平面倒F天线的金属辐射平面为斜拉顶板方式的的平面示意图。

图8是中心加载体为无源金属体平面示意图。

图9是中心加载体为中心加载平面倒F天线平面示意图。

图10为四个TNC接头中的一个作为馈电端口，其余3个TNC接头连接50Ω负载的驻波比曲线图。

图11为同时给四个TNC接头馈入幅度相等，相位相差90°信号时的驻波比曲线图。

图12为四个TNC接头中的一个作为馈电端口，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图：(a)为给0°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(b)为给90°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(c)为给180°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(d)为给270°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图。

图13为同时给四个TNC接头馈入幅度相等，相位相差90°信号时的方向图。

附图标记：1-天线罩，2-金属板，3-基座，4-平面倒F天线，5-无源金属体，6-中心加载平面倒F天线，7-无源金属去耦模块，8-圆形金属片，9-金属柱，10-平面倒F天线的金属辐射平面，11-中心加载平面倒F天线的金属辐射平面，12-同轴TNC接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本发明中心加载体为无源金属体的阵列天线结构示意图，小型平面倒F加载阵列天线，包括天线罩1、金属板2和基座3，金属板2紧贴在基座3上表面，天线罩1固定在基座3上，还包括四个平面倒F天线4、中心加载体和四个无源金属去耦模块7；其中，四个平面倒F天线4均匀排布在金属板2上表面构成方形平面倒F天线阵列，中心加载体位于方形平面倒F天线阵列中心且与金属板3上表面连接，四个无源金属去耦模块7固定在金属板2上且均匀排布在四个平面倒F天线4之间。中心加载体为无源金属体5，无源金属去耦模块7为铜柱，可以削弱天线间的耦合。

如图1所示，金属板2可为方形金属板，大小为120mm*120mm，平面倒F天线4包括金属辐射平面、短路柱和馈电柱，金属辐射平面为椭圆结构，辐射平面中心到金属板中心水平距离为47.5mm，并且椭圆辐射平面的长轴和短轴均垂直于金属板边，四个平面倒F天线4关于方形金属板各边的中线均对称，构成方形平面倒F天线阵列，中心加载体位于方形平面倒F天线阵列中心且与金属板3上表面连接，四个无源金属去耦模块7均匀排布在四个平面倒F天线4之间且与金属板2上表面相连，无源金属去耦模块中心与方形金属板中心的水平距离为67.88mm,并且总有一条穿过无源金属去耦模块7表面圆直径的直线与方形金属板上表面对角线平行，四个无源金属去耦模块7之间关于方形金属板上表面对角线对称。中心加载体为无源金属体5。无源金属去耦模块7为铜柱，可以削弱天线间的耦合。

图2是本发明中心加载体为中心加载平面倒F天线的阵列天线结构示意图，中心加载体为中心加载平面倒F天线6。

图3是平面倒F天线的金属辐射平面为椭圆形的平面示意图，图4是平面倒F天线的金属辐射平面为圆形的平面示意图，图5是平面倒F天线的金属辐射平面为矩形的平面示意图，图6是平面倒F天线的金属辐射平面为矩形与梯形组成的平面示意图，图7是平面倒F天线的金属辐射平面为斜拉顶板方式的的平面示意图。平面倒F天线包括金属辐射平面，短路柱和馈电柱，这五幅图均为平面倒F天线的金属辐射平面10为椭圆形或圆形或矩形或矩形与梯形的组合。

图8是中心加载体为无源金属体平面示意图，无源金属体5包括圆形金属片8和金属柱9，圆形金属片8设置于金属柱9上，金属柱9与金属板2上表面连接。图9是中心加载体为中心加载平面倒F天线平面示意图，中心加载平面倒F天线6包括金属辐射平面、短路柱、馈电柱，中心加载平面倒F天线的金属辐射平面11为曲线构成的四边形。

金属板2为铜板；基座3为铝基座，可减轻天线重量。天线罩1采用环氧玻璃钢天线罩，环氧玻璃钢的天线罩紧贴方形平面倒F天线阵列有效减少平面倒F天线金属辐射平面10的大小并降低了天线的整体高度。

图10为四个TNC接头中的一个作为馈电端口，其余3个TNC接头连接50Ω负载的驻波比曲线图。图11为同时给四个TNC接头馈入幅度相等，相位相差90°信号时的驻波比曲线图。图12为四个TNC接头中的一个作为馈电端口，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图：(a)为给0°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(b)为给90°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(c)为给180°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图，(d)为给270°方向的TNC接头馈电，其余3个TNC接头连接50Ω负载的方向图。图13为同时给四个TNC接头馈入幅度相等，相位相差90°信号时的方向图。本发明均能在较宽的频带范围内实现天线的定向/全向的切换。

本发明采用四个同轴TNC接头12穿过基座3并且分别与四个平面倒F天线4的馈电柱连接，当通过任意一个TNC接头12给平面倒F天线4馈电柱馈电，其它端口连接50Ω负载时，可以实现天线90°波束定向扫描，当同时给四个平面倒F天线4馈入幅度相等但相位相差90°的信号时，天线可以实现360°全向波束扫描；本发明天线采用如图2所示的使用中心加载平面倒F天线6方式也能实现定向和全向的切换，该中心加载平面倒F天线6包括四边均为曲线的金属辐射平面、短路柱、馈电柱，当给四周任意一个平面倒F天线4馈电时可以实现天线90°波束扫描，此时中心加载体相当于无源金属体5所起的功能，可增加天线带宽，当单独给中心加载平面倒F天线10馈电时可以实现全向360°波束扫描。本发明均能在较宽的带宽范围内实现天线的定向/全向的切换。

具体实现方式可分为以下几步：第一步，将四个平面倒F天线4的短路柱底部、中心加载体，四个无源金属去耦模块7底部打上螺纹孔，然后用螺丝固定于金属板2上；第二步，将金属板2放置于基座3上，基座3打孔方便第一步中的螺丝沉入孔中，保证基座3与金属板2间不留缝隙，在金属板2及基座3四周打孔，并用螺钉固定；第三步，将四个同轴TNC接头12穿过底部打孔的基座3，与平面倒F天线4的馈电柱相连接，并将同轴TNC接头12四周加螺钉固定在金属板2上；第四步，将天线罩1用螺钉固定在基座3上。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能为此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.小型平面倒F加载阵列天线，包括天线罩、金属板和基座，金属板紧贴在基座上表面，天线罩固定在基座上，其特征在于，还包括四个平面倒F天线、中心加载体和四个无源金属去耦模块；

其中，四个平面倒F天线均匀排布在金属板上表面构成方形平面倒F天线阵列，中心加载体位于方形平面倒F天线阵列中心且与金属板上表面连接，四个无源金属去耦模块均匀排布在四个平面倒F天线之间并与金属板上表面连接；

所述中心加载体为无源金属体，以展宽天线带宽。

2.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述无源金属体包括圆形金属片和金属柱，圆形金属片设置于金属柱上，金属柱与金属板上表面连接。

3.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述中心加载体为中心加载平面倒F天线。

4.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述无源金属去耦模块为铜柱。

5.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述金属板为铜板，基座为铝基座。

6.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述天线罩采用环氧玻璃钢天线罩。

7.根据权利要求1所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述平面倒F天线的金属辐射平面为椭圆形或圆形或矩形或矩形与梯形的组合。

8.根据权利要求3所述的小型平面倒F加载阵列天线，其特征在于，所述中心加载平面倒F天线的金属辐射平面为曲线构成的四边形。