CN104022355A - 用于确保组件的一致辐射图案的方法及组件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于确保组件的一致辐射图案的方法及组件。用于使所述天线设置在雷达罩内时的辐射一致的方法和单极天线。根据本发明，突出的纵向凸脊(9.90,9.270)形成在单极天线(8)的表面上，纵向凸脊(9.90,9.270)设置成与雷达罩(1)—单极天线(8)组件的如下区域至少大致相对，即在该区域中，雷达罩(1)—单极天线(8)组件具有相比于所述单极天线单独的辐射图案的减小的增益的辐射图案。

Description

用于确保组件的一致辐射图案的方法及组件
技术领域
本发明涉及一种定位在雷达罩内的微波单极天线。
背景技术
已知的微波单极天线具有回转表面，例如，回转表面为圆柱形或圆锥形，且已知的是，在其整个带宽内，它们具有沿正交于其轴线的平面中一致(uniform)的全向辐射图案。
还已知的是，例如，如在先文献US 7,006,047和US 7,116,278中所示，此类全向辐射天线可安装在由运输载具如飞行器的外表面构成的接地层上，例如，出于雷达的通信或检测的目的。为了保护所述天线，它们中的各个均由与其同轴的圆柱形天线罩包绕。由于其圆柱形状和其同轴安装，故此类雷达罩不干扰由此产生的天线/雷达罩组件的辐射图案的全向一致性。
然而，此类已知的天线/雷达罩组件具有的缺陷在于，圆柱形雷达罩定位成正交于围绕所述载具的空气流，以致其生成高空气动力阻力。
为了避免此缺陷，所述雷达罩可构想为给定仿形(profiled)的空气动力形状；但在此情况下，此形状(根据定义不由围绕天线轴线的回转产生)和雷达罩(出于机械阻力的原因，其介电常数大体上大于1)的结构必然伴有仿形天线/雷达罩组件的全向辐射图案一致性的消失，其中改变的变化程度取决于频率和方向，这可在所述辐射图案的某些点处导致增益(以无向性分贝表示)的很大负值。
发明内容
本发明的主题在于通过使得有可能产生具有一致全向辐射和低空气动力阻力的此类天线/雷达罩组件来弥补此缺陷。
为此，根据本发明，用于确保组件的一致辐射图案的方法包括：
具有回转表面的单极天线，以及
具有空气动力轮廓的雷达罩，所述单极天线位于雷达罩内，
值得注意的是，其包括以下步骤：
确定所述天线/雷达罩组件的辐射图案；
确定围绕定位在所述雷达罩内的所述单极天线的回转轴线的方向，其中所述天线/雷达罩组件的所述辐射图案具有一个区域(area)，在该区域中，增益值相比于所述单极天线的辐射图案减小；以及
改变所述单极天线的回转表面，以在其上形成突出的纵向凸脊，纵向凸脊至少大致面对由此确定的减小的增益的所述区域中的至少一个。
实际上，申请人已发现此类凸脊使得有可能沿它们所面对的方向再定向天线的波，天线的波由所存在的雷达罩干扰，且因此反抗具有减小或甚至负的增益值的辐射图案的区域的形成。
因此，由于本发明，所述天线/雷达罩组件由于所述雷达罩的仿形轮廓而具有低空气动力阻力，且由于所述凸脊构成电磁衍射的区域而具有至少大致一致的全向辐射，这使得有可能控制具有所述空气动力雷达罩的天线的辐射。
根据本发明，一种组件包括：
具有回转表面的单极天线；以及
具有空气动力轮廓的雷达罩，所述单极天线位于雷达罩内，
所述天线/雷达罩组件的辐射图案具有一个区域，在该区域中，增益值相比于所述单极天线的辐射图案减小，
值得注意的是，所述单极天线包括在其回转表面上的至少一个突出的纵向凸脊，其定位成至少大致面对至少一个所述减小增益的区域。
在根据本发明的所述天线/雷达罩组件的优选实施例中：
所述雷达罩为中空本体，其具有空气动力轮廓，其包括由前缘和由后缘在其端部处连接的两个相对侧壁，其限定用于所述雷达罩的中间纵向平面，
所述天线的轴线位于所述雷达罩的中间纵向平面与中间横向平面的交点处，以及
所述天线的表面包括横穿所述雷达罩的所述中间纵向平面且在所述平面任一侧上的两个纵向凸脊，凸脊定位成分别直接面对所述雷达罩的对应侧壁。
在有利的实施例中，在定位成直接面对雷达罩的侧壁的各个所述纵向凸脊的任一侧上，所述单极天线的表面包括倾斜地面对雷达罩的对应侧壁的两个纵向凸脊。作为优选，定位成直接面对雷达罩的侧壁的所述纵向凸脊和定位成倾斜地面对所述侧壁的所述纵向凸脊为椭圆部分。在此情况下，所有所述纵向凸脊可属于定心在所述天线的轴线上的三个椭圆，其短轴、长轴和相对定向形成参数，以便优化所述单极天线/雷达罩组件的一致的辐射图案。
在变型中，在雷达罩的中间纵向平面的任一侧上，定位成直接面对雷达罩的对应侧壁的纵向凸脊和定位成倾斜地面对后一侧壁的两个相关联的纵向凸脊可合并来形成单个圆形侧向凸起。在此情况下，所述天线的表面具有面对雷达罩的所述前缘和所述后缘的圆形凹槽。
为了减小由所述单极天线的开口端部生成的衍射的效果，所述端部有利地由塞封闭。此塞可具有不同形式，例如，盖的形式。
此外，为了减小天线的侧向大小，有利的是所述单极天线定位在由介电材料制成的中空形状内，例如，陶瓷类型的介电材料，介电材料采用其形状，且其介电常数由所述天线的侧向减小与所述天线的带宽之间的折中而得到。
在一个示例性实施例中，单极天线由黄铜制成，构成雷达罩(例如，RF-4类类型的复合材料)的材料的介电常数为大约4，且构成所述中空圆柱的材料的介电常数为大约5。
作为优选，为了将所述单极天线固定到所述雷达罩上，雷达罩填充有限定所述单极天线的低介电常数(例如，大约1)的泡沫。
本发明可实施为用于具有宽带宽的大体上圆锥形的单极天线和具有窄带宽的大体上圆柱形的单极天线。然而，下文主要表示大体上圆锥形的单极天线。
附图说明
附图中的图将使得更容易理解如何可实施本发明。在这些图中，相同参考标号表示相似元件。
图1在图解视图中示出了包围已知圆锥形单极天线的空气动力形雷达罩。
图2为图1中的平面视图。
图3示出了相比于单个已知圆锥形单极天线的辐射图案的图1和图2中的雷达罩/单极天线组件的以dB计且在5Hz下的辐射图案。
图4A示出了根据本发明的单极天线的截面。
图4B示出了如何可产生图4A中的截面。
图5在剖面视图中示出了根据本发明的图4A中的单极天线的雷达罩内的定位。
图6示出了相比于单个已知圆锥形单极天线的辐射图案的图5中的雷达罩/单极天线组件的以dB计且在5Hz下的辐射图案。
图7在透视图中示出了根据本发明的单极天线的变型实施例。
图8示出了图7的单极天线的放大截面。
图9示出了雷达罩内的图7的单极天线的定位，假定了后者对于来自于单极天线的波至少大致透明。
图10示出了相比于单个已知圆锥形单极天线的辐射图案的图9中的雷达罩/单极天线组件的以dB计且在5Hz下的辐射图案。
具体实施方式
图1、图2、图5和图9所示的雷达罩1由载有接近4的介电常数的介电纤维的树脂型复合材料制成，例如，FR-4(阻燃4)型复合材料。
雷达罩1具有带空气动力轮廓2的中空本体的形式，其包括在其端部处由前缘5和由后缘6连接的两个相对的侧壁3和4。前缘5和后缘6限定中间纵向平面，其具有用于所述雷达罩的对称线M，包含其纵轴线X-X。
例如由黄铜制成的圆锥微波单极天线7定位在图1和图2的雷达罩1内，天线7能够在0.7GHz至6GHz的频带中工作，且其纵轴线ℓ-ℓ处于雷达罩1的中间纵向平面M，且垂直于接地面定向。穿过天线7的轴线ℓ-ℓ且正交于中间纵向平面M的平面T限定垂直于纵轴线X-X的横向轴线Y-Y。
因此，轴线X-X和Y-Y形成围绕单极天线7的纵轴线ℓ-ℓ的矩形参考定位标记。在图3、图6和图10的图中，轴线X-X对应于0°至180°定向，而轴线Y-Y对应于90°至270°定向。
以已知的方式，当单极天线7不定位在雷达罩1内时，其辐射图案R7为一致的全向，且其增益值在所有方向都是正的(见图3、图6和图10)。
相反，在图1和图2的构造中，单极天线7定位在雷达罩1内，雷达罩1/单极天线7组件的辐射图案R17具有较大的取决于方向的波动(见图3)。实际上，由雷达罩1/单极天线7组件辐射的场取决于雷达罩7的面上的电场和磁场的分布，这些场取决于所述雷达罩的壁的反射系数和透射系数，其自身取决于雷达罩的面上的波的入射角。如图3中所见，在5GHz下的辐射图案R17具有平均值周围的+/-10dB的增益偏差，增益的一些值甚至为负(接近-10dB)。
为了弥补这些缺陷且产生具有大致一致的全方向辐射图案的雷达罩1/单极天线组件，本发明在于对于给定形式和介电常数的空气动力雷达罩，且优选的是，同时保留所述天线7的外壳，以通过形成凸形区域(突出的凸脊)和因此的在其表面上的凹形区域(凹槽)来优化单极天线的截面的轮廓，从而构成电磁衍射的区域，其通过与空气动力雷达罩1电磁耦合而能够允许产生此类全向的至少大致一致的辐射图案。因此，所述突出的凸脊的数目、分布和尺寸构成参数，其使得有可能控制单极天线的表面上的电磁波的衍射，且因此由空气动力雷达罩1和单极天线形成的组件的辐射。本发明基于以下事实：首先，凸脊沿其所面对的方向来集中能量。
因此，参看图3，将注意到由雷达罩1和单极天线7形成的组件的辐射图案R17相比于天线7自身的辐射图案R7，具有至少大致在30°—120°、90°—270°和150°—330°的方向的带增益值的区域，该增益值减小，且有时甚至为负的。减小的增益的这些区域分别给有标号Z30,Z90,Z150,Z210,Z270和Z330。
根据本发明，为了填充这些区域Z30,Z90,Z150,Z210,Z270和Z330中的至少一些，至少大致面对所述区域的突出的纵向凸脊设在本发明的天线的表面上。
根据本发明的此类单极天线8在图4A中示出，图4A示出了所述单极天线8的表面包括分别沿方向30°、90°、150°、210°、270°和330°的突出的纵向凸脊9.30,9.90,9.150,9.210,9.270和9.330，即，当单极天线8位于雷达罩1内时，如图5示意性所示，至少大致面对所述区域Z30,Z90,Z150,Z210,Z270和Z330。因此，凸脊9.90和9.270分别定位成直接地面对雷达罩1的侧壁3和4，而凸脊9.30和9.150,9.210和9.330定位成倾斜地面对所述侧壁3和4。
如图4B中所示，凸脊9.30,9.90,9.150,9.210,9.270和9.330可具有三个椭圆的部分的形状，这些椭圆E1,E2和E3为同轴的。图4B示出了相同的椭圆E1,E2和E3，但很明显，如图5中所示，它们可为不同的。将容易理解的是，椭圆E1,E2,E3的尺寸(由其长轴和短轴限定)以及其轴线关于雷达罩1的纵轴线X-X的倾斜度为使得有可能优化单极天线8/雷达罩1组件的一致辐射图案R18的参数。
在图6中，已经绘出了处于5GHz的辐射图案R18，且可看到的是，已经除去了区域Z90和Z270，已经减小了区域Z30,Z150,Z210和Z330，且已经沿轴线X-X的方向改善了增益。最多，辐射图案R18具有平均值周围的+/-4dB的增益的剩余偏差，增益的最小值为-3dB。
为了甚至进一步优化单极天线/雷达罩组件的辐射图案，可使用包括优化模块(例如，实施优化算法，如，牛顿法)的已知的天线设计工具，其中天线及其雷达罩由CAD类型的几何模型来描述。
然后，有可能产生改进的单极天线，如，在图7、图8和图9中所示的天线10。在根据本发明的该单极天线10中，定位成直接面对雷达罩1的侧壁3和4的各个纵向凸脊9.90和9.270与定位成倾斜地面对它们的两个相关联的纵向凸脊(对于凸脊9.90为9.30和9.150，而对于凸脊9.270为9.210和9.330)合并，以分别形成单个圆形侧向凸起11或12。以此方式，单极天线10的表面具有分别面对雷达罩1的前缘5和面对后缘6的圆形凹槽13或14。
图10中示出了由雷达罩1和单极天线10形成的组件的处于5GHz的辐射图案R110。如可看到的那样，剩余增益的偏差最多为平均值周围的+/-2dB，增益的最小值为-1dB。
如图7和图9所示，单极天线10的开口端部有利地由塞15封闭。
此外，单极天线8(图5)和单极天线10(图9)可定位在由介电材料制成的中空圆柱16内，其采用所述天线的形状，且其介电常数由所述天线的侧向减小与所述天线的带宽之间的折中而得到。根据本发明的这些单极天线8和10优选为由填充所述雷达罩1(图2和图5)的介电常数接近1的泡沫17固定到雷达罩1上。
尽管这些图大体上示出了圆锥形单极天线，但很明显，本发明还大体上涉及圆柱形的单极天线。

Claims (12)

1. 一种用于确保组件的一致辐射图案的方法，包括：
单极天线，以及
具有空气动力轮廓的雷达罩，所述单极天线位于雷达罩内，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定所述天线/雷达罩组件的辐射图案；
确定围绕定位在所述雷达罩内的所述单极天线的轴线的方向，其中，所述天线/雷达罩组件的所述辐射图案具有一个区域，在所述区域中，所述增益值相比于所述单极天线的辐射图案减小；以及
改变所述单极天线的表面，以在其上形成突出的纵向凸脊，所述纵向凸脊至少大致面对由此确定的减小的增益的所述区域中的至少一个。
2. 一种组件，包括：
具有回转表面的单极天线，以及
具有空气动力轮廓的雷达罩，所述单极天线位于雷达罩内，
其特征在于，所述单极天线(8,10)包括在其回转表面上的至少一个突出的纵向凸脊(9,11,12)，所述凸脊定位成至少大致面对至少一个减小的增益的区域。
3. 根据权利要求2所述的组件，
其特征在于：
所述雷达罩(1)为带空气动力轮廓的中空本体，所述轮廓包括在其端部处由前缘(5)和由后缘(6)连接的两个相对的侧壁(3,4)，其限定用于所述雷达罩的中间纵向平面(M)，
所述天线的轴线(ℓ.ℓ)位于所述中间纵向平面(M)和所述雷达罩的中间横向平面(T)的交点处，以及
所述天线的表面包括横穿所述雷达罩的所述中间纵向平面且在所述平面的任一侧上的两个纵向凸脊(9.90,9.20;11,12)，其分别定位成直接面对所述雷达罩(1)的对应的侧壁(3,4)。
4. 根据权利要求3所述的组件，
其特征在于，在定位成直接面对所述雷达罩(1)的侧壁(3,4)的各个所述纵向凸脊(9.90,9.270,11,12)的任一侧上，所述单极天线的表面包括倾斜地面对所述雷达罩的对应侧壁(3,4)的两个纵向凸脊(9.30,9.150;9.270,9.330)。
5. 根据权利要求4所述的组件，
其特征在于，定位成直接面对所述雷达罩的侧壁的所述纵向凸脊和定位成倾斜地面对所述侧壁的所述纵向凸脊为椭圆部分(E1,E2,E3)。
6. 根据权利要求5所述的组件，
其特征在于，所述纵向凸脊属于定心在所述天线的轴线(ℓ.ℓ)上的三个椭圆(E1,E2,E3)，所述椭圆的短轴、长轴和相对定向形成参数，以便优化所述单极天线/雷达罩组件的一致的辐射图案。
7. 根据权利要求4所述的组件，
其特征在于，在所述雷达罩(1)的中间纵向平面(M)的任一侧上，定位成直接面对所述雷达罩的对应侧壁的纵向凸脊和定位成倾斜地面对所述后一侧壁的两个相关联的纵向凸脊合并来形成单个圆形侧向凸起(11,12)。
8. 根据权利要求7所述的组件，
其特征在于，所述天线的表面具有分别面对所述雷达罩的所述前缘和所述后缘的圆形凹槽(13,14)。
9. 根据权利要求2至8中任一项所述的组件，
其特征在于，所述单极天线的开口端部由塞(15)封闭。
10. 根据权利要求2至9中任一项所述的组件，
其特征在于，所述单极天线定位在采用所述天线的形状的介电材料的中空形式(16)的内侧。
11. 根据权利要求2至10中任一项所述的组件，
其特征在于，所述雷达罩填充有接近1的介电常数的泡沫(17)，从而限定所述单极天线且将其固定到所述雷达罩上。
12. 一种单极天线，其具有回转表面，且旨在定位在具有空气动力轮廓的雷达罩内，以便形成天线/雷达组件，所述组件的辐射图案具有一个区域，在所述区域中，所述增益值相比于所述单极天线的辐射图案减小，
其特征在于，所述单极天线(8,10)包括在其回转表面上的至少一个突出的纵向凸脊(9,11,12)，所述凸脊旨在至少大致面对定位在所述雷达罩内的所述天线的至少一个减小的增益的所述区域。
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