CN1773771B - 一种正交环形天线 - Google Patents
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Abstract
本发明所公开一种适用于电视发射、差转和调频广播发射的圆环形天线。本发明由设置于中心杆上的2n个单元天线组成，每个单元天线由两个的正交环构成，两个的正交环间离为0.3～0.5倍λ0，每个正交环由空心金属管制成且相互正交布置的两个带有开口的圆环构成。
Description
技术领域
本发明所涉及一种圆环形天线，这种天线特别适用于电视发射、差转和调频广播发射。本发明所涉及的圆环天线具有沿圆环的正弦电流分布。
背景技术
中国发明专利91103152.9公开一种正交环形天线，该天线具有沿圆环均匀的电流分布，其结构是：在常规双环天线的中垂面上环对应位置设置另一个周长等于λ的金属圆环，位于中间馈电点同侧的新设各圆环间用平行导线连接，各正交环间绝缘，最外侧两组下交环在外端短路，最内侧两组正交环用λ/4馈线并接。其结构简单，调整方便，造价低廉，由于其结构的特征使该天线辐射特性为水平极化。根据实际的检测，该天线给出了8MHz的带宽，其增益约4.5dB。但这种天线用于电视发射时仍存在带宽不足的问题，一个天线只能发射一个频道的节目。
发明内容
本发明提供一种新的环形天线，这种天线将有比现有技术更宽的带宽，较高的增益，并且保留现有技术所有的结构相对简单、造价低廉、抗风性好的优点。
本发明由设置于中心杆上的2n个单元天线组成，其中的n等于0或大于0的任一自然数，各单元天线间的距离为中心工作频率波长λ0的0.3～0.5倍，每个单元天线由两个的正交环构成，两个的正交环间离为0.3～0.5倍λ0，每个正交环由空心金属管制成且相互正交布置的两个带有开口的圆环构成，每个圆环的周长为λ0，每个正交环上的两个正交圆环各在一个相交位置处短路，而在另一相交位置处是环的开口，在两个圆环的短路相交位置向两个环的金属管内分别穿入一根同轴馈线，两根电缆长度相差λ0/4，馈线延伸到圆环的开口，并将其内外导体分别接在开口的两端，形成两个环各自的同轴馈电，并使两个圆环馈电长度相差λ0/4，使两个正交的圆环馈电相位相差π/2，满足一个圆环上电流分布为I＝I0sinωt，而另一个与其正交的圆环上电流分布则为I＝I0cosωt的旋转极化馈电，再用另两根长度相差λ0/4馈线，将这两根馈线的输入端并接，输出端分别与同一个单元天线中的两个正交环上的馈线输入端相接，各单元天线间也用长度相差λ0/4的馈线联接。各单元天线间也用长度相差λ0/4的馈线联接，每两个单元天线间的馈接方式与每个单元中两正交环馈接方式相同。
天线的阻抗是天线的重要参数，基础天线阻抗通常是随频率变化的变值，实用天线阻抗应该是一个给定的实数值，以便在统一标准下互接。本发明的工作机理是将正交的两个圆环接上特定阻抗的短馈线，馈线另一端呈现的阻抗在阻抗圆图上看是沿等驻波系数圆变化的值，适当选取短馈线的长度，使两根短馈线输入端的阻抗成为在阻抗圆图实轴两侧对称的值，即形成一对共轭阻抗。将两根馈线输入端并接，其阻抗的虚部，即电抗部分将相互抵消，成为一个实数电阻。如果两根短馈线长度相差四分之一波长，则可以在消除电抗的基础上同时实现旋转极化馈电，实现天线水平全向辐射。在满足上述馈接条件下，还可以实现阻抗补偿，从并接端输入的信号经较长的同轴电缆到达天线的相位要延迟四分之一波长，经天线反射后反射波返回输入端长同轴电缆还要延迟四分之一波长，这样两根相同天线馈线相差四分之一波长后，两路反射波相位相差二分之一波长，即两路反射波反相，在并接的输入端反射波抵消，实现阻抗补偿。相差四分之一波长馈电的天线，随频率变化在输入端呈现的电抗变化趋势相反，在并接输入端又可以实现频率补偿，展宽频带。本发明由于采取了两组正交环天线，再用相差四分之一波长馈电的方式实现二次补偿，进一步展宽频带，减小信号反射。当本发明采用多个单元天线还可以实现更多次的补偿。在实施补偿的同时多个单元天线经不同长度的馈线馈电后，使其水平极化方向不同，并通过在结构上调整，使其一致。由于单元天线的阻抗是非标准的，因此还需要适当变换，变为标准阻抗，便于配接，保证信号有效传输。下式为本发明天线的远场区场的表达式：
本发明具有如下优点：
1、结构简单、坚固可靠、调节方便、造价低廉。本发明与现有的正交环天线造价相当。
2、增益高，与结构难度相同的双十字天线相比，增益提高3dB。
3、方向特性好，水平方向图在中心频率处接近全圆，偏离中心频率较大时变为椭圆。垂直方向图为半椭圆形，没有零点，也是理想的辐射方向图，可以完全克服“塔下黑”、零点盲区等难题。
4、本发明的增益实际测量值为4.2dB左右(与现有正交环形天线相当)，驻波系数小于1.3。当本发明采用多单元天线结构时，其增益将会更大。
5、带宽宽，以电视9频道频率制作的样品，输入阻抗带宽实测可超过60MHz，远大于电视发射要求的8MHz的带宽。实际发射试验，可以在大于24MHz的三个频道上正常发射，可以同时发射多路电视信号。
6、本发明有良好的抗风性能。
7、结构简单，造价低，便于安装，其性价比优于现有技术。
附图说明
图1为本发明的一个单元天线的实施例示意图。图2为环开口处馈线连接示意图。图3为本发明的多单元天线实施例示意图。图4为馈线配线示意图。图5为良好匹配下的驻波图。图6为带宽带驻波图。图7为205MHz时本发明实测垂直方向场强图。图8为185MHz时本发明实测水平方向场强图。图9为205MHz时本发明实测水平方向场强图。图10为215MHz时本发明实测水平方向场强图。图11为235MHz时本发明实测水平方向场强图。
图中：1为设置天线的中心杆；2和7分别为正交环上的两个环的交点；3为正交环；4为网络匹配；5输入馈线；6为输入馈线与网络匹配间的连线；8穿入一个正交环的馈线未端的内导体；9为设于同一环开口另端处的短路套，以使馈线内导体8与共短路；10与11分别为两个各由两个正交环组成的单元天线；附图4中的12；13；14；15各为接线端。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明详细解说：
附图1给出的本发明一个单元天线的结构与附图3给出n＝1的二单元天线的结构中，其正交环的结构和各环的结构，以及环内馈线设置都是相同。
在附图1给出的一单元天线结构中，有两个对称的正交环3。两个正交环3间的距离为0.3～0.5倍λ0，其中的λ0为天线中心工作频率。而每个正交环3是由两个相互正交布置的开口圆环构成。每个开口圆环是用空心金属管制成，且每个圆环的周长为λ0。两个圆环在正交相交的一个位置处短路，而在另一相交位置处是环的开口，并且两个圆环间相互绝缘。以图1为例，位于匹配网络4上面的正交环在2处短路，各环开口则位于7处，同理，下面所设的正交环与上面环的情况是对称的。在实际的应用中，也可以7将2处设置环的开口，而在7处设置短路，但这样将会使馈线布置有一定的麻烦。取两根长度相差λ0/4的馈线，将这两根馈线的输入端并接；其输出端在每个正交环的短路相交位置各向一个环的金属管内穿入一根同轴馈线，馈线的未端延伸到圆环的开口外，并将其内外导体分别接在开口的两端，形成两个环各自的同轴馈电，参见附图2，在图2中馈线的外导体与图中左边的管相短路，馈线的内导体8则通过与设于环开口另一端处的短路套9相短路，实现与管开口另端的连接。由于两个圆环馈电长度相差λ0/4，使两个正交的圆环馈电相位相差π/2，这种馈电方式就可以使一个圆环上电流分布为I＝I0sinωt，而使与其正交的另一个圆环上电流分布为I＝I0cosωt，这样正交的两个圆环接上特定阻抗的短馈线，馈线另一端呈现的阻抗在阻抗圆图上看是沿等驻波系数圆变化的值，适当选取短馈线的长度，使根短馈线输入端的阻抗成为在阻抗圆图实轴两侧对称的值，即形成一对共轭阻抗。将两根馈线输入端并接，其阻抗的虚部，即电抗部分将相互抵消，成为一个实数电阻。又由于两根短馈线长度相差四分之一波长，则可以在消除电抗的基础上同时实现旋转极化馈电，实现天线水平全向辐射。在满足上述馈接条件下，还可以实现阻抗补偿，从并接端输入的信号经较长同轴电缆到达天线的相位要延迟四分之一波长，经天线反射后反射波返回输入端长同轴电缆还要延迟四分之一波长，这样两根相同天线馈线相差四分之一波长后，两路反射波相位相差二分之一波长，即两路反射波反相，在并接的输入端反射波抵消，实现阻抗补偿。相差四分之一波长馈电的天线，随频率变化在输入端呈现的电抗变化趋势相反，在并接输入端又可以实现频率补偿，展宽频带。再用另两根长度相差λ0/4馈线，将这两根馈线的输入端并接，输出端分别与同一个单元天线中的两个正交环上的馈线输入端相接。
本发明用正交环间馈电相位相差π/2实现了旋转极化，在工作中心波长上为圆极化、其他点上为椭圆极化。在工作中心波长上利用导纳圆图(史密斯圆图)关于实阻抗轴对称的两点来保证功率平均分配。短路点(图(1)上的B、B’点)上的可调电容补偿片可以将单环天线的阻抗调节到合适的位置。在每两组正交环用长度相差λ0/4的馈线馈电实现第二次回波相消。
附图3的两单元天线中各单元天线的正交环间馈电与前述相同，其各单元天线间的距离为0.3～0.5倍λ0，各而且单元间也用长度相差λ0/4的两根馈线连接，其连线方式与同一单元天线中两正交环间的连线是相同的。对于多单元天线，即n>1的情况，其连线参照上述的原则。也就是接好各正交环后，再将每两个单元天线用长度相差λ0/4的馈线联接，每两个单元天线间的馈接方式与每个单元中两正交环馈接方式相同，然后再将每两个单元与另两个单元天线接这一方法连线连接。
本发明的一个实施例是中心工作频率λ0＝196MHz的天线，其实测的数据参见图5至图11。从所测数据可见，本发明具有增益高，方向特性好，具有较理想的辐射方向图，带宽宽等优点。
本发明与现有的正交环天线在同一几何尺寸、同一重量，同一发射功率下性能对比如下：
| 项目 | 本发明 | 正交环天线 |
| 应用频率范围/MHz | 165～860 | 213-225 |
| 带宽/MHz | ＞60 | 12 |
| 增益/dB | ≈4.2 | ≈4.5 |
| 驻波系数 | ≤1.3 | ≤1.25 |
| 馈电方式 | 旋转极化馈电 | 旋转极化馈电 |
| 水平波瓣/° | 360 | 360 |
| 垂直波瓣/° | 85 | 80 |
| 标配阻抗/Ω | 50 | 50 |
| 抗风强度/m/s | 60 | 60 |
| 尺寸/mm | 2500 | 2000 |
| 重量/kg | 20 | 20 |
| 发射功率/W | 100 | 100 |
Claims (1)
1.一种正交环形天线，其特征在于天线由设置于中心杆上的2n个单元天线组成，其中的n为等于0或大于0的任一自然数，各单元天线间的距离为中心工作频率波长λ0的0.3～0.5倍，每个单元天线由两个正交环构成，两个正交环间的距离为0.3～0.5倍λ0，每个正交环由空心金属管制成且相互正交布置的两个带有开口的圆环构成，每个圆环的周长为λ0，每个正交环上的两个正交圆环各在一个相交位置处短路，而在另一相交位置处是环的开口，并且两个圆环间相互绝缘，取两根长度相差λ0/4馈线，将这两根馈线的输入端并联，输出端在每个正交环的短路相交位置各向一个圆环的金属管内穿入一根同轴馈线，馈线延伸到圆环的开口，并将其内外导体分别接在开口的两端，形成两个圆环各自的同轴馈电，并使两个圆环馈电长度相差λ0/4，使两个正交的圆环馈电相位相差π/2，满足一个圆环上电流分布为I＝I0sinωt，而另一个与其正交的圆环上电流分布则为I＝I0cosωt的旋转极化馈电，再用另两根长度相差λ0/4馈线，将这两根馈线的输入端并联，输出端分别与同一个单元天线中的两个正交环上的馈线输入端相接，各单元天线间也用长度相差λ0/4的馈线联接，每两个单元天线间的馈接方式与每个单元中两正交环馈接方式相同。
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