CN209133696U - 超宽带高增益水平极化全向天线 - Google Patents

Abstract

超宽带高增益水平极化全向天线，构造全波半波混合振子的Alford环臂；利用Alford环臂构成完整的Alford环天线；并对Alford环天线中心同轴线馈电。在圆阵每一臂的全波振子内侧、圆阵中部位置，添加一对末端短路的半波振子单元；在半波振子外侧设置一对开路枝节；阵列采用平行双导体传输线馈电，传输线由多节不等长宽变换段组成，最外一节变换段的上下双导体左右偏移，而非中心重合；全波振子中间的外侧开一弧形切口。通过优化全波振子、半波振子、开路枝节和平行馈线的几何参数，本实用新型实现了Alford环天线单元的超宽带宽、较高的增益、良好水平全向性、高效率、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径和超低剖面。

Description

超宽带高增益水平极化全向天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信天线设备与技术，具体说的是超宽带高增益水平极化全向天线。

背景技术

水平极化全向天线是无线电工程中的一种重要的天线类型，应用需求非常广泛，如与垂直极化全向天线组成H/V正交双极化全向MIMO天线，以满足低成本和高容量需求。迄今为止，已实用新型的各类水平极化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，但由于周长远小于工作波长，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；后者则是将多个半波振子水平共面排列成圆阵，它的带宽较宽、全向性好、效率较高、剖面很低，但增益通常仅1dBi左右。而且，直径较大、馈电网络设计复杂、成本较高。为了获得更高增益，通常将多个水平极化全向单元沿竖直方向共轴组阵，然后用功分网络馈电。然而，由于各单元不在同一平面，随着数量增加，该方案的馈电设计变得愈加复杂。另外，在很多应用场合，天线高度有严格限制，故无法通过增加单元数、增大阵元间距来提高阵列增益。这种情况下，提高单元增益却是最行之有效的方法。单元增益提高有以下两种方法：第一种方法是，增加圆阵中半波阵子（L≈0.5·λ）单元的数量，振子数增加使得圆阵半径随之增大，增益得以提高，见图 2所示。然而，随着振子数量增多，圆阵阻抗匹配越加困难，水平方向的增益明显下降，不圆度也将显著变差，而且带内方向图差异很大，效率也大大降低；第二种方法是，将圆阵中的半波振子单元变成全波振子（full-wavelength dipole，L≈1.0·λ）。由于全波振子增益比半波振子高了约1.8dBi，故阵列增益相应也增加1.8dBi，且最大辐射在水平面。然而，由于全波振子长度约为半波振子的两倍，圆阵直径也相应增加近一倍，振子单元数量减少，阵列效率提高，阻抗匹配设计更为简单。但是，美中不足的是，全波振子的水平极化全向阵列的水平不圆度较差。可以说，其增益提升是以牺牲水平面的全向性（不圆度）换来的。综上所述，半波振子圆阵增益低、不圆度好、直径小，全波振子圆阵则恰好相反。如果我们取长补短，将两者混合构造水平极化全向阵列，则圆阵同时具备高增益和全向性的优点。这一技术思路的成功实现，进一步推动了水平极化全向天线技术的进步，具有重大理论意义和工程应用价值。

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高增益水平极化全向天线，该天线为兼具半波振子Alford环和全波振子Alford环天线两者优点的新型全波半波混合Alford环天线，旨在为蜂窝通信的全向基站阵列天线提供一种小型化、宽频带、高增益、全向性、高效率、低互调，以及高可靠、结构简单、低成本、易生产的水平极化全向天线单元，并为（超）宽/窄频带、H/V双极化全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：超宽带高增益水平极化全向天线，包括Alford环天线和同轴电缆：

Alford环天线为设置在厚度为T的圆形介质层上的三个全波半波混合振子按120°间隔角中心连接合并而成的环形天线；

同轴电缆与Alford环天线中心连接并向Alford环天线馈电；

所述的全波半波混合振子包括圆弧振子、平形双导体馈线、短路枝节和开路枝节；

所述的圆弧振子是以Alford环天线的中心为弧心的全波弧形振子，圆弧振子的半径R ₁ 为（0.35~0.45）×λ _c、宽度W ₁ 为（0.015~0.045）×λ _c、中心弧长S ₁ 为（0.75~0.95）×λ _c、中心弧度θ ₁ =115°±15°，圆弧振子由中间断开为左右相对称的振子上臂和振子下臂组成，振子上臂和振子下臂之间的垂直间距为T，圆弧振子的外侧中心开设一圆弧切口，圆弧切口对称开设在振子上臂和振子下臂上，圆弧切口的中心弧长、宽度为圆弧振子的中心弧长、宽度的0.20~0.33倍、0.35~0.65倍；

所述的平形双导体馈线的上、下导体均由不等长宽的变换段组成，平形双导体馈线的上、下导体的首端位于Alford环天线中心处，其尾端延伸至圆弧振子的断开处，使平形双导体馈线的上、下导体分别与振子上、下臂位于同一平面，并分别与振子上臂和振子下臂连接，平形双导体馈线的上、下导体的尾端分别向右侧、左侧偏移不重合，其余位置的平形双导体馈线的上、下导体相重合；

所述的短路枝节为半波振子，短路枝节的上、下枝节上下对称重合，短路枝节的上、下枝节均以平形双导体馈线为对称线左右对称设置在平形双导体馈线的中部位置，并分别与平形双导体馈线的上、下导体连接，短路枝节末端的上、下枝节短路连接，短路枝节的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₂ 为（0.15~0.25）×λ _c、宽度W ₂ 为（0.001~0.01）×λ _c、中心弧长S ₂ 为（0.25~0.35）×λ _c；

所述的开路枝节设置在短路枝节和圆弧振子之间的平形双导体馈线上，开路枝节由两条旋向相反的上、下枝节组成，开路枝节的上枝节与开路枝节的下枝节并以平形双导体馈线为对称线左右对称设置，并使开路枝节的上、下枝节分别与平形双导体馈线的上、下导体连接，开路枝节为弧形枝节，开路枝节的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₃ 为（0.25~0.35）×λ _c、宽度W ₃ 为（0.001~0.008）×λ _c、中心弧长S ₃ 为（0.15~0.25）×λ _c。

本实用新型所述的短路枝节为弧形枝节或直线型枝节。

本实用新型所述的短路枝节是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节。

本实用新型所述的开路枝节是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节。

本实用新型所述的短路枝节中心弧度θ ₂ =85°±10°。

本实用新型所述的开路枝节的中心弧度θ ₃ =45±5°。

本实用新型采用PCB印刷工艺将整个Alford环天线一体化印制成形，或采用钣金工艺将Alford环天线一体加工成形，Alford环天线的上下两臂以空气隙相间隔并用介质块或螺钉固定、支撑。

本实用新型所述的介质层材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种介质基材。

本实用新型的有益效果是：通过采取下列措施：1）在圆阵每一臂上的全波振子（圆弧振子）内侧、圆阵中部位置，添加一对末端短路的半波振子单元；2）在半波振子单元外侧设置一对开路枝节；3）阵列采用用平行双导体传输线馈电，传输线由多节不等长宽变换段组成，最外一节变换段的上下双导体左右偏移，而非中心重合；4）圆弧振子中间的外侧开一弧形切口。通过优化全波振子、半波振子、开路枝节和平行馈线的几何参数，本实用新型实现了Alford环天线单元的超宽带宽（1.70-2.2GHz，VSWR≤2.1，BW=500MHz，≥25.64%）、较高的增益（G=1.1-2.75dBi）、良好水平全向性（高频不圆度<3.25dB）、高效率（η _A ≥87%）、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径（（0.7-0.9）×λ _C ，λ _C 为中心频率波长）和超低剖面（≈0.00975×λ _C ）。相比半波振子、全波振子方案，结合了两者优点的混合方案，总增益比半波振子方案提升1~1.5dBi，比全波振子方案低约1dBi，水平增益则较两方案都显著提高；水平不圆度比半波方案差约0.5dB，比全波方案则至少改善3dB，高频甚至改善20dB以上；效率较半波方案提高10~15%，比全波方案高约3~5%；直径比半波方案大约40~50%，比全波方案小约7~10%。总体来说，混合了全波振子和半波振子的新方案，真正实现了融合了两者优点室外目的，使得Alford环天线技术又获得了新的突破，并必将大大扩展其工程应用。

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、高增益、高效率、高互调、低成本的水平极化全向的优选方案。而且，对于宽带高增益水平极化全向阵列天线、多频段水平极化全向天线，以及宽带高增益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为六元半波振子构成的Alford环天线模型的俯视图。

图3为超宽带高增益水平极化全向天线一臂的全波半波混合振子的俯视图。

图4为超宽带高增益水平极化全向天线一臂的全波半波混合振子侧视图。

图5为超宽带高增益水平极化全向天线模型的俯视图。

图6为超宽带高增益水平极化全向天线模型的侧视图。

图7为超宽带高增益水平极化全向天线的输入阻抗Z _in 的频率特性曲线。

图8为超宽带高增益水平极化全向天线的驻波比VSWR曲线。

图9为超宽带高增益水平极化全向天线的反射系数|S ₁₁ |曲线。

图10为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₁ =1.70GHz的增益方向图。

图11为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₂ =1.95GHz的增益方向图。

图12为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₃ =2.20GHz的增益方向图。

图13为超宽带高增益水平极化全向天线的增益G随频率f变化特性。

图14为超宽带高增益水平极化全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。

图15为超宽带高增益水平极化全向天线的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。

图16为为超宽带高增益水平极化全向天线的效率η _A 随频率f变化曲线。

本文附图是用来对本实用新型的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的具体实施例一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制或限定。

具体实施方式

下面结合附图给出本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。

超宽带高增益水平极化全向天线，包括Alford环天线和同轴电缆60。

Alford环天线为三元全波半波混合振子天线，Alford环天线为设置在厚度为T的圆形介质层上的三个全波半波混合振子按120°间隔角中心连接合并而成的环形天线；即三个全波半波混合振子的平形双导体馈线20在Alford环天线的中心连接，两两间隙120°连接开成一个为环形的天线，介质层的外边缘正好为全波半波混合振子的外边缘，Alford环天线的中心206或圆心为馈电点，如图5所示，标准50Ω的同轴电缆60与Alford环天线的中心连接并向Alford环天线馈电，同轴电缆的内外导体分别连接Alford环天线的上下两臂中心焊盘。

如图3、图4所示，单个的全波半波混合振子包括圆弧振子10、平形双导体馈线20、短路枝节30和开路枝节40；圆弧振子为全波振子，短路枝节为半波振子，利用平形双导体馈线对圆弧振子、短路枝节、以及开路枝节进行馈电。

圆弧振子10是以Alford环天线的中心为弧心的全波圆弧形振子，圆弧振子10的半径R ₁ 为（0.35~0.45）×λ _c、宽度W ₁ 为（0.015~0.045）×λ _c、中心弧长S ₁ 为（0.75~0.95）×λ _c、中心弧度θ ₁ =115°±15°，圆弧振子10由中间断开为左右相对称的振子上臂101和振子下臂102组成，即从图3的俯视角度可以看出，俯视时的振子上臂101和振子下臂102处于拼合的状态，而从图4可以看出，侧视时振子上臂101和振子下臂102之间的垂直间距为T，圆弧振子10的外侧中心开设一圆弧切口111，圆弧切口111对称开设在振子上臂101和振子下臂102上，即圆弧切口111在振子上、下臂的各开设一半，圆弧切口111的中心弧长、宽度为圆弧振子10的中心弧长、宽度的0.20~0.33倍、0.35~0.65倍；

每个平形双导体馈线20对应一个圆弧振子10，三个平形双导体馈线在Alford环天线的中心连接，即三个平形双导体馈线的上、下导体分别连接，平形双导体馈线20的上、下导体均由不等长宽的变换段组成，平形双导体馈线20的上、下导体的首端位于Alford环天线中心处，与其余两个全波半波混合振子的平形双导体馈线连接，其尾端延伸至圆弧振子10的断开处，使平形双导体馈线20的上、下导体分别与振子上、下臂位于同一平面，并分别与振子上臂101和振子下臂102连接，即平形双导体馈线20的上、下导体之间的垂直间距为T，平形双导体馈线20的上、下导体的尾端分别向右侧、左侧偏移不重合，其余位置的平形双导体馈线20的上、下导体相重合，如图3所示，上导体尾端201和下导体尾端207在俯视时不重合，两者处于相拼合的状态；

如图4所示，在一个平形双导体馈线20上均设有短路枝节以及至少一个开路枝节，短路枝节30为半波振子，短路枝节30的上、下枝节上下对称重合，短路枝节30的上、下枝节均以平形双导体馈线20为对称线左右对称设置在平形双导体馈线20的中部位置，该中部位置指的是平形双导体馈线20的接近最中间的位置，例如、平形双导体馈线的1/3-2/3处，短路枝节30的上、下枝节分别与平形双导体馈线20的上、下导体连接，短路枝节30末端的上、下枝节短路连接，即短路上枝节301的中心点与平形双导体馈线20的上导体相连接，并按照平形双导体馈线20作为对称线对称设置在平形双导体馈线20的两侧，短路下枝节303在俯视时和短路上枝节301完全重合，短路下枝节303的中心点与平形双导体馈线20的下导体相连接，短路下枝节303和短路上枝节301的两端均开设有金属化短路过孔302，利用金属化短路过孔302进行短路，短路枝节30的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₂ 为（0.15~0.25）×λ _c、宽度W ₂ 为（0.001~0.01）×λ _c、中心弧长S ₂ 为（0.25~0.35）×λ _c；

开路枝节40设置在短路枝节30和圆弧振子10之间的平形双导体馈线20上，开路枝节40由两条旋向相反的上、下枝节组成，最优设计形式为，开路枝节40的下、下枝节的旋向与所连接的平形双导体馈线20的上、下导体尾端的偏移方向相反，如图所示，上导体尾端201向右偏移，开路上枝节401向左（顺时针）旋向，下导体尾端207向左偏移，开路下枝节402向右（逆时针）旋向，开路枝节40的上枝节与开路枝节40的下枝节并以平形双导体馈线20为对称线左右对称设置，并使开路枝节40的上、下枝节分别与平形双导体馈线20的上、下导体连接，开路枝节40为弧形枝节，开路枝节40的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₃ 为（0.25~0.35）×λ _c、宽度W ₃ 为（0.001~0.008）×λ _c、中心弧长S ₃ 为（0.15~0.25）×λ _c。

优选的，短路枝节30为弧形枝节或直线型枝节。

优选的，短路枝节30是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节，即短路枝节30是正圆的一部分，Alford环天线的中心为正圆的圆心，短路枝节30的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₂ 即为正圆的半径。

优选的，开路枝节40是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节，即开路枝节40是半圆的一部分，Alford环天线的中心为正圆的圆心，开路枝节40的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₃ 即为正圆的半径。

优选的，短路枝节30中心弧度θ ₂ =85°±10°。

优选的，开路枝节40的中心弧度θ ₃ =45±5°。

采用PCB印刷工艺将整个Alford环天线一体化印制成形，或采用钣金工艺将Alford环天线一体加工成形，Alford环天线的上下两臂以空气隙相间隔并用介质块或螺钉固定、支撑。

介质层材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种介质基材，如Rogers系列、Taconic系列和Arlon系列。

所述的超宽带高增益水平极化全向天线的设计方法包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造全波半波混合振子的Alford环臂。在XOY平面，以坐标原点O为圆心、以R ₁ ≈（0.35~0.45）×λ _c（λ _c为中心频率波长）为半径作一宽度为W ₁ 的圆弧振子（W ₁ ≈（0.015~0.045）×λ _c），其中心弧长S ₁ ≈（0.75~0.95）×λ _c，圆弧振子10从中间断开成左右两臂，振子下臂102和振子上臂101，再将振子下臂102朝下（-Z轴方向）移动距离T，使得两臂101、102分别位于上下两个平面。然后，以圆心O为端点，顺着+X轴方向作一对平形双导体馈线20，其上、下导体分别与圆弧振子上、下臂位于同一平面，平形双导体馈线20由多节不等长宽变换段（201、202、203、204、205、207）组成，平形双导体馈线20的上导体由201、202、203、204、205组成，平形双导体馈线20的下导体由207、202、203、204、205组成，其中上导体尾端201和下导体尾端207的分别往左右两侧偏移，不再像变换段202~205那样上下导体完全重合。为了进一步调谐阻抗和改善方向图，进一步在平行双导体馈线上分别添加一对圆弧形短路枝节30和开路枝节40。其中，短路枝节30靠近馈线中间位置，短路枝节30的半径R ₂ ≈（0.15~0.25）×λ _c，其中心弧长S ₂ ≈（0.25~0.35）×λ _c，宽度W ₂ ≈（0.001~0.01）×λ _c；短路枝节30由上下对称的两枝节构成一对，短路上枝节301和短路下枝节302两端上下短路；开路上枝节401、开路下枝节402则位于短路枝节30和圆弧振子10中间，其中开路上枝节401旋向为顺时针，开路下枝节402旋向为逆时针，两枝节完全左右对称，开路枝节的半径R ₃ ≈（0.25~0.35）×λ _c，中心弧长S ₃ ≈（0.15~0.25）×λ _c，宽度W ₃ ≈（0.001~0.008）×λ _c。全波圆弧振子、平行双导体馈线、半波短路枝节和开路枝节全部连为一体后，构便构成了Alford环天线的Alford环臂。最后，在圆弧振子的振子上、下臂的外侧中间位置开一圆弧切口111，圆弧切口111其弧长和宽度分别为全波圆弧振子弧长和宽度的0.20~0.33倍、0.35~0.65倍，如图3~4的部分101~102、111、201~206、301~302和401~402所示；

步骤三， Alford环臂构成完整的Alford环天线。将步骤二的全波半波混合振子天馈一体化Alford环臂单元，沿Z轴旋转复制N=3次，并将三部分合并为一体，组成一个间隔角θ=120°的三元全波、半波振子混合的Alford环天线，即超宽带高增益水平极化全向天线。然后，在振子两臂和馈线两导体的空隙间，填充一层介电常数和损耗角分别为εr、tanδ的介质层50，介质层50的厚度等于振子两臂上下间距T，其外边缘为圆形。在三对平行双导体馈线的各短路枝节末段，有金属化短路过孔穿过介质层，如图5~6的部分101~102、201~207、301~302和401~402所示；

步骤四，阵列中心同轴线馈电。用一根标准的50Ω同轴电缆60，连接Alford环天线的中心206馈电点，其内外导体分别焊接在介质层50的上下表面焊盘上，见图6的部分206、50、60所示。

优选地，所述超宽带高增益水平极化全向天线，由N=3个全波圆弧振子10单元共面排成Alford环阵，圆弧振子为圆弧形，其中心半径R ₁ ≈（0.35~0.45）×λ _c，中心弧长S ₁ ≈（0.75~0.95）×λ _c，中心弧度θ ₁ =115°±15°，振子宽度W ₁ ≈（0.015~0.045）×λ _c）；在振子两臂的外侧中间位置开一圆弧形切口，其弧长和宽度分别为全波振子弧长和宽度的0.20~0.33倍、0.35~0.65倍。

优选地，所述超宽带高增益水平极化全向天线，在平行双导体馈线上设置短路枝节和一对开路枝节，短路枝节靠近馈线中间位置，半径R ₂ ≈（0.15~0.25）×λ _c，其中心弧长S ₂ ≈（0.25~0.35）×λ _c，中心弧度θ ₂ =85°±10°，宽度W ₂ ≈（0.001~0.01）×λ _c；短路枝节包括上下对称的两条枝节，它们的末端通过金属化过孔上下短路；开路枝节位于短路枝节和圆弧振子中间，其中开路上枝节旋向为顺时针，开路下枝节则为逆时针，两枝节完全对称，半径R ₃ ≈（0.25~0.35）×λ _c，中心弧长S ₃ ≈（0.15~0.25）×λ _c，，中心弧度θ ₃ =45°±5°，宽度W ₃ ≈（0.001~0.008）×λ _c。

图7为超宽带高增益水平极化全向天线的输入阻抗Z _in 的频率特性曲线。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1.70~2.20GHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+26.5~+90Ω和-20~+28.8Ω，具有明显的宽带阻抗特性。

图8为超宽带高增益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，天线在LTE频段（1.70~2.20GHz，BW=500MHz），实现了良好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤2.1，最小达到1.30，相对带宽为25.64%，实现了超宽带工作。

图9为超宽带高增益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，天线在LTE频段（1.70~2.20GHz，BW=500MHz），实现了良好的阻抗匹配，反射系数|S ₁₁ |≤-8.5dB，最低可达-19dB，相对带宽大于25.64%，实现了超宽带工作。

图10为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₁ =1.70GHz的增益方向图。其中，实线表示E面（水平面），虚线表示H面（竖直面）；E面呈现三波瓣状，不圆度小于1.20dB，水平均匀性较好，H面波束较宽，HPBW=118°，增益G=1.90dBi，比常规半波振子构成的Alford环天线至少高1.0dBi。

图11为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₂ =1.95GHz的增益方向图。其中，实线表示E面（水平面），虚线表示H面（竖直面）；E面呈现三波瓣状，不圆度小于1.75dB，水平均匀性较好，H面波束较宽，HPBW=123°，增益G=2.25dBi，比常规半波振子构成的Alford环天线至少高1.0dBi。

图12为超宽带高增益水平极化全向天线在f ₃ =2.20GHz的增益方向图。其中，实线表示E面（水平面），虚线表示H面（竖直面）；E面呈现三波瓣状，不圆度小于3.25dB，水平均匀性较差，H面波束较宽，HPBW=134.5°，增益G=2.75dBi，比常规半波振子构成的Alford环天线至少高1.5dBi。

图13为超宽带高增益水平极化全向天线的增益G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G，单位是dBi；实线是最大增益G _m ，虚线为水平增益G _H （Theta=90°，XOY平面），由图知，带内最大增益Gm、水平增益G _H 变化范围分别为：1.1~2.73dBi和0.70~2.73 dBi，总增益和水平增益均较高，大部分频段增益在2dBi左右，仅高频段的一个很窄频带内增益偏低，这是因为不圆度较好的缘故；总增益和水平增益比半波振子阵列高1dBi以上，高频增益则比全波振子阵列低1dBi左右，也是由于不圆度较好的缘故。

图14为超宽带高增益水平极化全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是不圆度，单位是度dB。由图知，整个频带内，水平面（H面）方向图不圆度（全向性或均匀性）为0.5~3.25dB，大部分频段小于1.8dB，且低频好、高频差；低频具有较理想的水平均匀辐射特性，高频则稍差。总体来说，不圆度水平与半波振子阵列相当，却远优于全波振子阵列，后者在高频呈现显著的三波瓣或三扇区特性。

图15为超宽带高增益水平极化全向天线的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW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）是波束宽度，单位是度（deg）。由图知，E面半功率波宽为：HPBW=118^o~134.5^o， E面波宽较宽，且带内差异较小，说明增益变化较小。

图16为超宽带高增益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 ≥87%，最高达到98%，比常规半波振子构成的Alford环天线至少提高15%。

通过优化全波圆弧振子、半波短路枝节、开路枝节和平行双导体馈线的几何参数，本实用新型实现了Alford环天线单元的超宽带宽（1.70-2.2GHz，VSWR≤2.1，BW=500MHz，25.64%）、较高的增益（G=1.1-2.75dBi）、良好水平全向性（高频不圆度<3.25dB）、高效率（η _A ≥87%）、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径（≈0.774×λ _C ，λ _C 为中心频率波长）和超低剖面（≈0.00975×λ _C ）。相比半波振子或全波振子方案，结合了两者优点的混合方案，总增益比半波振子方案提升1~1.5dBi，比全波振子方案低约1dBi，水平增益则较两方案都显著提高；水平不圆度比半波方案差约0.5dB，比全波方案则至少改善3dB，高频甚至改善20dB以上；效率较半波方案提高10~15%，比全波方案高约3~5%；直径比半波方案大约40~50%，比全波方案小约7~10%。总体来说，混合了全波振子和半波振子的新方案，真正实现了融合了两者优点室外目的，使得Alford环天线技术又获得了新的突破，并必将大大扩展其工程应用。

Claims (8)

1.超宽带高增益水平极化全向天线，包括Alford环天线和同轴电缆（60）：其特征在于：

Alford环天线为设置在厚度为T的圆形介质层上的三个全波半波混合振子按120°间隔角中心连接合并而成的环形天线；

同轴电缆（60）与Alford环天线中心连接并向Alford环天线馈电；

所述的全波半波混合振子包括圆弧振子（10）、平形双导体馈线（20）、短路枝节（30）和开路枝节（40）；

所述的圆弧振子（10）是以Alford环天线的中心为弧心的全波弧形振子，圆弧振子（10）的半径R ₁ 为（0.35~0.45）×λ _c、宽度W ₁ 为（0.015~0.045）×λ _c、中心弧长S ₁ 为（0.75~0.95）×λ _c、中心弧度θ ₁ =115°±15°，圆弧振子（10）由中间断开为左右相对称的振子上臂（101）和振子下臂（102）组成，振子上臂（101）和振子下臂（102）之间的垂直间距为T，圆弧振子（10）的外侧中心开设一圆弧切口（111），圆弧切口（111）对称开设在振子上臂（101）和振子下臂（102）上，圆弧切口（111）的中心弧长、宽度为圆弧振子（10）的中心弧长、宽度的0.20~0.33倍、0.35~0.65倍；

所述的平形双导体馈线（20）的上、下导体均由不等长宽的变换段组成，平形双导体馈线（20）的上、下导体的首端位于Alford环天线中心处，其尾端延伸至圆弧振子（10）的断开处，使平形双导体馈线（20）的上、下导体分别与振子上、下臂位于同一平面，并分别与振子上臂（101）和振子下臂（102）连接，平形双导体馈线（20）的上、下导体的尾端分别向右侧、左侧偏移不重合，其余位置的平形双导体馈线（20）的上、下导体相重合；

所述的短路枝节（30）为半波振子，短路枝节（30）的上、下枝节上下对称重合，短路枝节（30）的上、下枝节均以平形双导体馈线（20）为对称线左右对称设置在平形双导体馈线（20）的中部位置，并分别与平形双导体馈线（20）的上、下导体连接，短路枝节（30）末端的上、下枝节短路连接，短路枝节（30）的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₂ 为（0.15~0.25）×λ _c、宽度W ₂ 为（0.001~0.01）×λ _c、中心弧长S ₂ 为（0.25~0.35）×λ _c；

所述的开路枝节（40）设置在短路枝节（30）和圆弧振子（10）之间的平形双导体馈线（20）上，开路枝节（40）由两条旋向相反的上、下枝节组成，开路枝节（40）的上枝节与开路枝节（40）的下枝节并以平形双导体馈线（20）为对称线左右对称设置，并使开路枝节（40）的上、下枝节分别与平形双导体馈线（20）的上、下导体连接，开路枝节（40）为弧形枝节，开路枝节（40）的中心和Alford环天线中心之间的距离R ₃ 为（0.25~0.35）×λ _c、宽度W ₃ 为（0.001~0.008）×λ _c、中心弧长S ₃ 为（0.15~0.25）×λ _c。

2.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的短路枝节（30）为弧形枝节或直线型枝节。

3.如权利要求2所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的短路枝节（30）是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节。

4.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的开路枝节（40）是以Alford环天线的中心为弧心的圆弧形枝节。

5.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的短路枝节（30）中心弧度θ ₂ =85°±10°。

6.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的开路枝节（40）的中心弧度θ ₃ =45±5°。

7.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：采用PCB印刷工艺将整个Alford环天线一体化印制成形，或采用钣金工艺将Alford环天线一体加工成形，Alford环天线的上下两臂以空气隙相间隔并用介质块或螺钉固定、支撑。

8.如权利要求1所述的超宽带高增益水平极化全向天线，其特征在于：所述的介质层材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种介质基材。