CN111641026A - 一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，包括一对上下平行设置的金属平板，一对金属平板之间空气填充，位于上部的金属平板的上表面垂直连接有一对辐射阵子臂，位于下部的金属平板的下表面也垂直连接有一对辐射阵子臂，位于下部的金属平板的下表面中心位置处还设置有同轴SMA馈电头。本发明解决了现有技术中存在的传统全向天线阻抗带宽有限，且很难在带内各频点实现良好的水平全向辐射的问题。

Description

一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵
技术领域
本发明属于移动通信，微波全向覆盖技术领域，具体涉及一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵。
背景技术
由于天线在整个通信链路的作用至关重要，随着无线通信系统的快速发展，各式各样的天线被提出以满足更高的要求。就目前的天线使用情况来说，全向天线可以实现在水平方位面的360°覆盖。无论是民用还是军用，全向天线在通信环境中的例子都很多，比如射频识别，广播电视，飞行器等。同时，由于通信环境的复杂多变以及通信要求的提升，对于全向天线也要求了更宽的频带。不仅在带宽范围内实现良好的匹配，更加需要水平全向辐射的稳定性。虽然传统的全向天线发展成熟，但是传统全向天线阻抗带宽有限，且很难在带内各频点实现良好的水平全向辐射。
一种纯金属的超宽带全向二元阵得到了研究，其优点在于超宽带，高效率，带内水平全向辐射稳定，且易于制造，节约成本。其可用于一下几个方面：1.射频识别和无线Wifi覆盖；2.全向雷达；3.蓝牙，无人机等。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，解决了现有技术中存在的传统全向天线阻抗带宽有限，且很难在带内各频点实现良好的水平全向辐射的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，包括一对上下平行设置的金属平板，一对金属平板之间空气填充，位于上部的金属平板的上表面垂直连接有一对辐射阵子臂，位于下部的金属平板的下表面也垂直连接有一对辐射阵子臂，位于下部的金属平板的下表面中心位置处还设置有同轴SMA馈电头。
本发明的特点还在于，
一对所述金属平板之间的间距为0.01-0.08倍的波长。
金属平板的长为50mm，即1/5-1/2波长之间，宽为24mm即为1/12-1/8工作波长。
一对所述辐射阵子臂均对应设置于所在金属平板的边沿位置处，且一对辐射阵子臂相互平行设置。
一对所述金属平板之间通过支撑体连接固定。
本发明的有益效果是，水平全向覆盖且方向性较强，在超宽带频带内实现良好的全向效果。全向天线相比较于高频在低频时具有良好的不圆度，此外，随着频率的增大，天线的最大辐射增益增加。该天线在1.7GHz时获得了最大的有效辐射增益。全向天线在0.8-1.7GHz频带范围内实现了S11<-10dB，获得了超宽带的阻抗带宽。同时，该全向天线在超宽带范围内可以形成有效辐射增益，且水平全向的不圆度在3.6dB以内。在水平方向上该天线性能稳定，符合超宽带全向天线的要求。
附图说明
图1是纯金属超宽带全向天线的结构图；
图2是纯金属短路磁偶极子的结构原型图；
图3是该发明基于短路结构的电偶极子天线；
图4(a)是该纯金属超宽带全向天线的0.8GHz切面的远场辐射方向图；
图4(b)是该纯金属超宽带全向天线的1.2GHz切面的远场辐射方向图；
图4(c)是该纯金属超宽带全向天线的1.7GHz切面的远场辐射方向图；
图5是该纯金属超宽带全向天线的增益随频率的变化曲线图；
图6是该纯金属超宽带全向天线的回波损耗曲线图。
图中，1.辐射阵子臂，2.金属平板，3.同轴SMA馈电头，4.支撑体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，结构如图1所示，包括一对上下平行设置的金属平板2，一对金属平板2之间空气填充，位于上部的金属平板2的上表面垂直连接有一对辐射阵子臂1，位于下部的金属平板2的下表面也垂直连接有一对辐射阵子臂1，位于下部的金属平板2的下表面中心位置处还设置有同轴SMA馈电头3。
一对所述金属平板2之间的间距为0.01-0.08倍的波长。
金属平板2的长为50mm，即1/5-1/2波长之间，宽为24mm即为1/12-1/8工作波长。
一对辐射阵子臂1均对应设置于所在金属平板2的边沿位置处，且一对辐射阵子臂1相互平行设置。
一对金属平板2之间通过支撑体4连接固定。
本发明的原型为四分之一短路磁偶极子如图2所示，该磁偶极子天线以空气填充介质的上下采用完全相同的金属薄片分别作为上表面和接地板，其中一端通过短路电壁进行接地，同时另一端开路。如图2中所示开口部分的多条平行箭头代表电场矢量E分布。根据电磁场的边界条件可以得到等效磁流
Figure BDA0002473724210000041
如图2中的虚箭头M所示，在天线结构的两侧的等效磁流幅度大小相等，方向相反，因此远场辐射能量相互抵消，前面部分的等效磁流构成磁偶极子，形成有效辐射。
在上述短路磁偶极子的基础上，将两个辐射臂连接在开路端，方向相反张开90°如图3所示。此时，原短路结构上下部分的表面传导电流经过金属焊接到阵子臂，形成典型的电基本阵子天线，由原来的开口等效磁流辐射变为电偶极子的辐射效果。此结构可以等效于准平行带线，在四分之一短路结构的上下金属平板间激励起准TEM模式分布，信号在板间传输至开口处连接到一对相反方向的阵子辐射臂，由之前的传输平衡态转变为具有辐射模式的不平衡态。
借鉴短路磁偶极子的辐射原理，由单点同轴馈电空气介质的磁偶极子从而激励垂直极化的电偶极子臂形成水平全向辐射。如图1所示，天线的接地板和上表面完全一致，由一矩形金属薄板构成。在金属板的两端垂直连接辐射电偶极子臂，同轴馈线通过SMA接头在天线结构中心馈送射频信号，探针接触上表面，同轴外导体接触下接地板。该天线通过张开的垂直偶极子臂进行水平全向辐射，具有超宽带，高辐射效率，带内性能稳定以及易于加工生产等优点，解决了宽带范围全向辐射通信的要求。
本发明基于等效原理分析的短路磁偶极子的辐射机理，去掉短路电壁，同时在天线中心单点馈电激励两个相反方向的开路端。将两个辐射臂连接在开路边缘，且方向相反，形成半波对称阵子进行水平全向辐射。该提出的技术发明可以理解为单点同轴馈电的一分二形成两个传播方向相反的空气介质填充的平行双传输线结构，并且开路末端张开90°形成辐射阵子。在水平方位面内实现了全向辐射，且宽带范围内性能稳定。二元阵的引入，增强了全向天线的辐射增益，在后期制作过程中，空气介质填充可以用相应的泡沫结构来代替。
如图4(a)-图4(c)所示分别给出了该设计天线在0.8GHz,1.2GHz,1.7GHz时的E面和H面的切面方向图。由图4(a)-图4(c)可知，该设计天线在工作频带范围内具有良好的全向辐射，在高频区，由于天线相应的电尺寸增大，引入其他的谐振模式，造成天线随着升高工作频率，相应的H-面的不圆度逐渐增大。对照图5所示的增益曲线，在0.8-1.7GHz频带内，天线的辐射增益平缓增加。这是因为在工作频带范围内，高频区对应的天线有效接收面积增大，从而增益升高。天线的回波损耗曲线如图6所示，由如图6可以看出，在0.8-1.7GHz频带范围S11<-10dB，实现了超宽带的工作性能。该宽带特性由两个谐振点(分别在0.9和1.5GHz处)形成，两个谐振点分别由偶极子臂和平行开口金属板所产生。对比图5和图6，可以看出本发明在工作频带内回波损耗和有效辐射增益满足要求。

Claims (5)

1.一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，其特征在于，包括一对上下平行设置的金属平板(2)，一对金属平板(2)之间空气填充，位于上部的金属平板(2)的上表面垂直连接有一对辐射阵子臂(1)，位于下部的金属平板(2)的下表面也垂直连接有一对辐射阵子臂(1)，位于下部的金属平板(2)的下表面中心位置处还设置有同轴SMA馈电头(3)。
2.根据权利要求1所述的一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，其特征在于，一对所述金属平板(2)之间的间距为0.01-0.08倍的波长。
3.根据权利要求1所述的一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，其特征在于，所述金属平板(2)的长为50mm，即1/5-1/2波长之间，宽为24mm即为1/12-1/8工作波长。
4.根据权利要求1所述的一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，其特征在于，一对所述辐射阵子臂(1)均对应设置于所在金属平板(2)的边沿位置处，且一对辐射阵子臂(1)相互平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种纯金属结构的超宽带全向天线二元阵，其特征在于，一对所述金属平板(2)之间通过支撑体(4)连接固定。
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