CN114024133B - 一种新型偶极天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型偶极天线，包括：馈源以及均为线性状导体的第一主辐射体、第二主辐射体、第一寄生辐射体、第二寄生辐射体；第一主辐射体通过馈源与第二主辐射体连接；第一寄生辐射体与第一主辐射体连接；第二寄生辐射体与第二主辐射体连接。本发明通过引入第一寄生辐射体和第二寄生辐射体的“类V型”散状多段式天线结构设计，从而克服了传统线性状鞭天线在水面上倾斜时的信号全向性不足的缺陷，使得该新型偶极天线可在水面极为动荡的情形下仍旧保持较大的信号全向性及增益，提升了信息传输的可靠性。

Description

一种新型偶极天线

技术领域

本发明涉及水面无人艇天线短波通信技术领域，尤其涉及一种新型偶极天线。

背景技术

水面无人艇通常用来执行水面任务，利用顶部搭载的鞭天线对近距离海上及空中目标进行收发信息。由于艇体体积小、质量轻，其搭载天线的高度受到极大限制，常采用超短波波段进行通信。传统的鞭天线成本较低、便于制作，且在海面上直立状态下有良好的全向性，能够保证良好的通信效果。

但因海水是一种优良导体，对高频的电磁波有很好的屏蔽性能，如此一来，传统鞭天线在受到海水流动影响产生倾斜时，距离海面较近的天线一侧所辐射出的电磁波将被海水大量吸收（如图1所示），从而导致收信目标无法全面地接收信号、获取信息，其信息传输的可靠性有待提高。

发明内容

针对背景技术中提到的现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供一种新型偶极天线，用于解决传统线性状鞭天线在水面上倾斜时的信号全向性不足的技术问题。

本发明提供一种新型偶极天线，包括：馈源以及均为线性状导体的第一主辐射体、第二主辐射体、第一寄生辐射体和第二寄生辐射体；

所述第一主辐射体通过所述馈源与所述第二主辐射体连接；

所述第一寄生辐射体与所述第一主辐射体连接；

所述第二寄生辐射体与所述第二主辐射体连接。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第一主辐射体、所述第二主辐射体、所述第一寄生辐射体和所述第二寄生辐射体各自的线长度之和为所述的新型偶极天线所辐射的电磁波的半波长。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第一寄生辐射体与所述第一主辐射体活动连接。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第二寄生辐射体与所述第二主辐射体活动连接。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第一寄生辐射体与所述第一主辐射体的线长度之和等于所述第二寄生辐射体与所述第二主辐射体的线长度之和，且所述第一主辐射体、所述第二主辐射体、所述第一寄生辐射体和所述第二寄生辐射体的横截面的大小和形状均一致。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述横截面的形状为圆形。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第一主辐射体和所述第二主辐射体的线长度相等。

根据本发明提供的新型偶极天线，所述第一主辐射体、所述第二主辐射体、所述第一寄生辐射体和所述第二寄生辐射体中的一个或多个是可伸缩的线性状导体。

本发明通过引入第一寄生辐射体和第二寄生辐射体的“类V型”散状多段式天线结构设计，从而克服了传统线性状鞭天线在水面上倾斜时的信号全向性不足的缺陷，使得该新型偶极天线可在水面极为动荡的情形下仍旧保持较大的信号全向性及增益，提升了信息传输的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是现有技术中水面无人艇搭载传统鞭天线在波动海面的工作状态示意图；

图2是本发明实施例提供的新型偶极天线的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线的主辐射体对远场某点的辐射示意图；

图5是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线的寄生辐射体对远场某点的辐射示意图；

图6是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线相对海平面倾斜Φ度的状态示意图；

图7是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线相对海平面倾斜Φ度的状态等效图；

图8是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线与传统鞭天线在相对海平面呈竖直状态时的信号辐射方向图对比；

图9是本发明实施例提供的圆柱型对称状新型偶极天线与传统鞭天线在相对海平面倾斜30^o角时的信号辐射方向图对比；

附图标记：

图2中，1为第一主辐射体，2为第二主辐射体，3为第一寄生辐射体，4为第二寄生辐射体，5为馈源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供一种新型偶极天线，包括：馈源5以及均为线性状导体的第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4。

第一主辐射体1通过馈源5与第二主辐射体2连接。

第一寄生辐射体3与第一主辐射体1连接。

第二寄生辐射体4与第二主辐射体2连接。

馈源是抛物面天线、卡塞格伦天线的基本组成部分，是高增益天线的初级辐射器。它的作用是将来自馈线的射频功率以电磁波的形式向反射面或透镜等辐射，使其在口径上产生合适的场分布，以形成所需的锐波束或赋形波束；同时使由反射面或透镜等边缘向外漏溢的功率尽量小，以期实现尽可能高的增益。

线性状导体即为导体呈线性棍状的分布，使其看起来像一根棍子。这些线性状导体的横截面的形状和大小可都不相同，长度也可各不相同，线性状导体间的连接关系可为相对位置固定死的固定连接，也可为相对位置没固定死的活动连接（例如第一寄生辐射体3和第一主辐射体1轴连接，通过天线的控制系统实现沿轴的转向）。

通过以上的增加寄生辐射体的“类V型”散状多段式天线结构设计，即便在新型偶极天线的一侧（例如第二主辐射体2和第二寄生辐射体4的这一侧）因水面剧烈波动而完全浸入水中时，天线的另一侧（第一主辐射体1和第一寄生辐射体3的这一侧）就会翘起于水面之上，继续向各个方向辐射电磁波，从而克服了传统鞭天线的辐射盲区问题。

为了尽可能地减少因天线导体自身尺寸带来的诸种不良影响，优选的，第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4越细越好。

优选的，第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4各自的线长度l ₁、l ₂、l ₃、l ₄之和等于新型偶极天线所辐射的电磁波的半波长（λ/2）。

优选的，第一寄生辐射体3与第一主辐射体1活动连接，第二寄生辐射体4与第二主辐射体2的连接方式可为固定连接或者活动连接。

更优选的，第一寄生辐射体3与第一主辐射体1活动连接且第二寄生辐射体4与第二主辐射体2活动连接。

寄生辐射体和主辐射体的活动连接可保证在需要的情况下可改变它们的相对位置来实现。

出于工程制造上的方便以及物理平衡性的考量，优选的，第一寄生辐射体3与第一主辐射体1的线长度之和等于第二寄生辐射体4与第二主辐射体2的线长度之和，且第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4的横截面的大小和形状均一致。

天线导体横截面的形状可为方形、三角形、椭圆形或者圆形等，形状不限，均可解决前述所提到的技术问题。出于工程制造上的方便，优选的，天线导体横截面的形状为圆形。

优选的，第一主辐射体1和第二主辐射体2的线长度相等，第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4的线长度相等。此完全对称的设计可使天线辐射的信号更加稳定。

优选的，第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4中的一个或多个是可伸缩的线性状导体。如此一来，辐射体的总体线长度（第一主辐射体1、第二主辐射体2、第一寄生辐射体3和第二寄生辐射体4各自的线长度l ₁、l ₂、l ₃、l ₄之和）就可根据实际需要而调节。当需要辐射某一频率的甚高频电磁波时，只需要将辐射体的总体线长度调整到该频率电磁波的波长的一半即可，从而避免了针对辐射某一频率的甚高频电磁波而单独制造一套对应的新型偶极天线的繁琐。

结合近距离海上通信的现实需求，设计出的甚高频频段的新型偶极天线，为水面无人艇在复杂海况下实现单点通信提供现实基础，同时也为应用于高海况下的海空通信提供参考依据。甚高频频段通信不仅保证了海上无线通信的速率，同时使得收信目标能获得较好的信噪比，甚高频频段的频率范围为30 MHz -300 MHz，结合水面无人艇搭载鞭天线不宜超出2 m，下文选取75 MHz（鞭天线谐振长度为1 m），对该新型偶极天线的设计结构与辐射性能进行验证。

图3中新型偶极天线的总长度为λ/2，主辐射体天线单边的物理长度为l ₁＝l ₂，第一主辐射体和第二主辐射体的夹角为α，以左侧单天线为例，可以算得第一寄生辐射体长度l ₃为λ/4－l ₁。将新型偶极天线节点进行编号，如图3所示，将馈源点标为O，主辐射体与寄生辐射体的交点分别标为A、B，将新型偶极天线分为四段。四段天线分别对远场某一点P（r,θ,φ）的场强有一定影响，故求解新型偶极天线参数需要分别求得四段天线在远场辐射的叠加场强，从而确定天线各部分的长度、主辐射体间的夹角α等参数指标。

1、场强计算

在不考虑海浪影响的情况下，计算天线各部分在远场的叠加场强，由于该天线为对称结构，O点的电流为I（O），且在天线上任意一点，I _max= I（O），节点A、B两点的电流可以近似表示为：

其中k＝2π/λ为相移常数。可先求解单边天线参数，采用类比求解出总天线参数。采用微元法将天线分为无限多电流元，建立极坐标系，对于电基本振子，其远场区表达式为：

如图4所示，对于不同角度的天线，其基于的坐标系也不同，所以需要进行坐标系转换。取新型偶极天线的左侧中心点m，右侧中心点n，其相应的极坐标为

第一主辐射体1、第二主辐射体2与远场某点P和原点连线的夹角分别为β、γ，得到远场点P与两天线中点之间的距离为：

根据余弦定理，可以求得夹角：

可以将两段天线看作两个不同方向的对称阵子的一部分，在该天线振子上距O点取电流元段dz，将其分别在长度l ₁、l ₂上进行积分，计算得出它对远场点P的贡献为：

可以发现，若此时进行场强叠加，两段天线在一些项里可以相互抵消，但这里必须进行分开处理，因为当考虑到海浪因素的时候，高海况对两部分天线的影响是不同的。

寄生辐射体可看作是一根天线中的一部分，可直接利用电基本振子的公式来计算，其等效图如图5所示。

等效对称阵子与坐标系横轴平行，且天线尺寸很小，对于远场一点P（r,θ,φ），可以直接用θ表示与纵轴的夹角，两个寄生辐射体对远场某点P的合场强为：

可得出，在不受海浪影响的条件下，竖直放置的新型偶极振子在远场点P的总辐射场强为：

需要注意，在有海浪影响时，需要扣除海浪吸收的能量项，才能再进行辐射场的叠加。

2、倾斜状态下的辐射性能

在波动海水表面工作时的水面无人艇常常会产生倾斜，此时，如果倾斜角度过大，对于传统鞭天线来说，通信盲区是无法确定的，考虑到要求接收目标能接收到尽量大的辐射场强，既要保证新型偶极天线的全向性，也要保证其倾斜时在各个方向仍有较大的增益。

图6为天线受海水影响倾斜Φ角度时的状态，为了避免复杂的坐标变换，可以等效为图7的天线状态，求出远场辐射场强之后，沿天线所在平面旋转Φ度即可得到新型偶极天线的方向图。

3、仿真验证

利用FEKO电磁仿真软件进行仿真验证，建立海面上新型偶极天线模型，使用矩量法对天线的电气特性进行求解。假设主辐射体间的夹角α＝60^o，两臂长l ₁＝l ₂＝0.5 m，天线直径为1 cm，为了避免海水对天线电流的影响，在天线外包裹一层聚乙烯进行绝缘。

考虑到新型偶极天线在实际工作工程中，常常很难保持竖直，多是在倾斜一定的角度下进行工作。为了保证天线不仅能够在海上通信，同样实现近距离对空通信，选取θ＝30^o，对比新型偶极天线与传统鞭天线竖直状态及倾斜30^o状态增益与方向图，仿真结果如图8、9所示。

通过新型偶极天线与传统鞭天线信号辐射方向图对比，可以发现，新型偶极天线具有很好的全向性，并且拥有较稳定的增益，解决了传统鞭天线的辐射盲区问题。

以上对提出的新型偶极天线的结构进行了电气特性计算，验证了新型偶极天线的理论适用性，并得到其在各方向的辐射性能参数；基于新型偶极天线的结构，在电磁仿真软件FEKO中建立海面天线辐射模型，对甚高频天线的增益、方向图、反射系数等进行了仿真验证，并对新型偶极天线与传统鞭天线在竖直、倾斜情况下进行了仿真验证。验证结果表明，新型偶极天线很好地解决了传统鞭天线的辐射盲区问题，具有较好的全向性与较高的增益，并且这种优越性随着天线受到海浪影响倾斜角度的增加而不断增加；验证结果表明，新型偶极天线是一种高效、稳定且具有全向性的天线结构，为水面无人艇海-海、海-空近距离通信提供了新型、全向且较高增益的天线形式，并且为新型偶极天线在高海况下的水面通信提供了理论支撑。

注意，以上所述仅为本发明的一些较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这些所述的特定实施例，对本领域技术人员来说在本发明的精神和原则之内能够进行的各种明显的修改、重新调整、等同替代亦或改进等均应包含在本发明的保护范围之内。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效的实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种水面无人艇用的全向偶极天线，其特征在于，包括：馈源（5）以及均为线性杆状导体的第一主辐射体（1）、第二主辐射体（2）、第一寄生辐射体（3）和第二寄生辐射体（4）；

所述第一主辐射体（1）通过所述馈源（5）与所述第二主辐射体（2）连接；且所述第一主辐射体（1）与所述第二主辐射体（2）间的夹角范围为（0°，180°）；

所述第一寄生辐射体（3）与所述第一主辐射体（1）为可调角度的活动连接；

所述第二寄生辐射体（4）与所述第二主辐射体（2）为可调角度的活动连接。

2.根据权利要求1所述的全向偶极天线，其特征在于，所述第一主辐射体（1）、所述第二主辐射体（2）、所述第一寄生辐射体（3）和所述第二寄生辐射体（4）各自的线长度之和为所述的全向偶极天线所辐射的电磁波的半波长。

3.根据权利要求2所述的全向偶极天线，其特征在于，所述第一寄生辐射体（3）与所述第一主辐射体（1）的线长度之和等于所述第二寄生辐射体（4）与所述第二主辐射体（2）的线长度之和，且所述第一主辐射体（1）、所述第二主辐射体（2）、所述第一寄生辐射体（3）和所述第二寄生辐射体（4）的横截面的大小和形状均一致。

4.根据权利要求3所述的全向偶极天线，其特征在于，所述横截面的形状为圆形。

5.根据权利要求3所述的全向偶极天线，其特征在于，所述第一主辐射体（1）和所述第二主辐射体（2）的线长度相等。

6.根据权利要求2所述的全向偶极天线，其特征在于，所述第一主辐射体（1）、所述第二主辐射体（2）、所述第一寄生辐射体（3）和所述第二寄生辐射体（4）中的一个或多个是可伸缩的线性杆状。

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