CN110233358B - 一种高增益全向辐射阵列天线 - Google Patents

一种高增益全向辐射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体涉及的是一种高增益全向辐射阵列天线,包括辐射层(1)、馈电层(2)、供电层(3)、辐射层支撑结构(4)、供电层支撑结构(5)、天线罩(6)；其中辐射层(1)包括第一辐射单元(101)、第二辐射单元(102)、第三辐射单元(103)、第四辐射单元(104)，每个辐射单元均为一个套筒天线，包括主振子上半部分(A)、下半部分(B)，支撑结构(C)，辐射单元底板(D)，同轴接头(E)，套筒(F)。本发明提供的天线采用套筒天线进行组阵，既拓展了天线的阻抗带宽，又保持了单极子天线良好的全向辐射特性，通过组阵实现了高增益特性。采用了螺旋形状的绕线方式，可以极大降低线缆二次辐射对天线阵性能的影响，改善天线方位面上的不圆度。

Description

一种高增益全向辐射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及的是一种高增益全向辐射阵列天线。
背景技术
近年来，随着无线侦察技术的不断深入发展，其在军事上和民用上都在发挥愈加重要的作用。在军事上，利用电子侦察率先发现敌机、敌舰，是能够确保战争取胜的先决条件。在民用上，无线侦察在航空管制、无人机“黑飞”管控和“黑电台”管控等领域也发挥了重要的作用。无线侦察应用最广泛的是以单极子和对称振子为代表的全向天线，但是单极子和对称振子都属于谐振天线，频带宽度窄限制了其应用。随着无线技术地不断进步，频谱资源日益消耗，在频谱空间的竞争也日益加剧，通信密集化程度不断提升，传统的单极子和对称振子全向天线，已经不能够完全满足现代无线侦察在频谱利用率等方面的需求。
为了拓展天线的频带宽度，基于单极子天线改造的套筒天线应运而生。套筒天线能够通过给单极子加上套筒来进行阻抗匹配，能够极大地拓展天线的阻抗带宽，提高频谱利用率和通信系统容量；同时，套筒天线保留了单极子天线良好的辐射性能，可以得到稳定的辐射方向图，套筒天线兼具宽带和全向辐射等优点。
本发明涉及的高增益全向辐射阵列天线，是为现代陆地战场中无线侦察的实际应用而设计的。装载在侦察车上的侦察天线要求其具备能够探测的频带宽度较宽，较好的全向性，高增益，足够的探测距离，方便拆卸及维修等优点。因此，本发明以套筒天线作为单元，设计了一种四元的阵列天线，具备增益高、全向性好的特点，并适用于车载安装及工作环境。
发明内容
本发明目的是提供一种高增益全向辐射阵列天线，这种天线具备可实现频带宽、增益高、全向辐射等特点。
本发明的技术方案是：
一种高增益全向辐射阵列天线，包括辐射层1、馈电层2、供电层3、辐射层支撑结构4、供电层支撑结构5、天线罩6；其中辐射层1包括第一辐射单元101、第二辐射单元102、第三辐射单元103、第四辐射单元104，每个辐射单元均为一个套筒天线，包括主振子上半部分A、下半部分B，支撑结构C，辐射单元底板D，同轴接头E，套筒F，其中，主振子上半部分A为一个手榴弹形状的金属圆柱，主振子下半部分B为一个薄壁金属圆筒，主振子上半部分A的底部和主振子下半部分B的顶部均为一个半径稍大于其相邻部分的圆盘，用于将主振子上下两半部分连接起来，再通过支撑结构C固定在辐射单元底板D上，支撑结构C为三根间隔120度的胶木棒；辐射单元底板D为一块圆板，中心开孔，用于供同轴接头E穿过，主振子下半部分B下端距离辐射单元底板D的高度为h，2mm<h<2.5mm，同轴接头E的内导体通过辐射单元底板D中心的开孔伸出，与主振子下半部分焊接，同时，同轴接头E与馈电层2的电缆连接；套筒F为一个薄壁金属圆筒，固定在辐射单元底板D上，电性能上与辐射单元底板D短接；馈电层2为四根规格相同的等幅稳相电缆，所述电缆呈一个DNA单螺旋的形状，第一根电缆上端连接在第一辐射单元101的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302A上，第二根电缆上端连接在第二辐射单元102的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302B上，第三根电缆上端连接在第三辐射单元103的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302C上，第四根电缆上端连接在第四辐射单元104的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302D上；供电层3位于整个套筒天线的最底端，包括N/SMA接头301、功率分配器302和供电层底板303，N/SMA接头301连接功率分配器302，功率分配器302的四个同轴接头302A、302B、302C、302D分别连接馈电层2的四根等幅稳相电缆，辐射层支撑结构4为九根胶木棒，每层三根，均呈120度等距均匀分布，层与层之间的胶木棒通过螺钉连接，供电层支撑结构5为四根胶木棒，彼此之间间隔90度，固定在供电层底板303上，供电层底板303同时用于固定功率分配器302；天线罩6为一个薄壁玻璃钢圆筒，用于保护天线的内部结构。
其中主振子下半部分B是由铜制造，其余金属部分均采用铝合金材料。电缆螺旋缠绕的直径与辐射单元底板的直径相同，从天线上方向下看，逆时针均匀缠绕720°，每层旋转的角度为240°，以此来减小馈电线缆二次辐射对天线阵性能的影响。
本发明的有益效果为：
本发明提供的天线采用套筒天线进行组阵，既拓展了天线的阻抗带宽，又保持了单极子天线良好的全向辐射特性，通过组阵实现了高增益特性。采用了螺旋形状的绕线方式，可以极大降低线缆二次辐射对天线阵性能的影响，改善天线方位面上的不圆度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图中：1、辐射层，2、馈电层，3、供电层，4、辐射层支撑结构，5、供电层支撑结构，6、天线罩
图2为辐射单元的分段示意图；
图中：101、第一辐射单元，102、第二辐射单元，103、第三辐射单元，104、第四辐射单元
图3是供电层的结构示意图；(a)后视图，(b)右视图
图4是套筒天线的结构示意图；(a)主振子结构示意图，(b)主振子加上套筒后的结构示意图，(c)同轴接头与主振子连接示意图
图5是天线性能的实测结果。(a)天线H面增益(H面为天线的水平方位面)，(b)天线馈电端口的驻波，(c)天线H面增益的不圆度(不圆度为天线H面最大增益和最小增益的差值)
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为本发明的整体结构示意图。图2为图1中阵列天线中各个单元的结构示意图。从图中可以看到，本发明提供的高增益全向天线包括辐射层1、馈电层2、供电层3、辐射层支撑结构4、供电层支撑结构5、天线罩6。其中辐射层1包括第一辐射单元101、第二辐射单元102、第三辐射单元103、第四辐射单元104，每个辐射单元均为一个套筒天线，包括主振子上半部分A、下半部分B，支撑结构C，辐射单元底板D，同轴接头E，套筒F，其中，主振子上半部分A为一个手榴弹形状的金属圆柱，主振子下半部分B为一个薄壁金属圆筒，主振子上半部分A的底部和主振子下半部分B的顶部均为一个半径稍大于其相邻部分的圆盘，用于将主振子上下两半部分连接起来，A、B两个部分通过螺钉连接，再通过支撑结构C固定在辐射单元底板D上，支撑结构C为三根均匀间隔120度的胶木棒，支撑结构既保证了主振子和底板D之间的垂直关系，又保证了主振子下半部分B的底端和底板D之间的高度h；辐射单元底板D为一块圆板，中心开孔，用于供同轴接头E穿过，主振子下半部分B下端距离辐射单元底板D的高度为h(2<h<2.5)，同轴接头E通过辐射单元底板D中心的开孔伸出并与馈电层2的电缆连接；套筒F为一个薄壁金属圆筒，固定在底板D上，电性能上与底板D短接；馈电层2为四根等幅稳相电缆，所述电缆呈一个DNA单螺旋的形状，第一根电缆上端连接在第一辐射单元101的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302A上，第二根电缆上端连接在第二辐射单元102的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302B上，第三根电缆上端连接在第三辐射单元103的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302C上，第四根电缆上端连接在第四辐射单元104的同轴接头E上，下端连接在功率分配器302的同轴接头302D上；供电层3位于整个套筒天线的最底端，包括N/SMA接头301、功率分配器302和供电层底板303，，N/SMA接头301连接功率分配器302，功率分配器302的四个同轴接头302A、302B、302C、302D分别连接馈电层2的四根等幅稳相电缆，辐射层支撑结构4为九根胶木棒，每层三根呈120度等距均匀分布，层与层之间胶木棒通过螺钉连接，供电层支撑结构5为四根胶木棒，彼此之间间隔90度，天线罩6为一个薄壁玻璃钢圆筒，用于保护天线的内部结构。
在本发明所述天线中，辐射单元的主振子和套筒起主要的辐射作用，套筒用于阻抗匹配，与辐射单元底板短接。四根同轴线馈电时，每根同轴线的内导体分别通过同轴接头与每个辐射单元的主振子相连，外导体与底板相连。主振子在实际加工时分为上下A、B两个部分，其内中空，主要目的是减轻重量和方便对同轴线内导体进行焊接，主振子下半部分B的底部开了一个和同轴接头内导体直径一致的通孔，以供同轴接头内导体穿过，然后从B的顶部将烙铁和焊锡伸入，对B的底部和同轴接头内导体进行焊接。主振子A、B部分连接处有一环形结构，其主要目的是为主振子提供支撑结构。其中,主振子下半部分B是由铜制造，其余金属部分均采用铝合金材料。螺旋线缠绕的直径与辐射单元底板的直径相同，以此来减小馈电线缆二次辐射对天线阵性能的影响。
本发明中采用套筒天线作为辐射单元，拓宽了天线的阻抗带宽，确保在目标频率范围内方向图稳定；另外通过螺旋缠绕放置馈电线缆，降低了线缆二次辐射对天线的影响，减小天线方位面上的不圆度。
本实施例中，用本发明的方法设计了高增益全向天线，经实际测试，天线的馈电端口的驻波在590MH～2120MHz频率范围内小于2，这意味着在这一频段内90％的能量实现了有效辐射，相对阻抗带宽达到113％。振子天线在方位面的辐射具有全向性，通常在方位面内的增益大于0dB。但是在组阵过程中，由于馈电线缆导致天线相位的发生变化，可能导致天线相位不再同相，从而使得组阵后的天线单元波束具有指向性，加上线缆的耦合作用，使得方位面增益降低。通过垂直方向组阵，在阵间距小于一个波长的情况下，四元阵可以给天线贡献6dB的增益。最终，在830MHz～1580MHz频率范围内水平面增益大于6dBi。垂直方向组阵，很难彻底解决馈电线缆与天线之间的耦合作用，互耦问题如果不能得到有效地遏制，很可能会使得天线失去其原有的辐射性能，与涉及指标要求相差甚远。因此，本实例中将馈电线缆通过扎带绑定到一起，俯视逆时针缠绕于天线支撑结构外侧，通过对缠绕圈数进行仿真，结合工程实际，最终发现2圈时天线和馈电线缆之间的耦合作用较小，可以达到天线设计指标的要求，最终实现在水平方位面内天线增益的不圆度小于±1dB。

Claims (3)

1.一种高增益全向辐射阵列天线，其特征在于：包括辐射层(1)、馈电层(2)、供电层(3)、辐射层支撑结构(4)、供电层支撑结构(5)、天线罩(6)；其中辐射层(1)包括第一辐射单元(101)、第二辐射单元(102)、第三辐射单元(103)、第四辐射单元(104)，每个辐射单元均为一个套筒天线，包括主振子上半部分(A)、下半部分(B)，支撑结构(C)，辐射单元底板(D)，同轴接头(E)，套筒(F)，其中，主振子上半部分(A)为一个手榴弹形状的金属圆柱，主振子下半部分(B)为一个薄壁金属圆筒，主振子上半部分(A)的底部和主振子下半部分(B)的顶部均为一个半径大于其相邻部分的圆盘，用于将主振子上下两半部分连接起来，再通过支撑结构(C)固定在辐射单元底板(D)上，支撑结构(C)为三根间隔120度的胶木棒；辐射单元底板(D)为一块圆板，中心开孔，用于供同轴接头(E)穿过，主振子下半部分(B)下端距离辐射单元底板(D)的高度为h，2mm<h<2.5mm，同轴接头(E)的内导体通过辐射单元底板(D)中心的开孔伸出，与主振子下半部分焊接，同时，同轴接头(E)与馈电层(2)的电缆连接；套筒(F)为一个薄壁金属圆筒，固定在辐射单元底板(D)上，套设在主振子下半部分，电性能上与辐射单元底板(D)短接；馈电层(2)为四根规格相同的等幅稳相电缆，所述电缆呈一个DNA单螺旋的形状，第一根电缆上端连接在第一辐射单元(101)的同轴接头(E)上，下端连接在功率分配器(302)的同轴接头(302A)上，第二根电缆上端连接在第二辐射单元(102)的同轴接头(E)上，下端连接在功率分配器(302)的同轴接头(302B)上，第三根电缆上端连接在第三辐射单元(103)的同轴接头(E)上，下端连接在功率分配器(302)的同轴接头(302C)上，第四根电缆上端连接在第四辐射单元(104)的同轴接头(E)上，下端连接在功率分配器(302)的同轴接头(302D)上；供电层(3)位于整个套筒天线的最底端，包括N/SMA接头(301)、功率分配器(302)和供电层底板(303)，N/SMA接头(301)连接功率分配器(302)，功率分配器(302)的四个同轴接头(302A)、(302B)、(302C)、(302D)分别连接馈电层(2)的四根等幅稳相电缆，辐射层支撑结构(4)为九根胶木棒，每层三根，均呈120度等距均匀分布，层与层之间的胶木棒通过螺钉连接，供电层支撑结构(5)为四根胶木棒，彼此之间间隔90度，固定在供电层底板(303)上，供电层底板(303)同时用于固定功率分配器(302)；天线罩(6)为一个薄壁玻璃钢圆筒，用于保护天线的内部结构。
2. 一种根据权利要求1 所述高增益全向辐射阵列天线，其特征在于：其中主振子下半部分(B)是由铜制造，其余金属部分均采用铝合金材料。
3. 一种根据权利要求1 所述高增益全向辐射阵列天线，其特征在于：电缆螺旋缠绕的直径与辐射单元底板(D)的直径相同，从天线上方向下看，逆时针均匀缠绕720°，每层旋转的角度为240°，以此来减小馈电线缆二次辐射对天线阵性能的影响。
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