一种C波段宽带内埋全向天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种C波段宽带内埋全向天线，其结构稳定可靠、可以全部嵌入飞行器表面或者车辆顶部不突出表面、性能良好，主要使用方向为民用及军用通信系统。

背景技术

在无线电通信系统中，天线是不可或缺的重要组件，其将自由空间的无线电波与波导电磁波之间进行相互转换，从而在发射系统中实现自由空间和导波设备之间的过渡，因此，在任何无线电系统中，天线都占据着重要角色，一旦离开承担发射电磁波和接受功能的天线，无线电通信系统将无法继续工作。

微波全向天线较多地应用于一点多址通信中，广泛地应用于军事、航天、遥控、遥测领域。随着科学技术的发展，飞行器及车辆等载体的运行速度越来越快，配套使用的全向天线也由原来的突出式向共形与隐身、内埋方向发展。飞行器及车辆等载体配套的天线不仅要满足系统的电性能，并应具有较高的可靠性，不增加气动阻力，其电性能在受到砂尘、盐雾潮湿等条件下性能不会下降，要求天线重量轻、尺寸小、低剖面。

在较低的频段中，微波全向天线主要有螺旋天线、交叉馈电式天线、波导缝隙天线；而随着现代通信技术的发展，通信频率向更高的波段发展已是必然趋势，在C波段(3.95～5.85GHz)或更高的频段，波长很短，以上提到的天线由于结构复杂，导致加工费用高，调试困难，并且馈电结构也难于设计，使得天线的带宽较窄；同时这些类型的天线高度均超过半波长或者四分之一波长，天线高度太大导致其占用的体积空间较大，并且天线RCS(雷达散射截面)也较大，对各类载体平台的电磁隐身特性也带来较大的影响。

参照图1所示，传统全向天线采用盘锥天线，盘锥天线包括盘锥天线导体圆盘1和盘锥天线导体圆锥2。

综合来看，传统的全向天线主要存在以下技术问题：

(1)天线不能嵌入到飞行器或者车辆外壳内部，尺寸大、易损坏。传统的全向天线虽然安装简便，但是天线需要完全突出到飞行器或者车辆载体外部，结构非常不稳定，当载体速度较快或者所处环境风速较大时，天线阻力较大，极易折断，在天线制作、安装、运输以及隐蔽等方面都有许多不便，不适用于环境复杂的特殊应用场合，对于军用天线，过高的天线结构更会降低载体的机动作战能力。

(2)天线需要匹配电路或者元器件加载，损耗大，成本高。为了适应全向天线的宽带需求，传统天线采用了增加匹配网络、添加负载等方式来改进其窄频特性，这些措施虽然展宽了天线频带，但是却使得天线的结构复杂化，并且带来了较多的损耗及过高的成本。

考虑到上述情况，有必要为实际C波段民用及军用通信平台开发一种宽带内埋全向天线形式，提供比现有的天线设计更理想的电磁特性及结构特性。

内埋天线是一种特殊的天线形式，它是指天线的外形完全内埋进入载体内部，可以与载体的外表面共形的天线，也就是说天线的表面外形是由载体的气动外形或功能外形所确定的，而不是由天线的电磁外形所确定。一般的通信天线为垂直极化天线，要求水平面具有全向方向图。由于飞行器及车载通信设备使用环境恶劣，车载天线采用内埋式设计，能够确保设备在复杂环境下的可靠性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种C波段宽带内埋全向天线，使其解决传统全向天线不能嵌入到飞行器或者车辆外壳内部，尺寸大、易损坏，需要匹配电路或者元器件加载，损耗大，成本高等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种C波段宽带内埋全向天线，用于发射和接收垂直极化电磁波，其结构简单，整个天线仅由金属黄铜及玻璃钢构成，加工制作容易、重量轻且成本低；天线为内埋式结构，可以完全内埋到飞行器或者车辆内部安装，便于与载体共形，不易损坏，不额外增加设备尺寸；天线圆柱形金属腔体内为一体化的实心圆锥，可以理解为盘锥天线的下半部分，内穿连接器，圆台表面一定距离为金属制圆锥螺旋辐射体，该辐射体顶部与连接器内芯通过焊点连接，连接器与腔体在天线底部通过螺钉螺装，总体结构稳定；该天线匹配容易，可直接用50Ω同轴线馈电，可以满足C波段的飞行器以及车辆通信系统需求；全天线结构简单，没有匹配电路或者元器件加载，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产；天线的辐射场在水平面360度范围内分布均匀，可以实现良好的全向特性。

天线圆柱形金属腔体内为一体化的实心圆锥，可以理解为盘锥天线的下半部分。盘锥天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成的，它可看成有限双锥天线的一个锥由盘形地面取代演变而成的，圆盘与馈电同轴线的内导体相连接，圆锥与同轴线外导体相连接。盘锥天线结构简单，具有良好的宽带特性，垂直线极化，在水平面内全向辐射，且最大辐射方向在水平方向。在本发明的圆柱形金属腔体内，用圆锥螺旋辐射体取代传统盘锥天线顶部的圆盘。螺旋天线以其特性阻抗平缓、端射和边射性能优越等特点广泛应用于航天、气象、定位、中继等诸多领域。本发明采用是节距恒定的小圆锥形螺旋天线，小圆锥螺旋天线工作原理与圆柱螺旋天线相同，但频带更宽。这是由于在某一频率范围内，圆锥螺旋天线主要依靠其某一组线圈工作，其余线圈对辐射的贡献微弱，随着频率的变化，这些对辐射起主要作用的有效线圈沿螺旋轴移动。小圆锥螺旋天线的最大辐射方向是与螺旋线的轴线垂直的，它是由一段金属导线沿着一个圆锥面绕成的圆锥螺旋线，当模螺旋天线的绕线长度与单极子天线高度大约相等时，它具有与单极子天线相近似的电特性，因此本天线极化方式为垂直极化，而不是常见螺旋天线的圆极化方式。

具体地，本发明C波段宽带内埋全向天线由金属圆锥螺旋辐射体、内穿连接器的实心圆锥、圆柱形金属腔体、插入天线结构中的同轴馈电连接器及天线罩构成；金属圆锥螺旋辐射体与同轴连接器内芯焊接连接，金属辐射体选取材料为黄铜；圆柱形金属腔体内部挖空，腔体内部为有一体化加工的实心圆锥，实心圆锥中间有通孔，通孔直径与连接器非金属介质部分直径一致，连接器从圆柱形金属腔体底部自下而上贯穿连接，圆柱形金属腔体边缘的安装板上有通孔，用于其与安装载体及天线罩通过螺钉连接，圆柱形金属腔体选取材料为黄铜；天线罩为圆形介质薄板，通过螺钉旋拧在圆柱形金属腔体边缘的安装板上，使得天线其它结构件及天线罩构成一个整体，天线罩选取材料为玻璃钢，其坚固耐用且透波率好，可以保证通信信号的高效收发；天线采用N型同轴连接器连接馈电，连接器选用陕西华达科技股份有限公司的N-50KFD2，其特殊之处在于伸出的同轴内芯及介质部分均较长(内芯12.6mm，介质部分8.6mm)，它们可以穿过圆柱形金属腔体底部、与圆柱形金属腔体一体化加工的实心圆锥，连接器同轴内芯的顶部与金属圆锥螺旋辐射体焊接连接，连接器的法兰与圆柱形金属腔体底部通过螺钉连接；同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起金属圆锥螺旋辐射体表面电流，从而产生辐射。

本发明由于采用内埋式结构，可以完全内埋到飞行器或者车辆内部安装，便于与载体共形，不易损坏，不额外增加设备尺寸；由于圆柱形金属腔体内采用盘锥天线下半部分实心圆锥的基本结构及金属圆锥螺旋辐射体，使得天线可以接收或发射垂直极化电磁波且带宽较宽，满足天线在C频段的极化及带宽要求；由于整个天线结构的轴对称特性，可以使得天线在水平面360度范围内辐射场均匀分布；由于全天线仅有一个焊点，没有其它粘连装置，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产；此外，本天线使用频率可根据使用需求通过调整天线尺寸等比例变化，整体天线结构及应用场合灵活。

该发明天线具有较低的电压驻波比、较高的增益、较宽的带宽，能够完全内埋到飞行器或者车辆内部安装，不破坏通信设备表面的机械结构和强度，并且具有良好的全向辐射特性，质量轻、结构简单、易于加工、易于安装，对民用及军用通信领域的应用有着重要的意义。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的C波段宽带内埋全向天线，具有以下有益效果：

(1)天线可以完全内埋到飞行器或者车辆内部安装，便于与载体共形，不易损坏，不额外增加设备尺寸；

(2)天线馈电方式简单，易获得阻抗匹配，无需加载，不需匹配电路或平衡转换器，不存在天线与射频电路之间的物理限制；

(3)天线带宽较宽，增益、效率都相对较高，能够保持通信设备高效运转。

附图说明

图1是传统盘锥天线示意图。

图2是本发明天线的剖面图。

图3是本发明天线的俯视图。

图4是本发明天线的仰视图。

图5是本发明天线的驻波比与频率的关系。

图6是本发明天线的水平面方向图。

图中：1.盘锥天线导体圆盘2.盘锥天线导体圆锥

3.金属圆锥螺旋辐射体 4.内穿连接器的实心圆锥

5.圆柱形金属腔体 5.a方形金属腔体边缘的安装板

6.同轴连接器 6.a.同轴连接器外导体

6.b.同轴连接器介质 6.c.同轴连接器内芯

6.d.同轴连接器法兰 7.天线罩

8～15.螺钉 16～19.螺钉

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参见图2、图3、图4所示，本实施例C波段宽带内埋全向天线包括金属圆锥螺旋辐射体3、内穿连接器的实心圆锥4、圆柱形金属腔体5、插入天线结构中的同轴馈电连接器6及天线罩7；实心圆锥4布置在圆柱形金属腔体5中，金属圆锥螺旋辐射体3布置在实心圆锥4外壁上，天线罩7盖设在圆柱形金属腔体5的顶部开口上；同轴馈电连接器6固定在圆柱形金属腔体5底部且穿过实心圆锥4和金属圆锥螺旋辐射体3。

同轴馈电连接器6包括：同轴连接器外导体6.a、同轴连接器介质6.b、同轴连接器内芯6.c、同轴连接器法兰6.d；同轴连接器介质6.b套设在同轴连接器内芯6.c外部，同轴连接器介质6.b穿过实心圆锥4且两者上端齐平，同轴连接器内芯6.c上端伸出同轴连接器介质6.b并与金属圆锥螺旋辐射体3上端焊接连接，同轴连接器外导体6.a套设在同轴连接器介质6.b下端外部，同轴连接器外导体6.a上端设同轴连接器法兰6.d，同轴连接器法兰6.d与圆柱形金属腔体5底部连接。

金属圆锥螺旋辐射体3选取材料为黄铜。

圆柱形金属腔体5内部挖空，腔体内部为有一体化加工的实心圆锥4，实心圆锥4中间有通孔，通孔直径与同轴连接器介质6.b部分直径一致。

同轴连接器6从圆柱形金属腔体5底部自下而上贯穿连接，圆柱形金属腔体5顶部边缘有环形安装板5.a，环形安装板5.a上有通孔，用于与天线安装载体通过螺钉8、10、12、14连接、与天线罩7通过螺钉9、11、13、15连接。

圆柱形金属腔体5选取材料为黄铜。

天线罩7为圆形介质薄板，通过螺钉9、11、13、15旋拧在圆柱形金属腔体5边缘的安装板5.a上，使得天线其它结构件3、4、5、6及天线罩7构成一个整体。

天线罩7选取材料为玻璃钢，其坚固耐用且透波率好，可以保证通信信号的高效收发。

天线采用N型同轴连接器6连接馈电，同轴连接器6选用陕西华达科技股份有限公司的N-50KFD2，其特殊之处在于伸出的同轴内芯6.c及介质6.b部分均较长(内芯12.6mm，介质部分8.6mm)，它们可以穿过圆柱形金属腔体5底部、与圆柱形金属腔体5一体化加工的实心圆锥4，连接器同轴内芯6.c的顶部与金属圆锥螺旋辐射体3焊接连接，连接器的法兰6.d与圆柱形金属腔体5底部通过螺钉16、17、18、19固连。

在本发明中，金属圆锥螺旋辐射体3及圆柱形金属腔体5内一体化加工的实心圆锥4是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波，当发射信号时，同轴连接器6通过连接的同轴电缆输入外接发射机的发射信号，同轴接头输出的能量激起金属圆锥螺旋辐射体3及圆柱形金属腔体5内一体化加工的实心圆锥4的表面电流，从而产生辐射；由于天线整体采用内埋式结构，使得天线可以完全嵌入到车辆内部安装，便于与车身共形，不易损坏；由于圆柱形金属腔体5内采用盘锥天线下半部分导体圆锥2的基本结构(盘锥天线是由一个导体圆盘1和一个导体圆锥2构成)及金属圆锥螺旋辐射体3的基本结构，使得天线可以接收或发射垂直极化电磁波且带宽较宽，满足天线在C频段的极化及带宽要求；由于整个天线结构的轴对称特性，可以使得天线在水平面360度范围内辐射场均匀分布；由于全天线为仅有一个焊点(金属圆锥螺旋辐射体3与同轴连接器内芯6.c焊接连接)，没有其它粘连装置，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产。

图5是本发明天线的驻波比VSWR与频率的关系。驻波比是天线的一个重要性能参数，它反映了被测天线的阻抗特性，也决定了天线的阻抗带宽。参见图5所示，本发明天线的工作频段在C段4.21GHz～5.83GHz，在32.27％的宽频范围内，天线的驻波比均小于2，这说明在该频段内天线可以良好的与50Ω同轴电缆匹配，相比较常规对称振子天线相对带宽不足10％，本发明保证天线具有较宽的阻抗带宽。

图6是本发明天线的水平面辐射方向图。方向图是表征天线辐射特性与空间角度关系的图形。参见图6所示，天线在水平面360度的范围内辐射场均匀全向分布，不圆度小于1dB，能够保持良好的全向辐射特征。

本发明设计的天线除工作在C频段外，可根据需要等比缩短或扩大金属制圆锥螺旋辐射体3、圆柱形金属腔体5及其内部一体化加工的实心圆锥4和天线罩7的尺寸，使其工作在其它频段。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。