一种机载垂尾结构的埋入式平板全向天线的制作方法

本实用新型属于天线领域，涉及超宽带印刷天线技术，具体为一种机载垂尾结构的埋入式平板全向天线。

背景技术：

常规天线需要满足电性能指标要求，且由于不同波段使用频段的限制，如p波段，使得天线很难兼具小型化和轻量化设计，造成天线与飞机垂尾的集成设计难度大，无法满足天线恒定增益、最佳全向辐射电性能和飞机外形最优气动力学性能融合使用需求。

随着飞机设计技术的发展，使得飞机本身的飞行速度在不断增加，天线设置在飞机垂尾的外部，则会影响飞机飞行的最佳气动力学性能，甚至对飞机的飞行安全会造成影响。

通常，常规的具有全向辐射特性的天线，一般多为线天线或其变形，如单极子类和偶极子类。该类型天线长度直接与波长相关，在该频段难以实现紧凑包络设计。对于普通偶极子天线极其变形结构，当工作于宽频带时，由于有效辐射电长度随波长显著变化，导致在工作频带内难以实现恒定增益设计特征。但是，如采用相似结构和重复特性的周期结构天线，虽然可以实现宽频带内稳定方向图和近乎一致的恒定增益辐射特性，但是在p波段难以实现小型化和轻量化设计，更加无法做到与无人机等小型mini机载平台飞机垂尾结构进行内埋式共形集成设计，以实现优异全向辐射电性能的同时保证飞机具有最佳气动力学性能。

因此，如何实现天线的自身的小型化、轻量化设计，同时使天线与飞机垂尾结构一体化设计是目前研究的重点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机载垂尾结构的埋入式平板全向天线，埋入式平板全向天线能够使飞机实现优异的方向图全向覆盖特性，以保证在任何位置、任何角度天线都具有良好的接收和发射性能，从而大幅提高飞机不同飞行姿态下的通联可靠性与使用便捷性。

本实用新型的埋入式平板全向天线是在天线拓扑结构和电磁辐射机理两方面进行重点研究，针对天线接口通用化设计、天线辐射结构轻量化设计、天线非金属有耗媒质环境适应性设计及天线力学性能设计等方面展开了深入研究。

实现本实用新型目的的技术方案如下：一种机载垂尾结构的埋入式平板全向天线，包括长方形的pcb基板，且pcb基板垂直设置在飞机垂尾罩体内。

pcb基板上印刷有宽带辐射贴片，宽带辐射贴片的中心线与pcb基板的中心线重合，宽带辐射贴片形成埋入式平板全向天线的边界自调谐辐射结构。

宽带辐射贴片的下端依次设有集成电抗加载微带匹配馈线、宽带阻抗调谐地板结构体、辐射结构，集成电抗加载微带匹配馈线、宽带阻抗调谐地板结构体、辐射结构均印刷在pcb基板上。

本实用新型的埋入式平板全向天线通过集成电抗加载微带匹配馈线，结合宽带辐射贴片所形成的边界自调谐辐射结构，以及宽带阻抗调谐地板结构体，在极其有限的飞机垂尾空间布局包络约束下实现了p波段s11参数-10db以下带宽达到25%以上，使整个频带内具有恒定的增益特性与优异全向辐射特性。

其中，宽带辐射贴片包括宽带辐射贴片本体，宽带辐射贴片本体的宽度沿宽带辐射贴片本体的底部至顶部先缩小再扩大。宽带辐射贴片本体的左右两侧分别加载有阵列型开槽结构，宽带辐射贴片本体的顶部中心加载有顶部曲线边界结构，顶部曲线边界结构的左右两侧分别设有竖直调谐枝节结构。宽带辐射贴片本体、阵列型开槽结构、顶部曲线边界结构、竖直调谐枝节结构形成类鱼骨结构的宽带辐射贴片。

宽带辐射贴片的设计同时引入边界曲流技术、边界寄生枝节加载技术，再结合集成电抗加载微带匹配馈线技术与宽带阻抗调谐地板结构体临近耦合调谐等四种关键技术，以进一步拓展全向天线的阻抗带宽，同时维持带内增益恒定，并最终采用一体化仿真优化平台技术完成天线最终的优化设计。使得本实用新型的全向天线具有体积小、重量轻、结构简单易调谐、增益稳定、损耗低等优点，相对于传统的p波段垂尾天线形式，有不可比拟的优势。

进一步的，部曲线边界结构为样条拟合圆弧过度曲线，竖直调谐枝节结构为细长矩形结构，且样条拟合圆弧过度曲线的圆弧型顶点与细长矩形结构的顶部位于同一水平线上。

其中，宽带辐射贴片的底部与宽带阻抗调谐地板结构体之间设有间隙，间隙的距离为0.1mm~10mm。

其中，集成电抗加载微带匹配馈线为分布式电抗加载印刷电路元件串联组合结构，包括串联集成的矩形微带电路馈线结构、微带线开窗结构、加载电抗元件三部分，加载电抗元件加载于所述微带线开窗结构上。微带电路馈线结构为阻抗值微带线，微带线开窗结构为矩形镂空结构，加载电抗元件为分布式电抗加载印刷电路结构。

其中，辐射结构为梯形缝隙状结构。

其中，宽带阻抗调谐地板结构体为部分矩形地板结构体，该部分地板结构的设计与参数选择，需与宽带辐射贴片低端边界缝隙联合设计，最终通过全局寻优和数值计算协同仿真来确定。

作为对本实用新型的进一步改进，平板全向天线还包括内导体，内导体位于集成电抗加载微带匹配馈线的上部，内导体与集成电抗加载微带匹配馈线的底部相平，且内导体的顶部高度小于集成电抗加载微带匹配馈线的顶部高度，实现了内导体为同轴探针结构，集成电抗加载微带匹配馈线与内导体的配合，起到同轴转微带的可靠电连接与激励，保证阻抗匹配的目的。

进一步的，为了稳固结构，pcb基板的下端中心还设有法兰，内导体的下端及集成电抗加载微带匹配馈线的下端均与法兰连接，法兰的下端还安装有高频插座。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的埋入式平板全向天线具有低剖面、宽频带、恒定增益、全向高效辐射等优异电性能，通过辐射结构和馈电调谐匹配加载结构，可以方便的消除垂尾有耗媒质介质材料对天线等效介电常数抬升加载和q值漂移的影响，最终实现集成飞机垂尾罩体结构对天线的透明加载影响；实现埋入式平板全向天线针对不同结构、不同材质和不同气动外形的飞机垂尾的广适性设计，大幅缩短内埋式垂尾通信天线和飞机垂尾结构与机载平台的交叉融合设计周期、显著降低设计和后期工程化调试难度、显著降低内埋式共形机载全向天线研制成本，为提高埋入式平板全向天线可用性与用户体验性提供了保障，可推广至各种机载平台使用。

2.本实用新型的埋入式平板全向天线，采用集成电抗加载微带匹配馈线，结合组合边界自调谐辐射结构以及宽带阻抗调谐地板，在极其有限的垂尾空间布局包络约束下实现了p波段s11参数-10db以下带宽达到25%以上，且在整个频带内具有恒定的增益特性与优异全向辐射特性。

附图说明

图1为本实用新型的埋入式平板全向天线的结构示意图；

图2为本实用新型的平板全向天线在600mhz频率时的3d方向图；

图3为本实用新型的平板全向天线在650mhz频率时的3d方向图；

图4为本实用新型的平板全向天线在700mhz频率时的3d方向图；

图5为本实用新型的平板全向天线在750mhz频率时的3d方向图；

图6为本实用新型的平板全向天线在800mhz频率时的3d方向图；

图7为本实用新型的平板全向天线在850mhz频率时的3d方向图；

图8为本实用新型的平板全向天线的增益扫频曲线图；

图9为本实用新型的平板全向天线的全频段内各e面主极化分量方向图；

图10是本实用新型提供的平板全向天线s11曲线图；

其中，1、pcb基板；2、宽带辐射贴片；3、集成电抗加载微带匹配馈线；4、宽带阻抗调谐地板结构体；5、辐射结构；6、内导体；7、法兰；8、高频插座；201、宽带辐射贴片本体；202、阵列型开槽结构；203、顶部曲线边界结构；204、竖直调谐枝节结构；301、矩形微带电路馈线结构；302、加载电抗元件；303、微带线开窗结构。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

本实用新型的埋入式平板全向天线与传统天线设计仿真最大的区别在于，利用了群集智能算法，在有限的飞机垂尾罩体狭小物理空间约束下，充分地挖掘并实现了最优电性能的结构参数组合，实现天线性能最优设计。即，在辐射结构设计方面，同时引入边界曲流技术、边界寄生枝节加载技术、集成分布式电抗加载微带匹配馈线技术与部分地板临近耦合调谐等四种关键技术，以进一步拓展天线的阻抗带宽，同时维持带内增益恒定，并最终采用一体化仿真优化平台技术完成天线最终的优化设计。该天线具有体积小、重量轻、结构简单易调谐、增益稳定、损耗低等优点，相对于传统的p波段垂尾天线形式，有不可比拟的优势。同时，埋入式平板全向天线的介质基板外形尺寸比传统矩形贴片印刷天线的厚度仅1mm量级，且在p波段25%频带范围内，回波损耗小于-10db具有全向辐射特性，辐射效率高于90%，增益稳定一致。

以下通过实施例1~实施例3对本实用新型的应用于p波段机载垂尾结构的埋入式平板全向天线做进一步的说明。

实施例1：

一种机载垂尾结构的埋入式平板全向天线，在本实施方式中，埋入式平板全向天线包括长方形的pcb基板1，且pcb基板1垂直设置在飞机垂尾罩体内，由于平板全向天线设在飞机垂尾罩体内部，因此飞机垂尾罩体具有透波功能，从而便于天线发射及接收辐射信号。

请参图1所示，pcb基板1上印刷有宽带辐射贴片2，宽带辐射贴片2的中心线与pcb基板1的中心线重合，宽带辐射贴片2形成埋入式平板全向天线的边界自调谐辐射结构。宽带辐射贴片2的下端依次设有集成电抗加载微带匹配馈线3、宽带阻抗调谐地板结构体4、辐射结构5，集成电抗加载微带匹配馈线3、宽带阻抗调谐地板结构体4、辐射结构5均印刷在pcb基板1上。

其中，在本实施例中，如图1所示，宽带辐射贴片2包括宽带辐射贴片本体201，宽带辐射贴片本体201的宽度沿宽带辐射贴片本体201的底部至顶部先缩小再扩大，在本实施例中，宽带辐射贴片本体201的宽度优选为先阶梯式缩小再阶梯式增大，在此需要指出的是，宽带辐射贴片本体201的宽度也可以成渐变式缩小再渐变式增大。宽带辐射贴片本体201的左右两侧分别加载有阵列型开槽结构202，宽带辐射贴片本体201的顶部中心加载有顶部曲线边界结构203，顶部曲线边界结构203的左右两侧分别设有竖直调谐枝节结构204。宽带辐射贴片本体201、阵列型开槽结构202、顶部曲线边界结构203、竖直调谐枝节结构204形成类鱼骨结构的宽带辐射贴片2。具体的，如图1所示，阵列型开槽结构202与宽带辐射贴片本体201的边界处形成轴向排列的阶梯状槽组合结构，阶梯状槽组合结构的设置方便消除垂尾有耗媒质介质材料对天线等效介电常数抬升加载和q值漂移的影响，实现集成飞机垂尾罩体结构对天线的透明加载影响，从而确保整个频带内具有恒定的增益特性与优异全向辐射特性。

进一步的，部曲线边界结构203为样条拟合圆弧过度曲线，样条拟合圆弧过度曲线为光滑的曲线结构。竖直调谐枝节结构204为细长矩形结构，其是基于细长矩形竖直调谐寄生枝节加载组合结构。样条拟合圆弧过度曲线的圆弧型顶点与细长矩形结构的顶部位于同一水平线上。

宽带辐射贴片2是在常规辐射结构基础上，在宽带辐射贴片本体201的左右两侧及顶部边界加载阵列型开槽结构202、顶部曲线边界结构203与竖直调谐枝节结构204（寄生矩形枝节），从而形成了类鱼骨结构的宽带辐射贴片2。在常规矩形包络结构基础上，通过数值优化程序，按照边界加载拓扑几何参数、加载位置和天线目标带宽、目标增益等指标设定多目标适应度函数，经过ga和pso等群集智能优化算法全局计算寻优后得到的非常规目标曲线形式，进而加载与矩形宽带辐射贴片周围，以改善和提高天线宽频带全向辐射工作性能，加载边界参数取值区间与天线最低工作频点波长相关。其能够显著减小天线的外形尺寸，展宽天线的阻抗带宽、提高天线的辐射效率且保持带内天线增益稳定。

其中，在本实施例中，宽带辐射贴片2的底部与宽带阻抗调谐地板结构体4之间设有间隙，间隙的距离为0.1mm~10mm。

其中，在本实施例中，集成电抗加载微带匹配馈线3为分布式电抗加载印刷电路元件串联组合结如图1所示构，包括串联集成的矩形微带电路馈线结构301、微带线开窗结构303、加载电抗元件302三部分，加载电抗元件302加载于微带线开窗结构303上。微带电路馈线结构301为阻抗值微带线，微带线开窗结构303为矩形镂空结构，加载电抗元件302为分布式电抗加载印刷电路结构。

其中，在本实施例中，辐射结构5为梯形缝隙状结构。

其中，在本实施例中，宽带阻抗调谐地板结构体4为部分矩形地板结构体，该部分地板结构的设计与参数选择，需与宽带辐射贴片2低端边界缝隙联合设计，最终通过全局寻优和数值计算协同仿真来确定。

埋入式平板全向天线通过集成电抗加载微带匹配馈线3，结合类鱼骨结构宽带辐射贴片2所形成的组合边界自调谐辐射结构，以及宽带阻抗调谐地板结构体4，在极其有限的飞机垂尾空间布局包络约束下实现了p波段s11参数-10db以下带宽达到25%以上，使整个频带内具有恒定的增益特性与优异全向。

实施例2：

作为对实施例1的进一步改进，如图1所示，平板全向天线还包括内导体6，内导体6位于集成电抗加载微带匹配馈线3的上部，内导体6与集成电抗加载微带匹配馈线3的底部相平，且内导体6的顶部高度小于集成电抗加载微带匹配馈线3的顶部高度，实现了内导体6为同轴探针结构，集成电抗加载微带匹配馈线3与内导体6的配合，起到同轴转微带的可靠电连接与激励，保证阻抗匹配的目的。

进一步的，为了稳固结构，pcb基板1的下端中心还设有法兰7，内导体6的下端及集成电抗加载微带匹配馈线3的下端均与法兰7连接，法兰7的下端还安装有高频插座8。

实施例3：

本实施例是对实例1及实施例2的平板全向天线做进一步的说明，在本实施例中，参考附图2~10所示，本实施例以p波段机载垂尾结构的埋入式平板全向天线为例进行介绍。

具体地，埋入式平板全向天线将宽带辐射贴片2印刷于介电常数为4.4的fr4材料的pbc基板1上，在宽带辐射贴片2的底端集成电抗加载微带匹配馈线3，同时在集成电抗加载微带匹配馈线3的下端焊接sma接头（即高频插座8）实现全向天线的馈电。埋入式平板全向天线的设计，有许多因素需要综合权衡考虑。对于宽带天线，不同工作频点的电磁特性依赖于天线上辐射结构的不同部分，因此要在整个工作带宽范围内实现近乎稳定的增益水平和良好的全向性能并不容易，具体可以采用三维全波仿真手段结合数值优化算法，完成天线的有效辐射拓扑结构设计。

图8中分别给出了全向天线的增益随频率的变化仿真曲线。可以看出在整个工作频带内天线具有相对稳定的增益，平均增益约为2.1db，带内增益平坦度优于0.2db。辐射效率不低于90%，实现了宽带高效辐射。

图9详细列出了全向天线辐射方向图仿真结果，图2~7中分别给出了位于600mh、650mh、700mhz、750mhz、800mhz和850mhz的e面主极方向图。可以清楚看到在整个工作频带内，在h面天线基本呈现出全向辐射特性，而在e面呈现出类似于偶极子的“∞”形辐射方向图，各频点方向图基本完全重合。

天线工作带宽的大小取决于天线输入阻抗随频率的变化特性，而天线的输入阻抗则与天线自身结构、电尺寸及馈电网络等因素息息相关，因此天线形式的选择极为重要。微带天线是印刷天线的一种，采用微带形式的天线结构虽然可以克服使用常规单、双锥天线，缝隙天线，圆柱面共性阵列天线等体积大、重量大、加工成本高的不足，但常规的微带天线难以实现较宽的频带，传统的贴片微带天线为谐振式天线，带宽很窄(约2%)，达不到超宽带工作要求；若采用行波式微带天线，带宽可以满足要求，但增益达不到要求。多层微带结构、l型探针耦合馈电结构和增加短路钉的方法可以在一定程度上扩展频带，但结构上比较复杂，增加了加工、调试的难度。埋入式平板全向天线在发挥微带天线重量轻、剖面低的优势基础上，采用超低剖面宽带加载平板天线技术进一步展宽了天线的工作带宽，实现了p波段s11参数-10db以下带宽达到25%以上，且在整个频带内具有较恒定的增益特性与全向辐射特性。这是采用传统的经典天线设计理论和现有宽频带技术，几乎不可能达到性能指标。

埋入式平板全向天线实现了优异的方向图全向覆盖特性，以保证在任何位置、任何角度天线都具有良好的接收和发射性能，从而大幅提高飞机不同飞行姿态下的通联可靠性与使用便捷性，该天线电性及环境适应性完全满足机载环境要求，为低频段内埋式集成机载天线的理想选择形式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。