CN115882187B - 一种侧射式全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧射式全向天线，其包括：介质基板；天线主阵列，其设置在所述介质基板上；所述天线主阵列为侧射式天线，最大辐射方向垂直于阵轴方向；轴向填充副阵列，其设置在所述介质基板上且位于所述天线主阵列的顶部和/或底部；所述轴向填充副阵列为端射式天线，最大辐射方向平行于阵轴方向。本发明通过串并馈的天线主阵列实现了水平面全向覆盖高增益，再经过轴向填充副阵列对仰角方向的波束赋形，实现天线轴向方向的填充，使信号在仰角范围内也得到充分覆盖。

Description

一种侧射式全向天线

技术领域

本发明涉及通信系统天线技术领域，具体涉及了一种侧射式全向天线。

背景技术

全向天线可实现方位面360°均匀覆盖，广泛运用于车载、机载及雷达通信等领域，但现代通信的需求愈发精细，在远距离地空通信系统中，由于通信目标可能出现在任意方向，因此需要地面端通信天线在满足水平面360全方位覆盖的同时，还要求在仰角范围内波束宽度要宽、增益高。

如今，有多种形式可以实现全向天线水平面的高增益，例如如多套筒天线、同轴共线天线、渐变缝隙全向天线以及双面矩形微带天线等，如中国发明专利CN108598699A公开了垂直极化全波振子阵列天线，包括N元均匀直线阵列、对N元均匀直线阵列进行馈电的印制平衡双线、以及与印制平衡双线电连接的50Ω同轴馈线，其中N≥3；N元均匀直线阵列由N个均匀间隔直线排列的全波振子单元组成，全波振子单元由按N个全波振子单元排列方向设置在PCB板正面的振子上臂和设置在PCB板反面的振子下臂组成，振子上臂下移距离T后与振子下臂镜像对称，N元均匀直线阵列的中心设有馈电孔，N元均匀直线阵列的两端分别设有使印制平衡双线的上下馈线短路的短路过孔，印制平衡双线由两条分别设置在PCB板正反两侧的上馈线和下馈线组成，印制平衡双线的上、下馈线分别连接各侧的全波振子单元的振子上、下臂，同轴馈线的内导体通过馈电孔与印制平衡双线一条馈线电连接，同轴馈线的外导体与印制平衡双线的另一条馈线电连接。但此类天线一般通过多个振子的串并联实现高增益，其在仰角范围的波束宽度较窄，且在天线俯仰面主波束内某些仰角上出现较深的零深，严重影响到通信中的空域覆盖，如图1所示。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种侧射式全向天线，其通过串并馈的天线主阵列实现了水平面全向覆盖高增益，再经过轴向填充副阵列对仰角方向的波束赋形，实现天线轴向方向的填充，使信号在仰角范围内也得到充分覆盖。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种侧射式全向天线，具体实现的技术方案如下：

一种侧射式全向天线，其包括：

介质基板；

天线主阵列，其设置在所述介质基板上；所述天线主阵列为侧射式天线，最大辐射方向垂直于阵轴方向；

轴向填充副阵列，其设置在所述介质基板上且位于所述天线主阵列的顶部和/或底部；所述轴向填充副阵列为端射式天线，最大辐射方向平行于阵轴方向。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述端射式天线的波束宽度≤90°，前后比≥20dB。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述端射式天线为对数周期天线，其包括分别位于所述介质基板上表面和下表面的上天线振子和下天线振子，所述上天线振子和下天线振子镜像对称；所述上天线振子与所述天线主阵列耦合馈电，所述下天线振子和所述天线主阵列电连接。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述对数周期天线的结构角a为18~28°，比例因子τ为0.78~0.88，间隔因子σ为0.11~0.15。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述上天线振子和下天线振子均包括中心带及互生状设置在所述中心带两侧的振子臂；沿着中心带的底部到顶部方向，振子臂的长度逐个递减，相邻振子臂之间的间距逐渐减小。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述振子臂包括L形臂及在L形臂的横向部分外凸形成分形结构。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述分形结构为三角分形、半圆分形、树形分形或顶端加载分形结构。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述上天线振子和下天线振子的顶部有贯穿短路点。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述天线主阵列包括上阵列和下阵列，所述上阵列和下阵列的微带单元串馈在一起，且所述上阵列和下阵列在轴向中心并联且馈电。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述微带单元为折线形。

作为本发明提供的侧射式全向天线的一种优化实施方式，所述侧射式全向天线还包括套筒，所述套筒内壁设置有凹槽，所述介质基板嵌设在凹槽内。

与现有技术相比，本发明侧射式全向天线具有如下有益效果：

本发明的侧射式全向天线，通过串并馈的天线主阵列实现了水平面全向覆盖高增益，再经过轴向填充副阵列补偿侧射式天线在阵轴方向的信号，在不损失主阵列侧射式天线增益的情况下，实现了阵轴方向的盲点覆盖，并对垂直面的零点有一定的填充作用，适用于需要实现双向覆盖的公路、铁路，尤其是空域覆盖、无人机应用等场景。具体地，轴向填充副阵列为端射式天线，利用端射式天线对阵列E面方向图进行波束赋形，实现了全向天线的高增益同时，在链路遥控频带内仰角轴向凹陷、E面方向图的多个仰角范围内的零深也得到有效填充，使信号在仰角范围内也得到充分覆盖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为未加轴向填充副阵列的垂直面方向图；

图2为本发明一种侧射式全向天线的立体图，图中介质基板透明显示；

图3为本发明一种侧射式全向天线中介质基板上表面的立体示意图；

图4为本发明一种侧射式全向天线中介质基板下表面的立体示意图；

图5为图3中A处的俯视图；

图6为图4中B处的俯视图；

图7为本发明一种侧射式全向天线的整体结构示意图；

图8为图7的分解示意图；

图9为图7的另一分解示意图；

图10为图7的顶视图，图中隐藏了顶盖；

图11为本发明一种侧射式全向天线的垂直面方向图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如背景技术中描述的，如图1所示，现有水平面高增益的全向天线一般通过多个振子的串并联实现高增益，其在仰角范围的波束宽度较窄，且在天线俯仰面主波束内某些仰角上出现较深的零深，严重影响到通信中的空域覆盖。

为此，本发明人提出了一种侧射式全向天线来解决上述问题。

具体地，请参考图2至图6，其示出了一种侧射式全向天线，其包括：

介质基板1；

天线主阵列2，其设置在所述介质基板1上；所述天线主阵列2为侧射式天线，最大辐射方向垂直于阵轴方向；

轴向填充副阵列3，其设置在所述介质基板1上且位于所述天线主阵列2的顶部和/或底部；所述轴向填充副阵列3为端射式天线，最大辐射方向平行于阵轴方向。

根据上述的结构设计，本发明通过串并馈的天线主阵列2实现了水平面全向覆盖高增益，再经过轴向填充副阵列3补偿侧射式天线在阵轴方向的信号，在不损失主阵列侧射式天线增益的情况下，实现了阵轴方向的盲点覆盖，并对垂直面的零点有一定的填充作用。具体地，轴向填充副阵列3为端射式天线，利用端射式天线对阵列E面方向图进行波束赋形，实现了全向天线的高增益同时，在链路遥控频带内仰角轴向凹陷、E面方向图的多个仰角范围内的零深也得到有效填充，使信号在仰角范围内也得到充分覆盖。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明一种侧射式全向天线的实施例1

请参考图2至图6，其示出了一种侧射式全向天线。具体地，侧射式全向天线包括：介质基板1、设置在介质基板1上的天线主阵列2和轴向填充副阵列3。

介质基板1作为天线载体，其介电常数εr可以为1~20。介质基板1可以是以PTFE、碳氢化合物、氧化铝物质为原料加工而成双面覆铜板，如Rogers、Taconic、Arlon、Neltec、旺灵系列板材。

天线主阵列2沿着介质基板1的轴线11排布，其产生的最大辐射方向垂直于阵轴方向，作为侧射式天线。请参考图2-6，天线主阵列2包括上阵列21和下阵列22，上阵列21和下阵列22上均设有多个偶极子单元23，数量不少于2个，可以是2个、3个或3个以上，位于同一阵列的多个偶极子单元23串馈在一起组成多元串馈阵列。每个偶极子单元23包括分别印制在介质基板1的正反两面且镜像对称设置的两个半波振子24，可通过平行耦合线激励两个半波振子24。

上阵列21和下阵列22关于中心馈电点25对称，上阵列21和下阵列22在中心馈电点25处并联，激励就通过同轴馈线4加载在中心馈电点25处。

请参考图3、4，为节省横向空间，半波振子24设为折线形微带单元，其长度约为0.5λ，λ为天线工作中心频率波长，相邻偶极子之间的串馈线的长度约为1.2-1.5λ。

请参考图2-6，轴向填充副阵列3，其不仅设置在介质基板1上且位于天线主阵列2的顶部，位于天线主阵列2的顶部用于对轴向仰角方向信号有填充。其中，轴向填充副阵列3的最大辐射方向平行于介质基板1的轴线11，为端射式天线。在本发明中，端射式天线与侧射式天线波束合成因子为0.1，端射式天线只起到辅助作用，用来填充垂直方向图的仰角区域，如此需要指向性强、前后比低的端射天线才能达到效果，优选地，该端射式天线的波束宽度≤90°，前后比≥20dB。端射天线不局限于印刷对数周期天线的形式，八木天线形式和vivaldi天线形式也可以，本发明优选对数周期天线。

本实施例中，以对数周期天线为例进一步详细说明轴向填充副阵列3。请参考图3、4，对数周期天线包括分别位于介质基板1上表面12和下表面13的上天线振子31和下天线振子32，其中，上天线振子31和下天线振子32镜像对称，上天线振子31和下天线振子32的顶部有贯穿短路点33。上天线振子31和下天线振子32均包括中心带34及互生状设置在中心带34两侧的振子臂35；沿着中心带34的底部341到顶部342方向，振子臂35的长度逐个递减，相邻振子臂35之间的间距逐渐减小，具体地，本发明实施例中，对数周期天线的结构角a控制在18~28°，比例因子τ控制在0.78~0.88，具体实施时可以据此进行相应的结构设计。上天线振子31未与天线主阵列2电连接，上天线振子31的中心带34底部与天线主阵列2设有1-2mm的间隙36，通过耦合的方式进行馈电，不会导致天线的感抗发生较大偏移，有利于天线的驻波。下天线振子32与天线主阵列2电连接。如此设计，当天线工作时，对数周期天线产生的最大辐射方向在天线主阵列2的仰角方向，即在天线主阵列2最弱的方向，通过方向图的叠加，进而对天线主阵列2仰角方向±90°-0°的区间辐射信号进行补充。

请参考图3-6，振子臂35包括L形臂351及在L形臂351的横向部分外凸形成分形结构352，有利于天线的小型化。优选地，分形结构352为三角分形、半圆分形、树形分形或顶端加载分形结构，还可以是其他分形结构352，实现对数周期天线的小型化。本发明实施例中，如图5、6所示，分形结构352优选为三角分形，三角分形相邻弯折角∠b控制在120°左右，通过三角分形对天线的间隔因子σ缩减，缩减至0.11-0.15之间，虽然此区间的间隔因子σ并不是能使对数周期天线取得最大增益的值，但此间隔因子σ可以在本发明中实现对侧射式天线进行辅助填充作用的情况下还能最大程度实现全向天线整体横向尺寸的减小。

如图1所示，未加轴向填充副阵列3时，其垂直面方向图呈蝶形，在轴向方向0°是凹陷的，且在±90°-0°的范围内有多个零深，这种缺陷会严重影响通信中的空域覆盖。而本实施例1加了轴向填充副阵列3后，如图11所示，其在垂直面轴向0°方向的凹陷被补平，并对垂直面内的多个零深进行了填充，有效的解决了空域覆盖的信号盲点。即采用本发明的技术方案，通过端射式天线给侧射式全向天线的垂直面补盲，进而实现仰角范围信号的增强。

本发明一种侧射式全向天线的实施例2

本实施例与实施例1不同之处，在于：轴向填充副阵列3位于天线主阵列2的底部，用于对轴向俯角信号有填充。

本发明一种侧射式全向天线的实施例3

本实施例与实施例1不同之处，在于：侧射式全向天线还包括位于天线主阵列2底部的轴向填充副阵列3，用于对轴向俯角信号有填充。

本发明一种侧射式全向天线的实施例4

请参考图7至图10，侧射式全向天线还包括套筒5，套筒5材质优选但不限于玻璃钢。套筒5内壁设置有相对应的凹槽51，介质基板1嵌设在凹槽51内，如此可以防止介质基板1在套筒5内部旋转或滑动，相较于传统的在介质基板1上黏贴珍珠棉，更为方便和可靠。

进一步地，套筒5的顶部设置有顶盖6，底部设置有接头87，接头87内设置有接头，同轴馈线4与接头电连接。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种侧射式全向天线，其特征在于，其包括：

介质基板；

天线主阵列，其设置在所述介质基板上；所述天线主阵列为侧射式天线，最大辐射方向垂直于阵轴方向；

轴向填充副阵列，其设置在所述介质基板上且位于所述天线主阵列的顶部或底部；所述轴向填充副阵列为端射式天线，最大辐射方向平行于阵轴方向；所述端射式天线的波束宽度≤90°，前后比≥20dB；

所述端射式天线为对数周期天线，其包括分别位于所述介质基板上表面和下表面的上天线振子和下天线振子，所述上天线振子和下天线振子镜像对称；所述上天线振子与所述天线主阵列耦合馈电，所述下天线振子和所述天线主阵列电连接；所述上天线振子和下天线振子均包括中心带及互生状设置在所述中心带两侧的振子臂；

所述天线主阵列包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列和第二阵列在轴向中心并联且馈电；

所述第一阵列和第二阵列上均设有多个偶极子单元，位于同一阵列的多个偶极子单元串馈在一起组成多元串馈阵列；每个偶极子单元包括分别印制在介质基板的上表面和下表面且镜像对称设置的两个半波振子。

2.根据权利要求1所述的侧射式全向天线，其特征在于，所述对数周期天线的结构角a为18~28°，比例因子τ为0.78~0.88，间隔因子σ为0.11~0.15。

3.根据权利要求1所述的侧射式全向天线，其特征在于，沿着中心带的底部到顶部方向，振子臂的长度逐个递减，相邻振子臂之间的间距逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的侧射式全向天线，其特征在于，所述振子臂包括L形臂及在L形臂的横向部分外凸形成分形结构。

5.根据权利要求4所述的侧射式全向天线，其特征在于，所述分形结构为三角分形、半圆分形、树形分形或顶端加载分形结构。

6.根据权利要求1所述的侧射式全向天线，其特征在于，所述上天线振子和下天线振子的顶部有贯穿短路点。

7.根据权利要求1所述的侧射式全向天线，其特征在于，所述侧射式全向天线还包括套筒，所述套筒内壁设置有凹槽，所述介质基板嵌设在凹槽内。

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