CN110556633A

CN110556633A - 一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线

Info

Publication number: CN110556633A
Application number: CN201910680378.3A
Authority: CN
Inventors: 秦凡; 谢佳; 刘毅; 岳鹏; 程文驰; 张海林
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: CN110556633B

Abstract

本发明提出了一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，包括全向传输阵列和功分器两大部分，全向传输阵列与功分器相互垂直且通过金属线连接，全向传输阵列由N片相同的定向传输阵列沿全向传输阵列的中心轴线均匀分布组成圆柱状传输阵列，每个定向传输阵列由8个八目天线单元竖向排列后，再经由一分八组合功分器连接组成。该天线通过装备在固定或移动无线通信设备上，可用于移动通信系统、未来车载导航系统、无人机系统等通信系统中的相互通信，同时具有宽带、高增益、不圆度优良、易加工、成本低、结构简单等优点。

Description

一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，更进一步涉及电磁与微波射频技术领域中的一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线。该天线通过装备在固定或移动无线通信设备上，可用于移动通信系统、未来车载导航系统、无人机系统等通信系统中的相互通信。

技术背景

全向天线在现代移动通信中应用十分广泛，所谓的全向天线是指在一给定的平面内的辐射方向图基本上是无方向性的，而在任一正交平面内则是有方向性的一种天线。因此，全向天线的特别之处在于它的辐射特性，可以在水平方向内实现360°均匀辐射，即向自由空间中的某一平面均匀地分布辐射电磁波能量，在该平面的方向图中数学表示为一个理想圆，这就使得全向天线有很大的应用潜能。近年来，国内外针对全向天线做了许多改进与研究，就目前所取得的成果来看，无论是传统的柱状结构，还是天线阵列结构，高增益全向天线的带宽普遍较窄、不圆度较差且天线结构复杂，不易装配。当前越来越多的系统急需使用不圆度良好的高增益宽带全向天线，而宽带高增益全向天线有一些技术难点有待进一步研究和解决。

杭州电子科技大学在申请的专利文献“一种宽频带水平极化全向天线”(专利申请号2018101719674，公布号CN108539400A)，提供了一种宽频带水平极化全向天线。该天线主要由四片相同的辐射贴片和一片方形功分贴片组合而成，整体呈不规则的梯形组合结构，其工作带宽约为33％，增益约为3.5dBi，不圆度约为2dB。该天线结构简单，馈电方便。但是，该天线仍然存在的不足之处是，首先，由于该全向天线的整体采用不规则梯形结构，在装备过程中易产生形变，造成天线结构和传输性能的不稳定；其次，在通信性能指标方面，此天线很难在保证宽带的条件下同时具有较好的不圆度，使该全向天线不能保证在水平面范围内能量信号的360°均匀传输。

电子科技大学在申请的专利文献“一种紧凑型宽带垂直极化全向天线”(专利申请号201910184195.2，公布号CN109786931A)中公开了一种紧凑型宽带垂直极化全向天线。该天线主要包括：顶层金属辐射片、下层介质板、中间金属柱、若干短路金属柱；提出了地板开缝引入容抗加载的方法，使天线获得新的谐振模式，结合短路金属棒引入感抗加载所得到的谐振模式，构成了双谐振工作，使得天线在一个较宽的范围内获得了良好的全向垂直极化辐射特性。但是，该天线仍然存在的不足之处是，由于其采用单天线形式的紧凑型结构，该天线在将天线尺寸小型化的同时，也降低了天线的辐射增益，使得该发明天线只能使用于短距离通信中，而对于远距离通信系统，或通信信道质量较差的情况下，该全向天线不能保证通信信号的可靠传输。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线。此发明天线工作于C波段时，能够在超过40％的带宽上产生稳定的不圆度良好的高增益全向波束，满足未来无线通信系统对天线性能的需求，保证移动端和固定端之间信号的远距离有效传输。

实现本发明目的的思路是：首先利用传统的宽带八目天线作为本发明全向天线的基本单元，以实现全向天线的宽带特性，其次，考虑将八目单元组成竖向阵列，来压缩垂直方向上的波束能量，实现增益的提高；然后将这几个高增益的定向传输阵列组生圆柱形阵列，使其转化为全向传输阵列，实现全向波束的产生与不圆度的优化；最后，根据实际的设计模型添加合适的功分馈电网络，实现本发明全向天线阵列的一体化。

本发明的单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，包括全向传输阵列和功分器，所述全向传输阵列与功分器垂直设置，且功分器的中心与全向传输阵列的中心轴线相互连接；所述全向传输阵列采用N片相同的定向传输阵列沿全向传输阵列的中心轴线均匀分布组成圆柱状传输阵列，其中N的取值可为2，4，8， 16中的一个数，所述每个定向传输阵列包括8个八目天线单元和一个一分八组合功分器，每个定向传输阵列由8个八目天线单元竖向排列后，再经由一分八组合功分器相互连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明天线的全向传输阵列采用N片相同的定向传输阵列沿全向传输阵列的中心轴线均匀分布组成圆柱状传输阵列结构，克服了现有技术的方形柱状结构导致的不圆度差的问题，使得本发明的天线具有良好的不圆度，提升了全向天线在水平面上的均匀辐射性能。

第二，由于本发明天线的每个定向传输阵列包括8个八目天线单元和一个一分八组合功分器，这种八木单元具有良好的宽带特性，克服了现有技术中的高增益全向天线存在的工作带宽窄的问题，使得本发明的全向天线阵列具有更宽的阻抗匹配带宽，适用范围更广。

第三，由于本发明天线的每个定向传输阵列由8个八目天线单元竖向排列后，再经由一分八组合功分器相互连接，这种串联与并联结合的功分器形式，克服了现有技术的单天线形式的全向天线的增益不足的问题。使得在本发明天线中，当需要更高的天线增益时，可直接在每个定向传输阵列的两端增加新的八木天线单元，简单更改组合功分器结构而不需要占用更多的空间，可以在保证带宽的同时，实现更高的天线增益。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中定向传输阵列天线的结构示意图；

图3是本发明中八目天线单元的结构示意图；

图4是本发明功分器的俯视图；

图5是本发明中八目天线单元的S参数仿真图；

图6是本发明的参数A改变时，产生的全向波束不圆度的仿真图；

图7是本发明全向波束的3D辐射模式的仿真图；

图8是本发明全向波束的2D辐射模式的仿真图；

图9是本发明输入端口反射系数S₁₁的参数仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细详述：

参照图1，对本发明实施例的整体结构作进一步详细详述。

本发明的全向传输阵列1与功分器2垂直设置，且功分器2的中心与全向传输阵列1的中心轴线相互连接。全向传输阵列1采用N片相同的定向传输阵列 11沿全向传输阵列1的中心轴线均匀分布组成圆柱状传输阵列，其中N的取值可为2，4，8，16中的一个数，本发明的实施例中N的取值为8，所诉每个定向传输阵列11与功分器2之间通过一段金属线3连接。

参照图2，每个定向传输阵列11为单层长方形的双面印刷介质板，其大小为A×210mm，其中A为控制全向天线不圆度的可变参数，其取值范围为 43mm-50mm。在本发明的实施例中，当A等于45mm时，本发明的全向天线的不圆度达到最优。介质板的厚度为0.8mm，材料为Rogers 4003，介电常数为3.55。每个定向传输阵列11包括8个八目天线单元111和一分八组合功分器112，8个八目天线单元111竖向排列后，再经由一分八组合功分器112相互连接，每个定向传输阵列的输入端口为113。一分八组合功分器112为不等分功分器，由串联功分和并联功分器组合而成，其输出功率从里向外依次降低，从左至右，当输入功率为1时，输出功率依次为1/16、1/16、1/8、1/4、1/4、1/8、1/16、1/16，这种串联与并联结合的功分器形式，克服了现有技术的单天线形式的全向天线的增益不足的问题。使得在本发明天线中，当需要更高的天线增益时，可直接在每个定向传输阵列11的两端增加新的八木天线单元，简单更改一分八组合功分器112 的结构而不需要占用更多的空间，可以在保证带宽的同时，实现更高的天线增益。

参照图3，八目天线单元111为中心频率为5.8GHz的长方形微带贴片天线，采用介电常数为3.55的Rogers 4003C介质板，介质板1111厚度为0.8mm，大小为25mm×45mm，介质板1111上表面附着了微带金属馈线1113，主要由一段竖向馈线和一段直角馈线组成，其中竖向馈线为矩形，直角馈线则由三段宽和长不同的矩形馈线组合而成。介质板1111的下表面附着了金属层1112，主要由直角响应馈线和矩形金属接地面组成，下表面直角响应馈线与上表面直角馈线对齐，尺寸相同，但是直角偏转的方向相反，具有平衡天线单元的辐射方向图的作用，下表面矩形金属接地面与直角馈线相连，大小为25mm×25mm。

参照图4，功分器2为一分M等功率等相位的分配器，其中M的取值与N 的数值对应相等，本发明的实例中M＝N＝8，功分器2使用的材料为Rogers4003C，与定向传输阵列11所使用的介质板材料相同且具有相同的介质板厚度，使得定向传输阵列11与功分器2具有相同的微带匹配线宽，易于两者的连接且可降低连接损耗。由于功分器2的输出24与定向传输阵列11的输入113通过一段穿过介质板21的铜线3连接，在一分八功分网络22的八个输出微带线端，金属接地板23与之对齐的地方留出了半径为2mm左右的圆面(圆内不附金属层，将介质板21裸露出来)，以防止铜线3穿过时，与接地板23相连，造成电流短路。

综上所述，在本发明单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线中

本发明实施例中M＝N＝8，激励信号从功分器2的输入端口馈入，经过一分 M等功率功分器2的输出端口24，以1/8的功率，通过金属线3，穿过功分器介质板21，传入定向传输阵列11的输入端口113，再经过一分八组合功分器112，从中间到两边，以逐渐减小的功率分别馈入到8个八目天线单元111中。定向传输阵列11的竖向排列的方式，使得8个八目天线单元11的增益相互叠加，纵向压缩了天线的辐射方向图，每片定向传输阵列11都产生一个在水平面上角度宽，垂直面上角度窄的定向波束，8片定向传输阵列11组成圆柱形的全向传输阵列1，它们的辐射方向图相互影响，副瓣结合，这就得到一个水平方向上均匀辐射的全向波束。

以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明。

1.仿真条件：

本发明利用商业仿真软件HFSS_15.0和CST微波工作室，对本发明进行自由空间条件下的模拟天线性能仿真。

2.仿真内容与结果分析：

本发明的仿真实验有三个：

仿真实验1

当八目天线单元的中心频率为5.8GHz时，对八目天线单元的端口匹配性能参数进行模拟仿真，生成的S参数仿真结果如图5所示。图5中的横坐标表示频率，纵坐标表示八目天线单元的端口反射系数S₁₁。图5中的黑色曲线表示端口反射系数S₁₁随频率从5GHz到8GHz的变化曲线。由图5可见，在频率5.35GHz ～7.65GHz范围内，八目天线单元的端口反射系数S₁₁低于-10dB，以中心频率 5.8GHz为标准，计算阻抗匹配带宽等于频带宽度(7.65-5.35)GHz与中心频率 5.8GHz的百分化比值，得到八目天线单元的-10dB阻抗匹配带宽约为40％，表明本发明的八目天线的单元具有良好的宽带特性。

仿真实验2

全向传输阵列的其他参数不变，当定向传输阵列的宽A的数值从43mm-55mm范围内变化时，对本发明的实施例产生的全向波束的增益和不圆度进行优化仿真。由于增益可以依靠增加天线单元数量来提升，因此仿真实验2 主要考虑A对全向波束不圆度的影响，得到的仿真结果如图6所示。图6表示本发明的实施例中，当A的取值分别为43mm、45mm、50mm、55mm时，该发明的天线产生的全向波束的归一化2D方向图。

图6中的纵坐标表示全向波束的增益，横坐标表示极坐标的角度Theta。图 6中以长线段虚线标示的曲线，表示本发明天线中A＝43mm时产生的全向波束在水平面内归一化增益随角度变化的曲线。以黑实线标示的曲线，表示本发明天线中A＝45mm时产生的全向波束在水平面内归一化增益随角度变化的曲线。以线段+点组合虚线标示的曲线，表示本发明天线中A＝50mm时产生的全向波束在水平面内归一化增益随角度变化的曲线。以点虚线标示的曲线，表示本发明天线中 A＝55mm时产生的全向波束在水平面内归一化增益随角度变化的曲线。对比以上四条曲线，增益变化的差值越小，即曲线波动的幅度越小，则全向天线的不圆度越好。

由图6可见，当A＝45mm时，本发明的天线产生的全向波束具有最好的不圆度，约为0.9dB，当A＝43mm、50mm、55mm时，不圆度均大于1dB。因此，本发明的仿真实验3选用A＝45mm进行本发明的实施例天线在自由空间条件下的辐射性能仿真。

仿真实验3

当A＝45mm时，在中心频率为5.8GHz时对本发明的实施例天线进行自由空间内的全波模拟仿真，生成的3D波束辐射方向图如图7所示，2D波束辐射方向图如图8所示，S参数仿真结果如图9所示。

图7为本发明天线产生的全向波束的3D辐射方向图的俯视图，图7中灰度的深浅表示在自由空间内全向波束的增益的能量辐射分布，灰度越深则表示全向波束增益的辐射能量越大，由图7可见，本发明天线在中心频率5.8GHz处产生了一个最大增益约为9dBi的全向波束，此全向波束的辐射能量均匀的分布于水平面范围内。

图8为水平和垂直面上的增益的2D辐射方向图，图8中纵坐标表示全向天线的增益，横坐标代表极坐标角度，其中虚线和实线分别代表全向辐射波束在水平和垂直方向的截面曲线，水平面上的方向图呈现较均匀的圆形，表示其全向波束具有较好的不圆度，约为0.9dBi；垂直面上的方向图则呈现两个对称的窄波束，体现全向天线的高增益性能。

图9为本发明天线的实施例的输入端口的反射系数S₁₁的示意图，图9中横坐标表示频率，纵坐标表示本发明天线的输入端口的反射系数S₁₁，图9中曲线表示本发明天线的实施例的输入端口的反射系数S₁₁随频率从4.5GHz到8GHz 变化的曲线，由图可见，该垂直极化全向波束发生装置的-10dBS₁₁匹配带宽范围约为4.5GHz-7.55GHz，在八目天线单元带宽的基础上向低频范围方向有所扩宽，在中心频率5.8GHZ处，计算阻抗匹配带宽等于频带宽度(7.55-4.5)GHz与中心频率5.8GHz的百分化比值，得到-10dB阻抗匹配相对带宽约为52.6％。

以上仿真结果说明，本发明可以产生高增益的垂直极化全向波束，产生的全向波束的不圆度优于1dB，-10dB相对带宽约为52.6％，在不影响天线整体结构和工作带宽的条件下，可通过增加纵向单元数量来提高天线增益，与现有全向高增益天线技术相比，灵活性更强，不圆度更好，全向波束在水平面上的能量辐射分布更为均匀。

Claims

1.一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，包括全向传输阵列(1)和功分器(2)，其特征在于，所述全向传输阵列(1)与功分器(2)垂直设置，且功分器(2)的中心与全向传输阵列(1)的中心轴线相互连接；所述全向传输阵列(1)采用N片相同的定向传输阵列(11)沿全向传输阵列(1)的中心轴线均匀分布组成圆柱状传输阵列，其中N的取值可为2，4，8，16中的一个数，所述每个定向传输阵列(11)包括8个八目天线单元(111)和一个一分八组合功分器(112)，每个定向传输阵列(11)由8个八目天线单元(111)竖向排列后，再经由一分八组合功分器(112)相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，其特征在于：所述功分器(2)为一分M的等功率等相位的分配器，其中M的取值与N的数值对应相等，功分器(2)的每个输出端口(24)与每个定向传输阵列(11)的输入端口(113)对齐，通过一段穿过功分器介质板(21)的金属线(3)相互连接。

3.根据权利要求1所述的一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，其特征在于：所述每个定向传输阵列(11)为单层长方形的双面印刷介质板，其大小为A×210mm，其中A为控制全向天线不圆度的可变参数，其取值范围为43mm-50mm，介质板的厚度为0.8mm，材料为Rogers 4003，介电常数为3.55。

4.根据权利要求1所述的一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，其特征在于：所述的每个八目天线单元(111)为中心频率为5.8GHz的长方形微带贴片天线，其大小为A×25mm，介质板的材料与厚度与所述定向传输阵列(11)相同。

5.根据权利要求1所述的一种单元数量可调的宽带垂直极化全向阵列天线，其特征在于：所述的一分八组合功分器(112)为串并联的组合功分器，上四端口与下四端口分别由三个一分二功分器串联后再与一个一分二功分器并联组成，实现一端口与八端口的能量转换。