CN106549233A - 超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线 - Google Patents

超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线，主要解决现有技术不能同时满足天线宽频带、全向水平极化和小型化的问题。其包括辐射单元(1)、馈电网络(2)和介质板(3)。辐射单元(1)采用一个维瓦尔第单元绕圆心旋转而成的十六元连接型维瓦尔第天线阵；馈电网络(2)采用一分十六的宽带威尔金森功分器和耦合微带馈电线，通过该微带馈电线将电磁能量耦合到辐射单元；介质板(3)采用介电常数为2.55的康泰尼介质板，辐射单元和馈电网络分别印制在介质板的上下面，且辐射单元、馈电网络的中心与介质板的圆心重合。本发明具有超宽带、全向水平极化和小型化的特点，可用于对周边区域全覆盖的超宽带无线通信系统中。

Description

超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及一种维瓦尔第圆形阵列天线，可用于需要在超宽带范围内获得全向水平极化和实现天线小型化的无线通信系统中。
背景技术
天线作为无线通信系统的辐射器或接收器，其特性的好坏对系统整体功能的发挥具有很重要的作用。为了增大对周围区域的有效覆盖范围，水平极化全向天线得到了人们更多的关注。在实现全向水平极化的同时，也需要天线能在更宽的频带范围内工作。此外，天线的小型化也是天线选择中一个重要的因素。
传统的阵列天线在设计过程中，将天线单元之间的互耦效应看做不利因素，而紧耦合阵列天线利用天线单元之间的互耦效应来展宽带宽，获得宽带化的同时可以降低剖面高度，实现天线的小型化。
西安海天天线科技股份有限公司申请的专利“高增益水平极化全向阵列天线”(申请号:200520079193.0，公开号：CN2836260Y)提出了一种高增益水平极化全向阵列天线。该专利申请是由印刷弯曲偶极子作为阵列单元；馈电网络采用印刷巴伦及微带馈线来实现，该天线由于用同轴线并联馈电组阵，不仅能实现宽频带高增益，而且容易调整天线阻抗匹配。但是，该方法天线存在的不足之处是，工作带宽较窄，限制了天线在通信领域的进一步应用。
苏州市天烨机械工程有限公司申请的专利“共地纹边水平极化宽带全向天线阵及其调整方法”(申请号：2014106307649，公开号：CN104319475A)提出了一种共地水平极化全向天线。该天线阵通过在各个圆弧形印刷偶极子的外边缘上设有凹槽，使圆弧印刷偶极子的外边缘呈现凹凸纹边状，从而改善了天线辐射方向图的不圆度。但是，该天线的不足是尺寸比较大，不能满足通信系统对天线小型化的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线，以提高天线的工作带宽，减小天线体积，满足通信系统对天线小型化的需求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线，包括辐射单元1、馈电网络2和介质板3，辐射单元1和馈电网络2分别印制在介质板3的上下面，且辐射单元1、馈电网络2的中心与介质板3的圆心重合。其特征在于：
所述辐射单元1，采用由一个维瓦尔第单元绕圆心旋转而成的十六元连接型维瓦尔第天线阵，旋转角度为22.5度，相邻单元之间相互连接；
所述馈电网络2，采用一分十六的宽带威尔金森功分器和耦合馈电微带线，其终端为耦合馈电微带线，通过该微带馈电线将电磁能量耦合到辐射单元。
所述介质板3，采用介电常数为2.55，损耗正切角为tanδ＝0.0006的康泰尼介质板。
作为优选，所述维瓦尔第单元的长度l为53mm，宽度n为34mm，渐变槽线的高度m为42mm，最大孔径宽度d为34mm，维瓦尔第单元中设有近圆形槽线，用于对微带传输线起到阻抗匹配的作用。
作为优选，所述威尔金森功分器呈圆形结构分布，其半径为30mm。
作为优选，所述介质板采用介电常数为2.55，损耗正切角为tanδ＝0.0006，半径为88mm，厚度为1mm的康泰尼介质板。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，本发明采用圆形结构，使十六个维瓦尔第天线单元有相同的边界条件和电磁环境，很好地改善了边缘效应。
第二，本发明采用连接阵的阵列设计，充分利用了天线单元之间的互耦效应来展宽带宽，降低了低频的截止频率，实现宽带化的同时满足了天线小型化的工程要求。
第三，本发明采用一分十六的宽带威尔金森功分器，并且维瓦尔第单元对称分布，可以获得均匀的全向水平极化，扩大了有效覆盖范围。
附图说明
图1是本发明天线的结构示意图；
图2是本发明中的维瓦尔第单元俯视图；
图3是本发明中的威尔金森功分器俯视图；
图4是本发明中的耦合微带馈电线的俯视图；
图5是本发明的回波损耗特性仿真图；
图6是本发明的增益特性仿真图；
图7是本发明工作在2GHz时的水平面和垂直面方向图；
图8是本发明工作在5GHz时的水平面和垂直面方向图；
图9是本发明工作在8GHz时的水平面和垂直面方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图1，本发明的超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线，包括辐射单元1、馈电网络2和介质板3。辐射单元1和馈电网络2分别印制在介质板3的上下面，且辐射单元1、馈电网络2的中心与介质板3的圆心重合。其中，辐射单元1，采用由一个维瓦尔第单元绕圆心旋转而成的十六元连接型维瓦尔第天线阵，旋转角度为22.5度，相邻单元之间相互连接；馈电网络2，采用一分十六的宽带威尔金森功分器和耦合微带馈电线，通过该微带馈电线将电磁能量耦合到辐射单元1；介质板3，采用介电常数为2.55的康泰尼介质板。本实例取但不限于介质板3的损耗正切角为tanδ＝0.0006，半径r为88mm，厚度h为1mm。
参照图2，所述的维瓦尔第单元5，采用指数型渐变槽线的维瓦尔第，其包括渐变槽线4和近圆形槽线6，近圆形槽线6位于渐变槽线4的下方，用于对微带传输线起到阻抗匹配的作用。维瓦尔第单元5的长度为l，宽度为n，指数型渐变槽线4的高度为m，最大孔径宽度为d，近圆形槽线6的周长为q。
本实例取但不限于维瓦尔第单元5的长度l为53mm，宽度n为34mm，指数型渐变槽线4的高度m为42mm，最大孔径宽度d为34mm，近圆形槽线6的周长q取四分之一工作波长，即11.7mm。
参照图3，所述的一分十六的宽带威尔金森功分器，呈圆形结构分布，其半径为R为30mm，馈电点P1位于圆心，输入信号先经过相互垂直的四条馈线进行一分四的功率平均分配，再进行一分四的功率平均分配，最终实现一分十六的功率平均分配，本实例取但不限于R为30mm。
参照图4，所述的耦合微带馈电线，由扇形7、矩形8和梯形9三部分组成，该扇形主要起到终端负载匹配的作用。本实例取但不限于扇形7的半径a为5.54mm，弧度β为88度，矩形8的长度b为7.05mm，宽度c为0.7mm；梯形9的腰高f为17.2mm，上底边长g为0.7mm，下底边长k为2.08mm。
本发明的技术效果可通过以下仿真结果，作进一步说明。
仿真1，利用仿真软件HFSS对上述实施例的回波损耗在1.28GHz～11.51GHz频段范围内进行仿真计算，结果如图5所示。从图5可见，本发明实施例在整个1.28GHz～11.51GHz频段范围内天线的回波损耗均小于-10dB，将最高频率11.51GHz与最低频率1.28GHz的差除以1.28-11.51GHz频段内的中心频率，可得到本发明的相对带宽为159.97％，说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。
仿真2，利用仿真软件HFSS对上述实施例的增益在1GHz～8GHz频段范围内进行仿真计算，结果如图6所示。从图6可见，本发明实施例在整个1GHz～8GHz频段范围内天线的的增益均大于0.5dB，说明本发明在较宽的频带范围内均具有较高的增益。
仿真3，利用仿真软件HFSS对上述实施例水平面方向图和垂直面方向图在2GHz进行仿真计算，结果如图7所示，其中图7(a)为水平面方向图，图7(b)为垂直面方向图。
仿真4，利用仿真软件HFSS对上述实施例水平面方向图和垂直面方向图在5GHz进行仿真计算，结果如图8所示，其中图8(a)为水平面方向图，图8(b)为垂直面方向图。
仿真5，利用仿真软件HFSS对上述实施例水平面方向图和垂直面方向图在8GHz进行仿真计算，结果如图9所示，其中图9(a)为水平面方向图，图9(b)为垂直面方向图。
从图7、图8和图9可见，本发明实施例在整个2GHz～8GHz频段范围内均保持良好的全向水平极化特性。
上述仿真结果说明本发明通过采用连接型的呈圆形结构分布的维瓦尔第天线阵，可以在较宽频带范围内获得全向水平极化的同时实现天线的小型化，是一种超宽带、高增益的水平极化全向阵列天线。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超宽带水平极化全向连接型的维瓦尔第圆形阵列天线，包括辐射单元(1)、馈电网络(2)和介质板(3)，辐射单元(1)和馈电网络(2)分别印制在介质板(3)的上下面，其特征在于：
所述辐射单元(1)，采用由一个维瓦尔第单元绕圆心旋转而成的十六元连接型维瓦尔第天线阵，旋转角度为22.5度；
所述馈电网络(2)，采用一分十六的宽带功分器和耦合馈电微带线；
所述介质板(3)，采用介电常数为2.55，损耗正切角为tanδ＝0.0006，厚度为1mm的康泰尼介质板。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，维瓦尔第单元(5)的长度为53mm，宽度为34mm，渐变槽线的高度为42mm，最大孔径宽度为34mm。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，维瓦尔第单元(5)中设有近圆形槽线(6)，用于对微带传输线起到阻抗匹配的作用。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络(3)的终端为耦合馈电微带线，通过该微带馈电线将电磁能量耦合到辐射单元(1)。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，耦合馈电微带线由扇形(7)、矩形(8)和梯形(9)三部分组成；扇形(7)的半径为5.54mm，弧度为88度，用于匹配终端负载；矩形(8)的长度为7.05mm，宽度为0.7mm；梯形(9)的腰高为17.2mm，上底边长为0.7mm，下底边长为2.08mm。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质板(3)的半径为88mm；所述威尔金森功分器的半径为30mm。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，辐射单元(1)、馈电网络(2)的中心与介质板(3)的圆心重合。
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