CN114628897A - 一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线及实现方法，属于波束赋形的全向天线领域，包括连接器、馈电线、顶部加载单元和至少两个辐射单元，电磁波信号经所述连接器馈入形成馈电信号，馈电信号在所述两个辐射单元之间通过馈电线传输产生一定的相位差，从而导致两个辐射单元分别产生的方向图在俯仰面上叠加，形成波束上翘的效应。本发明解决了高增益全向天线设计中存在的俯仰面波束指向固化不可调整的问题，达到了全向天线俯仰面波束赋形的效果，同时减小地面杂波、建筑物等对天线波束造成的影响。

Description

一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线及实现方法
技术领域
本发明涉及波束赋形的全向天线领域，更为具体的，涉及一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线及实现方法。
背景技术
全向天线具有方位面波束等化、重量轻、辐射特性好等优点，目前在通信、电子战等领域的应用非常广泛。这种天线通常安装于某个平台顶部，但地面建筑物对天线的方向图会产生一定程度的影响，故系统要求天线的俯仰面波束具有上翘的特性以减小环境对波束的影响。现有文献资料中，俯仰面波束上翘(归属于波束赋形)的技术多应用于大型天线阵面或者反射面天线中，但有关俯仰面波束上翘的全向天线还未见报道。
为了解决波束赋形的问题，目前的技术手段主要有以下几种，但都用于阵列天线或定向天线的波束赋形应用中：
在大型阵列中，通常采用遗传优化算法，如图1所示，对阵列中单元的幅度、相位进行加权优化设计，使阵列天线的方向图在指定角度内能够与预定的波束形状进行最大程度的吻合，副瓣电平得到较好的控制，同时设置一定的优化边界，使不同阵元间的幅度差不要太大,控制在合理的范围内，以便于工程实现(参见文献方法1：一种余割平方波束赋形的印制阵列天线设计.李运志等.微波学报.2018,27(7)：239～241)；
在大型阵列中，为了使阵列的效率不至于下降太多，仅对阵中各天线单元之间的相位差进行优化，如图2所示，通过建立仅相位加权的波束赋形目标模型，采用融合混沌搜索技术的改进粒子群算法进行优化，获得阵列天线各单元的馈电相位分布，在不改变各单元馈电幅度分布的前提下形成预定波束形状，并达到低副瓣设计要求(参见文献方法2：基于仅相位加权的宽零陷低副瓣波束赋形方法.周强锋.现代防御技术.2019,47(4)：59～63)；
在反射面天线设计中，采用非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines，NURBS)技术对反射面进行建模，如图3所示，设定优化过程中的目标函数，在Nelder-Mead优化算法的引导下，可以快速获得NURBS控制点最优的位置，从而获得反射面的最优形状，达到波束赋形的目的(参见文献方法3：均匀照射赋形反射面天线设计.于新华等.电波科学学报.2020,35(3)：358～363)。
综上所述，现有的波束赋形技术都是针对大型阵列天线或者定向天线的，通过优化阵列中不同单元天线的幅度相位分布、优化阵列中不同单元的相位值或者优化反射面天线的形状以得到预期的波束形状。上述方法可以解决大型阵面的波束赋形，但对于全向天线来说是不适用的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线及实现方法，解决了高增益全向天线设计中存在的俯仰面波束指向固化不可调整的问题，达到了全向天线俯仰面波束赋形的效果，同时减小地面杂波、建筑物等对天线波束造成的影响。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线，包括连接器、馈电线、顶部加载单元和至少两个辐射单元，电磁波信号经所述连接器馈入形成馈电信号，馈电信号在所述两个辐射单元之间通过馈电线传输产生相位差，从而导致两个辐射单元分别产生的方向图在俯仰面上叠加，形成波束上翘的效应；所述顶部加载单元，用于改善天线上的电流分布。
进一步地，所述第一辐射单元、第二辐射单元均为全向辐射单元，所述顶部加载单元与第二辐射单元连接。
进一步地，所述馈电线包括延长馈电线，通过延长馈电线连接所述连接器和第一辐射单元。
进一步地，所述馈电线包括过渡馈电线，通过过渡馈电线连接第一辐射单元和第二辐射单元。
一种如上所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线的实现方法，包括步骤：
电磁波信号经连接器馈入形成馈电信号，经过第一馈电线之后进入第一辐射单元并向自由空间进行辐射，随后经第二馈电线再进入第二辐射单元并向自由空间进行辐射；电磁波信号到达第一辐射单元、第二辐射单元的时间不同，产生相位差，两个天辐射单元方向图在俯仰面上不是等幅同相叠加，从而使合成后的波束出现一定程度的上翘。
进一步地，包括子步骤：通过调节两个辐射单元之间的第二馈电线的长度使合成波束在俯仰上指向预定的角度。
与传统全向天线相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明天线方位面波束为全向，俯仰面波束可实现上翘，以解决通信系统对全向天线的俯仰面波束上翘的要求，同时减小地面杂波、建筑物等对天线波束造成的影响；
(2)本发明通过调节两个天线之间的过渡传输线的长度可以使合成波束在俯仰上指向预定的角度；
(3)本发明采用大功率的连接器进行馈电，具有较强的功率承受能力；
(4)本发明采用顶部加载的方式可以改善天线上的电流分布，优化天线的方向图形状，改善天线驻波，提高俯仰面波束的定向性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用现有文献方法1进行幅度相位优化后的阵列天线赋形方向图；
图2为采用现有文献方法2进行相位优化后的阵列天线赋形方向图；
图3为采用现有文献方法3优化前后的反射面天线示意图和赋形方向图；
图4为本发明原理图；
图5为本发明设计的波束上翘的高增益全向天线示意图；
图6为本发明天线的仿真模型；
图7为驻波系数仿真结果；
图8为方位面方向图仿真结果；
图9为俯仰面方向图仿真结果，主波束上翘10°；
图10为高增益全向天线的实物示意图；
图11为高增益全向天线的驻波系数测试结果；
图12为高增益全向天线的方位面方向图测试结果，4条曲线对应不同的4个频点；
图13为高增益全向天线的俯仰面方向图测试结果，4条曲线对应不同的4个频点。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
下面根据附图4～图13，对本发明的技术构思、解决的技术问题、工作原理、工作过程和有益效果作进一步详细、充分地说明。
本发明实施例旨在提出一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线，电磁波信号经大功率连接器馈入天线，馈电信号在天线内部的两个辐射单元之间产生一定的相位差，从而导致叠加的方向图在俯仰面出现上翘，达到系统期望的目的。
本发明实施例的原理图如图4所示，首先采用底馈的馈电方式进行馈电，电磁波信号经大功率连接器馈入天线，经过一段延长馈线之后进入第一个辐射单元并向自由空间进行辐射，随后经一段过渡馈线后再进入第二个辐射单元并向自由空间进行辐射，由于电磁波到达两个辐射单元的时间不同故而两个天线的相位有一定差别，即两个天线的方向图在俯仰面上不是等幅同相叠加的，从而使合成后的波束出现一定程度的上翘。由于采用了两个方位面全向辐射的辐射单元进行俯仰合路，故其增益相比于单个天线更高。
通过顶部加载的方式改善天线上的电流分布，进而提高阻抗匹配特性，优化天线的方向图形状。
此技术解决了高增益全向天线设计中存在的俯仰面波束固化不可调整的问题，达到了全向天线俯仰面波束赋形的效果。
采用本发明实施例提出的技术设计了一款工作频带为1.565GHz～1.585GHz的高增益全向天线，模型示意图见图5，仿真模型件图6。电磁波信号经大功率连接器馈入天线，经过一段延长馈线之后进入第一个辐射单元并向自由空间进行辐射，随后经一段过渡馈线后再进入第二个辐射单元并向自由空间进行辐射，由于电磁波到达两个辐射单元的时间不同故而两个天线的相位有一定差别，即两个天线的方向图在俯仰面上不是等幅同相叠加的，从而使合成后的波束出现一定程度的上翘。由于采用了两个方位面全向辐射的辐射单元进行俯仰合路，故其增益相比于单个全向天线更高。
单元天线的外形尺寸为50mm×50mm×290mm；天线的驻波仿真结果见图7，带内驻波不大于1.7；天线的方位面方向图仿真结果见图8，具有全向特性；俯仰面方向图仿真结果见图9，波束上翘后最大值指向+10°方向，增益大于5dB。
为了验证本发明实施例的有效性，按照仿真模型制作了2个天线实物(示意图见图10)，并进行性能测试。
天线的驻波系数测试结果见图11，在1.565GHz～1.585GHz的频带内驻波系数小于1.6，与仿真结果基本吻合。
天线的方位面方向图测试结果见图12，图中的4张图片对应4个不同的频点，方向图具有全向特性，与仿真结果比较吻合。
天线的俯仰面方向图测试结果见图13，图中的4张图片对应4个不同的频点，驻主波束指向+10°，与仿真结果吻合。
表1为高增益全向天线的增益测试结果，带内增益大于4.4dB，比仿真结果低0.6dB，这主要是由于加工、测试误差引起的。
表1带内增益测试结果
频率 1#天线 2#天线
1.565 4.4 4.5
1.567 4.5 4.6
1.569 4.4 4.5
1.571 4.4 4.4
1.573 4.4 4.5
1.575 4.5 4.4
1.577 4.6 4.5
1.579 4.5 4.4
1.581 4.6 4.5
1.583 4.4 4.6
1.585 4.5 4.4
实施例1：一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线，包括连接器、馈电线、顶部加载单元和至少两个辐射单元，电磁波信号经所述连接器馈入形成馈电信号，馈电信号在所述两个辐射单元之间通过馈电线传输产生相位差，从而导致两个辐射单元分别产生的方向图在俯仰面上叠加，形成波束上翘的效应；所述顶部加载单元，用于改善天线上的电流分布。
实施例2：在实施例1的基础上，所述第一辐射单元、第二辐射单元均为全向辐射单元，所述顶部加载单元与第二辐射单元连接。
实施例3：在实施例1或2的基础上，所述馈电线为延长馈电线，通过延长馈电线连接所述连接器和第一辐射单元。
实施例4：在实施例3的基础上，所述馈电线为过渡馈电线，通过过渡馈电线连接第一辐射单元和第二辐射单元。
实施例5：在实施例1的基础上，提供一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线的实现方法，包括步骤：
电磁波信号经连接器馈入形成馈电信号，经过第一馈电线之后进入第一辐射单元并向自由空间进行辐射，随后经第二馈电线再进入第二辐射单元并向自由空间进行辐射；电磁波信号到达第一辐射单元、第二辐射单元的时间不同，产生相位差，两个天辐射单元方向图在俯仰面上不是等幅同相叠加，从而使合成后的波束出现一定程度的上翘。
实施例6：在实施例5的基础上，包括子步骤：通过调节两个辐射单元之间的第二馈电线的长度使合成波束在俯仰上指向预定的角度。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种俯仰面波束上翘的高增益全向天线，其特征在于，包括连接器、馈电线、顶部加载单元和至少两个辐射单元，电磁波信号经所述连接器馈入形成馈电信号，馈电信号在所述两个辐射单元之间通过馈电线传输产生相位差，从而导致两个辐射单元分别产生的方向图在俯仰面上叠加，形成波束上翘的效应；所述顶部加载单元，用于改善天线上的电流分布。
2.根据权利要求1所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线，其特征在于，所述第一辐射单元、第二辐射单元均为全向辐射单元，所述顶部加载单元与第二辐射单元连接。
3.根据权利要求1或2任一所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线，其特征在于，所述馈电线包括延长馈电线，通过延长馈电线连接所述连接器和第一辐射单元。
4.根据权利要求3所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线，其特征在于，所述馈电线包括过渡馈电线，通过过渡馈电线连接第一辐射单元和第二辐射单元。
5.一种如权利要求1所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线的实现方法，其特征在于，包括步骤：
电磁波信号经连接器馈入形成馈电信号，经过第一馈电线之后进入第一辐射单元并向自由空间进行辐射，随后经第二馈电线再进入第二辐射单元并向自由空间进行辐射；电磁波信号到达第一辐射单元、第二辐射单元的时间不同，产生相位差，两个天辐射单元方向图在俯仰面上不是等幅同相叠加，从而使合成后的波束出现一定程度的上翘。
6.根据权利要求5所述的俯仰面波束上翘的高增益全向天线的实现方法，其特征在于，包括子步骤：通过调节两个辐射单元之间的第二馈电线的长度使合成波束在俯仰上指向预定的角度。
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