本发明属于天线设计领域，特别涉及一种具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线。
背景技术：
在机载天线的设计当中，飞机间的通信是一个重要的需求。两架飞机之间的方位角、俯仰角和翻滚角变化往往很大，尤其是对于战斗机平台，在做各种战术机动动作时，两架飞机之间的相对位置往往会在很短的时间内产生巨大的变化。在这种状况下，保证飞机之间的正常通信十分重要，如果在这段时间，飞机之间的通信出现问题，可能会导致严重的后果。这就对飞机间通信天线提出了很高的要求，即，要求天线的方向图有很大的空间覆盖范围，以在两架飞机在相对位置快速变化的情况下，保证飞机之间的正常通信。
通常的机载飞机间通信天线采用单极子天线的形式，这种天线在飞机的方位面上是全向覆盖的，而且天线的极化情况较好，为垂直极化。但是这种天线在飞机的俯仰面上的覆盖很差，这是由于天线本身的特性造成的后果。经过初步的仿真计算，以-3dbi的增益为标准，该单极子天线在飞机上方只能覆盖60％左右的空间角，在飞机正上方，该天线的增益极低，完全无法满足飞机之间的正常通信需求。
然而，仅仅满足天线的半空间覆盖是不够的。由于飞机之间通信频率并不固定，为了防止被监听，通信频率需要经常改变，因此，还需要通信天线可以在宽带范围内进行半空间覆盖。此外，天线的极化方式也较为重要，飞机之间的通信天线通常使用垂直极化。
技术实现要素：
针对上述现有技术的缺陷，本发明设计了一种具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线，通过将盘锥形金属体天线和螺旋线形金属带天线相结合，能够实现天线在上半平面的增益全部大于-3.5dbi，实现了方向图的半空间覆盖。此外，本发明所设计的天线具有尺寸小，稳定性强的特点，可以满足在战斗机上的安装和使用需求。
根据本发明的一方面，提供了一种具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线，包括金属底板、竖立于所述金属底板上方的盘锥形金属体和螺旋绕于所述盘锥形金属体外周的螺旋线形金属带。
所述盘锥形金属体为倒截头锥体，其下圆的半径小于上圆的半径，所述下圆与所述金属底板间隔一距离g，
所述螺旋线形金属带与所述盘锥形金属体之间具有空隙s，所述螺旋线形金属带的一端接触所述金属底板，另一端向上螺旋延伸超出所述盘锥形金属体，所述螺旋线形金属带的结构用如下参数方程表示：
x＝(p qt/(2π))*cos(t)
y＝(p qt/(2π))*sin(t)
z＝ut/(2π)
其中，x，y，z分别为所述螺旋线形金属带上的各点的位置坐标，单位为mm；p，q，u，分别为待定的常数，1≤p≤10，10≤q≤40，15≤u≤50；t为参数方程的参数，0≤t≤4π。。
在一些实施例中，所述螺旋线形金属带的带宽w可以为1～3mm。
在一些实施例中，所述距离g可以为1～10mm。
在一些实施例中，所述空隙s可以为1～10mm。所述空隙s的具体值可以由螺旋线形金属带的参数方程和盘锥形金属体的尺寸确定。
在一些实施例中，所述金属底板和所述螺旋线形金属带均可由厚度为0.2～2mm的铜板制成。
在一些实施例中，所述金属底板可以为正方形板。
在一些实施例中，所述盘锥形金属体的轴线位于所述金属底板的正中心。
在一些实施例中，所述宽带垂直极化天线的波长可以为160mm～230mm。
本发明的有益效果：
1)将盘锥形金属体天线和螺旋线形金属带天线相结合，实现了天线在上半平面的增益全部大于-3.5dbi，实现了方向图的半空间覆盖。
2)由于盘锥形金属体天线和螺旋线形金属带天线两种天线具有垂直极化特性，因此本发明将两种天线结合可以实现天线在θ＝0°附近范围外，上半平面垂直极化增益全部大于-3.5dbi(由于物理因素的限制，天线无法在θ＝0°附近实现垂直极化)，即实现垂直极化方向图的半空间覆盖。
3)由于盘锥形金属体天线和螺旋线形金属带天线两种天线具有宽带特性，因此本发明将两种天线结合可以使得天线的增益方向图在很宽的频段里变化较小，实现了宽带范围内的方向图半空间覆盖。
4)本发明的天线结构简单，实现方便，结构稳定性强，可以适应于不同的应用场景。
5)本发明的天线只由金属组成而不包含介质板，因此可以适应飞机飞行中遇到的高低温环境，使得天线的工作性能有所保障。
附图说明
图1是本发明的实施例的具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线的结构示意图。
图2是图1的正视图。
图3是图1的俯视图。
图4是带有天线罩结构的示意图。
图5是本发明的实施例的宽带垂直极化天线的电压驻波比参数图。
图6是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.3ghz下的垂直极化增益方向图。
图7是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.5ghz下的垂直极化增益方向图。
图8是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.7ghz下的垂直极化增益方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
参见图1-3所示，本发明的具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线包括金属底板1，盘锥形金属体2和螺旋线形金属带3。
金属底板1可以为任意平面形状的金属板。在本实施例中，金属底板1为正方形板，盘锥形金属体2的轴线位于金属底板1的正中心。
盘锥形金属体2为倒截头椎体，其下圆的半径r1(图中未示出)小于上圆的半径r2。盘锥形金属体2的下圆通过支撑结构与金属底板1间隔一距离g，以用于馈电。如图4所示，为了使结构更加稳定，可以使用天线罩结构来进行稳定和支撑盘锥形金属体2。特别地，天线罩可以为玻璃钢或者其他低损耗介质材质，螺旋线形金属带可以印刷在天线罩内部，盘锥形金属体可以通过在天线罩内增加支撑结构的方式进行固定。在一些实施例中，距离g可以为1～10mm。
螺旋线形金属带3螺旋绕于盘锥形金属体2的外周，且两者之间具有空隙s，该空隙s可以由螺旋线形金属带的参数方程和盘锥形金属体的尺寸确定。在一些实施例中，空隙s为1～10mm。
如图所示，螺旋线形金属带3的一端接触金属底板1，另一端向上螺旋延伸超出盘锥形金属体2，其结构用如下参数方程表示：
x＝(p qt/(2π))*cos(t)
y＝(p qt/(2π))*sin(t)
z＝ut/(2π)
其中，x，y，z分别为螺旋线形金属带3上的各点的位置坐标，单位为mm；p，q，u，分别为待定的常数；t为参数方程的参数，0≤t≤4π。在本实施例中，取p＝5,q＝25,u＝30。
特别地，螺旋线形金属带3与馈电结构并没有直接连接。
特别地，金属底板1和螺旋线形金属带3均由厚度为0.2～2mm的铜板制成。
特别地，本发明的宽带垂直极化天线的波长为160mm～230mm。
下面通过本发明的宽带垂直极化天线的性能测试来进一步说明本发明，首先给予金属底板1的正方形边长a＝200mm，盘锥形金属体2的小圆半径r1＝0.5mm、大圆半径r2＝30mm，高h＝35mm。应当理解，本领域技术人员可以通过调整天线尺寸且不需要大幅更改天线结构，来调整天线的工作频率，以适应天线的不同应用场景。
基于上述具体参数值绘制本发明的宽带垂直极化天线的电压驻波比参数图，如图5所示。电压驻波比可以确定天线工作频段，从图中可以看出，本实施例中天线在1.3ghz到2ghz下的电压驻波比小于2，可以正常工作，是一个宽带天线。
图6是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.3ghz下的垂直极化增益方向图，从图中可以看出，天线在1.3ghz下的垂直极化增益方向图在z≥0且在θ＝0附近以外均大于-3.5dbi,实现了天线的垂直极化增益的半空间覆盖。
图7是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.5ghz下的垂直极化增益方向图，从图中可以看出，天线在1.5ghz下的垂直极化增益方向图在z≥0且在θ＝0附近以外均大于-5dbi,实现了天线的垂直极化增益的半空间覆盖。
图8是本发明的实施例的宽带垂直极化天线在1.7ghz下的垂直极化增益方向图，从图中可以看出，天线在1.7ghz下的垂直极化增益方向图在z≥0且在θ＝0附近以外均大于-5dbi,实现了天线的垂直极化增益的半空间覆盖。
对于战斗机载平台的应用，本发明的天线具有尺寸小，稳定性强的特点，可以满足在战斗机上的安装和使用需求。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
1.一种具有半空间覆盖功能的宽带垂直极化天线，其特征在于，包括金属底板、竖立于所述金属底板上方的盘锥形金属体和螺旋绕于所述盘锥形金属体外周的螺旋线形金属带，
所述盘锥形金属体为倒截头锥体，其下圆的半径小于上圆的半径，所述下圆与所述金属底板间隔一距离g，
所述螺旋线形金属带与所述盘锥形金属体之间具有空隙s，所述螺旋线形金属带的一端接触所述金属底板，另一端向上螺旋延伸超出所述盘锥形金属体，所述螺旋线形金属带的结构用如下参数方程表示：
x＝(p qt/(2π))*cos(t)
y＝(p qt/(2π))*sin(t)
z＝ut/(2π)
其中，x，y，z分别为所述螺旋线形金属带上的各点的位置坐标，单位为mm；p，q，u，分别为待定的常数，1≤p≤10，10≤q≤40，15≤u≤50；t为参数方程的参数，0≤t≤4π。
2.根据权利要求1所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述螺旋线形金属带的带宽w为1～10mm。
3.根据权利要求1所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述距离g为1～10mm。
4.根据权利要求1所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述空隙s为1～10mm。
5.根据权利要求1-4之一所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述金属底板和所述螺旋线形金属带均由厚度为0.2～2mm的铜板制成。
6.根据权利要求1-4之一所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述金属底板为正方形板。
7.根据权利要求1-4之一所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述盘锥形金属体的轴线位于所述金属底板的正中心。
8.根据权利要求1-4之一所述的宽带垂直极化天线，其特征在于，所述宽带垂直极化天线的波长为160mm～230mm。
技术总结