CN106848600B - 超宽带水平极化水平全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超宽带水平极化水平全向天线，其包括至少三个双臂一体化天馈单元，该双臂一体化天馈单元包括折合振子单元、平行馈线，该折合振子单元包括成镜像对称的作为上臂与下臂的两个倒U形导体片，该两个倒U形导体片的右边导体末端通过弯折段相连，该两个倒U形导体片的左边导体末端断开，并且分别与两条平行馈线之一连接，该至少三个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转分布，该平行馈线在中心点汇聚，该中心点为馈电点。本发明选用折合振子作为辐射单元，以便组阵并馈后获得高阻抗和宽带宽，增益显著增加，最大辐射方向得到优化，由上仰和下倾变为理想水平，交叉极化比更优，效率明显提升，超宽带宽，简化了馈电网络设计，调试优化更方便。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种无线通信天线设备与技术，特别是涉及超宽带水平极化水平全向天线及其技术。
【背景技术】
全向天线是无线通信领域中的一种重要天线类型。理论上，天线增益计算需要以各向均匀辐射的理想全向天线作为参考。工程上，仅在某个切面如水平面具有均匀辐射的全向天线应用十分广泛，典型场景如车载天线、无线路由器等终端设备。由于终端设备相对于基站发射台的位置和方位是任意的，使用全向天线不仅能保证良好的通信效果，还可以减少设备尺寸与成本。显然，辐射方向图的均匀性(即不圆度)是全向天线的关键指标。除此以外，带宽和极化也是全向天线的重要性能指标。长期以来，人们发明的全向天线多为垂直极化，而水平极化全向天线的设计则困难得多。但是，水平极化全向天线应用需求同样十分强烈和广泛，如与垂直极化全向天线组成正交双极化全向MIMO天线，以提高通信系统的容量。迄今为止，已发明的水平极化水平全向天线几乎都是基于环天线理论，即电小环天线和电大Alford环天线。前者是最早发明的水平极化水平全向天线，它的增益很低、带宽很窄、效率很差；后者是将多个水平半波振子按圆周方式排列，整体尺寸较大、馈电网络设计复杂、不圆度差、增益低、交叉极化比和效率较低,请参考图2。这两种方案都是平面化结构，剖面高度极低。除上述方案外，还可通过对数周期天线组装来实现。第一种方案是：将几支的对数周期天线(LPDA)短端朝上竖直放置，同样排列成一个圆周来实现宽带水平极化水平全向天线。这种方案的高度和直径为数个波长量级，对于尺寸要求严格的场景显然不适用。或者，将几支对数周期天线短端朝内共面排成圆阵。这种方案同样尺寸大、增益低，且不圆度也很差。另外，还有其他一些技术方案，也都存在尺寸大、体积大的缺点。综上所述，高性能宽带水平极化水平全向天线是无线通信中的关键设备和技术瓶颈。在工程应用需求的背景下，它将始终是天线领域中的重要研究课题。
【发明内容】
本发明旨在为无线通信提供一种超宽带、水平辐射、全向性、高增益、高交叉极化比、高效率，以及低剖面、结构简单、低成本、适合批量生产的超宽带水平极化水平全向天线，并为高增益水平极化全向阵列天线、多频水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明提供一种超宽带水平极化水平全向天线，其包括至少三个双臂一体化天馈单元，该双臂一体化天馈单元包括折合振子单元、平行馈线，该折合振子单元包括成倒影镜像对称的作为上臂与下臂的两个倒U形导体片，该两个倒U形导体片的右边导体末端通过弯折段相连，该两个倒U形导体片的左边导体末端断开，并且分别与两条平行馈线之一连接，该至少三个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转分布，该平行馈线在中心点汇聚，该中心点为馈电点。本发明选用折合振子作为辐射单元，以便组阵并馈后获得高阻抗和宽带宽。
优选的，该至少三个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转均匀分布。
优选的，其包括五个所述双臂一体化天馈单元，该五个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转均匀分布。
优选的，该双臂一体化天馈单元还包括至少一对上下对称的倒U形横向开路枝节，该至少一对横向开路枝节设置在垂直于平行馈线方向，以中心馈电点为起点由内往外依次设置，每对横向开路枝节顶端开路、底端短路至平行馈线。
优选的，该双臂一体化天馈单元包括四对上下对称的所述倒U形横向开路枝节，前面三对横向开路枝节从内往外长度依次增加，第四对横向开路枝节的长度较第三对横向开路枝节短。优选的，各对横向开路枝节的左边缘分别距中心馈点为：Ds1＝(0.05～0.10)·λc、Ds2＝(0.12～0.17)·λc、Ds3＝(0.18～0.23)·λc和Ds4＝(0.25～0.35)·λc，各对横向开路枝节的宽长比取值范围为：0.10～0.30。
优选的，在该至少一对横向开路枝节外侧，顺平行馈线方向对称设置有一对纵向开路枝节，其顶端与平衡馈线连接，底端开路。
优选的，在开路枝节间的平行馈线段设有加宽段。
优选的，该倒U形导体片的左边导体线宽大于右边导体线宽，两长边线宽不相等以获得更大带宽，优选的，该倒U形导体片的左边导体与右边导体的间距小于长度。
优选的，在天线上臂与下臂之间设置有介质基层，该介质基层采用介电常数和损耗角分别为εr和tanδ的介质基材，其厚度为两条平行导馈线的间距D，可选用包括空气在内的各种常用介质材料，即介电常数εr≥1.0，形状可为正多边形或圆形。
优选的，该中心馈电点设有同轴馈线，该同轴馈线自下而上穿过该介质基层，其内外导体分别与天线上下两臂相连。优选的，该同轴馈线采用50Ω同轴线。
优选的，该中心馈电点设有上下两个圆形焊盘，其直径均大于平行馈线的线宽。
优选的，该折合振子单元的导体片外形轮廓的形状为长的窄矩形，长度为0.35λc～0.65λc，λc为中心波长，宽长比例为0.05～0.15。
该平行馈线自折合振子左边导体的中间断开处朝内延伸至中心馈点，优选的，该平行馈线的长度L＝(0.125～0.625)·λc，λc为中心波长，馈线间距D和宽度W之比为0.40～2.50。
优选地，所述超宽带水平极化水平全向天线，其一体化天馈系统为金属良导体材料，可采用PCB印制工艺或常规金属加工工艺，如切割、钻削等。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1)设计超宽带折合振子辐射单元，即为窄矩形选择合适的长宽值，且内侧线宽大于外侧线宽；2)设置平行双导线馈线，双导线相互平行且等宽等长，选择合适和间距与线宽；3)加载开路枝节，沿馈线方向由内向外依次设置长度递增的一组横向短路枝节和纵向短路枝节；4)天馈系统一体化后组圆阵，将折合振子和平行馈线合并为一体化天馈单元，然后以平行馈线的起点为圆心旋转复制N次，并将N个单元合并为一个圆阵，构成天线的对称双臂；5)在天线的两臂间设置介质层；6)在圆阵中心馈电，获得了较常规方案显著的性能提升：一、增益显著增加，达到1.22～2.62dBi，改善至少2～3dB；二、最大辐射方向得到优化，由上仰和下倾变为理想水平，水平增益至少提升5～6dB；三、交叉极化比更优，XPD大于25dB，提升了至少10dB；四、效率明显提升(ηA≥90％)，提高了10％以上；五、超宽带宽(0.81-1.09GHz，VSWR≤2.0，BW＝270MHz，28.24％)，比常规方案稍窄；六、简化了馈电网络设计，调试优化更方便。但是，由于尺寸增大到约1·λc，不圆度稍差(<5.65dB)，但可通过增加阵元数来改善。
另外，该发明同样具有平面化、超低剖面的优点，是一种适用于水平极化全向通信的理想天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规Alford环天线的优选方案，而且对于高增益水平极化全向阵列天线、多频水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
【附图说明】
图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图；
图2为现有Alford环天线的几何模型图；
图3为折合振子单元的倒U形导体片的俯视图；
图4为折合振子单元的倒U形导体片的侧视图；
图5为折合振子单元的倒U形导体片倒影镜像对称后的俯视图；
图6为折合振子单元的倒U形导体片倒影镜像对称后的侧视图；
图7为折合振子与平行馈线合并为一体后的模型俯视图；
图8为折合振子与平行馈线合并为一体后的侧视图；
图9为折合振子、平行馈线和开路枝节组成单臂一体化天馈单元的模型图；
图10为单臂一体化天馈单元变成对称双臂一体化天馈单元的模型图；
图11为单臂一体化天馈单元排成单臂五单元天馈圆阵的模型图；
图12为单臂五单元天馈圆阵变成对称双臂五单元天馈圆阵的模型图；
图13为超宽带水平极化水平全向天线的完整几何模型俯视图；
图14为超宽带水平极化水平全向天线的完整几何模型侧视图；
图15为超宽带水平极化水平全向天线的输入阻抗Zin曲线；
图16为超宽带水平极化水平全向天线的反射系数|S11|曲线；
图17为超宽带水平极化水平全向天线的驻波比VSWR曲线；
图18为超宽带水平极化水平全向天线fL＝0.8185GHz频点的2D增益方向图；
图19为超宽带水平极化水平全向天线fC＝0.95GHz频点的2D增益方向图；
图20为超宽带水平极化水平全向天线fH＝1.0876GHz频点的2D增益方向图；
图21为超宽带水平极化水平全向天E面不圆度随频率f变化曲线；
图22为超宽带水平极化水平全向天线各频点的H-面(竖直面)半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性；
图23为超宽带水平极化水平全向天线的的最大增益随频率f变化特性；
图24为超宽带水平极化水平全向天线的的效率ηA随频率f变化曲线；
本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。
【具体实施方式】
下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将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仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。
请参阅图1、3～14，所述超宽带水平极化水平全向天线的设计方法包括如下步骤：
步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；
步骤二，构造折合振子单元：在XOY平面，距坐标原点O右侧R处，顺着+Y轴方向构建一个长的倒U形(半矩形)导体片，其右边导体11末端朝-Z轴方向弯折，然后，以X轴为对称轴，将倒U形旋转+/-180°，再朝-Z轴方向平移距离D，得到它的下镜像，两者通过右边导体11末端的直弯折段13相连，成倒影镜像对称，得到该折合振子单元的上臂和下臂，该倒U形导体片的左边导体12线宽大于右边导体11线宽，左边导体12与右边导体11的间距远小于长度，见图3～6；
步骤三，设置平行馈线：以坐标原点O为起点，朝+X轴方向构建两条宽度为W、长度为L、间隔为D的平行导线21，两终点分别延伸至步骤二的折合振子单元的上下两臂的左边导体12的导体末端14并与末端连接，平衡馈线21的另一端22将连接馈电点，以对天线进行平衡馈电，见图7和图8；
步骤四，设置横纵向开路枝节：在垂直于步骤三的双导线平行馈线21方向，以坐标原点O为起点由内往外依次设置四对上下对称的倒U形横向开路枝节31、32、33、34，每对横向开路枝节顶端开路、底端短路至平行馈线；在第四对倒U形横向开路枝节外侧，顺平行馈线方向对称设置一对纵向开路枝节41，横纵向枝节用于调节天线阻抗，见图9和图10；为了进一步调节阻抗，平行双导线局部进行加宽，加宽段23、24、25、26、27具体设置在各开路枝节间的平行馈线段，见图9和图10；
步骤五，天馈一体并组成圆阵：将步骤二的倒U形导体片、步骤三的平行馈线和步骤四的横纵向开路枝节依次连接，再作镜像对称，并且，折合振子上臂与下臂的右边导体末端的直弯折段13相连，形成双臂一体化天馈单元，然后，将该臂一体化天馈单元以原点O为圆心、绕Z轴旋转复制五次，五个单元组合的上臂和下臂构成天线的上臂单元和下臂单元，如图12所示；
或者也可以这样，将步骤二的倒U形导体片、步骤三的平行馈线和步骤四的横纵向开路枝节依次连接，分别形成上臂的单臂一体化天馈单元51、52、53、54、55，和下臂的单臂一体化天馈单元，然后，分别将该上臂和下臂的单臂一体化天馈单元以原点O为圆心、绕Z轴旋转复制五次，该平行馈线在中心点汇聚，该中心点为馈电点50，请参阅图11所示，最后，将五个单元组合的上臂与下臂的右边导体末端的直弯折段13均分别连接，得到如图12所示；圆阵的上下两层单臂一体化天馈单元的上臂和下臂分别合并后构成天线的上臂单元和下臂单元；
步骤六，设置介质基层：在步骤五的天线上下两臂中间，设置一层介电常数和损耗角分别为εr和tanδ的介质基层6，其厚度等于两平行导线的间距D，以调节阻抗和支撑天线，见图14；
步骤七，中心同轴馈电：在步骤五的天线上下两臂中心，分别作一圆形焊盘，直径均大于平行导线线宽，然后将50Ω同轴电缆自下而上穿过步骤六的介质基层，其内外导体分别与天线上下两臂相连。
所得到的本发明超宽带水平极化水平全向天线，其包括五个绕中心点旋转均匀分布的双臂一体化天馈单元，该双臂一体化天馈单元包括折合振子单元、平行馈线21，该折合振子单元包括成倒影镜像对称的作为上臂与下臂的两个倒U形导体片，该两个倒U形导体片的右边导体11末端通过弯折段13相连，该两个倒U形导体片的左边导体12的导体末端14断开，并且分别与两条平行馈线21之一连接，该平行馈线在中心点汇聚，该中心点为馈电点。
该平行馈线自折合振子左边导体12的中间断开处朝内延伸至中心馈点50，该平行馈线的长度L＝(0.125～0.625)·λc，λc为中心波长，馈线间距D和宽度W之比为0.40～2.50。
该倒U形导体片的左边导体12线宽大于右边导体11线宽，两长边线宽不相等以获得更大带宽，该倒U形导体片的左边导体12与右边导体11的间距小于长度。该折合振子单元的导体片外形轮廓的形状为长的窄矩形，长度为0.35λc～0.65λc，λc为中心波长，宽长比例为0.05～0.15。
该双臂一体化天馈单元还包括四对上下对称的倒U形横向开路枝节31、32、33、34，该横向开路枝节31、32、33、34设置在垂直于平行馈线21方向，以中心馈电点50为起点由内往外依次设置，每对横向开路枝节顶端开路、底端短路至平行馈线。前面三对横向开路枝节31、32、33从内往外长度依次增加，第四对横向开路枝节34的长度较第三对横向开路枝节短。各对横向开路枝节的左边缘分别距中心馈点为：Ds1＝(0.05～0.10)·λc、Ds2＝(0.12～0.17)·λc、Ds3＝(0.18～0.23)·λc和Ds4＝(0.25～0.35)·λc，各对横向开路枝节的宽长比取值范围为：0.10～0.30。
在该四对横向开路枝节31、32、33、34外侧，顺平行馈线方向对称设置有一对纵向开路枝节35，其顶端与平衡馈线连接，底端开路。在开路枝节间的平行馈线段设有加宽段23、24、25、26、27。
在天线上臂与下臂之间设置有介质基层6，该介质基层的介电常数和损耗角分别为εr和tanδ，其厚度为两条平行导馈线的间距D，可选用包括空气在内的各种常用介质材料，即介电常数εr≥1.0，形状可为正多边形或圆形。
该中心馈电点设有同轴馈线，该同轴馈线自下而上穿过该介质基层，其内外导体分别与天线上下两臂相连。优选的，该同轴馈线采用50Ω同轴线。该中心馈电点设有上下两个圆形焊盘，其直径均大于平行馈线的线宽。
所述超宽带水平极化水平全向天线，其一体化天馈系统为金属良导体材料，可采用PCB印制工艺或常规金属加工工艺，如切割、钻削等。
本发明在常规Alford环天线方案的基础上进行了深度创新，将馈电网络设计由微带线加共面带线的方式变成了平形双导线馈电，将辐射单元由常规的半波振子变成折合振子。随后，先优化折合振子的几何参数，再将多个振子水平放置并等间隔排列于同一圆周上。其次，为平衡馈线的双导线设置合理的间距，并在上下馈线的外侧对称地添加一组U形开路枝节。
本发明实现了Alford环天线在GSM 900频段内良好的阻抗匹配(0.81-1.09GHz，VSWR≤2.0，BW＝270MHz，28.24％)、较高的增益(G＝1.2-2.7dBi)、理想的水平辐射方向图和较好的不圆度(<5.65dB)、较高的交叉极化比(XPD≥23dB)和很高的效率(ηA≥90％)，以及简单的馈电设计、较小的直径和超低剖面，是一种适用于水平极化全向通信的理想天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规Alford环天线的优选方案，而且对于高增益水平极化全向阵列天线、多频水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
具体请参阅图15～24所示曲线参数。
图15为超宽带水平极化水平全向天线的输入阻抗Zin曲线，其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是阻抗Zin，单位为Ω；实线表示实部Rin，虚线表示虚部Xin。由图知，在0.81-1.09GHz频带内，实部和虚部变化范围分别为：+28～+48Ω和-15～+34Ω，具有明显的宽带阻抗特性。
图16为超宽带水平极化水平全向天线的反射系数|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，天线实现了超宽带阻抗匹配(0.8208-1.0851GHz,BW＝264.3MHz,27.74％,|S11|≤-10dB)。
图17为超宽带水平极化水平全向天线的驻波比VSWR曲线，其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是VSWR。由图知，天线实现了超宽带阻抗匹配(0.8185-1.0876GHz,BW＝269.1MHz,28.24％，VSWR≤2.0)。
图18为超宽带水平极化水平全向天线fL＝0.8185GHz频点的2D增益方向图，其中，实线表示E-面(水平面)，虚线表示H-面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，增益G＝1.255dBi；E面(水平面)具有较好的不圆度(<0.72dB)，且交叉极化比XPD>30dB。
图19为超宽带水平极化水平全向天线fC＝0.95GHz频点的2D增益方向图，其中，实线表示E-面(水平面)，虚线表示H-面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，增益G＝2.09dBi；E面(水平面)具有较好的不圆度(<3.25dB)，交叉极化比XPD>27dB。
图20为超宽带水平极化水平全向天线fH＝1.0876GHz频点的2D增益方向图，其中，实线表示E-面(水平面)，虚线表示H-面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，增益G＝2.73dBi；E面(水平面)的不圆度稍差(<5.65dB)，交叉极化比XPD>25dB。
图21为超宽带水平极化水平全向天E面不圆度随频率f变化曲线，由图知，整个频带内，E面(水平面)方向图不圆度(全向性或均匀性)为0.72～5.65dB，从低频到高频逐渐变差，说明五单元圆阵的不圆度较好。
图22为超宽带水平极化水平全向天线各频点的H-面(竖直面)半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性，其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是波束宽度，单位是度(deg)。由图知，带内半功率波宽HPBW＝140°～150°，波宽一致性很好。
图23为超宽带水平极化水平全向天线的的最大增益随频率f变化特性，其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是dBi。由图知，带内增益变化范围为G＝1.22～1.62dBi，比常规Alford环天线提高近2倍(0～1dBi)。
图24为超宽带水平极化水平全向天线的的效率ηA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)是效率。由图知，整个带内，天线效率ηA≥90％，比常规Alford环天线高(约80％)。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种超宽带水平极化水平全向天线，其包括至少三个双臂一体化天馈单元，该双臂一体化天馈单元包括折合振子单元、平行馈线，其特征在于，
该平行馈线由两条呈上下设置相重合的馈线组成，该至少三个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转分布，每对一体化天馈单元连接一组平行馈线，至少三组平行馈线在中心点汇聚，该中心点为馈电点；
该折合振子单元包括成镜像对称的作为上臂与下臂的两个倒U形导体片、四对上下对称的倒U形横向开路枝节以及一对纵向开路枝节；
该两个倒U形导体片的右边导体末端通过弯折段相连，该两个倒U形导体片的左边导体末端断开，并且分别与一组平行馈线的两条馈线之一连接；
四对横向开路枝节设置在垂直于平行馈线方向，以中心馈电点为起点由内往外依次设置，横向开路枝节为倒U形枝节，其顶端断开、底端相连、中间开有纵向槽，使每对横向开路枝节顶端开路、底端短路至平行馈线，前面三对横向开路枝节从内往外长度依次增加，第四对横向开路枝节的长度较第三对横向开路枝节短；
一对纵向开路枝节设置在四对横向开路枝节外侧，并顺着平行馈线方向对称设置，纵向开路枝节的底端与平衡馈线连接、其顶端开路；
在开路枝节间的平行馈线段设有加宽段。
2.如权利要求1所述的超宽带水平极化水平全向天线，其特征在于，各对横向开路枝节的左边缘分别距中心馈点的距离为：Ds1＝(0.05～0.10)·λ c 、Ds2＝(0.12～0.17)·λ c 、Ds3＝(0.18 ～0.23)·λ c 和Ds4＝(0.25～0.35)·λ c ，各对横向开路枝节的宽长比取值范围为：0.10～ 0.30。
3.如权利要求1所述的超宽带水平极化水平全向天线，其特征在于，该倒U形导体片的左边导体线宽大于右边导体线宽，左边导体与右边导体的间距小于长度。
4.如权利要求1～3任一项所述的超宽带水平极化水平全向天线，其特征在于，在天线上臂与下臂之间设置有介质基层，该介质基层采用介电常数和损耗角分别为εr和tanδ的介质基材，其厚度为两条平行导馈线的间距D，该中心馈电点设有同轴馈线，该同轴馈线自下而上穿过该介质基层，其内外导体分别与天线上下两臂相连。
5.如权利要求1所述的超宽带水平极化水平全向天线，其特征在于，其包括 五个所述双臂一体化天馈单元，该五个双臂一体化天馈单元绕中心点旋转均匀分布。
6.如权利要求1所述的超宽带水平极化水平全向天线，其特征在于，该折合 振子单元的导体片外形轮廓的形状为长的窄矩形，长度为0.35λ c ～0.65λ c ，λ c 为中心波长， 宽长比例为0.05～0.15，该平行馈线的长度L＝(0.125～0.625)·λ c ，λ c 为中心波长，馈线间 距D和宽度W之比为0.40～2.50。
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