CN106252851B - 一种高增益宽频带振子天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高增益宽频带振子天线，包括振子下臂及振子上臂。振子下臂及振子上臂相互共轴或共线排列。该振子上臂包括第一导体段以及若干加载导体段，该相邻导体段之间由复合反相器级联；该复合反相器包括若干螺旋以及弯折导体段；该若干螺旋加载于弯折导体段上。本发明的天线实现全向性、高增益和宽带宽，且省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥88％)。而且，该设计尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合无线专网的理想基站/终端类天线。

Description

一种高增益宽频带振子天线

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，特别是涉及一种高增益宽频带振子天线。

背景技术

目前，人类已经进入信息时代，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和灵活性，已成为人们随时随地获取信息和彼此联络的主要手段。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”的梦想基本成为了现实。人与人之间实现了自由沟通，而物与物之间、人与物之间尚未实现完全联通。信息随心所至、万物互联互通，才是人类的终极目标。建立在信息网基础上的物联网IoT(Internet of Thing)是下一代移动通信技术5G的关键技术及应用。然而，物联网不能共享现有的蜂窝移动通信网络，而需要建设专用移动通信网络才能满足自身的特殊需要。例如，利用交通专用移动网络，交管部门可以对道路状况进行实时监控，引导整个道路网络的车流均衡，从而减少交通拥堵和阻塞。再如，利用警务专用移动通信网络，公安部门可以对安保重点区域进行全天不间断高清视频监控，并实现视频集群呼叫和海量节点实时、可靠数据传输等。

交通、警务和政务等专用物联网，跟蜂窝移动通信一样，需要在广阔区域部署大量站点才能实现广域覆盖。考虑到传播特性、覆盖范围、系统容量、站址选择、建设成本等因素，这些无线专网所规划的频段往往优先考虑UHF(Ultra-high Frequency)频段，如300MHz-600MHz。然而，由于UHF频段电波波长较长(0.5m-1.0m),按照与工作波长可比拟的特性，半波辐射单元的尺寸将在0.25m-0.5m量级。这种情况下，若将该单元按照常规基站天线方式共轴或共面组阵并后置反射板、然后排成圆阵以实现高增益全向覆盖的话，天线总高度和直径将达到数米量级，使得基站天线选址非常困难、安装十分不便，而且风载较大，需要设计坚固的安装组件。另外，多扇区配置的阵列天线设计复杂、成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高增益宽频带振子天线，解决现有基站天线不适于无线专用网，增益低、结构复杂、尺寸大、成本高、选址难等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高增益宽频带振子天线，包括振子下臂以及振子上臂；所述振子上、下臂相互共轴或共线排列；所述振子上臂包括第一导体段以及若干加载导体段，第一导体段以及若干加载导体段共轴或共线级联，其中两两相邻导体段之间由复合反相器级联；所述复合反相器包括若干螺旋以及弯折导体段；所述若干螺旋加载于弯折导体段上。

较佳地，所述第一导体段顶端以及加载导体段的底端和/或顶端切出朝内侧凹陷的窄槽。

较佳地，所述窄槽具有位于所述第一导体段的顶端或加载导体段的底端和/或顶端的切口，并沿其所在导体段的长度方向向内延伸形成凹陷的槽底；所述窄槽为L型或倒L型凹槽。

较佳地，所述弯折导体段由一长条形导体沿长度方向重复弯折形成平面片状结构，其包括若干节弯折的导体段以及上下两自由端；所述上下两自由端向上或向下延伸，并与所述相邻导体段底端和顶端切出的窄槽形状及尺寸相适配；所述弯折的导体段顶端面及底端面分别与所述第一导体段的顶端面或加载导体段的底端面和/或顶端面平行对接；所述每相邻两节弯折的导体段之间有一间隔；所述若干螺旋是金属导线构造的左旋或右旋。

较佳地，所述弯折导体段的两自由端分别抵持于所述窄槽内，并与窄槽的槽底抵接；弯折导体段的两个自由端分别与所述窄槽的左肩或右肩连接；所述弯折导体段的厚度与第一导体段以及加载导体段的厚度对应；所述弯折导体段的宽度与第一导体段以及加载导体段的宽度对应；所述窄槽及所述弯折导体段的两自由端相互配合，均为L型或倒L型；所述弯折导体段的两自由端分别封盖所述窄槽的切口端。

较佳地，所述弯折导体段为矩形；所述弯折导体段的节数为6.5节；每一段弯折的水平宽度与第一导体段以及加载导体段等宽；弯折导体段的线宽与第一导体段以及加载导体段的厚度对应；弯折导体段的线宽为弯折导体段节距的一半。

较佳地，所述若干个螺旋轴向环绕地加载于所述弯折导体段外周，每节螺旋对应环绕于每节弯折导体段并卡持于两节弯折导体段之间的间隙；所述螺旋的上下两端分别与弯折导体段两端部的左右边缘相连。

较佳地，所述若干螺旋是金属导线构造的两支左旋或右旋、直径Dh＝0.95·Dr的圆柱螺旋，两螺旋相差180°，圈数分别为6和6.5，其中D_r是第一导体段的宽度。

较佳地，所述加载导体段及第一导体段为直导体段；所述振子下臂为竖直金属套筒；所述第一导体段和加载导体段为片状平面结构；所述第一导体段宽度与所述套筒直径相当，厚度远小于天线中心波长λ_c；所述加载导体段与所述第一导体段等宽等厚；所述弯折导体段与所述加载导体段及所述第一导体段等宽等厚。

较佳地，所述套筒最大直径D_s和外壁总长度L_s分别为：D_s＝0.045·λ_c、L_s≈0.25·λ_c，壁厚大于0而小于其半径；所述第一导体段的外边缘总长度L_r、宽度D_r及厚度T_r分别为：L_r≈L_s＝0.25·λ_c、D_r≈D_s＝0.045·λ_c和T_r<<0.1·λ_c；所述加载导体段的长度为0.5·λ_c。

较佳地，所述振子下臂的中心轴线上，自下而上穿过一根天线同轴馈电电缆；所述同轴线的外导体在振子下臂的顶端断开并与之焊接为一体，内导体则朝上延伸至第一导体段的底部并与之焊接。

较佳地，所述天线在345MHz-395MHz频段内，在近8.48·λc电长度上实现了50Ω良好匹配，|S11|≤-10dB带宽达6.1％；天线的效率大于88％且最高可达96％；低频增益达到10.5dBi，高频增益大于6.2dBi，带内H面不圆度小于0.25dB。

较佳地，所述振子下臂为顶部、中部和底部分别为圆柱、圆锥和圆柱的直径依次增大的套筒。

较佳地，所述第一导体段的主体呈矩形，其底端与所述振子下臂对接设有小矩形，由该小矩形过渡至主体矩形的中间段为梯形；所述第一导体段为自小矩形、中间段梯形及主体矩形的宽度依次增大的平面结构；所述加载导体段与所述第一导体段的主体矩形宽度及厚度对应；第一导体段的主体矩形宽度与所述振子下臂的底部圆柱直径对应；所述振子下臂顶部的圆柱直径与第一导体段的小矩形宽度对应；所述振子下臂的圆锥直径与第一导体段中间段梯形宽度对应。

较佳地，所述振子下臂、第一导体段、以及若干加载导体和复合反相器段均竖直共轴或共线排列；所述振子下臂、第一导体段、以及若干加载导体段和复合反相器均采用纯铜、铜合金或铝或铝合金材料制作。

较佳地，所述天线馈电同轴线采用50Ω同轴电缆馈电，选自SMA、BNC、TNC、N型连接头中任一种。

本发明的有益效果是：由于采用若干个螺旋加弯折的复合反相器将振子天线级联若干加载段，本发明的高增益宽频带振子天线尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合无线专网的理想基站/终端类天线。本发明的天线可在无线专网例如UHF频段(345MHz-395MHz)、近8.48·λ_c电长度上实现了50Ω良好匹配(|S11|<-10dB，360-383MHz，23MHz)，增益达到10dBi，带宽为6.1％(|S11|<-8dB，346-387MHz，41MHz，11.2％)，带宽较螺旋加载方案宽约50％，方向图旁瓣比弯折加载方案低约10dB；省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥88％)。

进一步地，将平直地板变成长度约0.25·λc的直径较粗的竖直套筒，用作振子下臂，实现较大带宽。

振子上臂选用较宽的导体片，以增大带宽。

进一步地，导体片上的复合加载段两端切出朝内侧凹陷的窄槽，使天线在无线专网获得良好匹配。

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是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线建模所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的半波振子的剖面示意图。

图3是本发明实施例的高增益全向宽频带振子天线的振子加载一个导体弯折反相器的剖面示意图。

图4是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的螺旋反相器的立体图。

图5是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的振子加载一个复合反相器及加载段平面视图，其中图5(a)为主视图、图5(b)为侧视图、图5(c)为俯视图。

图6是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的振子加载两个复合反相器及加载段的平面视图。

图7是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线具有若干复合反相器及加载段的平面视图。

图8是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线。

图9是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的反射系数|S₁₁|曲线。

图10是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线在f_L＝345MHz的实增益2D方向图。

图11是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线在f_C＝365MHz的实增益2D方向图。

图12是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线在f_H＝387.5MHz的实增益2D方向图。

图13是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线在H面方向图的不圆度。

图14是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的实增益G随频率f变化曲线。

图15是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的的E面(竖直面)半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。

图16是本发明实施例的高增益全向宽频带振子阵列天线的效率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。

本发明的天线尤其适用于通讯领域的无线专网，其为全向性、高增益、宽带宽、高效率、小尺寸、结构坚固、经济耐用的基站/终端天线，也适合于全向偶极子单元阵列天线。参照图1-7所示，以下实施例以一种高增益全向宽频带振子阵列天线100为例进行具体说明。

本实施例的天线100为振子天线，包括振子下臂1和振子上臂10，振子上下臂相互共轴或共线排列。振子上臂10包括第一导体段2以及级联的若干加载导体段8，相邻加载导体段8之间以及与振子上臂第一导体段2之间通过反相器单元47连接(图7所示)，从而实现电流方向一致。振子下臂1和振子上臂第一导体段2之间用同轴电缆6馈电。

作为一种实施方式，振子下臂1为竖直套筒，长度L_s约0.25·λ_c、直径较粗的竖直套筒，其中λ_c为振子的中心波长，从而可实现较大带宽。振子下臂1竖直套筒结构可由平直板制成。较佳地，振子下臂1顶部、中部和底部分别为圆柱面、圆锥面和圆柱面，直径依次增大的套筒，套筒最大直径和外壁总长度分别为：D_s＝0.045·λ_c、L_s≈0.25·λ_c(λ_c为天线的中心波长)，壁厚大于0而小于顶端半径，见图2的部分1。

上臂第一导体段2位于套筒振子下臂1的顶端上方。本实施例中，第一导体段2为平面片状结构，大至呈长方形。作为较佳实施例，第一导体段2为下部、中部和顶部分别为矩形、梯形和矩形、宽度依次增大的导体片，外边缘总长度、宽度及厚度分别为：Lr≈Ls＝0.25·λc、Dr≈Ds＝0.045·λc和Tr<<0.1·λc，见图2的部分2。上臂第一导体段2与下臂套筒1构成一个半波振子，底端用同轴电缆6馈电，增益G约为2.15dBi，可通过构造更多半波振子来提高增益。

在第一导体段2的顶端切出朝内侧凹陷的窄槽3。较佳地，在第一导体段2顶端自上至下地、切出一个倒L型的凹槽3。倒L型凹槽3的水平方向槽体段31与第一导体段2顶端水平齐平且第一导体段2的一侧即右侧边缘贯通齐平，竖直槽体段32竖直方向自上至下轴向延伸一定深度。

在第一导体段2的顶端切出朝内侧凹陷的窄槽3可用于加载反相器及级联加载振子，更能有效增加天线100的带宽，还可有效改善阻抗匹配；特别地，使天线100在无线专网例如UHF频段(345MHz-395MHz)、近8.48·λ_c电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，360-383MHz，23MHz)。

为了实现更高增益，在天线100加载更多导体段，即第一导体段2顶端加载更多加载导体段8。级联的相邻加载段8之间，以及加载段8与第一导体段2之间通过反相器实现电性能一致。作为一个较佳实施方式，在第一导体段2顶端加载的加载段8也为平面片状结构的导体片，导体片8与第一导体段2顶部的截面等宽、等厚，其长度约0.5·λ_c，因此，第一导体段2与加载的振子导体片8形成直导体段，总直导体段的电长度为：(0.25+0.50)＝0.75·λ_c。从而实现在天线100的上臂10的第一导体段2上通过反相器单元级联半波振子8，并根据需要增加天线100的增益。

作为一种实例，加载的振子导体片8为矩形片状结构，其宽度Dr≈Ds＝0.045·λc，长度Lr＝0.5·λc，厚度Tr<<0.1·λc。

加载段导体片8的底端和/或顶端切出朝内侧凹陷的窄槽，导体片8的端部切成的窄槽与第一导体段2顶端切出的窄槽3对应，作用相同。本实施例中，导体片8底端的窄槽为L型或倒L型凹槽，且窄槽水平段与导体片8的右侧边缘贯通齐平，与第一导体段2上形成的凹槽3相对应，导体片8顶端形成的窄槽为倒L型凹槽，与第一导体段2上形成的凹槽3相同，为便于对应，第一导体段2以及导体片8上下两端形成的窄槽均以标号3标示。

可以理解，加载段导体片8上下两端形成的凹槽也可以与第一导体段2上形成的凹槽不相同，也可以设计为其它形状。或者，无需设计所述凹槽，反相器4直接焊接或通过其它适合方式将加载振子导体片8与第一导体段2之间连接。

加载段导体片8与第一导体段2之间通过反相器单元连接。如图3所示，反相器单元包括弯折导体段4，由一长条形导体重复平行地沿长度方向弯折重叠形成整体呈平面片状的结构，本实施例中弯折后的整体形状为矩形。弯折导体段反相器4包括若干节弯折的导体段40以及上下两端的自由端41、42；所述上下两自由端41、42向上或向下延伸，并与所述第一导体段2的顶端或加载段8的底端和/或顶端切出的窄槽3形状及尺寸相适配；所述弯折的导体段40顶端及底端两端面分别与所述第一导体段2的顶端或加载段8的底端和/或顶端面平行对接；所述每相邻两节弯折的导体段之间有一间隔。上下自由端41、42则沿长度(或称轴向)方向向上向下延伸，分别卡持于振子下臂第一导体段2以及加载段8对应端部形成的凹槽3内。弯折导体段4的两自由端41、42的形状与第一导体段2及加载导体段8上的L型或倒L型凹槽3相适配。对应地，上自由端41为L型，向上延伸至加载振子导体片8底端向上形成的L型凹槽3内，较佳地，抵接于凹槽3的顶壁内，且抵接于凹槽3的左肩或右肩；下自由端42为倒L型，向下延伸至振子下臂2的顶端形成的凹槽3内，较佳地，抵接于凹槽3的底壁(未图标)，且抵接于凹槽3的左肩或右肩。

弯折导体段4的上、下自由端41、42的宽度可较凹槽3的宽度窄，因此除末端可抵接外，上、下自由端41、42的其余部分与凹槽3之间可形成间隔。下自由端41、42对应具有水平段，将L型或倒L型凹槽3的切口封盖。

弯折导体段4的L型自由端的水平段部分刚好与第一导体段2和加载导体段8侧壁边缘对齐。因此，弯折导体段4的水平导体段40底、顶两端面分别与第一导体段2的顶端面及导体片8的底端/顶端面对齐形成整体连接结构。其中，水平导体段40底端面及顶端面，分别在左右肩部与第一导体段2的顶端面/导体片8的底端面接触，或者分别在左右肩部与两相邻导体片8的顶端面/底端面接触，且上、下自由端41、42的末端分别与凹槽3的顶壁或底壁接触。

作为一种实施方式，弯折导体段的节数为6.5节，每一段弯折的水平宽度与第一导体段2及加载导体段8等宽，弯折导体段的线宽与第一导体段2和加载导体段8的厚度对应，且为弯折导体段节距的一半，每节导体段之间的间隔可以与导体段的线宽相等。

为进一步改善带宽，本发明的反相器单元还进一步包括螺旋反相器7，加载于弯折导体段反相器4上共同形成复合反相器47。螺旋反相器7由若干个螺旋组成。本实施例中，用线径为Dw的金属导线构造两支左旋或右旋、直径D_h＝0.95·D_r的圆柱螺旋，两螺旋相差180°，圈数分别为6和6.5。将两支圆柱螺旋7加载到上述弯折导体段4上，每圈螺旋套设于一节弯折的导体段上对应的间隔内，而螺旋的上下两端分别与弯折导体4上下两端的左右边缘相连。

如图5所示，天线100的第一导体段2上通过复合反相器47级联加载段8，本实施例中加载段8为半波直导体。

以此类推，为进一步改善增益、带宽，可在图5所示的振子结构上继续通过反相器单元47级联加载导体段8，同样在导体片8的上下两端沿其右侧边缘切出朝内侧凹陷的窄槽3，复合反相器47的起始端即上下自由端41、42放置于凹槽3底部。具体地，导体片8上端面向内侧切出倒L型凹槽3，下端面向内侧切出L型凹槽3。复合反相器47加载于两相邻的导体片8之间，从而向上沿轴向方向级联更多直导体段(或半波振子段)8。图7所示为按照上述方法构造具有10个(但不限于十个的)重复加载段8的天线100，复合加载反相器47和0.5·λc直导体段8的十个重复单元与第一导体段2形成的级联组合体，作为天线100的上臂10，与天线100的下臂1共同形成本发明的一种全向性、高增益、宽带宽、高效率、小尺寸、结构坚固、经济耐用的基站/终端天线。

于金属套筒1的中心轴线上，自下而上穿过一根50Ω同轴线6，其外导体在套筒1顶端断开并与之焊接为一体，内导体则朝上延伸第一导体段2的底部并与之焊接，如图2和图6的部分6。

本发明小直径高增益全向天线是在一段较长的导体2上直接构造若干个半波振子8形成多节导体10，通过反相器单元47使电流在整段导体上的多节0.25·λc(λc-中心波长)或0.5·λc直导体段2、8上保持同向，从而获得高增益。

反相器设计是实现高增益单/偶极子单元阵列的关键，实现形式有集总加载、导线弯折、窄环加载和螺旋加载等。导线弯折损耗较小、辐射干扰较强、尺寸较大、带宽较宽、较易匹配；螺旋加载损耗低、辐射干扰弱、尺寸小、带宽窄、较难匹配，但可由单根导线绕制，结构强度高，经久耐用。反相器采用螺旋和导体弯折的复合加载是一种较理想的方案。此方案能在保留螺旋反相器优点的同时，克服了其带宽窄、匹配差的缺点。本发明的天线适用于无线专网，是一种全向性、高增益、宽带宽、小直径、低成本的基站天线。

下述以具有10个重复加载导体段8的一种高增益宽带全向阵列天线100为例进一步说明本发明天线结构及特性，其设计方法包括以下步骤：

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，构造一个顶部、中部和底部分别为圆柱面、圆锥面和圆柱面、直径依次增大的套筒，套筒最大直径和外壁总长度分别为：Ds＝0.045·λc、Ls≈0.25·λc(λc为中心波长)，壁厚大于0而小于顶端半径，见图2的部分1；

步骤三，在步骤二的套筒顶端上方，构造一个下部、中部和顶部分别为矩形、梯形和矩形、宽度依次增大的导体片，导体片的外边缘总长度、宽度及厚度分别为：Lr≈Ls＝0.25·λc、Dr≈Ds＝0.045·λc和Tr<<0.1·λc，见图2的部分2，导体片与步骤二的套筒构成一个半波振子，底端用同轴电缆馈电，见图2的部分6，增益G为2.15dBi左右，需要构造更多半波阵子以提高增益；为了改善阻抗匹配，在导体片的顶端切出一个倒L型的凹槽，见图2的部分3；

步骤四，为了实现更高增益，在步骤三的导体片顶端加载一截与之等宽、等厚、长度约0.5·λc的导体片，两者通过弯折导体段实现连接，见图3的部分5和部分4，与套筒1构成一个直导体段(第一导体段2+导体片5)电长度为：(0.25+0.50)＝0.75·λc的振子；弯折导体段节数为6.5节，水平宽度与导体片等宽，线宽为节距的一半；

步骤五，用线径为Dw的金属导线构造两支右旋、直径Dh＝0.95·Dr的圆柱螺旋，两螺旋相差180°，圈数分别为6和6.5，见图4的部分7；

步骤六，将步骤五的两支圆柱螺旋加载到步骤三的弯折导体段上，见图5的部分4和7，螺旋的上下两端分别与弯折导体两端的左右边缘相连；

步骤七，按照上述步骤构造两个复合加载反相器和0.5·λc直导体段(半波阵子段)，见图6的部分8；

步骤八，按照上述方法，构造一个10单元的复合加载反相器和半波阵子级联组合体；步骤九，在步骤二的金属套筒中心轴线上，自下而上穿过一根50Ω同轴线，其外导体在套筒顶端断开并与之焊接为一体，内导体则朝上延伸至步骤三的导体段底部并与之焊接，见图2和图6的部分6。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的底端金属套筒1的外壁总长度约0.25·λc，底端直径Ds大于同轴线外径而小于0.25·λc。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的底端金属套筒1的壁厚大于0而小于顶端半径。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100最底端的第一导体段2长度约Lr≈0.25·λc，宽度与套筒直径相当，厚度远小于波长。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100最底端的第一导体段2由底部的梯形段和顶部的矩形段组成。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100除了最底端的四分之一波长第一导体段2外，还包含若干节半波长导体片8。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的相邻第一导体段2或8之间通过反相器连接。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的第一导体段2和加载导体段8与反相器4连接处开有L型凹槽3(包括正L型或倒L型)，反相器4的末端41、42连接凹槽3底端或顶端。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的相邻第一导体段2和加载导体段8之间的复合反相器47由弯折导体段4与双圆柱螺旋7构成。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的弯折导体段4节数为6.5节，水平宽度与第一导体段2等宽，线宽为节距的一半。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的复合加载反相器47的圆柱螺旋7为双螺旋，两螺旋相差180°，圈数分别为6和6.5。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的复合加载反相器47的双圆柱螺旋7的上下两端分别与弯折导体段4两端的左右边缘相连。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100采用50Ω同轴电缆6馈电，其自下而上穿过下端套筒1的中心，内外导体在套筒顶端分别与下第一导体段2和套筒1焊接。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的所有部件1、2、47、8均竖直共轴排列。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的所有部件采用纯铜、铜合金或铝材料制作。

较佳地，所述高增益宽带全向阵列天线100的馈电同轴线6可以是SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头。

进一步参照图8-16，提供本实施例的高增益全向加载导体段阵列天线100的电性能检测结果。

其中，图8为高增益宽带全向阵列天线100加载民十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时的输入阻抗Zin频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Zin，单位为Ω；实线表示实部Rin，虚线表示虚部Xin。

图9为高增益宽带全向阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时的反射系数|S11|曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是S11的幅度|S11|，单位为dB。由图知，天线在UHF频段(360-383MHz)实现了良好的阻抗匹配(|S11|≤-10dB，BW＝6.1％；最佳匹配|S11|＝-14.5dB@373MHz；|S11|<-8dB，346-387MHz，41MHz，11.2％)，带宽较单一的螺旋加载方案宽约50％，复合加载的带宽和匹配改善效果显著。

图10为高增益宽带全向阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时在f_L＝345MHz的实增益2D方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝10.12dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝6.39o，第一旁瓣SLL低于主瓣电平12.7dB。

图11为高增益宽带全向阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时在f_C＝365MHz的实增益2D方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝10.12dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝6.67°，第一旁瓣SLL低于主瓣电平12.0dB。

图12为高增益宽带全向阵列天线100加载发十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时在f_H＝387.5MHz的实增益2D方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝10.12dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝8.78°，没有明显旁瓣。

图13为高增益宽带全向阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时在H面方向图的不圆度。其中，实线-f1＝347.5MHz,虚线-f2＝367.5MHz,点线-f3＝0.380MHz,点划线-f4＝395MHz。由图可知，带内H面(水平面)不圆度小于0.25dB，非常理想。

图14为高增益宽带全向阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时的实增益G随频率f变化曲线。其中，低频增益达到10.5dBi，高频增益大于6.2dBi，说明复合加载反相器实现单元阵列效应的效果是显著的。

图15为高增益全向宽带阵列天线100加载十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时的E面(竖直面)半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。由图知，整个频带内，E面HPBW＝6.4°-8.8°。

图16为高增益全向宽带阵列天线100加载了十个螺旋弯折复合反相器47及加载段8时的效率η_A随频率f变化曲线。由图知，整个频带内(|S11|≤-10dB)，天线的效率大于88％(最高可达96％)。

本发明实施例的全向性、高增益和宽带宽天线，是通过下述手段实现的：

1、将平直地板变成长度约0.25·λc的直径较粗的竖直套筒，用作振子下臂，实现较大带宽；

2、振子上臂选用较宽的导体片，以增大带宽；

3、导体片中间加载若干个螺旋加弯折的复合反相器，以实现高增益；

4、导体片上的复合加载段两端切出朝内侧凹陷的窄槽，使天线在UHF频段(345MHz-395MHz)、近8.48·λc电长度上实现了50Ω良好匹配(|S11|<-10dB，360-383MHz，23MHz)，增益达到10dBi，带宽可达6.1％(|S11|<-8dB，346-387MHz，41MHz，11.2％)，带宽较螺旋加载方案宽约50％，方向图旁瓣比弯折加载方案低约10dB；且省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥88％)。而且，该设计尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合无线专网的理想基站/终端类天线。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、简单易行等特点，对于更高增益的单/偶极子全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

本发明的高增益、全向性、小尺寸、低成本天线100是无线专网基站天线的优选方案。

上述实施例中基于十单元导的螺旋和弯折导体复合反相器47及加载段8来论述本发明，并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子方案仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。同样，更多复合加载单元也属于本发明的范畴，受到同等保护。本发明旨在为无线专网设计一种全向性、高增益、宽带宽、高效率、小尺寸、结构坚固、经济耐用的基站/终端天线，并为更高增益的全向单/偶极子天线优化设计提供有效的参考方法。

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 (12)

1.一种高增益宽频带振子天线，包括振子下臂以及振子上臂；其特征在于：所述振子上、下臂相互共轴或共线排列；所述振子上臂包括第一导体段以及若干加载导体段，第一导体段以及若干加载导体段共轴或共线级联，其中两两相邻导体段之间由复合反相器级联；所述复合反相器包括若干螺旋以及弯折导体段；所述若干螺旋加载于弯折导体段上，第一导体段顶端以及加载导体段的底端和/或顶端切出朝内侧凹陷的窄槽；

所述弯折导体段由一长条形导体沿长度方向重复弯折形成平面片状结构，其包括若干节弯折的导体段以及上下两自由端；所述上下两自由端向上或向下延伸，并与所述相邻导体段底端和顶端切出的窄槽形状及尺寸相适配；所述弯折的导体段顶端面及底端面分别与所述第一导体段的顶端面或加载导体段的底端面和/或顶端面平行对接；所述每相邻两节弯折的导体段之间有一间隔；

若干个螺旋轴向环绕地加载于所述弯折导体段外周，每节螺旋对应环绕于每节弯折导体段并卡持于两节弯折导体段之间的间隙；所述螺旋的上下两端分别与弯折导体段两端部的左右边缘相连；

若干螺旋是金属导线构造的两支左旋或右旋、直径Dh＝0.95·Dr的圆柱螺旋，两螺旋相差180°，圈数分别为6和6.5，其中Dr是第一导体段的宽度。

2.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述窄槽具有位于所述第一导体段的顶端或加载导体段的底端和/或顶端的切口，并沿其所在导体段的长度方向向内延伸形成凹陷的槽底；所述窄槽为L型或倒L型凹槽。

3.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述弯折导体段的两自由端分别抵持于所述窄槽内，并与窄槽的槽底抵接；弯折导体段的两个自由端分别与所述窄槽的左肩或右肩连接；所述弯折导体段的厚度与第一导体段以及加载导体段的厚度对应；所述弯折导体段的宽度与第一导体段以及加载导体段的宽度对应；所述窄槽及所述弯折导体段的两自由端相互配合，均为L型或倒L型；所述弯折导体段的两自由端分别封盖所述窄槽的切口端。

4.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述弯折导体段为矩形；所述弯折导体段的节数为6.5节；每一段弯折的水平宽度与第一导体段以及加载导体段等宽；弯折导体段的线宽与第一导体段以及加载导体段的厚度对应；弯折导体段的线宽为弯折导体段节距的一半。

5.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述加载导体段及第一导体段为直导体段；所述振子下臂为竖直金属套筒；所述第一导体段和加载导体段为片状平面结构；所述第一导体段宽度与所述套筒直径相当，厚度远小于天线中心波长λc；所述加载导体段与所述第一导体段等宽等厚；所述弯折导体段与所述加载导体段及所述第一导体段等宽等厚。

6.如权利要求5所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述套筒最大直径Ds和外壁总长度Ls分别为：Ds＝0.045·λc、Ls≈0.25·λc，壁厚大于0而小于其半径；所述第一导体 段的外边缘总长度Lr、宽度Dr及厚度Tr分别为：Lr≈Ls＝0.25·λc、Dr≈Ds＝0.045·λc和Tr<< 0.1·λc；所述加载导体段的长度为0.5·λc。

7.如权利要求1-6中任一项所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述振子下臂的中心轴线上，自下而上穿过一根天线同轴馈电电缆；所述同轴线的外导体在振子下臂的顶端断开并与之焊接为一体，内导体则朝上延伸至第一导体段的底部并与之焊接。

8.如权利要求1-6中任一项所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述天线在345MHz-395MHz频段内，在近8.48·λc电长度上实现了50Ω良好匹配，|S11|≤-10dB带宽达6.1％；天线的效率大于88％且最高可达96％；低频增益达到10.5dBi，高频增益大于6.2dBi，带内H面不圆度小于0.25dB。

9.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述振子下臂为顶部、中部和底部分别为圆柱、圆锥和圆柱的直径依次增大的套筒。

10.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述第一导体段的主体呈矩形，其底端与所述振子下臂对接设有小矩形，由该小矩形过渡至主体矩形的中间段为梯形；所述第一导体段为自小矩形、中间段梯形及主体矩形的宽度依次增大的平面结构；所述加载导体段与所述第一导体段的主体矩形宽度及厚度对应；第一导体段的主体矩形宽度与所述振子下臂的底部圆柱直径对应；所述振子下臂顶部的圆柱直径与第一导体段的小矩形宽度对应；所述振子下臂的圆锥直径与第一导体段中间段梯形宽度对应。

11.如权利要求1所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述振子下臂、第一导体段、以及若干加载导体和复合反相器段均竖直共轴或共线排列；所述振子下臂、第一导体段、以及若干加载导体段和复合反相器均采用纯铜、铜合金或铝或铝合金材料制作。

12.如权利要求7所述的高增益宽频带振子天线，其特征在于：所述天线馈电同轴电缆采用50Ω同轴电缆馈电，电缆另一头接一选自SMA、BNC、TNC、N型连接头中任意一种。

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