一種降低機載天線間耦合度的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明主要公開了一種降低機載天線間耦合度的裝置，包括北斗天線，應答機天線，復合材料平板和金屬平板。本發(fā)明通過使用復合材料作為耦合通道來衰減傳播的電磁波能量，相比傳統(tǒng)意義上的去耦合方式，這是一種疏通耦合的方式來降低天線間的耦合。本發(fā)明中將選取所述天線，計算復合材料平臺天線工作特性和天線間的耦合度，并與無復合材料的金屬平臺仿真結果進行了對比，驗證了有復合平臺的時候可以降低耦合。
【專利說明】
一種降低機載天線間耦合度的裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及電磁兼容領域，尤其涉及一種降低機載天線間耦合度的裝置。
【背景技術】
[0002]隨著電子科學技術的發(fā)展，機載電子設備越來越強，造成飛機表面的天線數(shù)目越來越多。在機載平臺上，天線的主要功能是將發(fā)射機饋送來的電信號轉換成為電磁波，輻射到自由空間中，或者將自由空間中微弱的電磁波信號，轉換成為電信號，輸入高靈敏度的機載接收機。而天線大多集中在飛機表面的有限空間里，天線和天線之間存在耦合干擾對天線的正常工作造成影響。常用的降低天線耦合度的方法有空間分集技術，極化分集技術和使用耦合器的方法。該空間分集技術是指利用多個接收天線來接收信號，利用信號之間的不相關性，要求天線間距足夠大來滿足降低耦合的要求;極化分集技術是采用正交極化的方法，利用水平路徑和垂直路徑上的信號不相關特性，在發(fā)射端和接收端各裝一個水平極化天線和垂直極化天線，來滿足天線間降低耦合度的要求。
[0003]中國專利公開號CN101677149A，是天線被要求滿足一定距離來降低天線間的親合度。該申請現(xiàn)有技術存在以下問題:天線在安裝時被要求放置在一定距離來滿足降低天線間耦合度的要求。采用去耦合的方法去消除耦合能量，裝置要求天線能量。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明技術解決問題:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種降低機載天線間耦合度的裝置，以有效地降低機載天線間耦合度。
[0005]本發(fā)明技術解決方案:一種降低機載天線間耦合度的裝置，包括:北斗天線，應答機天線，復合材料平板和金屬平板;所述北斗天線與所述應答機天線間距W = 0.6-0.75m，是安裝在機載平臺上的機載天線，且在天線密集的機背位置，所述北斗天線用于發(fā)射天線信號，為全向天線，工作頻段與所述應答機天線接近，易與應答機天線形成互擾;所述應答機天線用于接收詢問天線信號，并將接收到的詢問信號送至應答機進行判斷，為全向天線，工作頻段與北斗天線接近，易與北斗天線形成互擾。所述復合材料涂敷在金屬平板上形成復合材料平板，所述復合材料平板作為平臺放置所述的北斗天線和應答機天線;復合材料平板的寬度W_m = 0.6-0.75m，與北斗天線和應答機天線間距相同，所述復合材料平板長度是L_m=l.2-1.5m，其中，所述復合材料作為一種耦合通道，將所述發(fā)射天線的一部分能量通過所述復合材料耦合到接收天線。
[0006]所述復合材料的各項電磁參數(shù)設置為:相對介電常數(shù)er*13、相對磁導率為yr*2、電介質損耗角正切1^]15(3為0.06，復合材料的厚度11_1]1為2.51111]1。
[0007]所述北斗天線指標為:頻帶:1616± 1MHz;駐波彡2;增益:2dBi ;所述北斗天線形式是微帶天線，使用HFSS工具進行天線的仿真設計，北斗天線的尺寸參數(shù):輻射貼片使用方形貼片，貼片寬度W_patch為19.2!111]1，北斗天線介質基片采用基板厚度11_81113為41111]1的方形微波陶瓷基板，方形微波陶瓷基板是制作天線的板材，它的寬度胃_81113為25mm，饋電方式為同軸饋電，饋電點到方形貼片中心距離XP為3mm，通過方形貼片切角實現(xiàn)圓極化，切角寬度C為2mm ο
[0008]所述應答機天線發(fā)射頻率為1030Μ±1ΜΗζ，接收頻率為1090M±3MHz，方向圖為水平全向；所述應答機天線的形式為單極子天線;應答機天線選擇了 λ/4作為振子高度，經(jīng)優(yōu)化設計后得到應答機天線的尺寸參數(shù)為:天線材料為銅，振子高度為68mm，振子半徑為1mm。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0010](I)在有限的空間中，天線之間安放的距離不能按要求滿足一定的間隔，如安放在飛機上的北斗天線和應答機天線，安放的距離不能滿足一定的間隔。典型的機載天線，如北斗天線和應答機天線，放置在傳統(tǒng)的金屬平臺上，由于北斗天線和應答機天線之間的距離是一定的，在有限的飛機表面空間上是不能滿足足夠的間隔距離來降低天線間的耦合度。但是北斗天線的工作頻段與應答機天線的工作頻段靠近，兩幅天線間易發(fā)生鄰帶干擾現(xiàn)象。由于復合材料導電性能遠低于金屬材料，因此機身上使用的復合材料在電磁波進入復合材料后會產(chǎn)生透射現(xiàn)象。位于復合材料平臺上的天線發(fā)射的電磁波，透射入復合材料，其在復合材料內部的傳播。采用本發(fā)明通過大量試驗，通過復合材料提供了一種新的耦合通道，使耦合的電磁波能量在其中傳播衰減，達到降低天線間耦合度的效果;特別是復合材料具有質量輕，強度高的優(yōu)點，涂敷在金屬平板上形成復合材料平板，簡單易行，且能達到降低耦合度的要求，有效地降低機載天線間耦合度。通過選取所述天線，計算復合材料平臺天線工作特性和天線間的耦合度，并與無復合材料的金屬平臺仿真結果進行了對比，驗證了有復合平臺的時候可以降低耦合。
[0011](2)本發(fā)明裝置簡單易行，相比現(xiàn)有技術的去耦合方法，是一種新穎的疏通耦合路徑的裝置。
[0012](3)本發(fā)明可以用于平臺天線性能和耦合度變化的預測分析。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結構示意圖，同時也作為復合材料平臺天線電磁耦合特性分析模型；
[0014]圖2為北斗天線模型結構；
[0015]圖3為北斗天線仿真及測試結果;其中(a)Sll結果，(b)E面方向圖，(C)H面方向圖；實線代表仿真結果，虛線代表測試結果；
[0016]圖4為應答機天線仿真及測試結果；(a)仿真模型，(b)Sll結果圖，(C)E面方向圖，(d)H面方向圖；實線代表仿真結果，虛線代表測試結果；
[0017]圖5為復合材料電磁分析模型；
[0018]圖6為復合材料厚度為2mm、2.5mm、3mm時的反射系數(shù)仿真結果;其中三角連成線的表示h = 2mm，小方框連成的線代表h = 2.5mm，小圓連成的線代表h = 3mm ；
[0019]圖7為復合材料相對介電常數(shù)為8、13、18時的反射系數(shù)仿真結果;其中三角連成線的表示Er = 8，小方框連成的線代表Er =13，小圓連成的線代表Er = 18;
[0020]圖8為復合材料電損耗角正切為0.04,0.06和0.08時的反射系數(shù)仿真結果;其中三角連成線的表示tan5e = 0.04，小方框連成的線代表tan5e = 0.06，小圓連成的線代表tan5e= 0.08；
[0021]圖9為復合材料相對磁導率為1、2和3時的反射系數(shù)仿真結果;其中三角連成線的表示μι.= I，小方框連成的線代表μι.= 2，小圓連成的線代表μι.= 3 ；
[0022]圖10為復合材料磁損耗角正切為0.2、0.4和0.6時的反射系數(shù)仿真結果;其中三角連成線的表示tan5m = 0.2，小方框連成的線代表tan5m = 0.4，小圓連成的線代表tan5m =0.6；
[0023]圖11為金屬平臺和復合材料平臺天線工作特性仿真結果；(a)北斗天線Sll參數(shù)，(b)應答機天線Sll參數(shù)，(C)北斗天線增益，(d)應答機天線增益；
[0024]圖12為金屬平臺和復合材料平臺天線耦合度仿真結果；
[0025]圖13為金屬平臺和復合材料平臺天線耦合度實測結果。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術方案進行清楚地，完整地描述。
[0027]參見圖1，本發(fā)明包括北斗天線I，應答機天線2，復合材料3，金屬平板4。
[0028]所述北斗天線I和應答機天線2同處于機背，兩者距離接近，工作頻率也接近，易發(fā)生鄰帶干擾。相對于天線波長，機載平臺尺寸很大，在機背表面可以等效成為較大平臺。因此將機載平臺的機背環(huán)境簡化為下圖所示的平板模型，將選取的北斗天線和應答機天線放置在該較大金屬平板4上，該金屬平板4上放置有選取的復合材料3，天線間距離設置與實際裝機后距離一致。其各項參數(shù)為，較大地板L_m*W_m= 1.5m*0.75m，兩部天線分別為北斗天線和應答機天線，天線間距為0.7m，在金屬平板上放置的復合材料為所選用的復合材料，各項電磁參數(shù)設置為:相對介電常數(shù)為13、相對磁導率為yr*2、電介質損耗角正切tanSeS
0.06,設置材料厚度為2.5mm。
[0029]參見圖2，本發(fā)明提供的北斗天線模型結構圖。
[0030]所述北斗天線的尺寸參數(shù)如下:輻射貼片使用方形貼片，貼片寬度W_patch為19.2!111]1，方形微波陶瓷基板的寬度￥_81113為251111]1，基板厚度11_81113為41]11]1，饋電方式為同軸饋電，饋電點到貼片中心距離xp為3_，通過方形貼片切角實現(xiàn)圓極化，切角寬度c為2_。
[0031]參見圖3，本發(fā)明提供的北斗天線仿真及測試結果圖。
[0032]所述北斗天線進行了實物加工和測試，用于驗證設計結果。所述北斗天線的Sll參數(shù)的測試使用了安捷倫公司的N9918A型號的矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，并使用天線近場測試系統(tǒng)在暗室中進行了天線的方向圖測量。
[0033]從圖3中可以看出，北斗天線的仿真結果具有的SII參數(shù)-1OdB帶寬為1.595?1.634GHz，最大增益達2.2dBi，水平全向，而在實物測試中北斗天線的SI I參數(shù)-1OdB帶寬縮減，實測結果顯示的帶寬也為1.605?1.626GHz，且其H面方向圖較仿真結果更好，不圓度較優(yōu)。滿足設計指標要求。
[0034]參見圖4，本發(fā)明提供的應答機天線仿真及測試結果圖。
[0035]所述應答機天線形式為單極子天線，其主要指標有:發(fā)射頻率為1030M±IMHz，接收頻率為1090M±3MHz，方向圖為水平全向。應答機天線選擇了λ/4作為振子高度，經(jīng)優(yōu)化設計后得到應答機天線的尺寸參數(shù)為:天線材料為銅，振子高度為68mm，振子半徑為1mm。
[0036]所述應答機天線仿真結果具有的Sll參數(shù)-1OdB帶寬為970?1128MHz，其實測帶寬為978?1108MHz，最大增益達2.8dBi，水平全向，滿足設計指標要求。
[0037]參見圖5，本發(fā)明提供的復合材料電磁分析模型圖，I為復合材料，2為金屬平板。
[0038]所述復合材料電磁分析模型，復合材料涂敷在金屬平板表面，所示的設置主從邊界和Floquet激勵以獲得無限大面積的材料涂敷反射分析結果。在設計分析中，只需要建立如圖所示的寬為W_c的方形復合材料，設置復合材料基板厚度改為h_c，放置于同樣大小的方形理想導體上，并建立高度Lambda為仿真頻段中心頻點1/2波長的空氣腔將復合材料及理想導體模型包含在內，空氣腔的四個側面上設置兩組主、從邊界，并在空氣腔的上端面設置Floquet端口激勵，模擬電磁波垂直入射情況。由于使用了主從邊界以模擬無限大復合材料的電磁波反射特性，因此方形復合材料模型的寬度W_c對仿真結果并沒有太大影響，綜合考慮計算精度和計算量設置寬度W_c為20mm。
[0039]參見圖6，本發(fā)明提供的復合材料厚度為2、2.5、3mm時的反射系數(shù)仿真結果圖。
[0040]所述復合材料的樣品厚度為2.5mm，改變模型的厚度分別為2mm、2.5mm和3mm，得到模型SI I參數(shù)如圖6所示。
[0041]從圖6中可以看出，復合材料厚度的微小改變即可以引起材料反射特性的顯著改變，材料的厚度越大，其反射率的諧振頻率點就越低，原因是材料厚度一般為諧振頻率點波長的四分之一，當材料厚度增加時，相應的諧振頻率點的波長也增加，進而其諧振頻率降低。
[0042]參見圖7，本發(fā)明提供的復合材料相對介電常數(shù)為8、13、18時的反射系數(shù)仿真結果O
[0043]改變模型相對介電常數(shù)時，以選取的材料相對介電常數(shù)為中心，分別設置了8、13和18三個數(shù)值，分別進行了仿真。
[0044]從圖7中可以看出，隨著材料相對介電常數(shù)的增加，材料反射率的諧振頻率點向低頻移動，原因是同樣頻率的電磁波在具有更高的相對介電常數(shù)的材料內部，其波長更短，因而當厚度不變?yōu)樗姆种徊ㄩL時，提高材料的相對介電常數(shù)，會導致諧振頻率點變低。除了諧振頻率點的變化之外，材料的相對介電常數(shù)也會引起材料特征阻抗的變化及Q值，相對介電常數(shù)越高，其匹配越好，但Q值也更高，帶寬更窄。
[0045]參見圖8，本發(fā)明提供的復合材料電損耗角正切為0.04,0.06和0.08時的反射系數(shù)仿真結果圖。
[0046]復合材料的介電常數(shù)包含了虛部，在電磁參數(shù)上通過電介質損耗角正切表征電場的損耗。分別取電介質損耗角正切的值為0.04、0.06和0.08，得到材料的反射率變化如圖8。電損耗角正切值的變化范圍較為有限，因此材料的反射率變化并不明顯，電損耗角正切值增大，材料的反射減小，諧振頻率增大。
[0047]參見圖9，本發(fā)明提供的復合材料相對磁導率為1、2和3時的反射系數(shù)仿真結果圖。
[0048]復合材料中摻雜了磁硅等磁性材料會使材料本身帶有磁性，選擇材料的相對磁導率分別為1、2和3，得到材料反射率仿真結果。
[0049]從圖9看出，相對磁導率對諧振頻率的影響與相對介電常數(shù)的影響原理類似，均是由于改變了材料中電磁波的波長，使得諧振頻率隨著相對磁導率的增加而減小，但與相對介電常數(shù)不同的是，由于計算阻抗時相對磁導率與阻抗值呈正比，而相對介電常數(shù)與阻抗值呈反比，因此在介質交界面處的匹配情況，相對磁導率對匹配程度的影響也與相對介電常數(shù)的影響相反，相對磁導率增大，匹配程度變差。
[0050]參見圖10，本發(fā)明提供的復合材料磁損耗角正切為0.2,0.4和0.6時的反射系數(shù)仿真結果圖。
[0051 ]復磁導率的虛部部分與實部的比值為磁損耗角正切tanSm，改變材料磁損耗角正切值為0.2、0.4和0.6，仿真得到材料的反射率如圖10所示。磁損耗角正切值越大，材料反射率的諧振頻率點越低，其匹配情況也越好。
[0052]參見圖11，本發(fā)明提供的金屬平臺和復合材料平臺天線工作特性仿真結果圖。
[0053]圖11中(a)和(b)分別為北斗天線和應答機天線的Sll參數(shù)，相較于金屬平臺，兩幅天線均發(fā)生了諧振頻率左偏，工作帶寬展寬的現(xiàn)象，按前述的分析，北斗天線的工作頻率左偏，帶寬展寬的現(xiàn)象使得其更加靠近應答機天線的發(fā)射頻點，易受到干擾。造成這種現(xiàn)象的原因，是由于天線周圍使用了復合材料后，由于復合材料的相對介電常數(shù)和相對磁導率均較高，形成了介質的加載效應，使得天線的有效介電常數(shù)和有效磁導率變大，諧振頻率點降低。圖(c)(d)分別為北斗天線和應答機天線的增益曲線，從圖中可以看出，金屬平臺和復合材料平臺，兩幅天線均發(fā)生了方向圖畸變現(xiàn)象，復合材料平臺上方向圖畸變程度相比金屬平臺有所減弱，原因是金屬平臺產(chǎn)生二次輻射效應較為明顯，而復合材料平臺由于對電磁波的反射產(chǎn)生了損耗和吸收，因此方向圖的變化比較金屬平臺較小，應答機天線在金屬平臺和復合材料平臺上的方向圖畸變相差不多。從圖(C)(d)中可以看出，金屬平臺上的增益方向圖較大，金屬平臺的二次輻射場與原天線輻射場疊加，造成了天線方向圖的畸變，且增益有所增加。復合材料平臺由于材料的導電性相比于金屬很弱，且材料對電磁波的具有吸收和損耗的效果，使得復合材料平臺天線的增益值小于金屬平臺天線。
[0054]參見圖12-13，本發(fā)明提供的金屬平臺和復合材料平臺天線工作特性仿真結果圖和實測圖。
[0055]在圖1模型下，使用HFSS進行了天線間耦合度計算，設置掃頻范圍為0.8?2GHz，分別得到金屬平臺和復合材料平臺的天線耦合度結果如圖12所示。
[0056]從圖12中可以看出復合材料平臺的天線耦合度計算結果低于金屬平臺天線的耦合度，造成這種結果的原因在于選用的復合材料是有耗材料，復合材料中傳播的表面波因為損耗而無法到達接收天線處，而由于復合材料對電磁波的吸收作用，天線間的反射式耦合能量也受到衰減，因而復合材料平臺相比金屬平臺具有較低的耦合度，但兩者在北斗天線工作頻點處，均具有超過_35dB的耦合度，天線間存在隔離問題。
[0057]圖13，由于未計入轉接頭和測試線的衰減，實測結果低于仿真結果，但兩者規(guī)律一致，在北斗天線工作頻點附近，選取的有耗復合材料平臺上天線間的耦合度較金屬平臺有所降低。
[0058]提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發(fā)明的范圍之內。
【主權項】
1.一種降低機載天線間耦合度的裝置，其特征在于:包括北斗天線，應答機天線，復合材料平板和金屬平板;所述北斗天線與所述應答機天線間距W = 0.6-0.75m，是安裝在機載平臺上的機載天線，且在天線密集的機背位置，所述北斗天線用于發(fā)射天線信號，為全向天線，工作頻段與所述應答機天線接近，易與應答機天線形成互擾;所述應答機天線用于接收詢問天線信號，并將接收到的詢問信號送至應答機進行判斷，為全向天線，工作頻段與北斗天線接近，易與北斗天線形成互擾，所述復合材料涂敷在金屬平板上形成復合材料平板，所述復合材料平板作為平臺放置所述的北斗天線和應答機天線；復合材料平板寬度W_m =0.6-0.75m，與北斗天線和應答機天線間距W相同，所述復合材料平板長度是L_m= 1.2-1.5m，其中，所述復合材料作為一種耦合通道，將所述發(fā)射天線的一部分能量通過所述復合材料耦合到接收天線。2.根據(jù)權利要求1所述的降低機載天線間耦合度的裝置，其特征在于:所述復合材料的各項電磁參數(shù)設置為:相對介電常數(shù)Er為13、相對磁導率為yr*2、電介質損耗角正切tar^e為0.06，復合材料的厚度h為2.5mm。3.根據(jù)權利要求1所述的降低機載天線間耦合度的裝置，其特征在于:所述北斗天線指標為:頻帶:1616 ± 1MHz;駐波彡2;增益:2dBi;所述北斗天線形式是微帶天線，使用HFSS工具進行天線的仿真設計，北斗天線的尺寸參數(shù):輻射貼片使用方形貼片，貼片寬度W_patch為19.2mm，北斗天線介質基片采用基板厚度h_sub為4mm的方形微波陶瓷基板，它的寬度W_sub為25mm，饋電方式為同軸饋電，饋電點到方形貼片中心距離xp為3mm，通過方形貼片切角實現(xiàn)圓極化，切角寬度c為2mm。4.根據(jù)權利要求1所述的降低機載天線間耦合度的裝置，其特征在于:所述應答機天線發(fā)射頻率為1030M± IMHz，接收頻率為1090M土 3MHz，方向圖為水平全向；所述應答機天線的形式為單極子天線;應答機天線選擇了 λ/4作為振子高度，經(jīng)優(yōu)化設計后得到應答機天線的尺寸參數(shù)為:天線材料為銅，振子高度為68mm，振子半徑為Imm。
【文檔編號】H01Q1/52GK106058465SQ201610344251
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】陳愛新, 張夢, 秦昌
【申請人】北京航空航天大學