CN116014456A - 一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵 - Google Patents

Abstract

一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，包括：倒F天线、弹箭舱体、整流块、射频电缆和发射机；多支倒F天线关于弹箭舱体中心轴周向均布，倒F天线固定安装在弹箭舱体的外壁上；倒F天线通过射频电缆连接发射机；每支倒F天线的头部上方设置有整流块；整流块固定安装在弹箭舱体的外壁上；整流块用于导流，使得倒F天线上不会出现气动加热的驻点。本发明优化箭体轴线方向的增益凹陷，通过在天线前方安装整流块实现天线的气动热与力防护，通过整流块的安装螺钉，产生电磁谐振和感应电流，实现电磁波的二次辐射和反射引向作用。

Description

一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵

技术领域

本发明设计一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，用于实现弹箭飞行时遥测信号后方覆盖，以保证遥测链路的稳定可靠，确保遥测数据的可靠接收。

背景技术

遥测是对被测量对象的参数进行远距离测量的一种技术，在导弹及火箭的设计和试验中至关重要，遥测发射天线的作用是将高频电流变换成电磁波，向规定的方向辐射出去，是弹箭遥测系统的关键部件之一。

在弹箭试验飞行过程中，遥测发射天线的方向图对遥测数据的接收非常重要。一般的弹箭遥测天线采用微带天线实现，环状微带天线通常安装在头罩内或嵌入舱体壁面，头罩内安装会占用载荷的安装空间并需要使用透波头罩，增加了头罩加工设计复杂度及成本；在舱壁上内嵌安装微带天线，会带来箭体结构强度的减弱和加工复杂度增加；并且由于微带天线的极化方式相对于箭体表面为水平极化，在沿金属弹体表面方向水平极化波衰减很快，导致弹箭轴线后部出现无法弥补的增益凹陷，该凹陷对遥测数据的接收布站数量及位置提出了更高的要求，增加了发射任务遥测数据接收的成本及复杂度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种弹箭遥测天线阵，基于螺钉电磁耦合及馈电相位差，实现了天线方向图的定向优化调整，提高了遥测数据获取的可靠性，降低了布站要求及成本。

本发明的技术解决方案是：

一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，包括：倒F天线、弹箭舱体、整流块、射频电缆和发射机；

多支倒F天线关于弹箭舱体中心轴周向均布，倒F天线固定安装在弹箭舱体的外壁上；倒F天线通过射频电缆连接发射机；

每支倒F天线的头部上方设置有整流块；整流块固定安装在弹箭舱体的外壁上；整流块用于导流，使得倒F天线上不会出现气动加热的驻点。

优选地，不同射频电缆的长度差满足对应倒F天线的馈电相位差要求。

优选地，支倒F天线的个数由辐射方向图仿真结果确定。

优选地，整流块的安装位置、结构和材料根据气动防热要求和辐射方向图仿真结果确定。

优选地，整流块为半圆锥结构，半圆锥结构的轴线与弹箭舱体的轴线平行，半圆锥结构的顶角朝向弹箭舱体的头部；

半圆锥结构的两侧分别去除部分结构，形成两个斜切平面。

优选地，整流块的材料为环氧玻璃布层压板材料。

优选地，倒F天线包括：辐射体、底板和馈电连接器；

底板用于固定辐射体与馈电连接器，并将辐射体固定在弹箭舱体的外壁上；

馈电连接器一头连接射频电缆，另一头内芯与辐射体相连接。

优选地，辐射体的头部加工有斜坡面，斜坡面朝向弹箭舱体的头部。

优选地，不同馈电连接器的轴线共面，且轴线所在平面与弹箭舱体的轴线垂直。

优选地，整流块通过固定螺钉固定安装在弹箭舱体的外壁上，固定螺钉作为引向单元，耦合出感应电流，作为引向或反射振子，实现天线辐射方向图的控制。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1)本发明采用倒F天线形式，天线结构简单，成本低，倒F天线安装面小，不用在舱体上开窗及进行共形设计，安装位置要求较低。倒F天线存在垂直箭体表面电场，可通过馈电相位差，消除方向图轴向凹陷。

2)本发明通过导流块的设计，可极大的增加天线系统的耐温性能，通过导流块固定螺钉的设计，可灵活调节方向图前后变化，导流块介质材料作用使得导流块内电磁波波长变短，减小了螺钉的谐振所需长度。

3)本发明通过电缆长度差实现馈电相位差，减少了功分器设计复杂度。

附图说明

图1为本发明弹箭遥测天线阵组成结构图。

图2(a)为方位角为0度时子午面天线辐射方向图。

图2(b)为方位角为90度时子午面天线辐射方向图。

具体实施方式

本设计采用多只倒F天线1构成，均匀布置在箭体表面，通过各个倒F天线1和发射机之间长度不同的射频电缆实现各个倒F天线1之间的馈电相位差调整，优化箭体轴线方向的增益凹陷，通过在天线前方安装整流块实现天线的气动热与力防护，通过整流块的安装螺钉，产生电磁谐振和感应电流，实现电磁波的二次辐射和反射引向作用，优化调整天线辐射前后比例，增强后方增益。主要适用于弹箭发射飞行过程中遥测数据的可靠接收。

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明由倒F天线1、弹箭舱体2、整流块3、固定螺钉4、射频电缆5和发射机6组成。多支倒F天线1关于弹箭舱体中心轴周向均布，倒F天线1固定安装在弹箭舱体2的外壁上；倒F天线1通过射频电缆5连接发射机6；每支倒F天线1的头部上方设置有整流块3；整流块3固定安装在弹箭舱体2的外壁上；整流块3用于导流，使得倒F天线1上不会出现气动加热的驻点。

不同射频电缆5的长度差满足对应倒F天线1的馈电相位差要求。支倒F天线1的个数由辐射方向图仿真结果确定。整流块3的安装位置、结构和材料根据气动防热要求和辐射方向图仿真结果确定。

整流块3为半圆锥结构，半圆锥结构的轴线与弹箭舱体2的轴线平行，半圆锥结构的顶角朝向弹箭舱体2的头部；半圆锥结构的两侧分别去除部分结构，形成两个斜切平面。整流块3的材料为环氧玻璃布层压板材料。

倒F天线1包括：辐射体11、底板12和馈电连接器13；底板12用于固定辐射体11与馈电连接器13，并将辐射体11固定在弹箭舱体2的外壁上；馈电连接器13一头连接射频电缆5，另一头内芯与辐射体11相连接。辐射体11的头部加工有斜坡面，斜坡面朝向弹箭舱体2的头部。

不同馈电连接器13的轴线共面，且轴线所在平面与弹箭舱体2的轴线垂直。

实施例

由两支倒F天线1，两根射频电缆，天线隔热块及隔热块安装螺钉组成。中心频率2250.5MHz，在实施例中，两个馈电连接器13关于弹箭舱体中心轴对称，两个馈电连接器13的轴线同轴，坐标系原点位于弹箭舱体2的轴线和馈电连接器13的轴线交点，Z轴指向弹箭头部方向，Y轴与X、Z轴正交构成右手直角坐标系。弹箭舱体直径为300mm，根据舱体尺寸确定遥测天线个数，本实例中倒F天线1数量为两个，所述倒F天线1由辐射体11、底板12和馈电连接器13组成，底板12用于固定辐射体11与馈电连接器13，并将天线固定在弹箭舱体2表面，馈电连接器13一头连接射频电缆5，另一头内芯与辐射体11相连接。倒F天线1尺寸结构由天线仿真计算优化得到，主要考虑天线的阻抗匹配。

将两个倒F天线1分别按照头部斜坡朝向弹箭头部方向，尾部开口朝向弹箭尾部方向的方式镜像对称安装于弹箭舱体2的两侧。倒F天线1的连接器通过弹箭舱体2上的孔位伸入弹箭舱体2的舱内位置，在两个倒F天线1前部根据气动防热要求和辐射方向图仿真结果等条件，布置半锥形整流块3，在本实例中整流块形状为一具有两个斜切平面，半圆锥高40mm，底面半径25mm的半圆锥形，为环氧玻璃布层压板材料，介电常数4.3，损耗角正切0.019具有透波性能，距离整流块底面9mm位置有一安装孔，通过整流块中的安装孔，使用规格为M4的整流块固定4将整流块3固定在弹箭舱体上，固定螺钉4的安装位置和高于弹箭舱体表面的高度需满足仿真计算要求，在本示例中，固定螺钉4和天线馈电连接器13轴间距为44mm，螺钉长度为14mm(3+11mm)。使用两根长度不一样的射频电缆将发射机6的两个射频输出接口和两个倒F天线1的射频接口连接起来，两根射频电缆的长度差需要满足两个倒F天线1的馈电相位差要求，本实例馈电相位差要求为180度，对于介质材料介电常数为2.1的同轴线，在中心频率为2.3GHz时，其相位速度约为14.32mm/rad，对应180度相位，经过仿真计算(带入连接器模型)修正，两根射频电缆长度相差约45mm。

采用ANSYS HFSS电磁仿真软件对本发明基于螺钉电磁耦合及馈电相位差的弹箭遥测天线阵进行全波仿真，同时作为对比，对去掉整流块及螺钉，并取消馈电相位差的天线阵进行全波仿真，得到本发明基于螺钉电磁耦合及馈电相位差的弹箭遥测天线阵和作为对比的天线阵的远场辐射方向图如图2所示。

从图2(a)可以看出，在2.3GHz的工作频率下，实线代表本发明天线阵方位角Phi＝0deg子午面的增益随俯仰角的变化，Theta＝0deg为弹箭头部方向，Theta＝180deg为弹箭尾部方向，在弹箭尾部最小增益为-6.7dBi，最大增益为7.3dBi，增益大于-8dBi的角度范围为180deg。虚线代表作为对比的无整流块及螺钉，取消馈电相位差的天线阵方位角Phi＝0deg子午面的增益随俯仰角的变化，弹箭尾部最小增益为-27.9dBi，最大增益为4.5dBi，增益大于-8dBi的角度范围为176deg。

从图2(b)可以看出，在2.3GHz的工作频率下，实线代表本发明天线阵方位角Phi＝90deg子午面的增益随俯仰角的变化，Theta＝0deg为弹箭头部方向，Theta＝180deg为弹箭尾部方向，在弹箭尾部最小增益为1.6dBi，最大增益为6.4dBi，增益大于-8dBi的角度范围为180deg。虚线代表作为对比的无整流块及螺钉，取消馈电相位差的天线阵方位角Phi＝90deg子午面的增益随俯仰角的变化，弹箭尾部最小增益为-27.9dBi，最大增益为-4.5dBi，增益大于-8dBi的角度范围为90deg。

均匀布置在箭体表面，通过各个倒F天线1和发射机之间长度不同的射频电缆实现各个倒F天线1之间的馈电相位差调整，优化箭体轴线方向的增益凹陷，通过在天线前方安装整流块实现天线的气动热与力防护，通过整流块的安装螺钉，产生电磁谐振和感应电流，实现电磁波的二次辐射和反射引向作用，优化调整天线辐射前后比例，增强后方增益。主要适用于弹箭发射飞行过程中遥测数据的可靠接收。

本发明的技术解决问题是：设计弹箭遥测天线阵实现天线方向图的尾部良好覆盖。

该装置工作过程如下，遥测发射机经过功分器将加载数据信息的遥测信号通过功分器分成两路等副同相遥测射频信号，通过长度相差半个等效波长的射频电缆，实现遥测信号的180度反向馈电，将两路反向馈电信号输出给两个倒F天线1，倒F天线1前面的隔热透波锥形块用于导流，使得天线上不会出现气动加热的驻点，大大降低了天线上的温度，固定整流块3的固定螺钉4，作为引向单元，耦合出感应电流，作为引向或反射振子，实现天线辐射方向图的控制。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，包括：倒F天线(1)、弹箭舱体(2)、整流块(3)、射频电缆(5)和发射机(6)；

多支倒F天线(1)关于弹箭舱体中心轴周向均布，倒F天线(1)固定安装在弹箭舱体(2)的外壁上；倒F天线(1)通过射频电缆(5)连接发射机(6)；

每支倒F天线(1)的头部上方设置有整流块(3)；整流块(3)固定安装在弹箭舱体(2)的外壁上；整流块(3)用于导流，使得倒F天线(1)上不会出现气动加热的驻点。

2.根据权利要求1所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，不同射频电缆(5)的长度差满足对应倒F天线(1)的馈电相位差要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，支倒F天线(1)的个数由辐射方向图仿真结果确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，整流块(3)的安装位置、结构和材料根据气动防热要求和辐射方向图仿真结果确定。

5.根据权利要求4所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，整流块(3)为半圆锥结构，半圆锥结构的轴线与弹箭舱体(2)的轴线平行，半圆锥结构的顶角朝向弹箭舱体(2)的头部；

半圆锥结构的两侧分别去除部分结构，形成两个斜切平面。

6.根据权利要求4所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，整流块(3)的材料为环氧玻璃布层压板材料。

7.根据权利要求1～6任意之一所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，倒F天线(1)包括：辐射体(11)、底板(12)和馈电连接器(13)；

底板(12)用于固定辐射体(11)与馈电连接器(13)，并将辐射体(11)固定在弹箭舱体(2)的外壁上；

馈电连接器(13)一头连接射频电缆(5)，另一头内芯与辐射体(11)相连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，辐射体(11)的头部加工有斜坡面，斜坡面朝向弹箭舱体(2)的头部。

9.根据权利要求7所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，不同馈电连接器(13)的轴线共面，且轴线所在平面与弹箭舱体(2)的轴线垂直。

10.根据权利要求7所述的一种基于馈电相位差和螺钉耦合的弹箭遥测天线阵，其特征在于，整流块(3)通过固定螺钉(4)固定安装在弹箭舱体(2)的外壁上，固定螺钉(4)作为引向单元，耦合出感应电流，作为引向或反射振子，实现天线辐射方向图的控制。

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