CN208272118U

CN208272118U - 超宽带水平极化全向天线

Info

Publication number: CN208272118U
Application number: CN201820319484.XU
Authority: CN
Inventors: 李道铁; 吴中林; 刘木林
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Tongyu Communication Inc
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2028-03-08

Abstract

超宽带水平极化全向天线，振子为圆弧形，数量至少3个；各振子弧度约180°，双导体馈电，各对振子不共面；中心通知馈电，获得了较印制形式更好的性能：带宽更宽，达到62%，展宽20%以上；增益较高，达到2.5~4.8dBi，改善1~2dB；效率更高，提高了10%以上；功率容量增大，至少增大100%；五、成本降低，至少减少50%。该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、易批量生产等特点，是低成本Alford环天线的优选方案，而且对于高增益水平极化全向阵列天线、多频水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

Description

超宽带水平极化全向天线

技术领域

本实用新型涉及一种无线通信天线设备与技术，特别是涉及超宽带水平极化全向天线。

背景技术

全向天线是无线通信领域中一种重要的天线类型。长期以来，人们实用新型的全向天线多为垂直极化，而水平极化全向天线的设计则困难得多。但是，水平极化全向天线应用需求同样十分强烈和广泛，如与垂直极化全向天线组成H/V正交双极化全向MIMO天线，以提高通信系统的容量。迄今为止，已实用新型的水平极化水平全向天线几乎都是基于环天线理论，即电小环天线和电大Alford环天线。前者是最早实用新型的水平极化全向天线，但由于周长远小于波长，电流处处等幅同相，它的增益很低、带宽很窄、效率很差，常作为有源接收天线使用；后者则是将多个水平半波振子按圆周方式排列于一块介质基板上，带宽较宽、全向性好、增益和效率较高、剖面很低，但整体尺寸较大、馈电网络设计复杂、成本较高。除上述方案外，还可通过对数周期天线组阵方式来实现，主要方案有：（1）将几支的对数周期天线（LPDA）短端朝上竖直放置，同样排列成一个圆周来实现超宽带水平极化全向天线。这种方案的高度和直径为数个波长量级，对于尺寸要求严格的场景显然是不适用的；（2）将几支对数周期天线短端朝内相对，共面排成圆阵。这种方案同样尺寸大、方向图差、增益低、匹配困难。另外，还有其他一些技术方案，也都存在尺寸大、方向图差的缺点。综上所述，高性能宽带水平极化水平全向天线是无线通信中的关键设备和技术瓶颈。在工程应用需求的背景下，它将始终是天线领域中的重要研究课题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种超宽带水平极化全向天，具有低成本、超宽频带、全向性、水平极化、较高增益、高效率和高功率，以及低剖面、结构简单、适合量产的优点。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：超宽带水平极化全向天线，包括Alford环上臂、Alford环下臂以及馈电电缆；

所述的Alford环上臂设有呈直线的上导体馈线，从上导体馈线的中心至两侧分别设有数量相等、从短至长、从低至高排布的至少三条圆弧振子，圆弧振子的弧度均为π/4，在上导体馈线一侧旋向交错反向设置的所有圆弧振子以上导体馈线的中心为圆心旋转180°后，与上导体馈线另一侧的圆弧振子完全重合；

所述的Alford环下臂设置在Alford环上臂的下方，设有呈直线的下导体馈线，从下导体馈线的中心至两侧分别设有位于数量相等从短至长、从高至低排布的至少三条圆弧振子，圆弧振子的弧度均为π/4，Alford环下臂是以上导体馈线的轴线为对称轴对Alford环上臂的完全镜像；

所述的馈电电缆的内外导体分与上导体馈线和下导体馈线相连。

进一步，所述的上导体馈线的顶面和底端的中间部分均为平面，顶面中间部分的平面长度小于底面中间部分的平面长度，顶面和底面从中心往两侧方向逐渐朝上斜倾。

进一步，所述的圆弧振子的宽度与弧长比例约0.05~0.15，最内条圆弧振子的半径为（0.15~0.20）×λ _L，最外条圆弧振子的半径为（0.80~1.0）×λ _L，其中，λ _L为最低工作频率。

进一步，所述的Alford环上臂和Alford环下臂之间为空气或填充介质层。

进一步，所述的Alford环上臂或Alford环下臂为一体成型。

进一步，所述的Alford环上臂或Alford环采用良金属导体材料制作而成。

本实用新型有益效果是：

本实用新型以电大Alford环天线为物理原型，摈弃了常见的成本较高的印制形式，而将介质基板变成空气层，再将水平圆弧振子与平行馈线一体化成形。通过优化振子和馈线的几何参数，本实用新型实现了Alford环天线超宽带宽（1.20-2.30GHz，VSWR≤2.0，BW=1.1GHz，62.86%）、展宽20%以上；较高的增益（G=2.5-4.8dBi）、改善1~2dB；较好的水平全向性（不圆度<15dB）、高效率（η _A≥88%）、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径（≈1.12×λ _L，λ _L为最低工作频率）和较低的剖面（≈0.21×λ _L）；功率容量增大，至少增大100%；成本降低，至少减少50%，直径尺寸增大到约1⋅λ _L,另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是宽频带、低成本、高功率水平极化全向的可选方案。而且，对于高增益水平极化全向阵列天线、多频段水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

附图说明

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2为超宽带水平极化全向天线的上臂模型俯视图。

图3为超宽带水平极化全向天线的下臂模型俯视图。

图4为超宽带水平极化全向天线的平行双导体馈线模型的正视图。

图5为超宽带水平极化全向天线的平行双导体馈线模型的俯视图。

图6为超宽带水平极化全向天线的完整几何模型的俯视图。

图7为超宽带水平极化全向天线的完整几何模型的正视图。

图8为超宽带水平极化全向天线的完整几何模型的爆炸图。

图9为超宽带水平极化全向天线的输入阻抗Z _in曲线。

图10为超宽带水平极化全向天线的反射系数|S ₁₁|曲线。

图11为超宽带水平极化全向天线的驻波比VSWR曲线。

图12为超宽带水平极化全向天线f ₁=1.20GHz频点的2D增益方向图。

图13为超宽带水平极化全向天线f ₂=1.55GHz频点的2D增益方向图。

图14为超宽带水平极化全向天线f ₃=1.95GHz频点的2D增益方向图。

图15为超宽带水平极化全向天线f ₄=2.30GHz频点的2D增益方向图。

图16为超宽带水平极化全向天线的最大增益随频率f变化特性。

图17为超宽带水平极化全向天线的效率η _A随频率f变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图给出实用新型的较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。这里，将给出相应附图对本实用新型进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制或限定本实用新型。

本实用新型目的是为无线通信提供一种低成本、超宽频带、全向性、水平极化、较高增益、高效率和高功率，以及低剖面、结构简单、适合量产的水平极化全向天线，并为高增益水平极化全向阵列天线、多频段水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

超宽带水平极化全向天线，包括Alford环上臂、Alford环下臂以及馈电电缆；

所述的Alford环上臂设有呈直线的上导体馈线，从上导体馈线的中心至两侧分别设有数量相等、从短至长、从低至高排布的至少三条圆弧振子，圆弧振子的弧度均为π/4，在上导体馈线一侧旋向交错反向设置的所有圆弧振子以上导体馈线的中心为圆心旋转180°后，与上导体馈线另一侧的圆弧振子完全重合。

所述的Alford环下臂设置在Alford环上臂的下方，设有呈直线的下导体馈线，从下导体馈线的中心至两侧分别设有位于数量相等从短至长、从高至低排布的至少三条圆弧振子，圆弧振子的弧度均为π/4，Alford环下臂是以上导体馈线的轴线为对称轴对Alford环上臂的完全镜像。

上导体馈线的顶面和底端的中间部分均为平面，顶面中间部分的平面长度小于底面中间部分的平面长度，顶面和底面从中心往两侧方向逐渐朝上斜倾，下导体馈线与上导体馈线完全对称设置，上导体馈线与下导体馈线还可采用圆柱形、长方形等形式作为双导体馈电，采用图所示的双导体馈电，具有更好的匹配效果。

以三条圆弧振子为例，双导体馈线的中间部分平行，往两侧上下两导体逐渐朝外张开；各对圆弧振子单独分布在一个平面上，按照短在内长在外的顺序，从馈线的中间低处往两侧的高处排列，呈阶梯状排布，即Z轴方向交错排布。上导体馈线的顶面中心为上导体馈线顶面平面421，其底面中心为上导体馈线底面平面，上导体馈线底面平面的长度大于上导体馈线顶面平面421，从上导体馈线顶面平面421向两侧方向向上倾斜，该倾斜平面为上导体馈线顶面斜面411，从上导体馈线底面平面向两侧方向向上倾斜，该倾斜平面为上导体馈线底面斜面401，在上导体馈线的一侧一体成型有三条圆弧振子101、201、301，三条圆弧振子101、201、301旋向交错反向设置在上导体馈线上，三条圆弧振子101、201、301的弧度均为π/4，从圆弧振子301至圆弧振子101的半径逐渐增大，自内向外半径分别为（0.15~0.20）×λ _L、（0.45~0.60）×λ _L、、（0.80~1.0）×λ _L；圆弧振子的每臂长度约（0.20~0.25）×ð，其宽度与弧长比例约0.05~0.15。上导体馈线的另一侧一体成型有三条圆弧振子111、211、311，三条圆弧振子111、211、311以上导体馈线的中心为圆心旋转180°后，与圆弧振子101、201、301完全重合。

而下导体馈线的顶面中心为下导体馈线顶面平面，下导体馈线顶面平面的大小与上导体馈线底面平面相同，下导体馈线的底面中心为下导体馈线底面平面422，下导体馈线底面平面422与上导体馈线顶面平面421相同，从下导体馈线顶面平面向两侧方向向下倾斜，该两个倾斜平面为下导体馈线顶面斜面402，下导体馈线顶面斜面402与上导体馈线底面斜面401大小形状相同，从下导体馈线底面平面向两侧方向向下倾斜，该两个倾斜平面为下导体馈线底面斜面412，下导体馈线底面斜面412与上导体馈线顶面斜面411大小形状相同。

所述的馈电电缆的内外导体分与上导体馈线和下导体馈线相连，在上导体馈线和下导体馈线的中心对称设置中心对称口500，馈电电缆的内导体穿过下导体馈线中心对称口后与上导体馈线相连，馈电电缆的外导体与下导体馈线相连。

所有圆弧振子的宽度与弧长比例约0.05~0.15，最内条圆弧振子的半径为（0.15~0.20）×λ _L，最外条圆弧振子的半径为（0.80~1.0）×λ _L，其中，λ _L为最低工作频率，以六条圆弧振子为例，从中心向两侧的三条圆弧振子以中心180°旋转对称，两侧的三条圆弧振子自内向外半径分别为（0.15~0.20）×λ _L、（0.45~0.60）×λ _L、、（0.80~1.0）×λ _L；圆弧振子的每臂长度约（0.20~0.25）×ð，其宽度与弧长比例约0.05~0.15。当大于三条时，最内的圆弧振子和最外条圆弧振子的半径确定，其它圆弧振子位于两个半径之间，相临的圆弧振子之间的间距不等。

Alford环上臂和Alford环下臂之间为空气或填充介质层，以支撑两臂或减小环的尺寸。

Alford环上臂或Alford环下臂为一体成型，辐射体为圆弧对称振子，馈线为双导体传输线，振子与馈线一体化加工成形。。

Alford环上臂或Alford环采用良金属导体材料采用切割、钻削、压铸等常规五金工艺加工制作而成。

超宽带水平极化全向天线的构建方法，包括以下步骤：

步骤一，如图1所示，建立空间直角坐标系；

步骤二，构造Alford环的上臂：在XOY平面，以坐标原点O为圆心，分别作至少三条半径不等、弧度为π/4的圆弧振子，圆弧振子的起始角相同，旋向交错反向，从低至高排布，如图6所示，即在XOY平面内交错，旋向相反，如图7所示，在ZOY平面内交错开成阶梯排布，以坐标原点O为中心将以上所述的至少三条圆弧振子复制后，将复制的圆弧振子一起旋转180°，构成三对旋转对称、起始端在同一直径的圆弧段，在所有圆弧振子的起始端连线上放置一根上导体馈线，与三对圆弧段连为一体，构成Alford环的上臂，如图2的圆弧振子101、201、301，圆弧振子111、211、311以及上导体馈线各部分；

步骤三，构造Alford环的下臂，将步骤二的Alford环上臂以上导体馈线轴线为对称轴，对Alford环上臂进行镜像复制，再将其镜像部分竖直朝下移开一段距离，形成Alford环的下臂，如图3所示的圆弧振子112、212、312，圆弧振子102、202、302，以及下导体馈线各部分；

步骤四，在步骤三的Alford环的上下两臂的对称中心处，将一根50Ω同轴馈电电缆内外导体分别与上导体馈线和下导体馈线相连，图4所示的馈电电缆内导体601、馈电电缆外导体602。

最终成型的天强如图5-图8所示，1）振子为圆弧形，数量至少3个；2）各振子弧度约180°，最长振子的半径约1个波长；3）双导体馈电，两导体中间平行，两端张成斜角；4）各对振子不共面；5）中心通知馈电，获得了较印制形式更好的性能：一、带宽更宽，达到62%，展宽20%以上；二、增益较高，达到2.5~4.8dBi，改善1~2dB；三、效率更高（η _A≥88%），提高了10%以上；四、功率容量增大，至少增大100%；五、成本降低，至少减少50%。然而，直径尺寸增大到约1⋅λ _c，不圆度变差，交叉极化XPD变差，但可通过增加阵元数来改善。

该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、易批量生产等特点，是低成本Alford环天线的优选方案，而且对于高增益水平极化全向阵列天线、多频水平极化全向天线和H/V双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

图9为超宽带水平极化全向天线的输入阻抗Z _in曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是阻抗Z _in，单位为Ω; 实线表示实部R _in，虚线表示虚部X _in。由图知，在1.20~2.30GHz频带内，实部和虚部变化范围分别为：+28~+52Ω和-8~+30Ω，具有明显的超宽带阻抗特性。

图10为超宽带水平极化全向天线的反射系数|S ₁₁|曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是S ₁₁的幅度|S ₁₁|，单位为dB。由图知，天线实现了超宽带工作（1.20~2.30GHz, BW=1.1GHz, 62.86%, |S ₁₁|≤-10 dB）。

图11为超宽带水平极化全向天线的驻波比VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR。由图知，天线实现了超宽带工作（1.20~2.30GHz, BW=1.1GHz,62.86%，VSWR≤2.0）。

图12为超宽带水平极化全向天线f ₁=1.20GHz频点的2D增益方向图。其中，实线表示E-面（水平面），虚线表示H-面（竖直面）。由图知，增益G=2.48dBi，E面（水平面）的不圆度较好（<10dB）。

图13为超宽带水平极化全向天线f ₂=1.55GHz频点的2D增益方向图。其中，实线表示E-面（水平面），虚线表示H-面（竖直面）。由图知，增益G=3.72dBi，E面（水平面）的不圆度较好（<12.5dB）。

图14为超宽带水平极化全向天线f ₃=1.95GHz频点的2D增益方向图。其中，实线表示E-面（水平面），虚线表示H-面（竖直面）。由图知，增益G=2.68dBi，E面（水平面）的不圆度较好（<7dB）。

图15为超宽带水平极化全向天线f ₄=2.30GHz频点的2D增益方向图。其中，实线表示E-面（水平面），虚线表示H-面（竖直面）。由图知，增益G=2.51dBi，E面（水平面）的不圆度较差（<15dB）。

图16为超宽带水平极化全向天线的最大增益随频率f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是增益，单位是dBi。由图知，带内增益变化范围为G=2.5~4.8 dBi，比印制Alford环天线提高近1~2dBi。

图17为超宽带水平极化全向天线的效率η _A随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是效率。由图知，整个频带内，天线效率η _A≥88%，效率较高。

以上仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制或限定本实用新型。对于本领域的研究或技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型所声明的保护范围之内。

Claims

1.超宽带水平极化全向天线，其特征在于：包括Alford环上臂、Alford环下臂以及馈电电缆；

2.如权利要求1所述的超宽带水平极化全向天线，其特征在于：所述的上导体馈线的顶面和底端的中间部分均为平面，顶面中间部分的平面长度小于底面中间部分的平面长度，顶面和底面从中心往两侧方向逐渐朝上斜倾。

3.如权利要求1所述的超宽带水平极化全向天线，其特征在于：所述的圆弧振子的宽度与弧长比例约0.05~0.15，最内条圆弧振子的半径为（0.15~0.20）×λ _L，最外条圆弧振子的半径为（0.80~1.0）×λ _L，其中，λ _L为最低工作频率。

4.如权利要求1所述的超宽带水平极化全向天线，其特征在于：所述的Alford环上臂和Alford环下臂之间为空气或填充介质层。

5.如权利要求1所述的超宽带水平极化全向天线，其特征在于：所述的Alford环上臂或Alford环下臂为一体成型。

6.如权利要求1所述的超宽带水平极化全向天线，其特征在于：所述的Alford环上臂或Alford环采用良金属导体材料制作而成。