一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线

本发明涉及气球共形天线，尤其是涉及一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线。

背景技术：

1、近年来，地震、森林火灾、泥石流等自然灾害频发，使得在该场景下的应急通信备受关注。使用空中基站可以有效辅助应急通信，常见的空中基站包括无人机和气球两种，但无人机由于续航时间短、载重能力低、成本较高等缺点在应用中受到了较大的限制；而气球作为一种空中基站，其具有更低的成本、更长的滞空时间且放气后体积更小等优点，这些优点使其有望替代无人机而作为新型的空中基站，并应用于山地密林的应急救援中。

2、对抗自然灾害场景下的应急通信在备受关注的同时，也面临诸多重大挑战。一个挑战是，对于远距离传输，山地密林这一特殊地形会造成严重的多径效应和巨大的传输损耗，阻碍了长距离高质量的通信服务。另一个挑战是在搜救行动中需要对大量用户进行大容量宽带通信，用户分布于广阔空间中，对于远程用户或其它空中用户，需要具有高增益和高定向的波束；而对于下半空间的其他用户，需要具有广覆盖和中等增益的波束，且朝向下半部分空间，以便多个地面用户同时接入网络。因此，为提高山地密林环境下的远距离通信质量和实现大范围通信，设计一种下半空间波束覆盖的超宽带气球天线至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，具有半空间波束覆盖、超宽带、波束覆盖范围内稳定通信、轻量化等特点，能够满足山地密林环境下高速通信以及大范围通信的要求。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，设置于共形载体上，包括若干由高增益定向波束的阵列天线a和中等增益宽波束覆盖的阵列天线b构成的共形子阵列，若干共形子阵列沿共形载体圆周轴向排列，阵列天线a为满足任意带宽和尺寸条件的高宽益边射气球阵列天线，阵列天线b包括两个尺寸渐变的半波偶极子天线阵列和一个共形的t型结功率分配器，两个半波偶极子天线阵列通过t型结功率分配器进行并联馈电。

3、优选的，半波偶极子天线阵列包括中央集合线和设置于中央集合线两侧的若干偶极子臂，偶极子臂的末端设置加宽单元，偶极子臂通过中央集合线串联馈电，中央集合线的上表面和下表面均为导电面，对称设置于中央集合线两侧的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接，相邻的偶极子臂与中央集合线的同一表面电连接。

4、优选的，t型结功率分配器包括介质基板和设置于介质基板两面的t型结微带线、渐变四分之一波长转换器、输出微带线，t型结微带线的输入段采用具有指数形边缘的宽带巴伦馈电，t型结微带线的两个输出端通过渐变四分之一波长转换器与输出微带线相连接，输出微带线由两段相互垂直的均匀微带线组成，宽带巴伦的输入端通过sma电缆馈电。

5、优选的，t型结微带线的输入端阻抗为50ω，t型结微带线的两个输出端的阻抗分别为100ω，四分之一波长转换器的输入端阻抗为100ω，四分之一波长转换器的输出端阻抗为50ω，输出微带线的阻抗为50ω。

6、优选的，宽带巴伦的指数形边缘的表达式如下：

7、

8、其中，wb表示宽带巴伦末端在x方向的宽度，lb2表示宽带巴伦指数形微带的长度，x(t)表示宽带巴伦指数边缘在x方向上与巴伦中心轴的距离随t变化的曲线，t表示宽带巴伦指数边缘在y方向与巴伦末端的距离，t＝0时，对应宽带巴伦指数边缘宽度最宽的位置，t＝lb2时，对应宽带巴伦边缘宽度最窄的位置。

9、优选的，阵列天线a包括人工磁导体阵列和全波偶极子天线阵列，全波偶极子天线阵列设置于人工磁导体阵列的上方中心，全波偶极子天线阵列与人工磁导体阵列之间设置有泡沫隔层；人工磁导体阵列包括金属地板、基板和设置于基板上方的若干反射贴片，反射贴片包括圆形金属贴片和设置于圆形金属贴片边缘的四个箭头型臂，圆形金属贴片的边缘还设置有四个插槽，箭头型臂与插槽间隔分布，箭头型臂指向反射贴片的四个对角；全波偶极子天线阵列包括中央集合线和分布在中央集合线两侧的若干偶极子臂，偶极子臂的末端设置有加宽单元，中央集合线的末端设置有宽带巴伦，偶极子臂通过中央集合线串联交叉馈电，中央集合线的上表面和下表面均为导电面，对称设置于中央集合线两侧的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接，相邻的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接。

10、优选的，共形子阵列的个数为奇数个，在水平面上，阵列天线b的波束宽度为阵列天线a波束宽度的一半，阵列天线b的波束关于共形载体的轴线对称。

11、优选的，共形载体为圆柱形气囊或圆柱形气球，若干阵列天线均分布在共形载体的侧面，中央集合线与共形载体的轴线平行。

12、因此，本发明采用上述结构的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，具有以下有益效果：

13、1、超宽带：通过偶极子臂末端的加宽单元增大其等效宽度，改变其阻抗变化距离的特性，实现了天线单元的宽带化；使用尺寸渐变的偶极子单元组阵，增加了新的谐振频点，从而拓宽了阵列天线的带宽。此外，通过适用指数渐变的宽带巴伦，更便于实际使用时的馈电。

14、2、半空间波束覆盖：通过高增益边射阵列天线与宽波束覆盖中等增益端射阵列天线所组合的异质结构，实现对下半空间的波束覆盖。

15、3、波束范围内通信质量稳定：对于较远距离或空对空通信，使用增益较高的边射阵列天线进行通信，对于近距离的空对地通信，使用中等增益的端射阵列天线进行通信，从而实现在波束覆盖范围内的稳定通信。

16、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：设置于共形载体上，包括若干由高增益定向波束的阵列天线a和中等增益宽波束覆盖的阵列天线b构成的共形子阵列，若干共形子阵列沿共形载体圆周轴向排列，阵列天线a为满足任意带宽和尺寸条件的高增益边射气球阵列天线，阵列天线b包括两个尺寸渐变的半波偶极子天线阵列和一个共形的t型结功率分配器，两个半波偶极子天线阵列通过t型结功率分配器进行并联馈电。

2.根据权利要求1所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：半波偶极子天线阵列包括中央集合线和设置于中央集合线两侧的若干偶极子臂，偶极子臂的末端设置加宽单元，偶极子臂通过中央集合线串联馈电，中央集合线的上表面和下表面均为导电面，对称设置于中央集合线两侧的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接，相邻的偶极子臂与中央集合线的同一表面电连接。

3.根据权利要求1所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：t型结功率分配器包括介质基板和设置于介质基板两面的t型结微带线、渐变四分之一波长转换器、输出微带线，t型结微带线的输入端采用具有指数形边缘的宽带巴伦馈电，t型结微带线的两个输出端通过渐变四分之一波长转换器与输出微带线相连接，输出微带线由两段相互垂直的均匀微带线组成，宽带巴伦的输入端通过sma电缆馈电。

4.根据权利要求3所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：t型结微带线的输入端阻抗为50ω，t型结微带线的两个输出端的阻抗分别为100ω，四分之一波长转换器的输入端阻抗为100ω，四分之一波长转换器的输出端阻抗为50ω，输出微带线的阻抗为50ω。

5.根据权利要求4所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：宽带巴伦的指数形边缘的表达式如下：

6.根据权利要求1所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：阵列天线a包括人工磁导体阵列和全波偶极子天线阵列，全波偶极子天线阵列设置于人工磁导体阵列的上方中心，全波偶极子天线阵列与人工磁导体阵列之间设置有泡沫隔层；人工磁导体阵列包括金属地板、基板和设置于基板上方的若干反射贴片，反射贴片包括圆形金属贴片和设置于圆形金属贴片边缘的四个箭头型臂，圆形金属贴片的边缘还设置有四个插槽，箭头型臂与插槽间隔分布，箭头型臂指向反射贴片的四个对角；全波偶极子天线阵列包括中央集合线和分布在中央集合线两侧的若干偶极子臂，偶极子臂的末端设置有加宽单元，中央集合线的末端设置有宽带巴伦，偶极子臂通过中央集合线串联交叉馈电，中央集合线的上表面和下表面均为导电面，对称设置于中央集合线两侧的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接，相邻的偶极子臂交替与中央集合线的上表面或下表面电连接。

7.根据权利要求6所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：共形子阵列的个数为奇数个，在水平面上，阵列天线b的波束宽度为阵列天线a波束宽度的一半，阵列天线b的波束关于共形载体的轴线对称。

8.根据权利要求7所述的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，其特征在于：共形载体为圆柱形气囊或圆柱形气球，若干阵列天线均分布在共形载体的侧面，中央集合线与共形载体的轴线平行。

技术总结本发明公开了一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，涉及气球共形天线技术领域，设置于共形载体上，包括若干由高增益定向波束的阵列天线A和中等增益宽波束覆盖的阵列天线B构成的共形子阵列，若干共形子阵列沿共形载体圆周轴向排列，阵列天线A为满足任意带宽和尺寸条件的高增益边射气球阵列天线，阵列天线B包括两个尺寸渐变的半波偶极子天线阵列并通过一个T型结功率分配器进行并联馈电。本发明采用上述结构的一种半空间波束覆盖的超宽带气球共形异质阵列天线，具有半空间波束覆盖、超宽带、轻量化、增益较高等特点，能够满足山地密林环境下高速通信以及大范围通信的要求。技术研发人员：高翔,丁传飞,罗若鑫,卜祥元,安建平受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10