一种与无人机旋翼共形的北斗导航天线

本发明涉及一种能够与大部分主流无人机旋翼共形的北斗导航天线，属于领域。

背景技术：

1、共形天线是一种能够安装在曲面或复杂形状的载体之上并且与曲面与复杂形状载具共形的天线设计。因其能够极大程度减小因天线结构对于共形主体造成的额外载荷、体积以及由此造成的空气阻力，因此该方法被广泛应用于机载、车载以及无人机天线设计。

2、无人机的飞行高度对比无人机飞行距离较小，这一特点决定了机载天线方向图在水平方向上应具有全向性，同时在垂直面内具有较低的仰角增益。为了满足这一要求，通常采用具备全向辐射性的偶极子天线作为机载天线模板进行设计研究。另一方面，贴片微带天线具有剖面低、体积小等特点，共形后不容易改变主体结构、带来的额外的载荷，符合各类独立天线、阵列天线的共形需求。

3、目前，针对共形贴片天线的设计主要存在以下几个问题：首先是由于共形贴片天线的介质基本相对较薄，导致天线阻抗随频率变化显著，阻抗带宽相对较窄。其次是共形后天线整体结构由平面变为曲面，天线边界条件将发生变化，使得辐射特性发生改变。需要根据具体情况改变天线结构以满足需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能够与无人机旋翼共形的北斗导航天线。

2、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

3、一种与无人机旋翼共形的北斗导航天线，包括sma接口、微带传输线、偶极子辐射结构以及阻抗匹配结构。所述天线辐射部分采用宽频匹配结构，结合阻抗匹配枝节以及短路过孔，能够实现工作带宽能够覆盖且远大于北斗系统上行l频段1610-1626.5mhz，同时天线方向图的水平全向性以及垂直面内较低的仰角增益能够保证无人机系统在较大范围内实现稳定工作。

4、所述共形天线，从上至下依次包括：第一金属涂覆层，介质基板层，第二金属涂敷层。

5、所述共形天线第一金属层介质基板层上表面，第二金属层涂敷在介质基板层下表面。其中第一金属层包括50欧姆微带传输线、上表面匹配枝节以及末端设有三个短路过孔的偶极子左臂，50欧姆微带传输线一端连接sma接口，另一端口同时与位于传输线左侧偶极子左臂和位于传输线右侧的上表面匹配枝节相互连接。介质基板层中包含六个短路过孔，其中三个短路过孔位于基板左侧，其上端口与左侧偶极子左臂末端相互连接，另外三个短路过孔位于基板左侧，其下端口与偶极子右臂相互连接。第二金属层包括锥形巴伦、50欧姆带传输下、下表面匹配枝节以及末端设有三个短路过孔偶极子右臂，50欧姆微带传输线一端连接锥形巴伦连接，另一端口同时与位于传输线右侧偶极子右臂和位于传输线左侧的下表面匹配枝节相互连接。第一金属层微带传输线与第二金属层微带传输线上下镜像对称，第一金属层偶极子左臂及上表面匹配枝节分别与第二金属层偶极子右臂及下表面匹配枝节呈中心对称结构。

6、作为优选方案，介质基板共形前上下表面为矩形，长为l＝80mm，宽为w＝35mm，厚度为h＝1mm；与旋翼(半径2.5cm圆柱)共形后上下表面为曲面，曲率为k＝40/m。介质基板板材选用环氧树脂fr4，相对介电常数4.4。

7、作为优选方案，微带传输线宽度w1＝1.9mm。

8、作为优选方案，偶极子臂长为：l1＝29.5mm，其宽边长为：w2＝10mm，短边长为：w3＝1mm。

9、作为优选方案，匹配枝节长度为：l2＝5mm，宽度为：w4＝1.5mm。

10、作为优选方案，锥形巴伦长度为：l3＝15mm，其宽边长为：w5＝15mm，短边长为：w1＝1.9mm。

11、作为优选方案，两个偶极子臂末端分别设有三个短路过孔，每个短路过孔直径为：d＝1mm，相邻短路过孔间距为：l4＝2.5mm。

12、作为优选方案，第一金属层与第二金属层厚度分别为：h1＝0.01mm。

13、本发明的原理：

14、本文所述无人机旋翼共形北斗导航天线可外接sma接头。锥形巴伦实现从sma接口到微带微带传输线的平滑过渡，尽量减量反射系数提高能量利用率。

15、本发明采用终端开路的短截线结构作为匹配结构。根据传输线理论，终端开路的短截线输入阻抗为纯虚数，通过调整短截线宽度及长度大小能够有效调控其输入阻抗。将整个天线结构等效为电路，开路短截线可等效为电容用于抵消偶极子虚部使得整个电路结构的输入阻抗转变为纯电阻，为下一步阻抗匹配奠定基础。

16、双锥偶极子作为是一种宽频辐射结构，相比于普通偶极子天线具备更宽的工作频率。其电磁特性能够通过其输入阻抗zin进行描述。根据推导双锥偶极子输入阻抗与其物理参数之间的关系为：

17、zin＝zca(ztcosβl+jzcasinβl)/(zcacosβl+jztsinβl)w

18、其中l为双锥偶极子臂长，β为相常数，zca为双锥天线的特性阻抗，其大小为：

19、zca＝120lnctg(φ/2)

20、对于宽角双锥偶极子天线，其增益大小为：

21、g＝10ln(4l/λ)-le(db)

22、其中，l为偶极子臂展长度，le为校证因子。

23、根据以上公式，通过调整偶极子物理尺寸能够将偶极子输入阻抗实部调整为50欧姆，其阻抗虚部由前文所述平衡短截线抵消，从而实现与馈电结构(微带传输线)的阻抗匹配。最大程度提高能量利用率。

24、本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)各部分阻抗匹配良好，保障输入能量能够最大程度馈入辐射部分，有效提高了能量利用率。2)共形能力强，采用小尺寸印刷结构能够满足与大部分主流无人机旋臂的共形要求。3)所述共形天线通过调整各部分物理尺寸能够实现在不同频率下稳定工作且相比于传统偶极子天线具备更为优秀的工作带宽。

25、下面结合附图对本发明进行进一步说明。

技术特征：

1.一种与无人机旋翼共形状的北斗导航天线，采用宽频匹配结构，结合阻抗匹配枝节以及短路过孔，能够实现工作带宽能够覆盖且远大于北斗系统上行l频段1610-1626.5mhz，同时天线方向图具备水平全向性以及垂直面内较低的仰角增益；

2.根据权利要求1所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：可外接sma接头，锥形巴伦实现从sma接口到微带微带传输线的平滑过渡，尽量减量反射系数提高能量利用率，。

3.根据权利要求2所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：采用终端开路的短截线结构作为匹配结构，可以通过调整短截线宽度及长度大小能够有效调控其输入阻抗。

4.根据权利要求1所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：第一金属层偶极子左臂(303)及上表面匹配短截线(302)分别与第二金属层偶极子右臂(304)及下表面匹配枝节(303)呈中心对称结构。

5.根据权利要求1或3所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：偶极子臂长为l1，其宽边长为w2，短边长为w3，匹配枝节长度为l2，宽度为w4。

6.根据权利要求1或3所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：锥形巴伦长度为l，其宽边长为w5，短边长为w1。路过孔直径为d，相邻短路过孔间距为l4。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：介质基板共形前上下表面为矩形，长为l，宽为w，厚度为h，与旋翼(半径2.5cm圆柱)共形后上下表面为曲面，曲率为k＝40/m，介质基板板材选用环氧树脂fr4，相对介电常数4.4。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种无人机旋翼共形的北斗导航天线，其特征在于：第一金属层与第二金属层厚度分别为h1。

技术总结本发明提供一种能够与无人机旋翼共形的北斗导航天线，所述天线微带传输线传递能量至双锥偶极子辐射臂。天线辐射单元整体采用宽频匹配结构，同时设计有匹配枝节以保证中心频率处的阻抗匹配。所述天线结构总体分为三层，从上至下依次为第一金属涂敷层、介质基板层、第二金属涂敷层。第一金属涂覆层由微带传输线、偶极子左臂、上匹配枝节构成；介质基板采用FR4环氧树脂材料，相对介电常数4.4；第二金属层由锥形巴伦、微带传输线、偶极子右臂以及下陪陪枝节构成。本发明所述无人机共性天线能够与大部分主流无人机旋翼共形，同时‑10dB带宽覆盖且远大于整个北斗系统上行L频段1610‑1626.5MHz，并且其方向图具备水平全向性。技术研发人员：陈爽爽,周学海,潘锦,刘思豪,刘贤峰受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4