CN113437485B - 一种宽带高增益cts全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益CTS全向天线，包括圆柱形金属基体和共线天线阵列，共线天线阵列由8个天线辐射单元构成，每个天线辐射单元分别采用环形CTS辐射枝节实现，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器实现，圆柱形金属基体的外侧壁上开设有大小相同的8个环形槽，8个天线辐射单元一一对应设置在8个环形槽内，圆柱形金属基体内部设置有采用并行馈电方式的同轴输入的波导功分器，用于将幅相均匀分布的准TEM波等幅同向地馈送至8个天线辐射单元，8个天线辐射单元分别将馈送至其处的准TEM波辐射到自由空间形成均匀的球面场；优点是加工简单，插入损耗较小，且具有超宽频带(相对带宽可达为40％)和稳定高增益。

Description

一种宽带高增益CTS全向天线
技术领域
本发明涉及一种全向天线，尤其是涉及一种宽带高增益CTS全向天线。
背景技术
在无线通讯系统中，全向天线发挥着重要的作用。全向天线是一种能在水平面内360度均匀辐射能量的天线，可以在接收器和发送器的位置可变或不确定的情况下，广泛应用于点对多点通讯、广播、数据传输、组建无线扩频网等领域。偶极子、单极子、双锥、盘状和环形天线是全向天线最广泛使用的形式，但是，对于大多数全向天线元件而言，它们的增益太低，无法满足许多要求高增益覆盖大面积区域的无线应用要求。当前，为了提高全向天线的增益常采用天线阵列，最广泛使用的全向阵列是共线阵列，它由几个沿轴向共线安装的串联或并联馈送的低增益全向天线元件组成。串联馈电共线天线的有用带宽天生就很窄，这是因为当频率从中心频率改变时，在连续的辐射部分之间会发生相位误差。为了缓解日益紧张的频带资源需求，在不同频率下获得更好的带宽性能和更稳定的波束方向，共线阵列的天线元件需要并行馈电。
申请号为201610098944.6的中国专利公开了一种基于角反射器的宽带高增益全向天线，该全向天线采用4列印刷偶极子并馈直线阵，实现了天线的高增益能量辐射。该全向天线加工简单，但是其为改善能量在水平面的均匀分布，将4列印刷偶极子并馈直线阵放置于角反射器的角平分线上，以致相对带宽只有18.9％，并且在其工作频带范围内，由于4列印刷偶极子并馈直线阵插入损耗较大，影响了天线辐射特性，以致该全向天线的增益稳定性较差。
CTS(Continuous Transverse Stub,连续切向节)结构具有高效率、高增益，加工简单和易与载体表面共形等特点，已被广泛应用于天线设计中。传统的波导CTS天线通过矩形波导作为传输线，电磁波从波导的缝隙中辐射出来。目前，CTS天线除矩形波导的形式外，还有微带线、共面波导和光子带隙等形式。近年来，国内科研机构和高校对各种形式的CTS天线的研究工作也在大量开展。
鉴此，将CTS技术应用于全向天线，设计一种加工简单，插入损耗较小，且具有超宽频带(相对带宽可达为40％)和稳定高增益的宽带高增益CTS全向天线具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种加工简单，插入损耗较小，且具有超宽频带(相对带宽可达为40％)和稳定高增益的CTS全向天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种宽带高增益CTS全向天线，包括圆柱形金属基体和共线天线阵列，所述的共线天线阵列由8个天线辐射单元构成，每个所述的天线辐射单元分别采用环形CTS辐射枝节实现，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器实现，以实现超宽带的阻抗匹配，所述的圆柱形金属基体的外侧壁上从上到下均匀间隔同轴开设有大小相同的8个环形槽，8个所述的天线辐射单元一一对应设置在8个所述的环形槽内，所述的圆柱形金属基体内部设置有同轴输入的波导功分器，所述的波导功分器可以实现并行馈电方式，形成全并馈网络，用于产生幅相均匀分布的准TEM波并将该准TEM波通过8个环形槽等幅同向地馈送至8个天线辐射单元，8个天线辐射单元分别将馈送至其处的准TEM波辐射到自由空间形成均匀的球面场。
所述的波导功分器包括圆柱形的馈电线以及与所述的馈电线连接的8个馈电输出路径，所述的圆柱形金属基体内部设置有从其底部开始延伸至其中部的圆柱形孔，所述的圆柱形孔与所述的圆柱形金属基体同轴，所述的馈电线位于所述的圆柱形孔内，所述的馈电线与所述的圆柱形孔同轴，所述的馈电线的顶部与所述的圆柱形金属基体固定连接，所述的馈电线的顶部与所述的圆柱形孔的顶部齐平，所述的馈电线的底部与所述的圆柱形孔的底部齐平，8个馈电输出路径分别通过在所述的圆柱形基体内部开槽实现，8个馈电输出路径与8个环形槽一一对应连通。
将8个天线辐射单元从上到下依次称为第1个天线辐射单元、第2个天线辐射单元、第3个天线辐射单元、第4个天线辐射单元、第5个天线辐射单元、第6个天线辐射单元、第7个天线辐射单元和第8个天线辐射单元；第1个天线辐射单元包括上下间隔设置的第一CTS辐射枝节和第二CTS辐射枝节，所述的第一CTS辐射枝节包括从上到下同轴层叠固定的m个金属圆环盘，m为大于等于2的整数，m个金属圆环盘的内径均等于所述的环形槽的内径，m个金属圆环盘从上到下外径依次变小，位于最上方的金属圆环盘的外径小于所述的环形槽的外径，位于最上方的金属圆环盘固定在所述的圆柱形金属基体上，且其上表面与所述的环形槽的上表面齐平；所述的第二CTS辐射枝节包括从上到下同轴层叠固定的n个金属圆环盘，n为大于等于2的整数，n个金属圆环盘的内径均等于所述的环形槽的内径，n个金属圆环盘从上到下外径依次变大，位于最下方的金属圆环盘的外径小于所述的环形槽的外径，位于最下方的金属圆环盘固定在所述的圆柱形金属基体上，且其下表面与所述的环形槽的下表面齐平；第k+1个天线辐射单元与第k个天线辐射单元相对于位于两者之间的某一水平面呈对称结构，k＝1，2，3，4，5，6，7。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过圆柱形金属基体和共线天线阵列构建宽带高增益CTS全向天线，共线天线阵列由8个天线辐射单元构成，每个天线辐射单元分别采用环形CTS辐射枝节实现，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器实现，以实现超宽带的阻抗匹配，圆柱形金属基体的外侧壁上从上到下均匀间隔同轴开设有大小相同的8个环形槽，8个天线辐射单元一一对应设置在8个环形槽内，圆柱形金属基体内部设置有同轴输入的波导功分器，波导功分器可以实现并行馈电方式，形成全并馈网络，用于产生幅相均匀分布的准TEM波并将该准TEM波通过8个环形槽等幅同向地馈送至8个天线辐射单元，8个天线辐射单元分别将馈送至其处的准TEM波辐射到自由空间形成均匀的球面场，本发明可以实现并行馈电的方式，通过同轴输入的波导功分器并行馈电至各个天线辐射单元，从而获得更好的带宽性能和更稳定的波束方向，波导功分器在将功率等幅同向地馈送至八个天线辐射单元的同时，还具有带宽较宽和反射损耗小的特性，进一步提高全向天线的增益，通过同轴波导馈电形式激励准TEM波，再由环形槽与天线辐射单元间形成的缝隙辐射到自由空间形成均匀的球面场，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器来实现，实现了超宽带的阻抗匹配，且8个天线辐射单元呈并联关系，通过设定选择8个天线辐射单元之间的距离，能够获得更好的全向辐射特性，仿真结果表明本发明在工作频带为18-27GHz的反射系数小于-10dB，实现10.2dBi以上的高增益，俯仰面的3dB波束宽度为6.8°-10°，方位面的增益波动在±1dB范围内，由此本发明加工简单，插入损耗较小，且具有超宽频带(相对带宽可达为40％)和稳定高增益。
附图说明
图1为本发明的宽带高增益CTS全向天线的立体图；
图2为本发明的宽带高增益CTS全向天线的整体剖视图；
图3为本发明的宽带高增益CTS全向天线的局部剖视图；
图4为本发明的宽带高增益CTS全向天线的反射系数示意图；
图5为本发明的宽带高增益CTS全向天线的增益曲线图；
图6为本发明的宽带高增益CTS全向天线在18GHz的归一化方向图；
图7为本发明的宽带高增益CTS全向天线在21GHz的归一化方向图；
图8为本发明的宽带高增益CTS全向天线在24GHz的归一化方向图；
图9为本发明的宽带高增益CTS全向天线在27GHz的归一化方向图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1所示，一种宽带高增益CTS全向天线，包括圆柱形金属基体1和共线天线阵列，共线天线阵列由8个天线辐射单元构成，每个天线辐射单元分别采用环形CTS辐射枝节实现，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器实现，以实现超宽带的阻抗匹配，圆柱形金属基体1的外侧壁上从上到下均匀间隔同轴开设有大小相同的8个环形槽2，8个天线辐射单元一一对应设置在8个环形槽2内，圆柱形金属基体1内部设置有同轴输入的波导功分器，波导功分器可以实现并行馈电方式，形成全并馈网络，用于产生幅相均匀分布的准TEM波并将该准TEM波通过8个环形槽2等幅同向地馈送至8个天线辐射单元，8个天线辐射单元分别将馈送至其处的准TEM波辐射到自由空间形成均匀的球面场。
如图2所示，本实施例中，波导功分器包括圆柱形的馈电线3以及与馈电线3连接的8个馈电输出路径4，圆柱形金属基体1内部设置有从其底部开始延伸至其中部的圆柱形孔5，圆柱形孔5与圆柱形金属基体1同轴，馈电线3位于圆柱形孔5内，馈电线3与圆柱形孔5同轴，馈电线3的顶部与圆柱形金属基体1固定连接，馈电线3的顶部与圆柱形孔5的顶部齐平，馈电线3的底部与圆柱形孔5的底部齐平，8个馈电输出路径4分别通过在圆柱形金属基体1内部开槽实现，8个馈电输出路径4与8个环形槽2一一对应连通。
如图3所示，本实施例中，将8个天线辐射单元从上到下依次称为第1个天线辐射单元、第2个天线辐射单元、第3个天线辐射单元、第4个天线辐射单元、第5个天线辐射单元、第6个天线辐射单元、第7个天线辐射单元和第8个天线辐射单元；第1个天线辐射单元包括上下间隔设置的第一CTS辐射枝节6和第二CTS辐射枝节7，第一CTS辐射枝节6包括从上到下同轴层叠固定的m个金属圆环盘，m为大于等于2的整数，m个金属圆环盘的内径均等于环形槽2的内径，m个金属圆环盘从上到下外径依次变小，位于最上方的金属圆环盘的外径小于环形槽2的外径，位于最上方的金属圆环盘固定在圆柱形金属基体1上，且其上表面与环形槽2的上表面齐平；第二CTS辐射枝节7包括从上到下同轴层叠固定的n个金属圆环盘，n为大于等于2的整数，n个金属圆环盘的内径均等于环形槽2的内径，n个金属圆环盘从上到下外径依次变大，位于最下方的金属圆环盘的外径小于环形槽2的外径，位于最下方的金属圆环盘固定在圆柱形金属基体1上，且其下表面与环形槽2的下表面齐平；第k+1个天线辐射单元与第k个天线辐射单元相对于位于两者之间的某一水平面呈对称结构，k＝1，2，3，4，5，6，7。
对本实施例的宽带高增益CTS全向天线进行仿真，其中该宽带高增益CTS全向天线的反射系数示意图如图4所示，该宽带高增益CTS全向天线的增益曲线图如图5所示，该宽带高增益CTS全向天线在18GHz的归一化方向图如图6所示，该宽带高增益CTS全向天线在21GHz的归一化方向图如图7所示。该宽带高增益CTS全向天线在24GHz的归一化方向图如图8所示，该宽带高增益CTS全向天线在27GHz的归一化方向图如图9所示。
分析图4可知：该宽带高增益CTS全向天线在工作频带(18GHz-27GHz)内的反射系数＜-10dB，实现了超宽带的特性。分析图5可知：该宽带高增益CTS全向天线在工作频带内的增益＞10.2dBi，具有较高的增益，且随着工作频率的增加，宽带高增益CTS全向天线的增益整体上呈现增大的趋势，在27GHz可以达到大于12dBi的高增益，具有稳定的高增益。分析图6、图7、图8和图9可知：该宽带高增益CTS全向天线在18GHz、21GHz、24GHz和27GHz工作频率下，能量分布集中于水平方向，且水平面的增益波动在±1dB范围以内，实现了很好的全向特性。

Claims (2)

1.一种宽带高增益CTS全向天线，其特征在于包括圆柱形金属基体和共线天线阵列，所述的共线天线阵列由8个天线辐射单元构成，每个所述的天线辐射单元分别采用环形CTS辐射枝节实现，每个环形CTS辐射枝节分别采用多级阶梯阻抗变换器实现，以实现超宽带的阻抗匹配，所述的圆柱形金属基体的外侧壁上从上到下均匀间隔同轴开设有大小相同的8个环形槽，8个所述的天线辐射单元一一对应设置在8个所述的环形槽内，所述的圆柱形金属基体内部设置有同轴输入的波导功分器，所述的波导功分器可以实现并行馈电方式，形成全并馈网络，用于产生幅相均匀分布的准TEM波并将该准TEM波通过8个环形槽等幅同向地馈送至8个天线辐射单元，8个天线辐射单元分别将馈送至其处的准TEM波辐射到自由空间形成均匀的球面场；将8个天线辐射单元从上到下依次称为第1个天线辐射单元、第2个天线辐射单元、第3个天线辐射单元、第4个天线辐射单元、第5个天线辐射单元、第6个天线辐射单元、第7个天线辐射单元和第8个天线辐射单元；第1个天线辐射单元包括上下间隔设置的第一CTS辐射枝节和第二CTS辐射枝节，所述的第一CTS辐射枝节包括从上到下同轴层叠固定的m个金属圆环盘，m为大于等于2的整数，m个金属圆环盘的内径均等于所述的环形槽的内径，m个金属圆环盘从上到下外径依次变小，位于最上方的金属圆环盘的外径小于所述的环形槽的外径，位于最上方的金属圆环盘固定在所述的圆柱形金属基体上，且其上表面与所述的环形槽的上表面齐平；所述的第二CTS辐射枝节包括从上到下同轴层叠固定的n个金属圆环盘，n为大于等于2的整数，n个金属圆环盘的内径均等于所述的环形槽的内径，n个金属圆环盘从上到下外径依次变大，位于最下方的金属圆环盘的外径小于所述的环形槽的外径，位于最下方的金属圆环盘固定在所述的圆柱形金属基体上，且其下表面与所述的环形槽的下表面齐平；第k+1个天线辐射单元与第k个天线辐射单元相对于位于两者之间的某一水平面呈对称结构，k＝1，2，3，4，5，6，7。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高增益CTS全向天线，其特征在于所述的同轴输入的波导功分器包括圆柱形的馈电线以及与所述的馈电线连接的8个馈电输出路径，所述的圆柱形金属基体内部设置有从其底部开始延伸至其中部的圆柱形孔，所述的圆柱形孔与所述的圆柱形金属基体同轴，所述的馈电线位于所述的圆柱形孔内，所述的馈电线与所述的圆柱形孔同轴，所述的馈电线的顶部与所述的圆柱形金属基体固定连接，所述的馈电线的顶部与所述的圆柱形孔的顶部齐平，所述的馈电线的底部与所述的圆柱形孔的底部齐平，8个馈电输出路径分别通过在所述的圆柱形基体内部开槽实现，8个馈电输出路径与8个环形槽一一对应连通。
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