CN106229643B

CN106229643B - 一种超宽带高增益天线

Info

Publication number: CN106229643B
Application number: CN201610818163.XA
Authority: CN
Inventors: 李道铁; 吴中林; 刘木林
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Zhongshan Tongyu Communication Technology Co ltd
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: CN106229643A

Abstract

本发明提供一种超宽带高增益天线，包括的第一、第二金属管构成的双金属管结构；第一金属管与第二金属管共轴或共线排列，第二金属管内部进一步套设有第三金属管；所述第三金属管的一端为自嵌套多层管结构。本发明的天线在保留金属管偶极子天线超宽带、功率容量大优点的同时，克服了与50Ω阻抗不匹配、增益低、带内方向图非理想半波阵子方向图等缺点，输入阻抗在宽频带内接近于50Ω，是适合局域补盲或增强覆盖的理想基站/终端类天线。

Description

一种超宽带高增益天线

技术领域

本发明涉及一种移动通信基站/终端天线设备与技术，特别是涉及一种超宽带高增益天线。

背景技术

目前，人类已经全面进入信息时代，获取资讯成为人们日常生活中不可或缺的组成部分。以互联网和无线通信为核心的信息技术已经深刻地改变了人类的生产生活方式。移动通信以其特有的便捷性，已成为人们随时随地获取信息和彼此联络的关键手段。利用遍布各处的蜂窝基站，2G/3G/4G移动通信网络实现了信号广域连续覆盖，使得人们“任意时间、任意地点、与任何人以任何方式进行通信”的梦想已经成为了现实。综合考虑覆盖范围、选址、成本等实际因素，室外宏站天线通常尺寸大、增益高、发射功率大、架设高度高，以实现信号广域连续覆盖。然而，由于天线辐射性能的局限性，以及传播环境的复杂性，这种大范围覆盖方式不可避免存在信号覆盖盲区，如住宅区楼宇间的区域、商业街、巷道、室内等，无法依靠宏基站实现深度和精确覆盖。

自然地，人们将基站小型化后部署于室外各盲点，形成了局域补盲覆盖系统。综合考虑到容量、选址、成本等方面因素，室外微站必须支持多制式(GSM 2G/CDMA-3G/LTE-4G)、全频段(698-960MHz/1710-2700MHz)，而且方位面必须为全向辐射，以实现周围均匀覆盖。再者，增益至少2～5dBi，发射功率也要较大，以覆盖周围较大的区域。另外，考虑安装方便、用户视觉和感受，微蜂窝基站天线宜小尺寸和低剖面，以达到隐蔽或美化效果。而且，天线还必须低成本以便大量部署。然而，常规半波振子阻抗带宽虽然很宽，足以覆盖698-960MHz/1710-2700MHz GSM+LTE频段，但难以保证整个频带内方向图一致的理想全向性，而且增益通常不超过2dBi。超宽带振子常见形式有印制振子，其阻抗带宽可达几个倍频程，但高频方向图并非理想的全向性，且不圆度差，承受功率也较小。相比之下，金属管半波振子同样可以实现宽带宽，且可承受较高功率，方向图不圆度也很理想，但是带内难以保持理想的半波振子全向方向图，而且增益也难以超过2dBi。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带高增益天线，解决现有基站天线不适于无线专用网，且增益低、结构复杂、尺寸大、成本高等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：提供一种超宽带高增益天线，包括的第一、第二金属管构成的双金属管结构；第一金属管与第二金属管共轴或共线排列，至少第二金属管内部进一步套设有第三金属管；所述第三金属管的一端为自嵌套多层管结构。

较佳地，第三金属管共轴嵌套于第二金属管内部，第三金属管顶端抵接于所述第二金属管顶端内侧；所述第三金属管包括套接于第二金属管内部的前段管体以及延伸于第二金属管外部的所述自嵌套多层管的后段管体。

较佳地，所述自嵌套多层管为管径依次增大的同轴嵌套管；所述同轴嵌套管包括内层套管、中间套管及外层套管同心地、由内向外地相互间隔地嵌套；三层套管之间依次连接；外层套管的管径与第二金属管底端的管径相对应；所述内层套管沿中心轴方向自相互嵌套的中间套管及外层套管内部向外延伸至其外部，并继续延伸至第二金属管内部与所述前段管体轴向连接；所述内层套管的中间段管体暴露于第二金属管以及相互嵌套的中间套管及外层套管的外部；所述内层套管的中间段管体外壁与第二金属管外壁、外层套管外壁共同构成天线的部分辐射面。

较佳地，所述第三金属管的前段管体的底端外壁上，加载若干个沿管壁周边排列的枝节；所述枝节的长度Hs≈0.05·λ_l～0.10·λ_l，其中λ_l是天线最低频率对应的波长，所述枝节的末端保持开路。较佳地，所述枝节为4～8个均匀排列，自前段管体的底端边缘沿管体外壁向顶端方向延伸；所述枝节呈倒L型。

较佳地，所述第一金属管和/或第二金属管的长度或高度H₁≈0.15·λ_l～0.25·λ_l；所述第一金属管和/或第二金属管的管径的取值范围为：0.03·λ_l～0.30·λ_l，其中λ_l是天线最低频率对应的波长。

较佳地，所述第一金属管与第二金属管二者以两顶端相对的方式进行前后线性排列；一馈电电缆沿第二金属管内部的中心轴穿过第二金属管顶端并直达所述第一金属管顶端；所述馈电电缆的电缆外导体在第二金属管顶端断开并与之焊接在一起，内导体则穿过第二金属管顶端直达第一金属管顶端，并与之焊接在一起。

较佳地，所述第一金属管的顶端及第二金属管的顶端分别设有顶壁，二者以两顶壁相对的方式进行前后线性排列；所述第三金属管的底端设有底壁，该第三金属管的底壁开设中心馈电孔；所述馈电电缆自第三金属管底壁的中心馈电孔穿过，沿第二金属管及嵌套其内的第三金属管的中心轴线方向延伸至第二金属管顶端；电缆外导体在第二金属管顶端断开并与第二金属管的顶壁焊接在一起，内导体则穿过第二金属管顶端直达第一金属顶端，并与第一金属管的顶壁焊接在一起；所述馈电电缆与第二、第三金属管共轴或共线。

较佳地，所述天线整体形状从中间的锥形逐渐过渡到两端的柱形方式进行变化，管径逐渐变大；所述第一金属管和/或第二金属管自顶端锥形管段逐渐过渡为底端的柱形管，且管径不断增大；所述第三金属管前段管体自顶端锥形管段逐渐过渡为底端的柱形管，且管径不断增大；所述第二金属管的顶端封闭形成顶壁、底端开口；所述第三金属管顶端或其前段管体的顶端封闭或开口。

较佳地，所述天线适用于GSM+LTE频段或698-960MHz/1710-2700MHz频段；所述天线在近0.629·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配，|S₁₁|<-10dB，最小达-39dB；所述天线的增益达到1.05-5.03dBi，天线带内半波振子方向图一致；所述天线低频和高频带宽分别为67％和66.7％；所述天线效率≥87％；所述天线为全向偶极子天线。

较佳地，所述第一金属管内套设第四金属管；所述第四金属管与第三金属管结构相同但不设置馈电中心孔及馈电电缆；所述第一、第二金属管及其内分别套设的第三、第四金属管竖直共轴排列；所述第一金属管及第二金属管结构相同互为镜像；所述第三金属管一端的自嵌套多层管为一整体结构；所述自嵌套多层管由内层管一端连续向外弯折成连续多层套管；所述第三金属管顶端为柱形连接头。

本发明的有益效果是：由于本发明的天线是采用双馈电金属管共轴或共线排列，各馈电金属管内进一步套设金属圆的结构，在保留金属管偶极子超宽带、功率容量大优点的同时，克服了与50阻抗不匹配、增益低的缺点，输入阻抗在宽频带内接近于50Ω。本发明的天线在GSM+LTE频段(698-960MHz/1710-2700MHz)、近0.629·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小达-39dB)，增益达到1.05-5.03dBi，低频和高频带宽分别为67％和66.7％；最高增益与等孔径的常规两单元半波振子阵列相当，但省去了功分网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥87％)。而且，该设计尺寸短小、承受功率高、结构强度高、经济耐用，是适合局域补盲或增强覆盖的理想基站/终端类天线。

另外，本发明的天线对于更高增益的超宽带单/偶极子全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

进一步地，本发明馈电金属管长度与管径之比较小(≈2.525)，以实现超宽带宽。

进一步地，天线形状从中间的锥形(如圆锥或其它锥体形)逐渐过渡到两端的柱形(圆柱或其它截面形状的柱体)方式进行变化，管径逐渐变大，使得输入阻抗在宽频带内接近于50Ω。

进一步地，金属管内套另一金属管。金属管起始段外形从圆柱、圆锥变成圆柱，再变成直径较小的圆柱段，然后连续90°弯折，最后形成直径依次增大的同轴嵌套管；套管的前段封闭在馈电管和自身内部，末段则裸露进行辐射，从而同时实现阻抗变换和高增益。

进一步地，馈电电缆从套管底端圆孔深入第三金属管中心且直达第二金属管顶壁的中心馈电孔，电缆与金属管同心，从而保证了方向图的理想全向性。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线建模所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的镜像双金属管剖面图。

图3是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的镜像双金属管的透视图。

图4是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的第三/第四金属管剖面图。

图5是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的第三金属管透视图。

图6是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的剖面图。

图7是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的透视图。

图8是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的仰视图。

图9是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线。

图10是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的反射系数|S₁₁|曲线。

图11是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的驻波比VSWR。

图12是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₁＝0.698GHz的2D方向图。

图13是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₂＝0.96GHz的2D方向图。

图14是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₃＝1.10GHz的2D方向图。

图15是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₄＝1.71GHz的2D方向图。

图16是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₅＝2.20GHz的2D方向图。。

图17是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₆＝2.70GHz的2D方向图。

图18是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线在f₇＝3.0GHz的2D方向图。

图19是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的增益G随频率f变化曲线。

图20是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。

图21是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的H面不圆度随频率f变化曲线。

图22是本发明实施例的超宽带高增益偶极子天线的效率η_A随频率f变化曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图2-8所示，本发明实施例的超宽带高增益天线200，是以金属管状超宽带高增益极子天线为例进行具体说明，其保留金属管状半波振子宽带特性的同时，克服其阻抗与50Ω不匹配、增益较低的缺点。本实施例的天线可以为移动通信局域补盲覆盖提供一种超宽频带、理想全向、较高增益(G≥2dBi)、尺寸短小、结构简单、经济耐用的全向天线。

该超宽带高增益天线200(图6-7)为金属管状结构，包括共线或共轴排列的第一、第二金属管1，1’形成双金属管结构，本实施例中双金属管为上下竖直共轴共线排列。进一步地，在第二金属管1’内沿轴线方向设置有第三金属管2’；在第一金属管1内沿轴线方向设置有第四金属管2。金属管2，2’放置在金属管1，1’内壁底端100，100’，各自与管1，1’同心排列。天线200分为第一部分201和第二部分202，第一部分201包括金属管1以及其内部同心套设的金属管2，第二部分202包括金属管1’以及其内部同心套设的金属管2’。天线200整体形状从中间的锥形逐渐过渡到两端的柱形方式进行变化，管径逐渐变大；第一金属管1管自顶端锥形管段10、11逐渐过渡为底端的柱形管12，且管径不断增大。第二金属管1’管自顶端锥形管段10’、11’逐渐过渡为底端的柱形管12’，且管径不断增大。第三金属管2’前段管体20自顶端锥形管段逐渐过渡为底端的柱形管30，且管径不断增大。第一金属管1、第二金属管1’的顶端封闭形成顶壁100，100’、底端开口。所述第三金属管2’、第四金属管2顶端或其前段管体的顶端封闭或开口。

作为一种实施例，第一、第二金属管1，1’为中空金属管，二者结构相同，对称竖直同轴排列。第一、第二金属管1，1’是锥形金属管，由馈电中心的圆锥形10，10’(位于顶端)逐渐过渡为底端的圆柱形12，12’，且直径不断增大，直径取值范围为：0.03·λ_l～0.30·λ_l，λ_l为天线最低频率波长。圆锥形10，10’的锥底为顶壁100，100’作为馈电中心。锥形管1，1’上下镜像复制形成双锥金属管结构。在第二锥管1’内侧底部100’中心用同轴线5馈电，同轴线5朝上穿过锥底(顶壁)100’与上锥管1的锥底(顶壁)100抵接，内外导体50、51分别连接上下锥底(顶壁)100，100’。双锥金属管1，1’的锥底(顶壁)100，100’作为馈电中心金属管1，1’的长度或高度H₁≈0.15·λ_l～0.25·λ_l，长度与管径比值较小，取值范围为2～3。

金属管1，1’的管壁厚度大于0、小于顶端(或称末端)圆柱段12的直径。

金属管1(1’)是自下而上由顶端的圆锥形管10(10’)、中间段圆锥形管11(11’)逐级过渡到锥管1(1’)的底端的圆柱形管12(12’)、直径依次增大。可以理解，在其它实施方式中，圆锥也可由其它锥形替代，圆柱形也可由其它截面形状的柱形取代。

作为示例，金属管1，1’外壁总长度L_l可达0.25·λ_l(λ_l为最低频率波长)，壁厚大于0而小于锥管后端圆柱段12，12’半径R₁；其中金属管1，1’末端圆柱段12，12’半径R₁≈0.07·λ_l，高度H₁≈0.175·λ_l)。

本实施例中，第二金属管1’与第一金属管1为镜向结构，结构完全相同，二者上下对称地相对排列在同一轴线上。

可以理解，第二金属管1’与第一金属管1也可以设计为不同结构的金属管。本发明所指的锥形管包括圆锥或其它截面形状的锥体，柱形管包括圆柱或其它截面的柱体。

位于第一金属管1最前端的圆锥10的水平锥底(顶壁)100作为馈电中心，其为封闭的圆形结构，中心与同轴线5的内导体50电连接。后端圆柱12底端可以为敞开结构。

第二金属管1’前端圆锥10’的锥底(顶壁)100’作为馈电中心，其为圆形结构，同轴线5穿过圆形锥底(顶壁)100’的中心，锥底(顶壁)100’与同轴线5的外导体51电连接。后端圆柱12’的底部可以为敞开结构。

两个金属管2，2’分别放置在第一、第二金属管1，1’的锥底(顶壁)100,100’内侧并相互接触，与金属管1，1’同轴排列。具体地，双金属管1，1’顶部内壁，沿轴线方向放置一个边缘经特殊赋形的金属管2，2’。以第三金属管2’为例具体说明其结构，参照图5，第三金属管2’的一端为自嵌套多层管结构30。

较佳地，第三金属管2’共轴嵌套于第二金属管1’内部，第三金属管顶端抵接于第二金属管顶端10内侧。第三金属管2’包括套接于第二金属管1’内部的前段管体20以及延伸于第二金属管1’外部的所述自嵌套多层管的后段管体30。

自嵌套多层管30为管径依次增大的同轴嵌套管，包括内层套管24、中间套管25及外层套管26同心地、由内向外地相互间隔地嵌套；三层套管之间依次连接。外层套管25的管径与第二金属管1’底端的管径相对应。内层套管24沿中心轴方向自相互嵌套的中间套管25及外层套管26内部向外延伸至其外部，并继续延伸至第二金属管1’内部与其内包围的前段管体20轴向连接。内层套管24的中间段管体(未图标)暴露于第二金属管1’以及相互嵌套的中间套管25及外层套管26的外部。暴露的内层套管的中间段管体外壁与第二金属管1’的外壁、外层套管26外壁共同构成天线的部分辐射面。

具体设计时，其沿长度或轴线方向，第三金属管2’依次为前端第一段圆柱形管21、第二段圆锥形管22和第三段圆柱形管23，直径依次增大构成前段管体20，都嵌套在锥管1’内部。第三段圆柱形管23后接另一直径较小的第四段圆柱形管管即内层套管24，内层套管24的末端边缘先朝外连续90°弯折两次，然后朝内连续90°弯折两次，形成三个相互嵌套间隔一定间隙的自嵌套多层管30，具体参照图4-8。所有圆柱段及圆锥段均为中空结构。较佳地，自嵌套多层管30为一体不可分割的结构，可以由同一片金属片连续弯折而成，内层套管24、中间套管25及外层套管26之间分别以环形底壁连接的一体结构。外圆管26与锥管1，1’的外径相同。第三金属管2’的外圆管26的底端设有底壁29，底壁中心设有馈电孔4。

可以理解，自嵌套多层管30的各层套管之间相互连接，相邻两层套管之间可以是由环形底壁连接，可以是一体可分割或不可分割的整体结构；也可以由其它连接方式进地连接。

金属管2的后段管体30是大部分位于金属管1外部的同轴圆管。其起始内层套管24的直径较前段管体20的终止圆柱段23的直径小，内层套管24轴向连接于前段管体20的终止圆柱段23的底壁。

可以理解，位于第二金属管1’内的第三金属管2’其它结构与位于第一金属管1内的第四金属管2结构相同。因仅天线200的第一部分201和第二部分202的二者之一的中心轴线穿插馈电电缆5，与另一部分的顶壁连接即可。本发明仅馈电电缆5从天线第二部分202底端穿入的方式进行举例说明，相应地，电缆5需要从金属管2’的后端穿入，因此第二金属管1’及内嵌套的金属管2’共中心轴线且中心轴线方向贯通，以利于自底壁29(图5)的中心馈电孔4向前端依次穿入该馈电线5至第二金属管1’的锥底(顶壁)100’的馈电中心。而第一金属管1与其内套的金属管2不设置馈电孔和馈电电缆。

对于金属管2’，其圆柱段21的顶端抵接于第二金属管1’锥底(顶壁)100’内且同心地套设于同轴线5外，第二锥管1’的锥底(顶壁)100’对应形成馈电孔(未图标)穿插该同轴线5，圆柱段21的底端抵接于圆锥段22的顶壁220，且与圆锥段22内腔贯通。圆锥段22的顶壁220为环形底壁，环形底壁220的中心形成开孔从而与圆柱段21内腔贯通，圆锥段22的底端敞开且与圆柱段23的顶端对接，连接处二者管径相等。

圆柱段23顶端敞开，底端为水平环形底壁230，环形底壁230的中心形成开孔与圆柱段24外径对应，从而实现两圆柱段23、24连接并贯通。

圆柱段24即内层套管两端敞开，其与圆柱段25即中间套管之间通过二者底端的环形壁27连接。圆柱段24顶端与圆柱段25顶端共面，其长度大于圆柱段26。

圆柱段24、25底端的环形壁27的中心开孔与圆柱段24的管径相对应。圆柱段25即中间套管的顶端与外层套管26顶端共央，二者之间通过环形顶壁28连接。

内层套管24顶端抵接于第二金属套管2’内部与前段管体20的底端轴向连接，底端伸入封闭在自嵌套管(即相互嵌套的两层相对较外的套管25、26)中心，其中间段暴露于第二金属管2’外部以及其自嵌套多层管的中心之外。

圆柱段26的底壁28为中心开孔的环形壁，其中心开孔与圆柱段27的口径相同，环形壁26径向向内地连接于圆柱段25与圆柱段26的底端之间。圆柱段26长度大于圆柱段25，圆柱段26的底壁29也为中心开孔的环形壁，中心开孔为馈电孔4，位于金属管30底部中心，是孔径为D_H的圆孔，以便馈电同轴线5从天线底端穿过、往上延伸至第一金属管顶部100电连接实现馈电。

第一金属管1内套设的第四金属管2，其与第三金属管2’结构相同。第四金属管2的各段管体，顶端或底端均可为封闭的顶壁或底壁，其它结构可与第三金属管2’相同。

进一步地，金属管2，2’的前段管体20末段圆柱段23底端外壁，加载4～8个呈圆周均匀排列的倒L形枝节，枝节竖直朝下延伸约H_s≈0.05·λ_l～0.10·λ_l长度，且末端保持开路。

金属管状超宽带高增益极子天线200的所有部件竖直共轴排列，所有部件均为纯铜、铜合金或铝材料制作。金属管状超宽带高增益极子天线200的实际馈电用同轴线，另一端可以为SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头。

金属管状超宽带高增益极子天线200具有较佳电性能，适合局域覆盖的GSM和LTE频段超宽带高增益偶极子天线，其中：

第一、馈电金属管1，1’长度与管径之比较小，以实现超宽带宽；中间圆锥段外形几何赋形以匹配到50Ω阻抗。更具体地，馈电金属管1，1’长度与管径之比较小(≈2.525)，以实现超宽带宽；天线的形状从中间的圆锥形逐渐过渡到两端的圆柱形方式进行变化，管径逐渐变大，使得输入阻抗在宽频带内接近于50Ω。

第二，金属管1，1’内套设另一同心金属管2，2’，金属管2，2’直径按照一定规律变化，其前段管体20封闭在馈电金属管1，1’和自身内部，后段管体30则裸露进行辐射，从而同时实现阻抗变换和高增益。其中，金属管2，2’起始段外形从圆柱21、圆锥22变成圆柱23，再变成直径较小的圆柱段24，然后连续90°弯折，最后形成直径依次增大的同轴嵌套管24、25、26。同轴嵌套管24、25、26较佳地为不可分割的整体结构。

第三，馈电电缆5从金属管2’底端圆孔4深入金属管2’内直达第二金属管1’中心馈电孔(未图示)，最后与第一金属管1底壁100连接，电缆5与内嵌的金属管2’同心，从而保证了方向图的理想全向性；使天线在GSM+LTE频段(698-960MHz/1710-2700MHz)、近0.629·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小达-39dB)，增益达到1.05-5.03dBi，低频和高频带宽分别为67％和66.7％。且省去了功分网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥87％)。

而且，本发明的天线尺寸短小、承受功率高、结构强度高、经济耐用，是适合局域补盲或增强覆盖的理想基站/终端类天线。可以理解，本发明的金属管天线的上述圆锥形也可以是其它锥体锥柱，圆柱形也可以是其它截面形状的柱体。

另外，本发明实施例天线的设计方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、简单易行等特点，对于更高增益的超宽带单/偶极子全向天线的设计和改进也是适用和有效的。具体采用以下步骤进行设计：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1。

步骤二，在步骤一的坐标系下，构造一个沿长度或轴线方向依次由前端圆锥10、中间圆锥(圆台)11逐级过渡到后端圆柱12、直径依次增大的第一金属管1，锥管外壁总长度L_l近0.25·λ_l(λ_l为最低频率波长)，壁厚大于0而小于锥管后端圆柱段12的半径(R₁≈0.07·λ_l，高度H₁≈0.175·λ_l)；第一锥管1上下镜像复制成第二锥管1’从而共同形成双锥天线200，并在第二锥管1’内侧底部100’中心用同轴线5馈电，同轴线5朝上穿过锥底(顶壁)100’与上锥管1的锥底(顶壁)100抵接，内外导体50、51分别连接上下锥底(顶壁)100，100’，见图2-3和图6的部分5。

步骤三，在步骤二的双锥管1，1’内壁底部100,100’，沿轴线方向放置一个边缘经特殊赋形的金属管2,2’。位于上锥管1内嵌的金属管2沿轴线或长度方向依次包括第一段圆柱形管21、第二段圆锥形管22和第三段圆柱形管23，直径依次增大形成外壁连续的中空管状结构，都嵌套在第一锥管1内部；第三段圆柱形管23沿轴线方向同轴地后接另一直径较小的第四段圆柱形管24，其末端边缘先朝外连续90°弯折两次，然后朝内连续90°弯折两次，形成三个相互嵌套的自嵌套多层管30。最外层圆管26外径与第一锥管1外径相等，位于第一锥管1外部，见图4-8部分2。

步骤四，在步骤三的金属管组30的第三段圆柱形管23顶端外壁，设置6个沿圆周均匀排列的倒L形枝节3，枝节朝下竖直延伸约H_s≈0.07·λ_l长度，且末端保持开路，见图4-8的部分3。

步骤五，在金属管组30底部29的中心，开一孔径为D_H的圆孔4，以便馈电同轴线5从天线底端穿过、往上延伸至第一锥管1底部，见图5-7的部分4。

本发明金属管状超宽带高增益偶极子天线200的电能性测试结果请参照图9-21。

图9所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的输入阻抗Z_in频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。

图10所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的反射系数|S₁₁|曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是S₁₁的幅度|S₁₁|，单位为dB。由图知，在整个高低频段(GSM 698-960MHz，LTE 1710-2700MHz)实现了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB，带宽分别为67％和66.7％；最佳匹配|S₁₁|≤-39dB@1.86GHz)。

图11所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的驻波比VSWR。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是VSWR。由图知，在整个高低频段(GSM698-960MHz，LTE1710-2700MHz)实现了良好的阻抗匹配(VSWR≤2.0，带宽分别为67％和66.7％；最佳匹配VSWR＝1.03@1.86GHz)。

图12所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₁＝0.698GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝2.05dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝82°。

图13所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₂＝0.96GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝3.02dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝60°。

图14所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₃＝1.10GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝3.90dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝35°。

图15所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₄＝1.71GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝2.12dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝44°。

图16所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₅＝2.20GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝1.03dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝140°。

图17所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₆＝2.70GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝5.03dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝26°。

图18所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200在f₇＝3.0GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝2.88dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝33.5°。

图19所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的增益G随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是增益G，单位为dBi。整个高低频带内，增益分别为G＝2～3dBi(698-960MHz)、1.03～5.03dBi(1710-2690MHz)，与两单元半波振子阵列增益相当(约5.0dBi)。

图20所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。由图知，整个高低频带内，E面半功率波束宽度分别为HPBW＝60°～82°(698-960MHz)和40°～143°(1710-2690MHz)。

图21所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的H面不圆度随频率f变化曲线。由图知，整个高低频带内，H面方向图不圆度(全向性或均匀性)小于0.22dB，这是因为天线的理想几何圆对称结构保证了很好的全向性。

图22所示为金属管状超宽带高增益偶极子天线200的效率η_A随频率f变化曲线。由图知，整个高低频带内，天线的效率分别为87～97％(698-960MHz)和91％-99％(1710-2690MHz)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims

1.一种超宽带高增益天线，包括第一、第二金属管构成的双金属管结构；第一金属管与第二金属管共轴或共线排列，其特征在于，第二金属管内部进一步套设有第三金属管；所述第三金属管的一端为自嵌套多层管结构；

第三金属管共轴嵌套于第二金属管内部，第三金属管顶端抵接于所述第二金属管顶端内侧；所述第三金属管包括套接于第二金属管内部的前段管体以及延伸于第二金属管外部的所述自嵌套多层管的后段管体；

所述自嵌套多层管为管径依次增大的同轴嵌套管；所述同轴嵌套管包括内层套管、中间套管及外层套管同心地、由内向外地相互间隔地嵌套；三层套管之间依次连接；外层套管的管径与第二金属管底端的管径相对应；所述内层套管沿中心轴方向自相互嵌套的中间套管及外层套管内部向外延伸至其外部，并继续延伸至第二金属管内部与所述前段管体轴向连接；所述内层套管的中间段管体暴露于第二金属管以及相互嵌套的中间套管及外层套管的外部；所述内层套管的中间段管体外壁与第二金属管外壁、外层套管外壁共同构成天线的部分辐射面；

所述第三金属管的前段管体的底端外壁上，加载若干个沿管壁周边排列的枝节；所述枝节的长度Hs≈0.05·λ_l～0.10·λ_l，其中λ_l是天线最低频率对应的波长，所述枝节的末端保持开路；

所述天线整体形状从中间的锥形逐渐过渡到两端的柱形方式进行变化，管径逐渐变大；所述第一金属管和/或第二金属管包括顶端锥形管段和底端的柱形管段，且管径增大管壁连续；所述第三金属管前段管体包括顶端锥形管段及底端的柱形管，且管径增大管壁连续；所述第二金属管的顶端封闭形成顶壁、底端开口；所述第三金属管顶端或其前段管体的顶端封闭或开口。

2.如权利要求1所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述枝节为4～8个均匀排列，自前段管体的底端边缘沿管体外壁向顶端方向延伸；所述枝节呈倒L型。

3.如权利要求2所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述第一金属管和/或第二金属管的长度或高度H₁≈0.15·λ_l～0.25·λ_l；所述第一金属管和/或第二金属管的管径的取值范围为：0.03·λ_l～0.30·λ_l，其中λ_l是天线最低频率对应的波长。

4.如权利要求1所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述第一金属管与第二金属管二者以两顶端相对的方式进行前后线性排列；一馈电电缆沿第二金属管内部的中心轴穿过第二金属管顶端并直达所述第一金属管顶端；所述馈电电缆的电缆外导体在第二金属管顶端断开并与之焊接在一起，内导体则穿过第二金属管顶端直达第一金属管顶端，并与之焊接在一起。

5.如权利要求4所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述第一金属管的顶端及第二金属管的顶端分别设有顶壁，二者以两顶壁相对的方式进行前后线性排列；所述第三金属管的底端设有底壁，该第三金属管的底壁开设中心馈电孔；所述馈电电缆自第三金属管底壁的中心馈电孔穿过，沿第二金属管及嵌套其内的第三金属管的中心轴线方向延伸至第二金属管顶端；电缆外导体在第二金属管顶端断开并与第二金属管的顶壁焊接在一起，内导体则穿过第二金属管顶端直达第一金属顶端，并与第一金属管的顶壁焊接在一起；所述馈电电缆与第二、第三金属管共轴或共线。

6.如权利要求1所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述天线适用于GSM+LTE频段或698-960MHz/1710-2700MHz频段；所述天线在近0.629·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配，|S₁₁|<-10dB，最小达-39dB；所述天线的增益达到1.05-5.03dBi，天线带内半波振子方向图一致；所述天线低频和高频带宽分别为67％和66.7％；所述天线效率≥87％；所述天线为全向偶极子天线。

7.如权利要求1-6中任一项所述的超宽带高增益天线，其特征在于：所述第一金属管内套设第四金属管；所述第四金属管与第三金属管结构相同但不设置馈电中心孔及馈电电缆；所述第一、第二金属管及其内分别套设的第三、第四金属管竖直共轴排列；所述第一金属管及第二金属管结构相同互为镜像；所述第三金属管一端的自嵌套多层管为一整体结构；所述自嵌套多层管由内层管一端连续向外弯折成多层套管；所述第三金属管顶端为柱形连接头。