CN112886279A - 一种高增益全向双锥天线阵的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高增益全向双锥天线阵的实现方法，主要用于改善全向天线在宽带范围内的全向度，同时获得带内一致性好的俯仰波束。高增益全向双锥天线阵由多个俯仰面组阵的圆柱加载异形套筒双锥天线单元及阵列馈线组成；套筒双锥天线单元锥体顶部设计有圆柱加载，以改善带内电压驻波比；各组阵单元均通过同轴线直接进行激励，同轴线内导体与单元的上半锥体连接，外导体与下半圆锥连接；上方的双锥天线馈电同轴线依次从下方单元馈电同轴线内导体内部穿过，形成嵌套的同轴线，各馈电结构互不干涉；嵌套的同轴线通过下方的同轴脊波导变换对转换为独立的馈电接头。该方法适宜于高增益全向双锥天线阵的设计与实现。

Description

一种高增益全向双锥天线阵的实现方法

技术领域

本发明属于通讯、雷达天线与微波技术方向。

背景技术

一般情况下，要求天线在所需的特定角度方向具有较大的天线增益，而其他不期望的方向具有低副瓣甚至没有能力辐射。全向天线作为一类特殊天线，要求在方位面具有全向波束覆盖的同时，俯仰上在带内具有恒定的波束指向或特定的覆盖，采用单个天线往往无法实现，这就要求在俯仰方向采用天线阵的设计思路，对每一个全向天线单元幅度和相位进行合理配置，以保持方位全向的同时提高天线增益、实现特定的俯仰覆盖。

现有高增益全向天线的实现方式有以下几种：采用多个高增益宽覆盖天线在方位面合成为全向天线、多个全向天线单元采用串馈或并馈的方式组阵等形式，典型高增益串馈全向天线如“COCO”天线，其俯仰波束指向在带宽内将随频率的变化而发生变化；而采用常规并馈形式时，各单元幅度和相位独立可控，俯仰波束形状可任意配置，但馈线在天线附近穿行时会对天线方向图产生较为显著的影响：馈线在全向天线附近穿行时将极大地影响方位面方向图的全向性，其不圆度恶化达3dB以上，严重影响天线的实际应用。

发明内容

为改善全向天线阵在宽带范围内的全向度，解决串馈全向天线阵波束指向随频率扫描的现象，获得较高带内一致性的俯仰波束，本发明采用同轴嵌套馈电方式，通过同轴到脊型波导的模式变换，实现全向天线阵并联馈电及馈电机构的集成设计，提高全向度。

实现本发明目的的技术解决方案主要为：首先设计由外表面嵌有高度为H1金属套筒3的PMI泡沫芯材4支撑固定的圆柱加载套筒双锥天线单元；在天线锥体顶部加载一个圆柱形凸台5，凸台的半径不大于锥体顶部半径，调节凸台5的高度H2优化电压驻波比；组成天线阵的多个天线单元采用同心的嵌套同轴线进行馈电，上层单元的馈电同轴线14从其下层单元的馈电同轴线7的内部穿过，形成多层嵌套结构；嵌套同轴线通过位于天线阵下方的宽带同轴脊波导变换对6分离为独立的馈电接口。

进一步的，上层单元馈电同轴线14外导体9作为下层单元馈电同轴线7的内导体，同轴线尺寸由内层同轴线14的内导体15和同轴线的阻抗共同确定，同轴线组成嵌套结构，相互独立。

进一步的，嵌套同轴线通过下端的同轴脊波导变换对6进行分离；外层同轴线7外导体8与同轴脊波导变换对6的上脊11连接，内导体9作为内部嵌套同轴线14的外导体与同轴脊波导变换对6的下脊12连接，在同轴脊波导变换对中激励起TE₁₀模并在另一端重新转换为到独立的SMA同轴插座13，从而实现与其内嵌套的同轴线14分离，此时可进行各单元的幅度和相位的独立控制。

当采用多个单元组阵时(单元数量N≥2)可采用类似的方式在内层同轴内部进行嵌套，以扩充本方法的实用范围。

本发明采用同轴嵌套馈电结构实现了全向天线阵地并联馈电，克服了馈电装置对天线方向图的影响，避免串联馈电带来的“频扫”现象，改善了常规并联馈电情况下天线的不圆度，增强了该方法的实用性，适宜于高增益全向双锥天线阵的设计与实现。采用该方法设计的俯仰波束指向6°的三单元全向天线阵的典型频率方向图如附图3-图5所示，方位方向图全向度小于0.2dB，带内俯仰指向一致，无频偏现象。而采用射频电缆直接并联馈电全向天线的典型方位面方向图如图6所示，可见采用本发明所述方法设计的全向天线阵方向图的不圆度有显著改善，满足高增益全向天线的要求。

附图说明

图1为两单元高增益全向双锥天线阵外形示意图。其中Ant1—上层单元；Ant2—下层单元，6—同轴波导变换对；

图2为天线阵同轴嵌套馈电机构局部示意图。其中1—上锥体；2—下锥体，3—金属套筒；4—PMI泡沫；5—圆柱形台阶加载；6—同轴波导变换对；7—外层同轴线；8—外层同轴线外导体；9—外层同轴线内导体/内层同轴线外导体；10—同轴脊波导变换对上脊；11—同轴脊波导变换对下脊；12—同轴接头；13—内层同轴线；14—内层同轴线内导体；15—同轴接头；

图3为三单元高增益全向双锥天线阵方位面方向图。

图4为三单元高增益全向双锥天线阵俯仰指向6°时俯仰面归一化方向图。

图5为三单元高增益全向双锥天线阵俯仰指向0°时俯仰面归一化方向图

图6为采用射频电缆直接并联馈电的三单元全向天线阵方位面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。

本发明提出的一种高增益全向双锥天线阵的实现方法，由外表面嵌有高度为H1金属套筒3的PMI泡沫芯材4支撑固定的异形套筒双锥天线单元分为上锥体1和下锥体2，锥体的高度均为H，上锥体1和下锥体2相对安装，锥顶之间的距离为d；在锥体顶部设计有一个圆柱形凸台5，凸台的半径不大于锥体顶部半径、高度为H2；上锥体1和下锥体2顶部上分别开有直径为Φ1、Φ2通孔用于单元馈电；组成天线阵的天线单元采用嵌套的同心同轴线进行馈电，上层单元的馈电同轴线从下层单元同轴线内导体内部穿过，嵌套同轴线通过位于天线阵下方的宽带同轴脊波导变换对分离为独立的馈电接口。

嵌套同轴线是指上层双锥天线单元的馈电同轴线外导体作为下方单元馈电同轴线的内导体从下方天线单元内部穿过，形成嵌套结构，各馈电结构互不干涉。嵌套同轴线的内层同轴线13作为上层单元Ant1的馈电线，外层同轴线7作为下层单元Ant2馈电线。内层同轴线13的内导体14一端与上层单元Ant1的上锥体连接，另一端依次穿过下方天线单元Ant2、同轴脊波导变换对6，其外导体9作为外层同轴线7的内导体，一端与上层单元Ant1的下锥体连接，另一端穿过下方单元之后与同轴脊波导变换对6的下脊11连接，与内导体14组成一个独立的同轴接头15。外层同轴线7外导体8一端与下方单元Ant2下锥体连接，另一端与同轴脊波导变换对6的上脊连接，而内导体9与同轴脊波导变换对的下脊11连接，外层同轴线7内的TEM模电磁波在同轴脊波导变换对6中激励起TE₁₀模，并在另一端重新转换为TEM模从独立的同轴接头12输出，从而实现与其内嵌套的同轴线13分离，分离后的馈电端口进行独立的幅度和相位调制后采用合路器合成，最终对外输出一路接口，即可在不影响天线全向度的前提下实现全向天线阵单元的独立并联馈电。

实施例：采用本发明所述方法设计的两单元高增益全向双锥天线阵如附图1所示，其主要步骤如下：

1、根据带宽设计天线单元：双锥天线单元的设计属于公开技术，不再叙述，圆柱加载双锥天线锥体顶部圆柱形台阶高度H2和半径根据带内电压驻波比进行调节；上锥体1和下锥体2顶部直径为Φ1、Φ2通孔尺寸根据单元所处阵中位置所用馈电同轴线的尺寸决定。

2、嵌套馈电同轴线设计：嵌套同轴线是指上方单元的馈电同轴线从下方单元的馈电同轴线内穿过，其外导体作为下方单元馈电同轴线内导体，形成一环套一环的同心嵌套结构；先确定上方单元50欧馈电时的内外导体半径，然后将上方单元馈电同轴线外导体作为下方单元的内导体，计算出下方单元馈电外导体的半径。当多个单元组阵时，可依次计算出各嵌套同轴线的尺寸。

3、嵌套同轴线的分离：嵌套同轴线通过下端的同轴脊波导变换对进行分离以形成独立的并联馈电结构，同轴脊波导变换对的尺寸根据带宽要求进行设计，如附图2所示，最外层的同轴线外导体与脊波导变换对的上脊连接，其内导体与下脊相连，在脊波导变换对另一端转换为独立的射频连接器，从而实现最外层同轴线与其内部嵌套同轴线的分离，当有多个同轴线嵌套时，可采用类似方法进行分离。

Claims (3)

1.一种高增益全向双锥天线阵的实现方法，其特征在于：首先设计由外表面嵌有高度为H1金属套筒(3)的PMI泡沫芯材(4)支撑固定的圆柱加载套筒双锥天线单元；在天线锥体顶部加载一个圆柱形凸台(5)，凸台的半径不大于锥体顶部半径，调节凸台(5)的高度H2优化电压驻波比；组成天线阵的多个天线单元采用同心的嵌套同轴线进行馈电，上层单元的馈电同轴线(14)从其下层单元的馈电同轴线(7)的内部穿过，形成多层嵌套结构；嵌套同轴线通过位于天线阵下方的宽带同轴脊波导变换对(6)分离为独立的馈电接口。

2.一种根据权利要求1所述的高增益全向双锥天线阵的实现方法，其特征在于：上层单元馈电同轴线(14)外导体(9)作为下层单元馈电同轴线(7)的内导体，同轴线尺寸由内层同轴线(14)的内导体(15)和同轴线的阻抗共同确定，同轴线组成嵌套结构，相互独立。

3.一种根据权利要求1所述的高增益全向双锥天线阵的实现方法，其特征在于：嵌套同轴线通过下端的同轴脊波导变换对(6)进行分离；外层同轴线(7)外导体(8)与同轴脊波导变换对(6)的上脊(11)连接，内导体(9)作为内部嵌套同轴线(14)的外导体与同轴脊波导变换对(6)的下脊(12)连接，在同轴脊波导变换对中激励起TE₁₀模并在另一端重新转换为到独立的SMA同轴插座(13)，从而实现与其内嵌套的同轴线(14)分离，此时可进行各单元的幅度和相位的独立控制。

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