CN112701484A - 具有聚束效果的全向天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有聚束效果的偶极子天线阵作为理论模型，基于理论模型提出两款具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，属于天线技术领域。本发明所述偶极子天线阵相较于单个的偶极子(即未压缩波束)得到了更窄的波束宽度和更高的增益，实现了聚束的目标，为实际天线系统的设计提供了理论指导。本发明所述两款具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，在保持超低剖面的同时得到了显著的聚束效果和增益改善效果，在受限空间和特定场景中可得到很好的应用；同时，设计具有很大的频率灵活性，可以很容易设计出工作在其他频率(如2G、4G等)的天线系统，因而进一步丰富和发展了天线领域的相应理论与工程技术。

Description

具有聚束效果的全向天线系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及具有聚束效果的全向天线系统。
背景技术
根据天线的辐射方向图将天线划分为定向天线和全向天线两大类别。在纷繁复杂的通信场景中，有些要求天线是全向辐射，即天线水平面呈360°均匀辐射并且竖直面上有一定波束宽度。目前全向天线已经广泛应用于点对多通信、移动通信、卫星通信以及空间飞行器等方面。对于全向天线来说，压缩全向天线竖直面上的波束宽度是提高天线增益、增大天线传输距离的重要方法。同时，为了降低通信系统的信噪比，天线设计应该满足天线波束的最大辐射方向对准信号的来波方向，而信号的其它干扰方向与天线的波束零点方向对应，因此也希望在满足辐射特性的要求下，天线的半功率波束宽度尽可能的窄，如体表传感器天线、飞行器天线等。此外在天线的实际安装过程中，为了减小所受风阻力、保证安装位置隐蔽以及降低天线的建设维护成本，低剖面成为了全向天线的关注焦点。
文献“Top-Hat Monopole Antenna for Conical-Beam Radiation”公开了一种顶端加载圆形贴片的单极子天线，该天线的工作频率为10GHz，天线剖面高度为3mm(0.1λ)，所加载的圆形贴片半径约为0.61λ；虽然该天线满足了全向辐射的要求，但是天线的横向电尺寸和剖面高度都比较大，在特定场景下很难适用。
文献“A2.4GHz Planar Printed Antenna with Omni-directionalHorizontally Polarized Pattern for WLAN Applications”设计了一种微带结构的水平极化全向天线，天线的介质基板的上下表面各有一个Z字型的金属辐射贴片，两个Z字型贴片交叉放置且结构完全对称，因此金属斜臂上的电流幅度相同且相位相反，远场贡献为零，而四条直臂上的电流等效于顺时针的环形电流。该天线的全向性较好，但是半功率波束宽度宽达100°，天线增益也较低。
综上所述，在全向天线的设计上，低剖面、窄波束是难以兼顾的；因此，探索一种同时具备低剖面、窄波束且实现相对简单的天线结构具有重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有聚束效果的偶极子天线阵作为理论模型，基于理论模型提出两款具有聚束效果的超低剖面全向天线系统。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种具有聚束效果的偶极子天线阵，包括偶极子和寄生偶极子；
在直角坐标系中，偶极子沿z轴放置，电流沿z轴正方向；在yoz平面上、z>0、y<0的区域中，沿着y轴放置第1寄生偶极子，电流指向y轴正方向；将第1寄生偶极子沿着xoz平面做镜像(电流方向同时镜像)，得到第2寄生偶极子；将第1寄生偶极子和第2寄生偶极子围绕z轴以角度α旋转n次，n为自然数，分别得到第(2q+1)寄生偶极子和第(2q+2)寄生偶极子，0≤q≤n，nα≤360°；将2n+2个寄生偶极子沿着xoy平面做镜像，同时电流方向取反，得到第(2n+2+p)寄生偶极子，0≤p≤2n+2。
一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，包括两个辐射体、两个介质基板、三个短路钉和四个尼龙支撑柱；第一辐射体位于第一介质基板的上表面，第二辐射体位于第二介质基板的下表面；第一介质基板和第二介质基板为尺寸相同、材料相同的圆形介质基板，第一介质基板和第二介质基板之间留有空气间隙；四个尼龙柱位于两层介质基板中间，靠近介质基板的边缘处，起支撑作用；
两个辐射体的结构相同，包括圆形有源贴片和六个工字形寄生单元；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；工字形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，工字形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行，纵向枝节的中间开有贯穿的纵向缝隙；
三个短路钉贯穿介质基板和空气间隙，两端分别连接两个辐射体的圆形有源贴片；三个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
天线系统通过同轴线在圆形有源贴片处馈电。
进一步的，两个介质基板的介电常数为2.2，两个辐射体的间距H＝0.06λg，λg为波导波长。
进一步的，介质基板的半径R2＝0.68λg，圆形有源贴片的半径R1＝0.35λg，短路钉和圆心的距离R3＝0.16λg。
进一步的，工字形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝0.02λg。
进一步的，工字形寄生单元的纵向长度D＝0.24λg，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝57°,其条带宽度w＝0.021λg。
短路钉的直径为d＝0.02λg。
一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，包括辐射体、介质基板、金属地板和五个短路钉；
辐射体位于介质基板的上表面；辐射体包括圆形有源贴片和六个T形寄生单元；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；T形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，T形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行；
金属地板位于介质基板的下表面，圆形有源贴片的半径＜金属地板的半径＜圆形介质基板的半径；
五个短路钉贯穿介质基板，两端分别连接辐射体的圆形有源贴片和金属地板；五个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
天线系统通过同轴线在圆形有源贴片处馈电。
进一步的，介质基板介电常数为2.2，辐射体和金属地板之间的间距H＝0.01λg。
进一步的，介质基板的半径R4＝0.64λg，金属地板半径R2＝0.51λg，有源圆形贴片的半径R1＝0.3λg，短路钉与圆心的距离R3＝0.16λg。
进一步的，T形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝0.01λg。
进一步的，T形寄生单元的纵向长度D＝0.31λg，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝55°,其条带宽度w＝0.012λg。
进一步的，短路钉的直径为d＝0.01λg。
本发明的有益效果是：
本发明所述偶极子天线阵相较于单个的偶极子(即未压缩波束)得到了更窄的波束宽度和更高的增益，实现了聚束的目标，为实际天线系统的设计提供了理论指导。
本发明所述两款具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，在保持超低剖面的同时得到了显著的聚束效果和增益改善效果，在首先空间和特定场景中可得到很好的应用；同时，设计具有很大的频率灵活性，可以很容易设计出工作在其他频率(如2G、4G等)的天线系统，因而进一步丰富和发展了天线领域的相应理论与工程技术。
附图说明
图1为实施例一所述偶极子天线阵的结构示意图；
图2为实施例一所述偶极子天线阵的直角坐标方向图；
图3为实施例二所述天线系统的俯视图；
图4为实施例二所述天线系统的侧视图；
图5为实施例二所述天线系统的远场E面方向图；
图6为实施例三所述天线系统的俯视图；
图7为实施例三所述天线系统的侧视图；
图8为实施例三所述天线系统的远场E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一
本实施例提供一种具有聚束效果的偶极子天线阵，其结构示意图如图1所示，包括偶极子和寄生偶极子；
在直角坐标系中，偶极子1沿z轴放置，为#0馈源偶极子，电流沿z轴正方向，电流幅值大小为I0；在yoz平面上、z>0、y<0的区域中，沿着y轴放置一根#1寄生偶极子2，电流指向y轴正方向，电流幅值大小为I1，I0/I1＝1.2，中心距z轴为d＝0.25λ，距y轴为h＝0.05λ，λ为偶极子天线阵的工作频率对应的波长；将#1寄生偶极子2沿着xoz平面做镜像(电流方向同时镜像)，得到#2寄生偶极子3；将#1寄生偶极子2和#2寄生偶极子3围绕z轴以角度α旋转n次，n为自然数，分别得到第(2q+1)寄生偶极子和第(2q+2)寄生偶极子，0≤q≤n，nα≤360°，本实施例中，n＝0；将#1寄生偶极子2和#2寄生偶极子3沿着xoy平面做镜像，同时电流方向取反，#3寄生偶极子4和#4寄生偶极子5。
上述偶极子天线阵的直角坐标方向图如图2所示，基于无穷小偶极子的远场公式，计算得到偶极子天线阵的远场方向图，E0为中心馈源偶极子1的方向图，Ep为四个寄生偶极子2-5的方向图；E0与Ep的相位相反，因此二者叠加后得到的Et为整个阵列的方向图；Ep可以将E0偏离最大辐射方向上的场抵消，因此相对于E0，Et出现了明显的聚束效果，即波瓣宽度更加窄，能量能更好地辐射到目标方向以及减少非目标方向上的能量。
实施例二
本实施例提供一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其俯视图如图3所示，侧视图如图4所示，包括两个辐射体、两个介质基板、三个短路钉8和四个尼龙支撑柱9；第一辐射体位于第一介质基板的上表面，第二辐射体位于第二介质基板的下表面；第一介质基板41和第二介质基板42为尺寸相同、材料相同的圆形介质基板，第一介质基板和第二介质基板之间留有空气间隙42；四个尼龙柱9位于两层介质基板中间，靠近介质基板的边缘处，起支撑作用；
两个辐射体的结构相同，包括圆形有源贴片6和六个工字形寄生单元7；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；工字形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，工字形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行，纵向枝节的中间开有贯穿的纵向缝隙；
三个短路钉贯穿介质基板和空气间隙，两端分别连接两个辐射体的圆形有源贴片；三个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
天线系统通过同轴线44在圆形有源贴片处馈电。
两个介质基板的介电常数为2.2，两个辐射体的间距H＝12mm(0.06λg，λg为波导波长)。
介质基板的半径R2＝137mm(0.68λg)，圆形有源贴片的半径R1＝70mm(0.35λg)，短路钉和圆心的距离R3＝32mm(0.16λg)。
工字形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝4.2mm(0.02λg)。
工字形寄生单元的纵向长度D＝49mm(0.24λg)，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝57°,其条带宽度w＝4mm(0.021λg)。
短路钉的直径为d＝4.2mm(0.02λg)，该参数对辐射特性影响不大，可以用来微调天线的工作频率，增加设计的灵活性。
本实施例引入的工字形寄生单元在一定程度上减小了天线的横向尺寸，同时实现了关键的聚束作用。
根据圆形贴片天线的腔模法理论，引入中心短路钉可以实现圆形贴片的小型化；在此基础上，为了实现辐射方向图的对称性同时小型化天线尺寸，短路钉的数量为3。
本实施例所述天线系统的工作频率为1GHz，最大辐射方向在水平面，在水平面上半功率波束宽度为66°(未压缩的波束宽度为116°)；增益为2.7dB(未压缩波束前未1.75dB)。
实施例二所述天线系统的远场方向图如图5所示，G0为参考天线(即未添加任何寄生单元)的方向图对应波束宽度116°,增益1.75dB；Gt为本实施例的方向图对应波束宽度66°，增益2.7dB；增益提升了54％，波束宽度压缩了43％。
实施例三
本实施例提供一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其俯视图如图6所示，剖面图如图7所示，包括辐射体、介质基板72、金属地板64和五个短路钉63；
辐射体位于介质基板的上表面；辐射体包括圆形有源贴片61和六个T形寄生单元62；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；T形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，T形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行；
金属地板位于介质基板的下表面，圆形有源贴片的半径＜金属地板的半径＜圆形介质基板的半径；
五个短路钉贯穿介质基板，两端分别连接辐射体的圆形有源贴片和金属地板；五个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
天线系统通过同轴线72在圆形有源贴片处馈电。
介质基板介电常数为2.2，辐射体和金属地板之间的间距H＝2mm(仅为0.01λg)。
介质基板的半径R4＝128mm(0.64λg)，金属地板半径R2＝104mm(0.51λg)，有源圆形贴片的半径R1＝60mm(0.3λg)，短路钉与圆心的距离R3＝32.5mm(0.16λg)。
T形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝2.2mm。
T形寄生单元的纵向长度D＝63mm(0.31)λg，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝55°,其条带宽度w＝2.5mm(0.012λg)。
短路钉的直径为d＝2.2mm(0.01λg)，该参数对辐射特性影响不大，可以用来微调天线的工作频率，增加设计的灵活性。
本实施例中，引入的T形寄生单元在一定程度上减小了天线的横向尺寸，同时实现了关键的聚束作用；引入金属地板后根据几何绕射理论，计算得到天线的最大辐射方向与水平面成45°夹角。
根据圆形贴片天线的腔模法理论，引入中心短路钉可以实现圆形贴片的小型化；在此基础上，为了实现辐射方向图的对称性同时小型化天线尺寸，短路钉的数量为5。
本实施例所述天线系统的工作频率为1GHz，在最大辐射方向上半功率波束宽度为53°(未压缩的波束宽度为126°)；增益为2.8dB(未压缩波束前未1.9dB)。
本实施例所述天线系统的远场方向图如图8所示，G0为参考天线(即未添加任何寄生单元)的方向图对应波束宽度126°,增益1.9dB；Gt为本实施例的方向图对应波束宽度53°，增益2.8dB；增益提升了47％，波束宽度压缩了58％。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有聚束效果的偶极子天线阵，其特征在于，包括偶极子和寄生偶极子；
在直角坐标系中，偶极子沿z轴放置，电流沿z轴正方向；在yoz平面上、z>0、y<0的区域中，沿着y轴放置第1寄生偶极子，电流指向y轴正方向；将第1寄生偶极子沿着xoz平面做镜像，得到第2寄生偶极子；将第1寄生偶极子和第2寄生偶极子围绕z轴以角度α旋转n次，n为自然数，分别得到第(2q+1)寄生偶极子和第(2q+2)寄生偶极子，0≤q≤n，nα≤360°；将2n+2个寄生偶极子沿着xoy平面做镜像，同时电流方向取反，得到第(2n+2+p)寄生偶极子，0≤p≤2n+2。
2.一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，包括两个辐射体、两个介质基板、三个短路钉和四个尼龙支撑柱；第一辐射体位于第一介质基板的上表面，第二辐射体位于第二介质基板的下表面；第一介质基板和第二介质基板为尺寸相同、材料相同的圆形介质基板，第一介质基板和第二介质基板之间留有空气间隙；四个尼龙柱位于两层介质基板中间，靠近介质基板的边缘处，起支撑作用；
两个辐射体的结构相同，包括圆形有源贴片和六个工字形寄生单元；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；工字形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，工字形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行，纵向枝节的中间开有贯穿的纵向缝隙；
三个短路钉贯穿介质基板和空气间隙，两端分别连接两个辐射体的圆形有源贴片；三个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
3.根据权利要求2所述的具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，两个介质基板的介电常数为2.2，两个辐射体的间距H＝0.06λg，介质基板的半径R2＝0.68λg，圆形有源贴片的半径R1＝0.35λg，短路钉和圆心的距离R3＝0.16λg，短路钉的直径为d＝0.02λg，λg为波导波长。
4.根据权利要求2所述的具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，工字形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝0.02λg，工字形寄生单元的纵向长度D＝0.24λg，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝57°,条带宽度w＝0.021λg。
5.一种具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，包括辐射体、介质基板、金属地板和五个短路钉；
辐射体位于介质基板的上表面；辐射体包括圆形有源贴片和六个T形寄生单元；圆形有源贴片的中心与介质基板的中心重合；T形寄生单元沿圆形有源贴片的圆周均匀排布，T形寄生单元的横向弧形枝节与圆周平行；
金属地板位于介质基板的下表面，圆形有源贴片的半径＜金属地板的半径＜圆形介质基板的半径；
五个短路钉贯穿介质基板，两端分别连接辐射体的圆形有源贴片和金属地板；五个短路钉与圆形有源贴片中心的距离相同且均匀排布。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，天线系统通过同轴线在圆形有源贴片中心处馈电。
7.根据权利要求5所述的具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，介质基板介电常数为2.2，辐射体和金属地板之间的间距H＝0.01λg，介质基板的半径R4＝0.64λg，金属地板半径R2＝0.51λg，有源圆形贴片的半径R1＝0.3λg，短路钉与圆心的距离R3＝0.16λg，短路钉的直径为d＝0.01λg。
8.根据权利要求5所述的具有聚束效果的超低剖面全向天线系统，其特征在于，T形寄生单元和圆形有源贴片的距离g＝0.01λg，T形寄生单元的纵向长度D＝0.31λg，横向弧形枝节对应的圆心角θ＝55°,条带宽度w＝0.012λg。
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