CN106207409A - 一种vhf/uhf超宽带高增益小型化全向天线 - Google Patents

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黄武装
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Abstract

本发明公开一种VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线，目的是完成一种采用特殊结构的双叠锥天线辐射体及两元垂直拼阵技术，实现200‑800MHz超宽带高增益全向小型化天线。天线配支撑架后可作固定高架全向天线使用；配带有减震弹簧的车载天线座便可作车载天线使用。本发明具有以下特点：1、天线工作频率为200‑800MHz，具有4个倍频程的超宽带功能。2、天线在频带内具有全向高增益的特点。3、天线小型化，适合车载和高架使用。4、天线馈电网络采用同轴阻抗转换网络，没有使用有耗元器件，功率容量大，满足多电台共用一根天线的需求。

Description

一种VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及一种VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线。
背景技术
现代电子技术的突飞猛进，随着超宽带电台、软件电台的开发应用。在移动通信领域对超宽带、小型化天线需求更加迫切。
双锥天线技术：如果将普通振子天线看成是终端开路的传输线张开而成，由于两臂对应点间的距离与直径之比是渐变的，因而其沿线各点的特性阻抗也是渐变的。如果振子天线的直径与其相应的两臂间的距离保持为一个常数，则可认为沿线各点的特性阻抗不变。当天线体为无限长时，天线的输入阻抗就等于振子的特性阻抗，天线辐射特性就与工作频率无关了。这种对顶圆锥所构成的无限长双锥形对称振子天线见图1。
双锥天线特性阻抗Zc取决于双锥的张角α。
Zc=120 ln[ctg(α/2)] (1)
双锥天线不足之处是Zc较小时天线锥端口尺寸较大。 SHAPE \* MERGEFORMAT
虽然双锥天线体无限长是不存在，但双锥天线仍不失一种理想的超宽带天线结构形式。
现有的双锥天线是一种理想的宽带天线，其不足之处是顶端直径太大。如按两元天线阵所需的150Ω输入阻抗，按式（1）计算天线的特性阻抗150Ω时α为32°；如按800MHz的0.3λ选取辐射体的半臂长度为94mm时锥顶端直径为100mm。显然天线直径太大，不能满足车载天线使用条件要求。
两元套筒对称振子串联组阵全向天线见图2。该天线采用功率分配网络馈电技术，用2根等长度、同特性阻抗的同轴电缆给对称振子A和对称振子C等幅同相馈电，在天线底部用二合路器将两馈线合为一个输出口。构成一副二元共轴天线阵列，采用多元组阵的方法提高天线增益。
两元以上同轴拼阵天线必须在两元之间加同轴扼流杯B，如图2所示，用它抑制下单元上臂的表面电流向上流动参加辐射并起到支撑上单元的作用。中间的同轴扼流杯B起扼流作用的同时增加了拼阵单元间距H，该同轴扼流杯太短不能满足抑制低频端扼流作用时，会出现天线辐射方向图主波瓣偏离水平面的现象，导致水平面增益下降；H太大时天线高频端辐射方向图出现裂瓣，也会导致水平面增益下降；这就限制了天线带宽。加大天线辐射体的直径可以有效拓展天线带宽，但图2的天线最大只能达到两倍频左右带宽（当单元半臂长度与直径比（L/D）为1.6时）。可见，按图2天线设计不仅实现不了200~800MHz工作带宽，且天线直径需160mm左右，显然不能满足移动车载天线使用要求。
车载天线要求防震、防撞。天线底部须配高强度减震弹簧，考虑到天线受力情况，天线体长度、直径不宜过大。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线，该天线的工作频率为200~800MHz，是能满足车载使用的两元垂直拼阵、垂直极化全向天线。该天线采用提高高频段天线增益的方法来弥补高频端的电波空间传输损耗增加的不足，以期达到最佳通信效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种双叠锥天线，包括上辐射体、下辐射体和贯穿上辐射体的馈电电缆，所述上、下辐射体相互对称、通过馈电电缆共轴连成一体，上辐射体、下辐射体为轴对称体；
所述上辐射体由第一锥形振子和第二锥形振子连接构成，第一、二锥形振子的锥尖削平，且第一锥形振子的顶面直径大于第二锥形振子的锥尖的直径，第二锥形振子的锥尖的直径大于第一锥形振子的锥尖的直径，第一锥形振子的锥顶角大于第二锥形振子的锥顶角；
所述下辐射体由第三锥形振子和第四锥形振子连接构成；第三、四锥形振子的锥尖削平，且第三锥形振子的顶面直径大于第四锥形振子的锥尖的直径，第四锥形振子的锥尖的直径大于第三锥形振子的锥尖的直径，第三锥形振子的锥顶角大于第四锥形振子的锥顶角。
一种应用上述双叠锥天线的VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线，包括主馈电电缆、下双叠锥天线T1、上双叠锥天线T3和馈电网络T2，其中主馈电电缆的一端绕制为主馈电同轴电缆扼流圈，另一端贯穿下双叠锥天线T1至馈电网络T2处，引出下双叠锥天线T1的馈电电缆和上双叠锥天线T3的馈电电缆，并绕制出下双叠锥天线T1的第一馈电同轴电缆扼流圈和上双叠锥天线T3的第二馈电同轴电缆扼流圈。
优选地，所述下双叠锥天线T1包括第一双叠锥天线下辐射体、第一绝缘支撑件、第一同轴阻抗匹配器、第一电容馈电耦合管、第一短路调节螺栓、第一双叠锥天线上辐射体、第一双叠锥天线馈电电缆和第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈；第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈由第一双叠锥天线馈电电缆绕制而成，所述第一绝缘支撑件设置在第一双叠锥天线下辐射体和第一双叠锥天线上辐射体馈电处，用于支撑第一双叠锥天线下辐射体和第一双叠锥天线上辐射体；第一同轴阻抗匹配器的一端与下双叠锥天线T1的馈电处连接，另一端与第一双叠锥天线馈电电缆连接，第一短路调节螺栓用于调节第一同轴阻抗匹配器，第一电容馈电耦合管放置在第一双叠锥天线上辐射体的第一锥形振子，与第一同轴阻抗匹配器耦合。
所述上双叠锥天线T3包括第二双叠锥天线下辐射体、第二绝缘支撑件、第二同轴阻抗匹配器、第二电容馈电耦合管、第二短路调节螺栓、第二双叠锥天线上辐射体、第二双叠锥天线馈电电缆和第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈；第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈由第二双叠锥天线馈电电缆绕制而成，所述第二绝缘支撑件设置在第二双叠锥天线下辐射体和第二双叠锥天线上辐射体馈电处，用于支撑第二双叠锥天线下辐射体和第二双叠锥天线上辐射体；第二同轴阻抗匹配器的一端与下双叠锥天线T1的馈电处连接，另一端与第二双叠锥天线馈电电缆连接，第二短路调节螺栓用于调节第二同轴阻抗匹配器，第二电容馈电耦合管放置在第二双叠锥天线上辐射体的第一锥形振子，与第二同轴阻抗匹配器耦合。
优选地，所述第一绝缘支撑件、第二绝缘支撑件为聚四氟乙烯绝缘支撑件。
优选地，所述第一电容馈电耦合管和第二电容馈电耦合管内的电缆芯线长度相等。
本发明目的是完成一种采用特殊结构的双叠锥天线辐射体及两元垂直拼阵技术，实现200-800MHz超宽带高增益全向小型化天线。天线配支撑架后可作固定高架全向天线使用；配带有减震弹簧的车载天线座便可作车载天线使用。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1，天线工作频率为200-800MHz ，具有4个倍频程的超宽带功能。
2，天线在频带内具有全向高增益的特点。
3，天线小型化，适合车载和高架使用。
4，天线馈电网络采用同轴阻抗转换网络，没有使用有耗元器件，功率容量大，满足多电台共用一根天线的需求。
附图说明
图1为双锥天线示意图。
图2为两元套筒对称振子串联拼阵天线示意图。
图3为双叠锥天线示意图。
图4为三种锥形天线水平面（θ=90°）增益曲线比较图。
图5为三种锥形天线（100Ω参考阻抗）S11曲线比较图。
图6为双叠锥天线垂直面辐射方向图。
图7为二元双叠锥天线构成图。
图8为二元双叠锥天线水平面仿真增益图。
图9为二元双叠锥车载天线电压驻波比实测图。
图10为VHF/UHF超宽带高增益小型化车载全向天线外形图。
图11为VHF/UHF超宽带高增益小型化高架全向天线外形图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
双叠锥天线技术
本发明的超宽带小型化高增益全向天线，须用两个超宽带天线单元以并联馈电、垂直拼阵方式构成。
为了达到天线超宽带、小型化的要求，在天线辐射体直径D尽量小的前提下，优选双锥天线结构进行仿真设计；优选双锥天线锥顶角（α1）以满足阻抗带宽要求，优选天线长度以满足辐射方向图带宽，发现了图3这种双叠锥对称振子天线结构。该天线具有比同类双锥天线更好的带宽的特性，而且天线体直径可以大为减小。
如图3，一种双叠锥天线，包括上辐射体、下辐射体和贯穿上辐射体的馈电电缆，所述上、下辐射体相互对称、通过馈电电缆共轴连成一体，上辐射体、下辐射体为轴对称体。所述上辐射体由第一锥形振子和第二锥形振子连接构成，第一、二锥形振子的锥尖削平，且第一锥形振子的顶面直径大于第二锥形振子的锥尖的直径，第二锥形振子的锥尖的直径大于第一锥形振子的锥尖的直径，第一锥形振子的锥顶角大于第二锥形振子的锥顶角。所述下辐射体由第三锥形振子和第四锥形振子连接构成；第三、四锥形振子的锥尖削平，且第三锥形振子的顶面直径大于第四锥形振子的锥尖的直径，第四锥形振子的锥尖的直径大于第三锥形振子的锥尖的直径，第三锥形振子的锥顶角大于第四锥形振子的锥顶角。
为证明双叠锥天线的优越性，给出图3天线锥顶角（α1=14°）、次锥角（α2=5°）、端口直径为45mm的双叠锥天线(double biconical antenna)与双锥天线锥顶角（α1=14°）、尾端直径为100mm的传统双锥天线(biconical antenna)及锥顶角（α1=14°）、尾端直径为45mm的锥顶粗对称振子天线（thick dipole antenna），长度均为400mm的三种锥形天线进行了仿真计算比对。图4给出了上述三种天线的水平面增益曲线图，图5给出了上述三种天线的参考阻抗为100Ω时的S11曲线图。
如图4可见双叠锥天线在频率高端比其它两种天线增益更高，图5所示双叠锥天线阻抗带宽保持较宽的特性，图6给出双叠锥天线垂直面4个频率点的辐射方向图。可见双叠锥天线单元比其它两种天线具有更好的宽带特性，带宽大于4倍频，是一种较为理想的超宽带天线结构形式。
天线拼阵技术
本发明采用两副超宽带双叠锥天线并联馈电同轴垂直组阵，两单元间用上、下天线馈电同轴电缆扼流圈替代传统垂直组阵天线两单元之间的同轴套筒扼流套，构成一种全新的超宽带垂直极化高增益全向天线见图7所示。
一种VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线，包括主馈电电缆（SFF-50-2-1）1、下双叠锥天线T1、上双叠锥天线T3和馈电网络T2，其中主馈电电缆1的一端绕制为主馈电同轴电缆扼流圈，另一端贯穿下双叠锥天线T1至馈电网络T2处，引出下双叠锥天线T1的馈电电缆和上双叠锥天线T3的馈电电缆，并绕制出下双叠锥天线T1的第一馈电同轴电缆扼流圈和上双叠锥天线T3的第二馈电同轴电缆扼流圈。
具体的，所述下双叠锥天线T1包括第一双叠锥天线下辐射体2、第一绝缘支撑件3、第一同轴阻抗匹配器4、第一电容馈电耦合管5、第一短路调节螺栓6A、第一双叠锥天线上辐射体7、第一双叠锥天线馈电电缆8和第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈10；第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈10由第一双叠锥天线馈电电缆8绕制而成，所述第一绝缘支撑件3设置在第一双叠锥天线下辐射体2和第一双叠锥天线上辐射体7馈电处，用于支撑第一双叠锥天线下辐射体2和第一双叠锥天线上辐射体7；第一同轴阻抗匹配器4的一端与下双叠锥天线T1的馈电处连接，另一端与第一双叠锥天线馈电电缆8连接，第一短路调节螺栓6A用于调节第一同轴阻抗匹配器4，第一电容馈电耦合管5放置在第一双叠锥天线上辐射体7的第一锥形振子，与第一同轴阻抗匹配器4耦合。
所述上双叠锥天线T3包括第二双叠锥天线下辐射体13、第二绝缘支撑件16、第二同轴阻抗匹配器15、第二电容馈电耦合管17、第二短路调节螺栓6B、第二双叠锥天线上辐射体18、第二双叠锥天线馈电电缆14和第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈12；第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈12由第二双叠锥天线馈电电缆14绕制而成，所述第二绝缘支撑件16设置在第二双叠锥天线下辐射体13和第二双叠锥天线上辐射体18馈电处，用于支撑第二双叠锥天线下辐射体13和第二双叠锥天线上辐射体18；第二同轴阻抗匹配器15的一端与上双叠锥天线T3的馈电处连接，另一端与第二双叠锥天线馈电电缆14连接，第二短路调节螺栓6B用于调节第二同轴阻抗匹配器15，第二电容馈电耦合管17放置在第二双叠锥天线上辐射体18的第一锥形振子，与第二同轴阻抗匹配器15耦合。
在本实施例中，所述第一绝缘支撑件3、第二绝缘支撑件16为聚四氟乙烯绝缘支撑件。
二元组阵天线要求等幅同相馈电，图7中馈电电缆的特性阻抗、长度、绕组相等，第一电容馈电耦合管和第二电容馈电耦合管的内电缆芯线长度也相等，从而满足上、下两天线等幅同相馈电要求，保证全频段内天线辐射方向图主瓣始终保持在水平面辐射最大及阻抗匹配最佳。
本发明具有以下特点：1、具有4倍频程带宽的超宽带小直径双叠锥天线，突破了小型化、超宽带的瓶颈；2、采用了二元双叠锥天线垂直组阵的形式，提高天线增益；3、采用上、下双叠锥天线馈电电缆扼流圈技术实现了两元组阵天线在4倍频程内天线辐射方向图主瓣始终保持在水平面辐射最大，克服了常规宽带天线辐射方向图带宽小于阻抗带宽的缺陷。
本发明采用具有4倍频程带宽特性的超宽带小直径双叠锥天线作组阵单元，用两元垂直组阵的方法实现高增益要求。用主馈电同轴电缆扼流圈抑制天线底部馈电电缆的表面电流向下流动参加辐射，用下双叠锥天线T1的第一馈电同轴电缆扼流圈和上双叠锥天线T3的第二馈电同轴电缆扼流圈抑制下双叠锥天线T1上辐射体、上双叠锥天线T3下辐射体之间馈电同轴电缆上的表面电流参加辐射，使得天线在200-800MHz频带范围内天线辐射方向图始终保持在水平面辐射能量最大，克服了常规宽带天线辐射方向图带宽不如阻抗带宽宽的缺陷。天线增益仿真结果达到3-6.5dBi，见图8。
实测样品天线电压驻波比曲线见图9。由于本天线没有加入有耗匹器件，效率高，功率容量大，能满足多电台共同使用要求。该天线的开发成功为数据、图像、视频等多媒体超宽带无线传输系统的开发应用奠定了基础。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双叠锥天线，其特征在于，包括上辐射体、下辐射体和贯穿上辐射体的馈电电缆，所述上、下辐射体相互对称、通过馈电电缆共轴连成一体，上辐射体、下辐射体为轴对称体；
所述上辐射体由第一锥形振子和第二锥形振子连接构成，第一、二锥形振子的锥尖削平，且第一锥形振子的顶面直径大于第二锥形振子的锥尖的直径，第二锥形振子的锥尖的直径大于第一锥形振子的锥尖的直径，第一锥形振子的锥顶角大于第二锥形振子的锥顶角；
所述下辐射体由第三锥形振子和第四锥形振子连接构成；第三、四锥形振子的锥尖削平，且第三锥形振子的顶面直径大于第四锥形振子的锥尖的直径，第四锥形振子的锥尖的直径大于第三锥形振子的锥尖的直径，第三锥形振子的锥顶角大于第四锥形振子的锥顶角。
2.一种应用权利要求1所述双叠锥天线的VHF/UHF超宽带高增益小型化全向天线，其特征在于，包括主馈电电缆（1）、下双叠锥天线T1、上双叠锥天线T3和馈电网络T2，其中主馈电电缆（1）的一端绕制为主馈电同轴电缆扼流圈，另一端贯穿下双叠锥天线T1至馈电网络T2处，引出下双叠锥天线T1的馈电电缆和上双叠锥天线T3的馈电电缆，并绕制出下双叠锥天线T1的第一馈电同轴电缆扼流圈和上双叠锥天线T3的第二馈电同轴电缆扼流圈。
3.根据权利要求2所述的全向天线，其特征在于，所述下双叠锥天线T1包括第一双叠锥天线下辐射体（2）、第一绝缘支撑件（3）、第一同轴阻抗匹配器（4）、第一电容馈电耦合管（5）、第一短路调节螺栓（6A）、第一双叠锥天线上辐射体（7）、第一双叠锥天线馈电电缆（8）和第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈（10）；第一双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈（10）由第一双叠锥天线馈电电缆（8）绕制而成，所述第一绝缘支撑件（3）设置在第一双叠锥天线下辐射体（2）和第一双叠锥天线上辐射体（7）馈电处，用于支撑第一双叠锥天线下辐射体（2）和第一双叠锥天线上辐射体（7）；第一同轴阻抗匹配器（4）的一端与下双叠锥天线T1的馈电处连接，另一端与第一双叠锥天线馈电电缆（8）连接，第一短路调节螺栓（6A）用于调节第一同轴阻抗匹配器（4），第一电容馈电耦合管（5）放置在第一双叠锥天线上辐射体（7）的第一锥形振子，与第一同轴阻抗匹配器（4）耦合，
所述上双叠锥天线T3包括第二双叠锥天线下辐射体（13）、第二绝缘支撑件（16）、第二同轴阻抗匹配器（15）、第二电容馈电耦合管（17）、第二短路调节螺栓（6B）、第二双叠锥天线上辐射体（18）、第二双叠锥天线馈电电缆（14）和第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈（12）；第二双叠锥天线馈电电缆同轴扼流圈（12）由第二双叠锥天线馈电电缆（14）绕制而成，所述第二绝缘支撑件（16）设置在第二双叠锥天线下辐射体（13）和第二双叠锥天线上辐射体（18）馈电处，用于支撑第二双叠锥天线下辐射体（13）和第二双叠锥天线上辐射体（18）；第二同轴阻抗匹配器（15）的一端与上双叠锥天线T3的馈电处连接，另一端与第二双叠锥天线馈电电缆（14）连接，第二短路调节螺栓（6B）用于调节第二同轴阻抗匹配器（15），第二电容馈电耦合管（17）放置在第二双叠锥天线上辐射体（18）的第一锥形振子，与第二同轴阻抗匹配器（15）耦合。
4.根据权利要求3所述的全向天线，其特征在于，所述第一绝缘支撑件（3）、第二绝缘支撑件（16）为聚四氟乙烯绝缘支撑件。
5.根据权利要求3所述的全向天线，其特征在于，所述第一电容馈电耦合管（5）和第二电容馈电耦合管（17）内的电缆芯线长度相等。
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