CN102110905A - 全向宽带高增益天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向宽带高增益天线，主要解决车辆、舰艇等短波/超短波的移动通信中，随着频率的增高，偶极子天线在频段高端的方向图出现裂变或上翘，降低了高频段的通信质量的问题。整个天线包括两个完全相同的辐射单元(1)、(2)和宽带馈电网络(10)，每个辐射单元由上下两个结构不同的锥体振子组成，上锥体振子(3)采用上部为圆柱(5)下部为盘锥(6)的复合结构，下锥体振子(4)采用上部为圆台(7)下部为圆柱(8)的复合结构，该上下两个锥体振子之间通过螺旋短截线(9)连接，整体天线工作于100-400MHz频段，且在工作频段内展宽了天线的阻抗带宽和方向图带宽，实现了在天线在水平方向的全向辐射且最大增益方向在水平方向上。

Description

全向宽带高增益天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种复合结构的笼型中馈天线，适用于现代化的宽带大功率跳频、扩频通信电台使用。

技术背景

在现代通信技术中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多功能和宽带跳频电台。跳频的速度越来越快，跳频的宽度也越来越宽，因此就要求必须是非调谐的具有较宽的工作带宽的宽带天线，以保证跳频的宽度和速度。另外，越来越多的满足不同需求的电子设备集中在同一载体上，各个电子系统需要不同的天线来接收或发射电子信号，这样一个载体上可能会有几副甚至十几副工作在不同波段的天线，不同的天线之间会产生很强的近场耦合，会严重干扰各个收发电台的正常工作。同时，为保证通信指挥车辆或舰艇的机动作战和快速反应能力，以及减小军事通信车辆或舰艇的雷达散射界面RCS，提高生存能力，都要求短波天线和超短波天线具有较小的尺寸，在这种背景下，天线的宽带小型化就成为天线研究中的一个重要课题。

天线形式繁多，按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线，定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。各类阵列天线是由单元天线以不同方式组合在一起形成的。在移动通信中，主要按方向性将天线分为全向天线和定向天线。

全向天线按照馈电方式分为底馈和中馈两种形式。按照馈电形式分为串馈和并馈。

传统的短波/超短波天线中，偶极子天线因其结构简单、易于馈电得到了广泛应用。不过在实际应用中，天线并非位于无限大的理想地面上，有限尺寸的地板会使其波束指向上翘，最大增益方向偏离水平通信方向。同时偶极子天线的带宽较窄难以满足现代化的宽带跳频扩频通信要求。通过对偶极子天线进行改进可以提高天线的带宽，使天线的辐射波束及最大增益方向仍在水平方向上。因此，改进的偶极子天线形式越来越受到关注。最早具有宽带特性的改进的偶极型天线是由英国的洛奇提出的双锥天线，它可看成是激励TEM模的均匀渐变线，因而其输入阻抗具有宽频带特性。随后的改进主要包括：Carter的改进型双锥天线和单锥天线，Schelkkunnoff的球形天线，Kandoian研制的盘锥天线。上世纪五、六十年代，Ki-HakKim等人提出了一种采用线栅结构的不对称双锥天线，阻抗带宽可以覆盖180MHz-18GHz的频带宽度。

另一方面，对于单个全向天线单元来说，其最大增益有限，为了提高通信的距离和质量，天线要具有较高的增益。通过对天线单元进行阵列组合，可以提高天线的增益。各类阵列天线是由天线单元以不同方式组合在一起的，可以是沿一条直线排布天线单元的直线阵，或者是在同一平面排布天线单元的面天线阵。不论以哪种方式组合，都需要合适的馈电网络对阵列天线进行馈电，并且要合理的安排馈线的位置。阵列天线根据天线单元的个数又可分为二元阵列天线、三元阵列天线和多元阵列天线。最常用的结构是两个天线单元组成的二元线阵列天线，这种阵列天线需要合适的一分二的功分网络对其进行等幅同相的馈电。通常的分布参数一分二功分网络为两路相同的50欧姆到100欧姆的阻抗变换器，这对于窄带天线来说是方便的，但是对于宽带天线特别是对于较低的频率来说，不但需要多阶变换而且其尺寸往往过大，因此在短波/超短波频段通常不被采用。另外，天线单元的实际阻抗值在宽频带内并不是理想的50欧姆，简单的50欧姆到100欧姆的阻抗变化器对宽频带内的二元阵列天线是不适用的。此外，通常的阵列天线中，由于馈线总是在天线辐射体外分布，对天线的辐射特性会造成影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有天线的不足，提出了一种全向宽带高增益天线，以在100-400MHz的短波/超短波频段内，展宽天线的阻抗带宽和方向图带宽，保证天线在水平方向全向辐射且最大增益方向在水平方向。

为实现上述目的，本发明包括辐射体和馈电网络，其中辐射体包括两个完全相同的辐射单元，每个单元由上下两个结构不同的锥体振子组成，上锥体振子采用上部为圆柱下部为盘锥的复合结构，下锥体振子采用上部为圆台下部为圆柱的复合结构，该上下两个锥体振子之间通过螺旋短截线连接。整体天线工作在100-400MHz频段。

上述的全向宽带高增益天线，其中所述的上锥体振子上部的圆柱由16根铜导线焊接而成，下部的盘锥为四个渐变的梯形面，盘锥和圆柱等高。

上述的全向宽带高增益天线，其中所述的下锥体振子上部的圆台由铜导线直接焊接而成，圆台的下底面半径与上锥体振子上部的圆柱的底面半径相等，下部的圆柱由16根铜导线焊接而成，圆柱的底面半径与上锥体振子上部的圆柱的底面半径相等。

上述的全向宽带高增益天线，其中所述的辐射单元的上锥体振子和下锥体振子之间通过螺旋短截线连接，螺旋短截线为一段结构为螺旋的铜导线，螺旋短截线的上端与上锥体振子下部的盘锥连接，螺旋短截线的下端与下锥体振子上部的圆台连接，辐射单元工作在100-750MHz频段。

上述的全向宽带高增益天线，其中所述的馈电网络由完全相同的两路枝节加载于介质板构成，并设有三个端口；每一路枝节由3个电感L1，L2，L3，和4个电容C1，C2，C3，C4构成，电感L2，L3和电容C1串联于该馈电网络的第一端口和第二端口之间，电容C4并联于第一端口与地之间，电容C3并联于电感L2和L3的连接点与地之间，电容C2和电感L1并联后整体并联于电感L3和电容C1的连接点与地之间。

本发明由于辐射单元采用上下两个结构不同的锥体振子组成，且上锥体振子采用上部为圆柱下部为盘锥的复合结构，下锥体振子采用上部为圆台下部为圆柱的复合结构，从而展宽了天线的阻抗带宽和方向图带宽，保证了天线在水平方向全向辐射且最大增益方向在水平方向；同时由于本发明在辐射单元的上下锥体振子连接处采用了螺旋短截线，使天线起到了小型化的作用，更重要的是螺旋短截线可以为阵列天线的馈电网络的走线提供方便，天线馈电沿着短截线布置，最终实现了馈线对天线的辐射特性没有影响；此外由于本发明采用的馈电网络是基于粒子群优化算法阻抗匹配技术设计的，可以将天线辐射单元在其工作频段内的输入阻抗值转为100欧姆，最终使该天线在100-400MHz的宽频带内正常工作。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的螺旋短截线局部放大图；

图3是本发明的宽带匹配功分网络示意图；

图4是本发明在其工作频段100-400MHz内的实测与仿真电压驻波比曲线图；

图5是本发明在100MHz，200MHz，300MHz，400MHz的E面方向图；

图6是本发明的宽带馈电网络在其工作频段100-400MHz内的两输出端口的输出幅度图；

图7是本发明的辐射单元在100MHz，200MHz，300MHz，400MHz的辐射方向图。

具体实施方式

参照图1，本实施例给出的全向宽带高增益天线，由两个完全相同的辐射单元1和2及馈电网络10组成，整个天线工作在100-400MHz。辐射单元1和辐射单元2都为铜导线焊接成的线栅结构。每个辐射单元由上下两个结构不同的锥体振子组成，上锥体振子3采用上部为圆柱5下部为盘锥6的复合结构，圆柱5由16根铜导线焊接而成，盘锥6为四个渐变的梯形面，盘锥6与圆柱5等高；下锥体振子4采用上部为圆台7下部为圆柱8的复合结构，圆台7由铜导线焊接而成，该圆台7的下底面半径与上锥体振子3上部的圆柱5的底面半径相等，圆柱8由16根铜导线焊接而成，圆柱8的底面半径与上锥体振子3上部的圆柱5的底面半径相等。上锥体振子3和下锥体振子4通过螺旋短截线9连接，该螺旋短截线9的局部放大图如图2所示。螺旋短截线9为一段结构为螺旋的铜导线，螺旋短截线9的上端与上锥体振子3下部的盘锥6连接，螺旋短截线9的下端与下锥体振子4上部的圆台7连接，该螺旋短截线9的下端即为馈电点A，如图2所示。辐射单元工作在100-750MHz频段。

参照图3，本发明的馈电网络10由完全相同的两路枝节加载于FR4介质板构成，每一路枝节由3个电感L1，L2，L3和4个电容C1，C2，C3，C4构成。该馈电网络10设有三个端口，电感L2，L3和电容C1串联于该馈电网络的第一端口和第二端口之间，电容C4并联于第一端口与地之间，电容C3并联于电感L2和L3的连接点与地之间，电容C2和电感L1并联后整体并联于电感L3和电容C1的连接点与地之间。该馈电网络10的第一端口通过阴阳接头与50Ω电缆线11连接，该电缆线11的另一端直接穿过辐射单元2的内部与馈源连接；第二端口通过阴阳接头与50Ω电缆线12连接，该电缆线12的另一端穿过辐射单元1的下锥体振子4与辐射单元1的螺旋短截线9连接；第三端口通过阴阳接头与50Ω电缆线13连接，该电缆线13的另一端穿过辐射单元2的内部，其内芯和外壳分别与辐射单元2的上锥体振子的渐变盘锥6和下锥体振子的圆台7连接。

本发明的效果可以通过以下实验测试进一步说明：

测试环境：开放空间

测试设备：WILTRON-37269A矢量网络分析仪，转台，电脑。

对本发明对其工作频段100-400MHz的电压驻波比进行仿真和测试，结果如图4所示。从图4中可以看出，在工作频段100-400MHz内，本发明的仿真和测试VSWR具有很好的一致性，且测试值完全小于3.0，满足天线设计要求。

对本发明在其100MHz、200MHz、300MHz、400MHz的E面方向图进行仿真，结果如图5所示。从图5中可以看出，本发明的最大增益方向保持在水平面上，克服了偶极子天线在频段高端的方向图出现裂变和上翘，满足天线设计要求。

对本发明的宽带馈电网络的第一端口到第二端口、第一端口到第三端口的传输系数进行测试，测试结果如图6所示。从图6中可以看出，在100-400MHz频段范围内，该宽带馈电网络的第一端口到第二端口、第一端口到第三端口都具有良好的传输特性，满足天线设计要求。

对本发明的辐射单元在100MHz、200MHz、300MHz、400MHz的辐射方向图进行仿真，结果如图7所示。从图7中可以看出，本发明在水平方向具有全向性，满足天线设计要求。

Claims (6)

1.一种全向宽带高增益天线，包括辐射体和馈电网络，其特征在于，辐射体包括两个完全相同的辐射单元(1)和(2)，每个辐射单元由上下两个结构不同的锥体振子组成，上锥体振子(3)采用上部为圆柱(5)下部为盘锥(6)的复合结构，下锥体振子(4)采用上部为圆台(7)下部为圆柱(8)的复合结构，该上下两个锥体振子之间通过螺旋短截线(9)连接，整体天线工作在100-400MHz频段。

2.根据权利要求1所述的全向宽带高增益天线，其特征在于，上锥体振子(3)上部的圆柱(5)由16根铜导线焊接而成，下部的盘锥(6)为四个渐变的梯形面，盘锥(6)和圆柱(5)等高。

3.根据权利要求1所述的全向宽带高增益天线，其特征在于，下锥体振子(4)上部的圆台(7)由铜导线直接焊接而成，圆台(7)的下底面半径与上锥体振子(3)上部的圆柱(5)的底面半径相等，下部的圆柱(8)由16根铜导线焊接而成，圆柱(8)的底面半径与上锥体振子(3)上部的圆柱(5)的底面半径相。

4.根据权利要求1所述的全向宽带高增益天线，其特征在于，辐射单元(1)的上锥体振子(3)和下锥体振子(4)之间通过螺旋短截线(9)连接，螺旋短截线(9)为一段结构为螺旋的铜导线，螺旋短截线(9)的上端与上锥体振子(3)下部的盘锥(6)连接，螺旋短截线(9)的下端与下锥体振子(4)上部的圆台(7)连接，辐射单元(1)工作在100-750MHz频段。

5.根据权利要求1所述的全向宽带高增益天线，其特征在于，馈电网络(10)由完全相同的两路枝节加载于介质板构成，并设有三个端口；每一路枝节由3个电感L1，L2，L3和4个电容C1，C2，C3，C4构成，电感L2，L3和电容C1串联于该馈电网络(10)的第一端口和第二端口之间，电容C4并联于第一端口与地之间，电容C3并联于电感L2和L3的连接点与地之间，电容C2和电感L1并联后整体并联于电感L3和电容C1的连接点与地之间。

6.根据权利要求5所述的全向宽带高增益天线，其特征在于，馈电网络(10)工作在100-400MHz频段；该馈电网络(10)的第一端口通过50Ω电缆线(11)与馈源连接，第二端口通过50Ω电缆线(12)与辐射单元(1)的螺旋段截线(9)直接相连，第三端口通过50Ω电缆线(13)与辐射单元(2)连接，该电缆线(13)的一端与馈电网络(10)的第三端口直接连接，电缆线(13)的另一端的内芯和外壳分别与辐射单元(2)的上锥体振子的渐变盘锥(6)和下锥体振子的圆台(7)连接。

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