多模多功能通信导航共口径一体化天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，尤其涉及一种多模多功能通信导航共口径一体化天线。

背景技术

飞行器通常安装有测控通信、卫星通信、卫星导航等各种天线。一般来说，飞行器测控通信天线需具备方位面360度的全向覆盖能力以适应飞行器机动带来的天线指向变化，卫星导航天线通常采用微带天线形式安装于飞行器顶部，需具备上半空间的波束覆盖能力，用于接收卫星来波信号。常见的飞行器各通信系统的各类天线均为独立结构，存在占用空间大、成本高、电磁兼容性差的缺点。将多种天线功能共口径一体化集成设计，可减少天线个数，从而减少飞行器表面开窗数量，同时节省空间，降低成本。对于共口径一体化集成天线，一般常见的有层叠形式的微带天线，这种形式能够通过一副天线实现多个功能，集成化程度较高。但是，不同频段天线之间的隔离度较差，且无法灵活实现不同功能所要求的不同波束指向，尤其是对于要求全向波束覆盖的飞行器测控通信系统来说，单个微带天线难以实现。采用微带形式的测控通信天线，一般需要通过双天线合成全向方向图，即左右两边各布置一个微带天线，通过功分器对两个天线同时进行馈电，才可形成全向波束覆盖，但这样会导致飞行器表面开窗过多，系统复杂度提高，这时如果将其他天线如导航天线集成到飞行器左右两侧的测控通信天线上，则难以实现所要求的对上半空间的波束覆盖。

对于测控通信天线来说，除了采用双微带天线合成形式，其他常见的可形成全向方向图的天线还有半波振子、单极子、倒F天线等结构形式，但该类天线难以进行共形设计，通常需要突出飞行器表面，会影响飞行器气动性能，且这类杆状结构的天线形式也不易与其他通信系统天线一体化集成设计。

因此，对于飞行器各类通信系统不同波束指向、不同频段的多模多功能天线，迫切需要一种新形式的一体化集成方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种多模多功能通信导航共口径一体化天线，能够解决解决现有技术中的问题。

本发明的技术解决方案：一种多模多功能通信导航共口径一体化天线，其中，该天线包括盘锥锥体、金属腔体、第一馈电接头、金属圆盘、多个金属短路柱、第二馈电接头、微带天线和连接件，所述盘锥锥体作为通信天线，所述微带天线作为导航天线，所述盘锥锥体内嵌于所述金属腔体内且与所述金属腔体的底板同轴设置，所述第一馈电接头穿过所述金属腔体的底板中心与所述盘锥锥体的下端中心连接，所述金属圆盘设置在所述盘锥锥体的上端且通过多个所述金属短路柱与所述金属腔体的底板连接，多个所述金属短路柱中任一个金属短路柱设置有通孔，所述第二馈电接头设置在所述金属腔体的底板上并穿过所述通孔为所述微带天线馈电，所述微带天线设置在所述金属圆盘上且通过所述连接件与多个所述金属短路柱固定连接。

优选地，所述微带天线包括GPS L1辐射贴片、北斗B3辐射贴片、耦合馈电贴片以及自上而下设置的第一层微波介质板、第二层微波介质板、第三层微波介质板、第四层微波介质板和第五层微波介质板，所述GPS L1辐射贴片设置在所述第一层微波介质板的上表面，所述北斗B3辐射贴片设置在所述第三层微波介质板的上表面，所述耦合馈电贴片设置在所述第二层微波介质板的上表面。

优选地，该天线还包括金属层、馈电线和金属探针，所述金属层设置在所述第四层微波介质板上表面和所述第五层微波介质板下表面，并通过所述第四层微波介质板和所述第五层微波介质板侧壁的金属包边进行短路连接，所述馈电线设置在所述第四层微波介质板下表面，且所述馈电线的前端通过所述金属探针与所述耦合馈电贴片连接，所述馈电线的末端与所述第二馈电接头连接。

优选地，所述金属层为镀金铜层。

优选地，所述第五层微波介质板上设置有与所述馈电线的焊点处的圆柱形介质柱对应的孔。

优选地，所述盘锥锥体为上大下小的倒置圆台。

优选地，所述馈电线为带状线。

优选地，所述连接件为螺钉。

优选地，所述金属短路柱的直径大于6mm。

优选地，所述第二层微波介质板的介电常数和所述第三层微波介质板的介电常数相同，所述第一层微波介质板的介电常数与所述第二层微波介质板的介电常数的差值大于3。

通过上述技术方案，可以将测控通信天线和导航天线进行共口径一体化设计，测控通信天线采用盘锥天线形式，导航天线采用微带天线形式，将导航天线置于盘锥天线的金属圆盘顶部，通过盘锥天线加载的短路柱过孔对顶部的微带天线进行馈电，在不影响盘锥天线辐射体表面电流分布的情况下，实现一体化天线的全向波束覆盖及法向波束覆盖，同时提高两天线的端口隔离度，具有多模式多功能复合、结构紧凑的特点。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线的三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线的侧视图；

图3为本发明实施例中微带天线的分层示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线不同模式反射系数及隔离度计算结果；

图5A-5H为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线在不同中心频点的增益方向图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

图1为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线的三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线的侧视图。

如图1和2所示，本发明实施例提供了一种多模多功能通信导航共口径一体化天线，其中，该天线包括盘锥锥体1、金属腔体2、第一馈电接头3、金属圆盘4、多个金属短路柱5、第二馈电接头7、微带天线8和连接件20，所述盘锥锥体1作为通信天线，所述微带天线8作为导航天线，所述盘锥锥体1内嵌于所述金属腔体2内且与所述金属腔体2的底板同轴设置，所述第一馈电接头3穿过所述金属腔体2的底板中心与所述盘锥锥体1的下端中心连接，所述金属圆盘4设置在所述盘锥锥体1的上端且通过多个所述金属短路柱5与所述金属腔体2的底板连接，多个所述金属短路柱5中任一个金属短路柱5设置有通孔6，所述第二馈电接头7设置在所述金属腔体2的底板上并穿过所述通孔6为所述微带天线8馈电，所述微带天线8设置在所述金属圆盘4上且通过所述连接件20与多个所述金属短路柱5固定连接。

其中，所述金属腔体2的高度大于盘锥椎体1加微带天线8的剖面高度，以便于实际应用中内埋安装及增加透波天线罩。

通过上述技术方案，可以将测控通信天线和导航天线进行共口径一体化设计，测控通信天线采用盘锥天线形式，导航天线采用微带天线形式，将导航天线置于盘锥天线的金属圆盘顶部(即，利用盘锥天线顶部的圆盘结构作微带天线的金属底板及安装载体，实现不同波束指向、不同频段的多模多功能天线一体化设计)，通过盘锥天线加载的短路柱过孔对顶部的微带天线进行馈电，在不影响盘锥天线辐射体表面电流分布的情况下，实现一体化天线的全向波束覆盖及法向波束覆盖，同时提高两天线的端口隔离度，具有多模式多功能复合、结构紧凑的特点。

并且，通过加载金属腔体及短路柱，在大幅减小盘锥天线剖面尺寸的同时也使得天线易于内埋安装于飞行器金属舱壁内部，可不突出飞行器表面形成全向波束覆盖，具有低剖面易共形的特点。此外，金属腔体2的侧壁，可以有效降低盘锥天线剖面高度。

其中，金属腔体2可以为圆形金属腔体，所述金属腔体2的底板中心可以设置有与第一馈电接头3的外径相适配孔，以便所述第一馈电接头3(第一馈电接头的探针)穿过该孔与所述盘锥锥体1的下端中心螺接。

举例来讲，金属短路柱5的数量可以为4个，所述金属圆盘4的四周通过4个金属短路柱5与所述金属腔体2的底板固定连接，金属短路柱能够起到对盘锥椎体及加载盘的固定作用，同时也可以进一步降低天线剖面高度。

图3为本发明实施例中微带天线的分层示意图。

根据本发明一种实施例，如图3所示，所述微带天线8包括GPS L1辐射贴片9、北斗B3辐射贴片10、耦合馈电贴片11以及自上而下设置的第一层微波介质板12、第二层微波介质板13、第三层微波介质板14、第四层微波介质板15和第五层微波介质板16，所述GPS L1辐射贴片9设置在所述第一层微波介质板12的上表面，所述北斗B3辐射贴片10设置在所述第三层微波介质板14的上表面，所述耦合馈电贴片11设置在所述第二层微波介质板13的上表面。

其中，第四层微波介质板15和第五层微波介质板16为馈电网络层。

通过设置GPS L1辐射贴片9、北斗B3辐射贴片10和耦合馈电贴片11，利用耦合馈电贴片同时激励其上层和下层的辐射贴片，可以产生北斗B3、B1和GPS L1三种工作模式，实现导航天线单端口三模式性能。由此，通过微带层叠型耦合馈电设计，可以用单个馈电端口实现导航天线的三模式工作，从而有效减少了端口数量，降低了系统复杂度。

举例来讲，耦合馈电贴片11可以为圆形耦合馈电贴片。

本领域技术人员应当理解，虽然上述描述了的微带天线采用多层形式，但本发明不限于此。例如，单层形式的微带天线也适用于本发明。此外，也可以采用其他形状的辐射贴片来进一步展宽波束宽度或提升工作带宽。

根据本发明一种实施例，该天线还包括金属层、馈电线17和金属探针18，所述金属层设置在所述第四层微波介质板15上表面和所述第五层微波介质板16下表面，并通过所述第四层微波介质板15和所述第五层微波介质板16侧壁的金属包边进行短路连接，所述馈电线17设置在所述第四层微波介质板15下表面，且所述馈电线17的前端通过所述金属探针18与所述耦合馈电贴片11连接，所述馈电线17的末端与所述第二馈电接头7(第二馈电接头的探针)连接。

通过设置馈电线，可以灵活调整微带天线馈电位置，使得微带天线馈电端口可以通过短路柱开孔进行馈电，进而避免在椎体表面开孔，影响盘锥天线全向辐射特性。

根据本发明一种实施例，所述金属层为镀金铜层。

也就是，可以通过在第四层微波介质板15上表面和第五层微波介质板16下表明覆铜形成铜层，然后在形成的铜层上进行镀金处理得到镀金铜层，所形成的镀金铜层作为馈电线17的金属地。

根据本发明一种实施例，所述第五层微波介质板16上设置有与所述馈电线17的焊点处的圆柱形介质柱19对应的孔。

其中，馈电线17与第二馈电接头连接的焊点处具有圆柱形介质柱19，馈电线17与耦合馈电贴片连接的焊点处也具有圆柱形介质柱19。

通过设置与圆柱形介质柱19对应的孔，可以保证上下两层微波介质板在层叠时的平整性。

根据本发明一种实施例，所述盘锥锥体1为上大下小的倒置圆台。

根据本发明一种实施例，所述馈电线17为带状线。

其中，带状线上下两层的金属地(金属层)可以有效屏蔽馈电线对导航微带天线辐射贴片及盘锥天线辐射体的电磁干扰，同时便于设计时对天线馈电部分与辐射部分的独立调节。

根据本发明一种实施例，所述连接件20为螺钉。

举例来讲，螺钉的数量可以为三个，可以为M2.5螺钉。微带天线8的五层微波板可以通过圆周三个螺钉与盘锥锥体1的金属短路柱进行固定。

根据本发明一种实施例，所述金属短路柱5的直径大于6mm。

由此，便于开设与第二馈电接头外径相适配的孔，在不影响盘锥天线辐射性能的情况下对顶部的微带天线进行馈电。

根据本发明一种实施例，所述第二层微波介质板13的介电常数和所述第三层微波介质板14的介电常数相同，所述第一层微波介质板12的介电常数与所述第二层微波介质板13的介电常数的差值大于3。

由此，可以实现导航微带天线单馈点多频段工作下的良好阻抗匹配。

根据本发明一种实施例，金属腔体2的直径可以为118mm，盘锥椎体1的上下半径分别可以为45mm和12mm，盘锥椎体的剖面高度可以为8.5mm，金属圆盘4的直径可以为84mm，圆周四个金属短路柱5的直径可以为9mm，四个短路柱中心等相排布于半径为34mm的圆周上。

根据本发明一种实施例，第一层微波介质板12的介电常数可以为10，厚度可以为1mm。GPS L1辐射贴片9的尺寸可以为32.4mm*32.4mm，切角尺寸可以为2.6mm，四边调谐枝节尺寸可以为10mm*2mm。第二层微波介质板13和第三层微波介质板14的介电常数可以为6.15，厚度分别可以为1mm和2mm。耦合馈电贴片11的半径可以为7mm，耦合馈电贴片中心距离介质板中心9.5mm。第三层辐射贴片10的尺寸可以为44.6mm*44.6mm，切角尺寸可以为3.6mm。馈电线17的长度可以为24.5mm。

本领域技术人员应当理解，上述关于尺寸的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

图4为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线不同模式反射系数及隔离度计算结果。

图4示出了本发明所述的天线在北斗B3、北斗B1、GPS L1、测控通信四种工作模式下回波损耗及端口隔离度。其中实线为北斗B3、B1、GPS L1、测控通信四种工作模式回反射系数计算结果，虚线为端口间隔离度计算结果。

图5A-5H为本发明实施例提供的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线在不同中心频点的增益方向图。

图5A-5H示出了在北斗B3、北斗B1、GPS L1、测控通信四种工作模式下中心频点增益方向图。其中，图5A为在北斗B3中心频点f1(phi＝0°切面)的增益方向图，图5B为在北斗B3中心频点f1(phi＝90°切面)的增益方向图；图5C为在北斗B1中心频点f2(phi＝0°切面)的增益方向图，图5D为在北斗B1中心频点f2(phi＝90°切面)的增益方向图；图5E为在GPSL1中心频点f3(phi＝0°切面)的增益方向图，图5F为在GPS L1中心频点f3(phi＝90°切面)的增益方向图；图5G为在测控通信模式下中心频点f4(E面)的增益方向图，图5H为在测控通信模式下中心频点f4(H面)的增益方向图。

从图5中可以看出，北斗B3中心频点f1、北斗B1中心频点f2及GPS L1中心频点f3下的方向图覆盖上半空间，在phi＝0°及phi＝90°切面法向±60°范围内，增益均大于0dB，测控通信中心频点f4下的方向图满足全向覆盖，水平切面全向增益大于-1.5dB，方向图不圆度优于0.5dB，具备良好上半空间及水平全向辐射特性。

从上述实施例可以看出，本发明所述的一种多模多功能通信导航共口径一体化天线具有以下优点：

(1)将微带导航天线与盘锥通信天线结合进行共口径一体化集成设计，通过盘锥天线加载的短路柱过孔对置于其圆盘顶部的微带天线进行馈电，该设计可提高端口隔离度，在不影响盘锥天线辐射体表面电流分布的情况下，减少干扰，实现一体化天线的良好的全向波束覆盖及法向波束覆盖，结构紧凑，多模式多功能复合。

(2)导航天线采用层叠型微带天线形式，利用中间层圆形耦合馈电贴片，对其上下层的辐射贴片同时耦合激励，用单个馈电端口实现导航天线的三模式工作，有效减少了端口数量，降低系统复杂度。

(3)全向通信天线采用盘锥天线形式，通过加载腔体及短路柱，降低了天线的剖面，所设计的天线辐射体位于金属腔体内，便于内埋于飞行器金属舱壁内部安装，可不突出飞行器表面形成全向波束覆盖，具有低剖面易共形的特点。

综上所述，本发明实现了通信导航共口径一体化天线，将盘锥天线与微带天线集成设计，具有结构紧凑的优点。通过加载金属腔体及短路柱，大幅减小了盘锥天线的剖面尺寸，盘锥剖面高度仅为0.06λ(λ为测控通信中心频点对应的工作波长)。导航天线采用微带层叠型耦合馈电设计，单端口实现了导航三模式工作，有效减少了端口数量，降低了系统复杂度。集成的导航天线馈电点设置在盘锥天线加载的短路柱过孔处，可提高两天线端口隔离度，隔离度优于15dB，同时也可实现通信天线良好的全向波束覆盖，方向图不圆度小于0.5dB。并且，该一体化天线可内埋于飞行器金属舱壁内部，可不突出飞行器表面形成全向波束覆盖，易与载体共形。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。