一种兼具减速和通信特性的倒置伞共形天线

1.本发明属于短波通信技术领域，涉及一种兼具减速和通信特性的倒置伞共形天线，可应用于因地形复杂或者道路被毁而无法在地面建立通信设备的远距离通讯。


背景技术：

2.随着通信领域的技术发展，短波天线已广泛应用于各种远距离的通讯，其主要依赖于发射接收端通信设备的建立，当遇到一些突发情况，例如抢险救灾时，由于地形复杂或者道路被毁，通信设备此时无法安装或者受损而导致无法及时了解灾区的状况。在这种情况下，为了保障灾区人民的生存，通常需要借助空投物资来保障，同时空投时为了避免降落速度过快导致落地时对物资造成损害或对地面人员造成伤害，投放容器会装有小型的风罩、减速伞等减速装置，可以有效减小着陆时的冲击。
3.利用空投物资作为载体，将低频通信天线与减速伞做一体化的结合设计，可以在不增加重量的情况下，既起到减速的作用，又解决了与地面的通信问题。例如申请公布号为cn109037973a，名称为“一种降落伞共形天线”的专利申请，包括上半部伞绳及金属丝、下半部伞绳及金属丝、馈源、伞衣和未加金属丝的伞绳；上半部伞绳及金属丝的底部汇聚点与馈源的顶部的同轴线内心固定连接，下半部伞绳及金属丝的顶部和底部分别汇聚于一点，且顶部汇聚点与馈源的底部的同轴线的外皮固定连接，下半部伞绳及金属丝具有弯折点，弯折点处分别与每根的未加金属丝的伞绳的底端相连，每根的未加金属丝的伞绳分别与顶部连接伞衣的下边沿固定连接。该发明解决了干扰机的天线结构复杂、收纳困难的问题，但该发明在受外力影响下伞绳缠绕导致天线的金属丝变形，进而影响天线辐射性能，且该发明的天线垂直放置最大辐射方向为水平方向，天线会受到较多垂直极化的工业电磁干扰，同时该发明需要通过伞绳固定天线与投放物，导致天线和降落伞展开后尺寸较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种兼具减速和通信特性的倒置伞共形天线，用于解决现有技术存在的天线辐射性能较差以及展开后尺寸较大的技术问题，更有利于地对空通信。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括伞衣1和馈源2，还包括固定在投放物上呈圆周等间距排布的多个运动关节组件3，以及与每个运动关节组件铰接的支撑骨架4；所述运动关节组件3包括驱动支撑骨架4由垂直收拢状态向水平方向转动的压缩弹簧31和拉杆35，以及与压缩弹簧31底端连接的用于切换支撑骨架4由垂直方向向水平方向转动的电磁阀32；多个支撑骨架中部分支撑骨架采用导电性支撑骨架，剩余支撑骨架采用非导电性支撑骨架，且导电性支撑骨架关于天线的中心轴左右两侧对称分布，所述支撑骨架4的有效长度l由天线的辐射中心频率f＝c/4l决定，其中，c为光速；所述伞衣1固定在相邻的支撑骨架4之间；所述馈源2固定在多个运动关节组件3所形成的空间圆周的轴线上，并通过金属丝5与每个导电性支撑骨架连接；
6.投放物品时，每个支撑骨架由与多个运动关节组件所形成的圆周面的垂直状态，在与其铰接的运动关节组件中压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下，通过拉杆的牵引向水平方向转动，同时带动固定在相邻支撑骨架之间连接的伞衣展开成倒置的曲面结构；关于天线中心轴左右两侧对称分布的导电性支撑骨架既能实现对伞衣的支撑，同时又分别作为对称阵子天线的正极振子和负极振子。
7.上述天线，所述伞衣1，采用高强度气密性材料。
8.上述天线，所述馈源2，采用同轴线馈电结构，其内导体、外导体分别通过金属丝5与天线的正极振子、负极振子连接并为其提供交流电。
9.上述天线，所述运动关节组件3，还包括与投放物固定的滑槽33和镶嵌在所述滑槽33内的滑块34，以及设置在滑槽33下端的金属支架36；所述压缩弹簧31的顶端固定在滑槽33的上端；所述电磁阀32固定在压缩弹簧31的底端与滑块34之间；所述拉杆35的一端通过铰链37与滑块34连接，该拉杆35的另一端与设置在支撑骨架4架体上的铰链37连接；所述金属支架36用于与支撑骨架4活动连接。
10.上述天线，所述导电性支撑骨架，采用金属管材结构。
11.上述天线，所述导电性支撑骨架，采用涂覆有金属导电层的非金属棒材结构，金属导电层用于与金属丝5连接。
12.上述天线，所述导电性支撑骨架，采用缠绕有金属线绳的非金属棒材结构，金属线绳用于与金属丝5连接。
13.上述天线，所述非导电性支撑骨架，采用非金属管材结构。
14.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
15.1.本发明中的多个导电性支撑骨架在压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下，由与多个运动关节组件所形成的圆周面的垂直状态展开为对阵阵子天线结构，避免了现有技术因伞绳缠绕对天线辐射性能的影响，且在垂直于地面的方向上辐射最大并为全向辐射，既可以避免垂直极化的工业电磁干扰，也可以在地形复杂的环境中实现比垂直极化波更好的绕射能力，进而拓宽了辐射覆盖的区域。
16.2.本发明中的多个导电性支撑骨架分别作为对阵阵子天线的正极振子和负极振子，在投放物品的过程中即使因风的阻力影响而发生机械形变，对天线的工作频带影响较小，因而具有稳定的工作带宽。
17.3.本发明中的多个导电性支撑骨架兼作对称阵子天线的正负振子，避免了现有技术由上下部分伞绳和金属丝组成导致的天线展开后尺寸较大的缺陷。
附图说明
18.图1为本发明工作状态时的整体结构示意图；
19.图2为本发明非工作状态时的整体结构示意图；
20.图3为本发明运动关节组件与支撑骨架的相互关系图；
21.图4为本发明的仿真模型图；
22.图5为本发明回波损耗s11随频率变化曲线的仿真图；
23.图6为本发明辐射方向的仿真图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
25.参照图1和图2，本发明包括伞衣1、馈源2、固定在投放物上呈圆周等间距排布的6个运动关节组件3，以及与每个运动关节组件铰接的支撑骨架4。
26.所述伞衣1固定在相邻支撑骨架4之间，伞衣1采用高强度气密性材料，在投放物降落过程中随支撑骨架4转动而展开后形成倒置的曲面结构，为投放物提供阻力进行减速。
27.所述馈源2固定在6个运动关节组件3所形成的空间圆周的轴线上，馈源2采用同轴线馈电结构，其内导体、外导体分别通过金属丝5与天线的正极振子、负极振子连接并为其提供交流电。
28.所述运动关节组件3，其结构如图3所示，包括压缩弹簧31、电磁阀32、滑槽33、滑块34、拉杆35、金属支架36和铰链37。所述压缩弹簧31的顶端固定在滑槽33的上端，底端与电磁阀32连接，在投放物品前处于压缩状态存储弹性势能；所述拉杆35的一端通过铰链37与滑块34连接，该拉杆35的另一端与设置在支撑骨架4架体上的铰链37连接，在压缩弹簧31弹性势能的驱动下推动支撑骨架4由垂直收拢状态向水平方向转动；所述电磁阀32固定在压缩弹簧31的底端和滑块34之间，用于切换支撑骨架4由垂直方向向水平方向转动；所述滑槽33固定在投放物上；所述滑块34镶嵌在滑槽33内；所述金属支架36设置在滑槽33的下端，用于与支撑骨架4活动连接。
29.所述支撑骨架4，其长度l由天线的辐射中心频率f＝c/4l计算出为10m，其半径为0.01m，天线的辐射中心频率为7.5mhz，多个支撑骨架中部分支撑骨架采用导电性支撑骨架，剩余支撑骨架采用非导电性支撑骨架，导电性支撑骨架采用涂覆有金属导电层的非金属管材结构，非导电性支撑骨架采用非金属管材结构。在投放物品前，每根支撑骨架通过运动关节组件旋转收拢至垂直状态，此时支撑骨架与运动关节组件中的滑槽平行；在投放物品时，支撑骨架在压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下通过拉杆向水平方向转动，其中，导电性支撑骨架形成以中心轴左、右两侧分别作为正极振子、负极振子的对称阵子天线结构；支撑骨架与天线中心轴的夹角为α，相邻支撑骨架之间在水平方向上的投影夹角为β，本实施例α＝75
°
，β＝60
°
。
30.所述导电性支撑骨架，也采用缠绕有金属线绳的非金属棒材结构，或金属管材结构。当导电性支撑骨架采用涂覆有金属导电层的非金属管材结构时，所述金属丝5的两端分别与金属导电层和馈源2的内外导体连接，当导电性支撑骨架采用缠绕有金属线绳的非金属棒材结构时，所述金属丝5的两端分别与金属线绳和馈源2的内外导体连接，当导电性支撑骨架采用金属管材结构时，所述金属丝5的两端分别与金属管材结构的本体和馈源2的内外导体连接。
31.所述非导电性支撑骨架，采用碳钎维结构，其底端不连接金属丝5。
32.本发明的工作原理为：电磁阀打开，在外力的作用下滑块沿滑槽向顶端滑动，支撑骨架在与滑块连接的拉杆的牵引下，绕金属支架转动至于滑槽平行的状态，同时压缩弹簧在滑块向上的推力作用下存储能量；投放物品时，将该天线结构搭载于投放物资上，由飞行器送达指定点后投放，降落过程中，与压缩弹簧底部相连的电磁阀接收到外部控制信号后打开，滑块在压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下向下运动，通过铰链带动拉杆运动，使得处于垂直状态的支撑骨架在拉杆的推动下向水平方向转动，在此过程中，电磁阀阻止支撑
骨架受风的阻力而往回运动，当支撑骨架转动到与激励所在的中心线呈α角度时，电磁阀再次接收到控制信号而关闭，通过滑块固定在滑槽上，使得支撑骨架的形状保持稳定状态；所述支撑骨架采用导电性支撑骨架或非导电性支撑骨架，且导电性支撑骨架关于天线的中心轴左右两侧对称分布，其既支撑伞衣，又作为对阵阵子天线的正极振子和负极振子，非导电性支撑骨架只起支撑伞衣的作用；固定在相邻支撑骨架之间连接的伞衣连同支撑骨架一起展开，为投放物提供阻力进行减速，同时伞衣展开后，短波天线开始进入工作状态，内部的激励通过同轴馈线给金属骨架提供交变电流，分布于伞面上的导电性支撑骨架所构成的对阵阵子天线，将交变电信号转换成电磁波向地面辐射出去。
33.以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
34.1.仿真条件和内容：
35.利用ansys electronics desktop软件建立了该天线的仿真模型，其中，天线的支撑骨架长度为10m，半径为0.01m，其中，4根导电性支撑骨架采用涂覆有金属铜的管材结构，电导率为5.8e7 s/m，且其关于天线的中心轴左右两侧对称分布，2根非导电性支撑骨架采用碳钎维管材结构，伞面材料的相对介电常数为1，天线的工作频率为7.5mhz，扫频带宽为1-13mhz，步长为0.2，采用driven model模式求解器进行仿真分析。
36.对本发明的回波损耗s11随频率变化、辐射方向图分别进行仿真，其结果如图5和图6所示。
37.2.仿真结果分析：
38.参照图5，可以看出该天线在6.76-7.7mhz频带内都具有良好的辐射特性，即天线的s11≤-10db，相对带宽为13％。
39.参照图6，图中实线、虚线分别为天线的e、h面方向图，可以看出该天线在张开伞面的垂直方向上具有全向辐射的特性，其最大辐射方向垂直于地面，因此既可以避免垂直极化的工业电磁干扰，又可以在地形复杂的地区有更好的绕射能力，能够覆盖更广的区域。

技术特征：
1.一种兼具减速和通信特性的倒置伞共形天线，包括伞衣(1)和馈源(2)，其特征在于，还包括固定在投放物上呈圆周等间距排布的多个运动关节组件(3)，以及与每个运动关节组件铰接的支撑骨架(4)；所述运动关节组件(3)包括驱动支撑骨架(4)由垂直收拢状态向水平方向转动的压缩弹簧(31)和拉杆(35)，以及与压缩弹簧(31)底端连接的用于切换支撑骨架(4)由垂直方向向水平方向转动的电磁阀(32)；多个支撑骨架中部分支撑骨架采用导电性支撑骨架，剩余支撑骨架采用非导电性支撑骨架，且导电性支撑骨架关于天线的中心轴左右两侧对称分布，所述支撑骨架(4)的有效长度l由天线的辐射中心频率f＝c/4l决定，其中，c为光速；所述伞衣(1)固定在相邻的支撑骨架(4)之间；所述馈源(2)固定在多个运动关节组件(3)所形成的空间圆周的轴线上，并通过金属丝(5)与每个导电性支撑骨架连接；投放物品时，每个支撑骨架由与多个运动关节组件所形成的圆周面的垂直状态，在与其铰接的运动关节组件中压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下，通过拉杆的牵引向水平方向转动，同时带动固定在相邻支撑骨架之间连接的伞衣展开成倒置的曲面结构；关于天线中心轴左右两侧对称分布的导电性支撑骨架既能实现对伞衣的支撑，同时又分别作为对称阵子天线的正极振子和负极振子。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述伞衣(1)，采用高强度气密性材料。3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈源(2)，采用同轴线馈电结构，其内导体、外导体分别通过金属丝(5)与天线的正极振子、负极振子连接并为其提供交流电。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述运动关节组件(3)，还包括与投放物固定的滑槽(33)和镶嵌在所述滑槽(33)内的滑块(34)，以及设置在滑槽(33)下端的金属支架(36)；所述压缩弹簧(31)的顶端固定在滑槽(33)的上端；所述电磁阀(32)固定在压缩弹簧(31)的底端与滑块(34)之间；所述拉杆(35)的一端通过铰链(37)与滑块(34)连接，该拉杆(35)的另一端与设置在支撑骨架(4)架体上的铰链(37)连接；所述金属支架(36)用于与支撑骨架(4)活动连接。5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述导电性支撑骨架，采用金属管材结构。6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述导电性支撑骨架，采用涂覆有金属导电层的非金属棒材结构，金属导电层用于与金属丝(5)连接。7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述导电性支撑骨架，采用缠绕有金属线绳的非金属棒材结构，金属线绳用于与金属丝(5)连接。8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述非导电性支撑骨架，采用非金属管材结构。

技术总结
本发明提出了一种兼具减速和通信特性的倒置伞共形天线，包括伞衣、馈源、多个运动关节组件和多个支撑骨架；每个支撑骨架由与多个运动关节组件所形成的圆周面的垂直状态，在与其铰接的运动关节组件中压缩弹簧所存储的弹性势能的作用下，通过拉杆的牵引向水平方向转动，同时带动固定在相邻支撑骨架之间连接的伞衣展开成倒置的曲面结构；关于天线中心轴左右两侧对称分布的导电性支撑骨架既能实现对伞衣的支撑，同时又分别作为对称阵子天线的正极振子和负极振子。本发明利用伞面的导电性支撑骨架构成对称阵子天线，避免了现有技术中伞绳缠绕而影响天线性能的缺陷，同时该天线最大辐射方向垂直于地面且为全向辐射，更有利于地对空通信。空通信。空通信。


技术研发人员：刘艳 郭峥 权磊 谢楷 段芳芳 黄永超
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/8/28