CN1996666A - 一种非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线，含有同轴段和辐射段，其特点是该非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线是将同轴线以不相等的间隔和长度做外导体切割，保留外导体的同轴段(5)，切割外导体的辐射段(6)，外导体与内导体(3)之间填充绝缘介质(2)，外导体外装设玻璃钢外壳(4)，玻璃钢外壳的前端装设N型接头(1)，玻璃钢外壳的后端装设塑料天线盖(7)。

Description

一种非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线，属于无线通讯领域。

背景技术

在现代社会中，无论是在民用和军事领域，无线通讯扮演着极为重要的角色。近数十年来，无线通讯得到了迅猛的发展，对人们的生活和工作起着越来越大的作用。天线是无线通讯系统不可缺少的重要组成部分，无线通讯系统在功能、容量、质量和服务业务上不断地升级，对无线通讯系统的天线提出了越来越高的性能要求。

目前，有多类全向高增益天线被应用于无线通讯系统中，特别是作为通讯基站天线。为保障无线通讯的覆盖区域和获得高质量通讯效果，常常要求这些全向天线具有很高的水平增益。应用较广泛的高增益全向天线有：同轴交叉共线天线(Coaxial CollinearAntenna)、同轴缝隙天线和微带全向阵列天线等。

同轴线是一类应用极为广泛的传输线。电磁能量可以在内外导体之间的封闭腔体内无辐射损耗地传输。如果在同轴线上环切掉部分同轴线外导体，电磁能量就会从外导体缝隙处辐射出去，同轴线便构成一副天线，称为同轴缝隙天线。

为了获得高增益，同轴缝隙天线通常是在同轴线上按一定间隔多处环切。保留外导体的同轴线部分(同轴段)属于传输线，起着转输能量的作用。除去外导体部分既传输能量，又对外辐射电磁能量，为同轴缝隙天线的辐射段。一段同轴段和一段辐射段构成了的一个辐射单元，实际应用的同轴缝隙天线是由数个到数十个辐射单元组成的阵列天线。

作为阵列天线，同轴缝隙天线有并联馈电或串联馈电两种方式，将多个辐射单元组成阵列天线。并联馈电方式可获得更高增益，但天线往往全向性不好，而且结构复杂，因此大多数现有同轴缝隙天线采用串联馈电的方式。

同轴缝隙天线由于结构上的对称性，具有理想的全向辐射特性。辐射效率高并且结构简单、加工方便，因此在无线通讯中得到了广泛应用。

现有同轴缝隙天线采用结构完全一致的辐射单元，即各辐射单元的同轴段和辐射段都有相同的长度。在采用串联馈电方式时，这种均匀结构对同轴缝隙天线性能带来了如下不利影响：

1.在串联馈电方式下，从馈电端口进入天线的电磁能量边沿天线边传输边辐射，逐步减小，到达远离馈电端口的辐射单元时已很弱了。因此同轴缝隙天线作为一类阵列天线，理论上增加辐射单元数量可以提高天线增益，但实际存在“增益极限”，当辐射单元达到一定数量后，难以靠增加辐射单元进一步提高天线增益。

从理论上，只有当阵列天线的每个辐射单元的辐射功率值相等时，天线增益才能达到最大。而现有同轴缝隙天线的辐射单元结构相同，其辐射效率相等，而传输到各单元的电磁能量逐步减弱，因此各单元的辐射功率呈递减的趋势，这造成天线增益不能达到最大。事实上，现有同轴缝隙天线的实际增益通常在12dBi以下，难以满足无线通讯系统对天线高增益的要求。

2.同轴缝隙天线辐射方向图的主瓣通常与水平面存在一定的倾斜角，称为主瓣倾斜角。在天线架高一定的情况下，主瓣倾斜角将严重影响天线覆盖区域的范围大小，因此在天线设计时还必须通过调整天线结构参数来调节主瓣倾斜角，以满足无线通讯的要求。

对现有同轴缝隙天线，由于辐射单元的结构完全一致，只有少量天线结构参数可供用于调节天线的主瓣倾斜角，为了保证驻波、增益等其它性能指标，这些天线结构参数能够调整的范围也较小。这为同轴缝隙天线主瓣倾斜角的调节带来了很大困难，在部分同轴缝隙天线的设计中，难以将天线主瓣倾角调节到通讯所要求的最佳角度。

关于同轴缝隙天线已有较多的研究文献。“Radiation Characteristics of Dielectric-Coated Coaxial Waveguide Periodic Slot with Finite and Zero Thickness”(发表在1999发版的IEEE Transactions on Antennas and Propagation，VOL.47，NO.1)采用了模式匹配法和有限积分法分析了缝隙深度对同轴缝隙天线辐射性能的影响，文中的同轴缝隙天线缝隙结构具有相同的尺寸和间距；在2003年发表在《电波科学》第18卷第3期的论文“同轴线斜置缝隙振子的阻抗和辐射特性”提出了一种结构新颖的同轴缝隙天线，其缝隙不是传统地沿圆周环切，而是与轴线成一定夹角地倾斜切割，但辐射单元结构的间隔和长度仍是相等的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种采用非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线，其特点是将同轴线以不相等的间隔和长度切割外导体，保留外导体的同轴线部分(同轴段)属于传输线，起着转输能量的作用。除去外导体部分既传输能量，又对外辐射电磁能量，为天线的辐射段，一段同轴段和一段辐射段构成了天线的一个辐射单元。由于切割外导体的间隔和长度不相等，因此本发明的同轴缝隙天线由若干非均匀辐射单元组成。

本发明的目标由以下技术措施实现：

非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线含有同轴段和辐射段，其特点是将同轴线以不相等的间隔和长度做外导体切割，保留外导体的同轴段，切割外导体的辐射段，外导体与内导体之间填充绝缘介质，外导体外装设玻璃钢外壳，玻璃钢外壳的前端装设N型接头，玻璃钢外壳的后端装设塑料天线盖。

绝缘介质为聚四复乙烯或环氧树脂。

本发明具有如下优点：

1.以获得最大的天线增益

对于由多个辐射单元组成的阵列天线，只有当每个辐射单元的辐射功率值相等时，天线增益才能达到最大。在串联馈电方式下，馈入同轴缝隙天线的电磁能量沿天线边传输边辐射，逐步减小，如果如现有同轴缝隙天线的均匀结构，各辐射单元结构相同，辐射效率相同，则各单元的辐射功率是随离开馈源距离而逐步减弱，因此不能获得最大天线增益。

对同轴缝隙天线中的各辐射单元，改变同轴段或辐射段长度可以改变单元的辐射效率。在本发明中，各单元的长度可以不相等，因此能够通过优化设计，让各辐射单元的辐射效率随离馈源距离呈逐步增加的趋势，补偿在辐射单元中传输的电磁能量随离馈源距离而逐步减小的趋势，从而使各单元的辐射功率基本一致，获得最大的天线增益。

2.为调节同轴缝隙天线的主瓣倾斜角提供了充足的手段

同轴缝隙天线属于一类阵列天线，其总辐射方向图是各单元辐射方向图的叠加。各辐射单元中同轴段或辐射段长度的改变都可以改变该单元的辐射方向图，进而影响天线的总辐射方向图。本发明的同轴缝隙天线的各辐射单元中同轴段和辐射段长度可以不相等，都是可供调整的结构参数，这为调节同轴缝隙天线的主瓣倾斜角提供了充足的手段。

附图说明

图1为非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线结构示意图

1.N型接头，2.绝缘介质，3.同轴线内导体，4.玻璃钢外壳，5.同轴段，6.辐射段，7.天线后盖

图2为非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线切割外导体示意图

图3为非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线三维辐射方向图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线结构如图1～2所示，图1为非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线结构示意图，图2为非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线切割外导体示意图。该非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线是将同轴线以不相等的间隔和长度切割外导体，保留外导体的同轴段5，切割外导体的辐射段6，一段同轴段和一段辐射段组成天线的一个辐射单元。外导体与内导体3之间填充绝缘介质2，绝缘介质为聚四复乙烯或环氧树脂。外导体外装设玻璃钢外壳4，玻璃钢外壳的前端装设N型接头1，玻璃钢外壳的后端装设塑料天线盖7。

该天线由16节辐射单元组成，要求辐射方向图为水平全向，工作频率为5.725GHz，在工作频率上的电压驻波系数VSWR小于2，最大增益要大于14dBi，并且辐射主瓣倾角为0°，即最大辐射方向沿水平面。

采用计算机辅助的天线自动设计，利用遗传算法并结合天线数值仿真对同轴缝隙天线各单元的辐射段和同轴段长度进行了优化设计。为简化设计过程和减小优化计算量，将各辐射单元中同轴段的长度设为相同，优化得到的同轴段长度为20.5mm。各单元中辐射段长度为不等，优化得到的各单元(从馈电端口开始)中辐射段的长度分别为：11、16、16、19、13、20、20、18、21、19、15、15、16、16、15、14mm。

优化设计得到的非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线三维辐射方向图如图3所示。该天线的在工作频率(5.725GHz)的电压驻波系数为1.83，增益达到了14.8dBi，其主瓣倾斜角为0°，完全达到了设计要求。

Claims (2)

1.一种非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线，含有同轴段和辐射段，其特征在于该同轴缝隙天线是将同轴线以不相等的间隔和长度做外导体切割，保留外导体的同轴段(5)，切割外导体的辐射段(6)，外导体与内导体(3)之间填充绝缘介质(2)，外导体外装设玻璃钢外壳(4)，玻璃钢外壳的前端装设N型接头(1)，玻璃钢外壳的后端装设塑料天线盖(7)。

2.如权利要求1所述非均匀辐射单元结构的同轴缝隙天线，其特征在于绝缘介质为聚四复乙烯或环氧树脂。