CN107464992A - 超宽带高增益全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带高增益全向天线，其包括至少两节共轴嵌套的辐射管，所述至少两节辐射管包括设置在最下方的倒锥管，以及用嵌套方式设置在该倒锥管上的至少一节辐射管，所述至少两节辐射管竖立设置在阶梯状地板上，并在台阶上设置一组共圆周排列的倒L形金属片。本发明提供了一种超宽带、高增益、波束上仰、上零点填充、大功率、轻小便携、结构简单、经济耐用的单极化全向天线，并为更高增益的H/V双极化超宽带全向天线优化设计提供有效的参考方法，特别适合于无人机地面控制站。

Description

超宽带高增益全向天线

【技术领域】

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种适合野外部署的无人机地面控制站的超宽带、高增益全向天线设备与技术。

【背景技术】

随着航空和电子技术的发展，人类进入了无人机时代。无人机适合执行各类任务，且具有低成本的优势，在军民领域都具有广泛的应用。在国防和警务方面，无人机用于地图测绘、情报侦察、跟踪监视、中继通信、对敌攻击等；民用方面，无人机用于航空拍摄、物流快递和业余爱好等。目前，中国在军民用无人机领域均处于世界领先水平。通常，无人机依靠地面站无线电遥控方式执行各类任务。这种无线链路由地面站和无人机的天线之间建立。地面站一般采用高增益抛物面天线，无人机则使用低增益全向天线。前者频率高、方向性强、波束窄、控制距离远，但是传播路径上不能有障碍物，而且受地球曲率影响，只能视距传播。因此，无人机飞行高度需要尽可能高，而且必须在主瓣波束内，且无法同时控制多架位于不同方位的无人机。另外，抛物面天线需要方位/俯仰面均可自由转动的机构，体积大、成本较高。相比之下，若控制站采用低频高增益全向天线，则可很好地解决上述问题。然而，高增益全向天线常采用振子共轴组阵来实现，其带宽较窄，且最大辐射方向指向水平方向。当然，可通过阵列加权方式实现波束上仰或下倾，但会损失较大的增益，增益下降会导致控制距离变近、无人机滞空时间变短等问题。跟其他天线一样，带宽也是地面站天线的关键指标之一，它决定了可以控制的无人机数量及无人机的数据回传速率。另外，为了使无线链路获得最佳信噪比，地面站天线宜采用多频段设计，利用不同波长电波的传播特性以保持链路的鲁棒性。显然，常规的振子共轴阵列的方案难以满足上述宽频带、多频段的要求，而必须另辟蹊径寻找其他设计方案。单锥天线带宽很宽，全向辐射，波束上仰，但增益偏低。若能设法提高其增益，则不失为一种理想的设计方案。

本发明在常规单锥天线基础上进行深度创新，将杯状倒锥管变成多节同心嵌套的金属圆管，并将地板设计成多级阶梯状圆盘，且尺寸足够大，并在地板台阶上设置一组圆周排列的倒L形金属片。然后，在地板与第一节金属管间隙处用同轴电缆馈电。通过上述措施，天线在0.4～1.2GHz超宽频带(BW＝0.8GHz，100％)、近0.718·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小<-40dB)，增益达到4～8.1dBi，相对带宽达100％；最高增益与等孔径的常规五单元半波振子阵列相当，竖直面(E面)半功率波束宽度25.58～54.75°，且波束上仰25～61°，省去了复杂的功分网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥89％)；水平面(H面)不圆度小于1.34dB。并且，该设计短小便携、承受功率大、结构强度高、经济耐用，是适合无人机地面控制站的优选天线设计。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H/V极化超宽带全向天线优化设计和改进也是适用和有效的。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超宽带、高增益、波束上仰、大功率、轻小便携、结构简单的超宽带高增益全向天线。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

本发明提供一种超宽带高增益全向天线，其包括至少两节共轴嵌套的辐射管，所述至少两节辐射管包括设置在最下方的倒锥管，以及用嵌套方式设置在该倒锥管上的至少一节辐射管，所述至少两节辐射管竖立设置在地板上。

优选的，所述设置在该倒锥管上的至少一节辐射管包括依次设置的第一套管和第二套管，该第一套管从该倒锥管上端插入至该倒锥管内，该第二套管从该第一套管上端插入至该第一套管内。

优选的，该倒锥管由中心圆锥形逐渐过渡为末端的圆柱形，且直径不断增大，该第一套管包括相连接的中空的第一内嵌套管、第一自嵌套管，该第二套管包括相连接的中空的第二内嵌套管、第二自嵌套管，该第一自嵌套管和第二自嵌套管分别包括至少两层相连接的内外嵌套的套管。

优选的，该倒锥管包括自下而上连接的直径依次增大的单锥体第一圆锥段、单锥体第二圆锥段、单锥体圆柱段，单锥体第一圆锥段的底部开设馈电圆孔，并连通单锥体第二圆锥段、单锥体圆柱段直至顶端开口。

优选的，在地板上设有倒L形片。优选的，该倒L形片包括依次连接的直立片、水平片和末端的弯折片。

优选的，该第一内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第一圆柱段、套管圆锥段和套管第二圆柱段，套管第二圆柱段上连接该第一自嵌套管，该第一自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第一内圆柱段、第一中圆柱段、第一外圆柱段，该第一外圆柱段高于所述第一内圆柱段和第一中圆柱段，形成外露的圆柱辐射体，第一外圆柱段向内向下延伸出第一圆柱面内壁，第一圆柱面内壁内形成顶部嵌套空间。

作为较佳实施方式，该第一中圆柱段嵌套在该第一内圆柱段外，该第一外圆柱段嵌套在该第一中圆柱段外，该第一内圆柱段上端与该第一中圆柱段上端连接于上连接面，该第一中圆柱段下端与该第一外圆柱段下端连接于下连接面。

优选的，该第一圆柱面内壁的直径比第一内圆柱段和第一中圆柱段的直径大。

优选的，第二内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第三圆柱段、套管第四圆柱段，该第二自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第二内圆柱段、第二中圆柱段、第二外圆柱段，该第二外圆柱段高于所述第二内圆柱段和第二中圆柱段，形成外露的圆柱辐射体，第二外圆柱段向内向下延伸出第二圆柱面内壁，第二圆柱面内壁内形成顶部嵌套空间。

作为较佳实施方式，第二内圆柱段连接套管第四圆柱段上端并比套管第四圆柱段直径更大，该第二中圆柱段嵌套在该第二内圆柱段外，该第二外圆柱段嵌套在该第二中圆柱段外，该第二内圆柱段上端与该第二中圆柱段上端连接于上连接面，该第二中圆柱段下端与该第二外圆柱段下端连接于下连接面。

优选的，该第二圆柱面内壁的直径比第二内圆柱段的直径大。

优选的，该倒锥管直径取值范围为0.03·λ_l～0.20·λ_l，总体高度H₁取值范围0.15·λ_l～0.25·λ_l，其中λ_l为最低频率波长，高度与管径比值取值范围为2～3；壁厚大于0而小于倒锥管顶端单锥体圆柱段半径。

优选的，该地板为圆形阶梯状地板，该倒锥管置于地板中心上方，在地板底部设有介质板，在介质板和地板上设有相通的馈电中心孔，该地板包括自下而上连贯设置的底板、垫板、锥体板，底板尺寸比垫板和锥体板大，该锥体板顶部平直、边缘为斜面。优选的，该垫板上端和锥体板下端大小一致。

优选的，该超宽带高增益全向天线采用同轴电缆馈电，电缆外导体穿过该阶梯状地板馈电中心孔与该阶梯状地板顶部中心相连，电缆内导体延伸至倒锥管底部的馈电圆孔，并与倒锥管底部连接。

优选的，该超宽带高增益全向天线采用同轴电缆馈电，电缆外导体穿过该阶梯状地板馈电中心孔与该阶梯状地板顶部中心相连，电缆内导体延伸至倒锥管底部的馈电圆孔，并与倒锥管底部连接。

优选的，该倒L形片为金属片，优选的，在地板上设有多个所述倒L形片，该多个倒L形片在地板斜面位置按圆周排列设置。

优选的，该倒L形片的高度Hs取值范围为0.05·λ_l～0.15·λ_{l l}，末端弯折角度为90°～180°。

优选的，该地板直径和高度分别为D_g、H_g，优选的，该介质板与地板等直径。

优选的，在地板的馈电中心孔上方设有馈电金属环和介质环，优选的，该倒锥管、第一套管、第二套管、地板、倒L形片圆阵、馈电金属环和介质环、同轴电缆均共轴同心排列，同轴电缆馈线依次朝上穿过馈电中心孔、馈电金属环和介质环后至倒锥管底部，馈线的外导体与馈电金属环连接，内导体则与倒锥管底部的馈电圆孔相连。

优选的，该介质板和介质环采用PTFE、PE、ABS、PC、陶瓷等介质材料；馈电同轴电缆采用SMA、BNC、TNC、N型等连接头。优选地，所述超宽带高增益全向天线的各导电部件为纯铜、铜合金或铝等常见金属材料制作。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种超宽带、高增益(G≥4dBi)、波束上仰、上零点填充、大功率、轻小便携、结构简单、经济耐用的单极化全向天线，并为更高增益的H/V双极化超宽带全向天线优化设计提供有效的参考方法，特别可应用于为无人机地面控制站。

本发明在保留金属管偶极子超宽带、大功率容量优点的同时，克服了其与50Ω阻抗不匹配、增益低的缺点，独特地采用以下设计方法：1)、馈电金属锥管长度与管径之比较大(≈2.525)，以实现超宽带宽；管子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；2)、金属锥管内套另一同心金属圆管。管子起始段外形从圆柱、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；3)、馈电电缆从套管底端圆孔深入管子内部，直达倒锥管中心馈电圆孔，电缆与圆管同心，从而保证了方向图的理想全向性；4)、阶梯地板，及加载的倒L形片圆阵，进一步提高增益，使天线在0.4～1.2GHz超宽频带(BW＝0.8GHz，100％)、近0.718·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小<-40dB)，增益达到4～8.1dBi，相对带宽达100％；最高增益与等孔径的常规五单元半波振子阵列相当，竖直面(E面)半功率波束宽度25.58～54.75°，且波束上仰25～61°，省去了复杂的功分网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥89％)；水平面(H面)不圆度小于1.34dB。而且，该设计短小便携、承受功率大、结构强度高、经济耐用，是适合无人机地面控制站的优选天线设计。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H/V极化超宽带全向天线优化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为超宽带高增益全向天线的第一金属锥管几何模型10的正视图。

图3为超宽带高增益全向天线的第一金属锥管几何模型10的俯视图。

图4为超宽带高增益全向天线的第一金属锥管几何模型10的侧视图。

图5为超宽带高增益全向天线的第一自嵌套管几何模型20的正视图。

图6为超宽带高增益全向天线的第一自嵌套管几何模型20的侧视图。

图7为超宽带高增益全向天线的第二自嵌套管几何模型40的正视图。

图8为超宽带高增益全向天线的第二自嵌套管几何模型40的侧视图。

图9为超宽带高增益全向天线的阶梯状圆地板几何模型50的正视图。

图10为超宽带高增益全向天线的阶梯状圆地板与倒L形片几何模型50、60的侧视图。

图11为超宽带高增益全向天线的阶梯状圆地板与倒L形片几何模型50、60的俯视图。

图12为超宽带高增益全向天线的完整几何模型的正视图。

图13为超宽带高增益全向天线的完整几何模型的侧视图。

图14为超宽带高增益全向天线的馈电局部放大图。

图15为超宽带高增益全向天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线。

图16为超宽带高增益全向天线的反射系数|S₁₁|曲线。

图17为超宽带高增益全向天线的驻波比VSWR。

图18为超宽带高增益全向天线在f₁＝0.4GHz的2D方向图。

图19为超宽带高增益全向天线在f₂＝0.6GHz的2D方向图。

图20为超宽带高增益全向天线在f₃＝0.8GHz的2D方向图。

图21为超宽带高增益全向天线在f₃＝1.0GHz的2D方向图。

图22为超宽带高增益全向天线在f₃＝1.2GHz的2D方向图。

图23为超宽带高增益全向天线的实增益G随频率f变化曲线。

图24为超宽带高增益全向天线的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。

图25为超宽带高增益全向天线的E面最大增益指向Theta角随频率f变化曲线。

图26为超宽带高增益全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。

图27为超宽带高增益全向天线的效率η_A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】

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

这里，将着重于超宽带和高增益两大特点来论述本发明，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仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

所述超宽带高增益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，构造倒锥管10：在直角坐标系下，构造一个自下而上由单锥体第一圆锥段12、单锥体第二圆锥段14逐级过渡到单锥体圆柱段15，直径依次增大的金属倒锥管，是为倒锥管10；倒锥管外壁总长度L_l近0.25·λ_l(λ_l为最低频率波长)，壁厚大于0而小于倒锥管顶端单锥体圆柱段半径(R₁≈0.07·λ_l，高度H₁≈0.175·λ_l)，单锥体第一圆锥段12底部开设馈电圆孔11，单锥体第二圆锥段14下端与单锥体第一圆锥段12连接面为图中13，见图2、3、4；

步骤三，构造第一套管20：在步骤二的倒锥管10内壁底部，沿轴线方向套入一个外轮廓与倒锥管10近似的赋形金属套管，是为第一套管20；该第一套管20包括相连接的第一内嵌套管、第一自嵌套管；第一内嵌套管自下而上分别为套管第一圆柱段21、套管圆锥段23和套管第二圆柱段24，直径依次增大；套管第二圆柱段24上再接第一自嵌套管，该第一自嵌套管起始于第一内圆柱段26，向上延伸后连续弯折四次形成自嵌套部分，包括套在所述第一内圆柱段26的外周的第一中圆柱段28、第一外圆柱段30，是由该第一内圆柱段26上端向外弯折出上连接面27，上连接面27再向下弯折形成第一中圆柱段28，该第一中圆柱段28下端弯折出下连接面29，下连接面29再向上弯折形成第一外圆柱段30，该第一外圆柱段30再朝上延伸一段距离高于所述第一内圆柱段26和第一中圆柱段28，形成外露的圆柱辐射体，圆柱辐射体外壁末端先朝内弯折，然后朝下弯折后断开，在顶部形成一个无底的第一圆柱面内壁32，该第一外圆柱段30与第一圆柱面内壁32顶端以顶端连接面31连接一体，第一圆柱面内壁32内形成顶部嵌套空间，第一圆柱面内壁32的直径比第一内圆柱段26和第一中圆柱段28的直径大，套管第一圆柱段21与套管圆锥段23连接面为图中22，套管第二圆柱段24与第一自嵌套管连接面为图中25，见图5、6；

步骤四，附加第二套管40：在步骤三的第一套管20上下端之间，构造另一共轴嵌套体，是为第二套管40。该第二套管40包括第二内嵌套管、第二自嵌套管；第二内嵌套管包括起始的套管第三圆柱段42，其顶端连接直径较大的套管第四圆柱段43，该第二自嵌套管起始于第二内圆柱段44，第二内圆柱段44连接套管第四圆柱段43上端并比套管第四圆柱段43直径更大，第二内圆柱段44向上延伸后连续弯折四次形成自嵌套部分，包括套在所述第二内圆柱段44的外周的第二中圆柱段46、第二外圆柱段48，是由该第二内圆柱段44上端向外弯折出上连接面45，上连接面45再向下弯折形成第二中圆柱段46，该第二中圆柱段46下端弯折出下连接面47，下连接面47再向上弯折形成第二外圆柱段48，该第二外圆柱段48再朝上延伸一段距离高于所述第二内圆柱段44和第二中圆柱段46，形成外露的圆柱辐射体，圆柱辐射体外壁末端先朝内弯折，然后朝下弯折后断开，在顶部形成一个无底的第二圆柱面内壁490，该第二外圆柱段48与第二圆柱面内壁490顶端以顶端连接面49连接一体，第二圆柱面内壁490内形成顶部嵌套空间，第二圆柱面内壁490的直径比第二内圆柱段44的直径大，图中41为第二套管底端，见图7、8；

步骤五，设置圆形阶梯地板50：在步骤二的倒锥管底部中心正下方，设置一块直径和高度分别为D_g、H_g的为圆形阶梯状的地板50，自下而上连贯设置包括底板51、垫板52、锥体板53，底板51比垫板52和锥体板53更大，朝外水平展开，垫板52上端和锥体板53下端大小一致，该锥体板53顶部平直、边缘为斜面54，呈锥体形，见图9；

步骤六，设置倒L形片60：在步骤五的阶梯地板斜面靠近底端位置，设置一组按圆周排列的倒L形片60；倒L形片包括依次连接的直立片61、水平片62和末端的弯折片63，见图10、11、12；

步骤七，设置介质板70：在步骤五的地板50底部，设置一块与地板50等直径的介质板70，使地板平整以方便安装，见图12、13、14；

步骤八，底部中心馈电：分别在介质板70和地板50中心开一孔径为D_o的相通的馈电中心孔56，并在地板的馈电中心孔56上方依次放置孔径分别为D_o、D_i的金属环90和介质环100各一个。然后，将一根50Ω同轴电缆自介质板馈电中心孔朝上，依次穿过阶梯地板馈电中心孔56、金属环90和介质环100内孔；外导体在金属环90处断开并与之焊接，内导体继续穿过介质环100后，穿入至步骤二的倒锥管10的单锥体第一圆锥段12底部的馈电圆孔11，与单锥体第一圆锥段12底部焊接，见图14；

步骤九，将所述第二套管40、第一套管20、第一单锥体10依次套接：将第一套管20的第一内嵌套管从上方插入该第一单锥体10内，将第二套管40的第二内嵌套管的所述套管第三圆柱段42和部分套管第四圆柱段43从上经由第一圆柱面内壁32形成的顶部嵌套空间插入第一套管20内，该请参考图12和图13。

经由上述方法创建的超宽带高增益全向天线，如下所述。

本发明超宽带高增益全向天线包括至少两节共轴嵌套的辐射管，所述至少两节辐射管包括设置在最下方的倒锥管10，以及用嵌套方式设置在该倒锥管上的至少一节辐射管，所述至少两节辐射管竖立设置在地板上。

图1～14的实施例中，在倒锥管10上设置了两个共轴嵌套的套管，分别为依次设置的第一套管20和第二套管40，该第一套管20从该倒锥管10上端插入至该倒锥管10内，该第二套管40从该第一套管20上端插入至该第一套管20内。

该倒锥管10由中心圆锥形逐渐过渡为末端的圆柱形，且直径不断增大，该倒锥管10包括自下而上连接的直径依次增大的单锥体第一圆锥段12、单锥体第二圆锥段14、单锥体圆柱段15，单锥体第一圆锥段12底部设有馈电圆孔11，并连通单锥体第二圆锥段14、单锥体圆柱段15直至顶端开口。

该倒锥管10直径取值范围为0.03·λ_l～0.20·λ_l，总体高度H₁取值范围0.15·λ_l～0.25·λ_l，其中λ_l为最低频率波长，高度与管径比值取值范围为2～3；壁厚大于0而小于倒锥管顶端单锥体圆柱段半径。

该第一套管20包括相连接的中空的第一内嵌套管、第一自嵌套管，该第一内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第一圆柱段21、套管圆锥段23和套管第二圆柱段24，套管第二圆柱段24上连接该第一自嵌套管，该第一自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第一内圆柱段26、第一中圆柱段28、第一外圆柱段30，该第一外圆柱段30高于所述第一内圆柱段26和第一中圆柱段28，形成外露的圆柱辐射体，第一外圆柱段30向内向下延伸出第一圆柱面内壁32，第一圆柱面内壁32内形成顶部嵌套空间。

该第一中圆柱段28嵌套在该第一内圆柱段26外，该第一外圆柱段30嵌套在该第一中圆柱段28外，该第一内圆柱段26上端与该第一中圆柱段28上端连接于上连接面27，该第一中圆柱段28下端与该第一外圆柱段30下端连接于下连接面29。该第一圆柱面内壁32的直径比第一内圆柱段26和第一中圆柱段28的直径大。

该第二套管40包括相连接的中空的第二内嵌套管、第二自嵌套管，第二内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第三圆柱段42、套管第四圆柱段43，该第二自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第二内圆柱段44、第二中圆柱段46、第二外圆柱段48，该第二外圆柱段48高于所述第二内圆柱段44和第二中圆柱段46，形成外露的圆柱辐射体，第二外圆柱段48向内向下延伸出第二圆柱面内壁490，第二圆柱面内壁490内形成顶部嵌套空间。

第二内圆柱段44连接套管第四圆柱段43上端并比套管第四圆柱段43直径更大，该第二中圆柱段46嵌套在该第二内圆柱段44外，该第二外圆柱段48嵌套在该第二中圆柱段46外，该第二内圆柱段44上端与该第二中圆柱段46上端连接于上连接面45，该第二中圆柱段46下端与该第二外圆柱段48下端连接于下连接面47。该第二圆柱面内壁490的直径比第二内圆柱段44的直径大。

该地板50为圆形阶梯状地板，该倒锥管置于地板中心上方，在地板50底部设有介质板70，在介质板70和地板50上设有相通的馈电中心孔56，该地板包括自下而上连贯设置的底板51、垫板52、锥体板53，底板51尺寸比垫板52和锥体板53大，垫板52上端和锥体板53下端大小一致，该锥体板53顶部平直、边缘为斜面54。该地板直径和高度分别为D_g、H_g，该介质板70与地板50等直径。

在地板斜面位置按圆周排列设置有多个倒L形片，每个倒L形片包括依次连接的直立片61、水平片62和末端的弯折片63，倒L形片的高度Hs取值范围为0.05·λ_l～0.15·λ_l，末端弯折角度为90°～180°。

在地板50的馈电中心孔56上方设有馈电金属环90和介质环100，该倒锥管、第一套管、第二套管、地板、倒L形片60圆阵、馈电金属环90和介质环100、同轴电缆均共轴同心排列，同轴电缆馈线依次朝上穿过各馈电中心孔56、馈电金属环90和介质环100后至倒锥管10底部，馈线的外导体与馈电金属环90连接，内导体则与倒锥管10底部相连。

一般的，该介质板和介质环采用PTFE、PE、ABS、PC、陶瓷等介质材料；馈电同轴电缆采用SMA、BNC、TNC、N型等连接头。所述超宽带高增益全向天线的各导电部件为纯铜、铜合金或铝等常见金属材料制作。

作为可替换实施例，也可以在倒锥管上只设置一个嵌套的套管，或在倒锥管上设置三个或以上嵌套的套管。

本发明在常规单锥天线基础上进行深度创新，将杯状倒锥管变成多节同心嵌套的金属圆管，并将地板设计成多级阶梯状，且尺寸足够大，并在地板台阶上设置一组圆周排列的倒L形金属薄片。然后，在地板与第一节金属管间隙处用同轴电缆馈电。通过上述措施，天线在0.4～1.2GHz超宽频带(BW＝0.8GHz，100％)、近0.718·λ_l电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小<-40dB)，增益达到4～8.1dBi，相对带宽达100％；最高增益与等孔径的常规五单元半波振子阵列相当，竖直面(E面)半功率波束宽度25.58～54.75°，且波束上仰25～61°，省去了复杂的功分网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥89％)；水平面(H面)不圆度小于1.34dB。并且，该设计短小便携、承受功率大、结构强度高、经济耐用，是适合无人机地面控制站的优选天线设计。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H/V极化超宽带全向天线优化设计和改进也是适用和有效的。

具体参数请参阅图15～27，如下所述。

图15为超宽带高增益全向天线的输入阻抗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16为超宽带高增益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，在整个0.4-1.2G频段实现了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB，带宽超过100％；最佳匹配|S₁₁|≤-40dB@0.96GHz)。

图17为超宽带高增益全向天线的驻波比VSWR。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0.4-1.2G频段实现了良好的阻抗匹配(VSWR≤2.0，带宽超过100％；最佳匹配VSWR|≤1.03@0.96GHz)。

图18为超宽带高增益全向天线在f₁＝0.4GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝48°，Phi平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.3dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝51°。

图19为超宽带高增益全向天线在f₂＝0.6GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝56°，Phi平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.0dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝36.58°。

图20为超宽带高增益全向天线在f₃＝0.8GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝30°，Phi平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝7.35dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝30.06°。

图21为超宽带高增益全向天线在f₃＝1.0GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝36°，Phi平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝6.16dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝27.63°。

图22为超宽带高增益全向天线在f₃＝1.2GHz的2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝65°，Phi平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.08dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝54.75°。

图23为超宽带高增益全向天线的实增益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。整个超宽频带内(0.4～1.2GHz)，增益为G＝4～8.1dBi，与低增益与两单元半波振子阵列相当(约5.0dBi)，高增益则与五单元相当。

图24为超宽带高增益全向天线的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。由图知，整个超宽频带内(0.4～1.2GHz)，E面半功率波束宽度范围：HPBW＝25.58°～54.75°。

图25为超宽带高增益全向天线的E面最大增益指向Theta角随频率f变化曲线。由图知，整个超宽频带内(0.4～1.2GHz)，E面最大增益指向Theta角范围为：Theta＝29°～65°，波束上仰角度为25°～61°。

图26为超宽带高增益全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。由图知，整个超宽频带内(0.4～1.2GHz)，H面(Theta＝30^°)的不圆度小于1.34dBi(0.4～1.2GHz)，方位面辐射均匀性很好。

图27为超宽带高增益全向天线的效率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89～99.9％，效率非常高。

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 (10)

1.一种超宽带高增益全向天线，其特征在于，其包括至少两节共轴嵌套的辐射管，所述至少两节辐射管包括设置在最下方的倒锥管，以及用嵌套方式设置在该倒锥管上的至少一节辐射管，所述至少两节辐射管竖立设置在地板上。

2.如权利要求1所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，所述设置在该倒锥管上的至少一节辐射管包括依次设置的第一套管和第二套管，该第一套管从该倒锥管上端插入至该倒锥管内，该第二套管从该第一套管上端插入至该第一套管内。

3.如权利要求2所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该倒锥管由中心圆锥形逐渐过渡为末端的圆柱形，且直径不断增大，该第一套管包括相连接的中空的第一内嵌套管、第一自嵌套管，该第二套管包括相连接的中空的第二内嵌套管、第二自嵌套管，该第一自嵌套管和第二自嵌套管分别包括至少两层相连接的内外嵌套的套管。

4.如权利要求3所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该倒锥管包括自下而上连接的直径依次增大的单锥体第一圆锥段、单锥体第二圆锥段、单锥体圆柱段，单锥体第一圆锥段的底部设有馈电圆孔，馈电圆孔连通单锥体第二圆锥段、单锥体圆柱段直至顶端开口。

5.如权利要求4所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，在地板上设有倒L形片，该倒L形片包括依次连接的直立片、水平片和末端的弯折片。

6.如权利要求4或5任一项所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该第一内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第一圆柱段、套管圆锥段和套管第二圆柱段，套管第二圆柱段上连接该第一自嵌套管，该第一自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第一内圆柱段、第一中圆柱段、第一外圆柱段，该第一外圆柱段高于所述第一内圆柱段和第一中圆柱段，形成外露的圆柱辐射体，第一外圆柱段朝内向下延伸出第一圆柱面内壁，第一圆柱面内壁内形成顶部嵌套空间。

7.如权利要求4或5任一项所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，第二内嵌套管包括自下而上连接的直径依次增大的套管第三圆柱段、套管第四圆柱段，该第二自嵌套管包括相连接并且内外嵌套的第二内圆柱段、第二中圆柱段、第二外圆柱段，该第二外圆柱段高于所述第二内圆柱段和第二中圆柱段，形成外露的圆柱辐射体，第二外圆柱段朝内向下延伸出第二圆柱面内壁，第二圆柱面内壁内形成顶部嵌套空间。

8.如权利要求4或5任一项所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该倒锥管直径取值范围为0.03·λ_l～0.20·λ_l，总体高度H₁取值范围0.15·λ_l～0.25·λ_l，其中λ_l为最低频率波长，高度与管径比值取值范围为2～3；壁厚大于0而小于倒锥管顶端单锥体圆柱段半径。

9.如权利要求4或5任一项所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该地板为阶梯状地板，该倒锥管置于地板中心上方，在地板底部设有介质板，在介质板和地板上设有相通的馈电中心孔，该地板包括自下而上连贯设置的底板、垫板、锥体板，底板尺寸比垫板和锥体板大，该锥体板顶部平直、边缘为斜面，该超宽带高增益全向天线采用同轴电缆馈电，电缆外导体穿过该阶梯状地板馈电中心孔与该阶梯状地板顶部中心相连，电缆内导体延伸至倒锥管底部的馈电圆孔，并与倒锥管底部连接。

10.如权利要求9所述的超宽带高增益全向天线，其特征在于，该倒L形片为金属片，在地板上设有多个所述倒L形片，并在地板斜面位置按圆周排列设置，该倒L形片的高度H_s取值范围为0.05·λ_l～0.15·λ_l，末端弯折角度为90°～180°。