CN105244607A - 一种螺旋加载高增益全向单极子天线 - Google Patents
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Abstract
一种螺旋加载高增益全向单极子天线，设有一个圆形地板、一个螺旋加载辐射体和多个导体短桩，所述螺旋加载辐射体设置在圆形地板的中心，多个导体短桩均匀分布在螺旋加载辐射体周围的圆形地板上，螺旋加载辐射体由上导体段、螺旋段和下导体段组成，上导体段呈L形并与螺旋段的上端连接，下导体段呈倒置的L形并与螺旋段的下端连接。采用地板加载圆周排列金属柱的方法，实现了单极子天线窄带内高增益、全向性、宽<b>E</b>面波束、低旁/后瓣和高效率辐射。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动通信基站与终端天线设备与技术，特别是涉及一种螺旋加载高增益全向单极子天线及其技术。
背景技术
天线是无线通信***中终端设备与网络连接的空中接口，因此是整个***最关键的部件之一，它的性能优劣直接决定通信质量的好坏。在移动通信***中，因发射台和终端设备的相互移动性，双方均需要安装全向天线以确保彼此处于任意方位关系时仍能通信。因此，全向天线具有广泛的应用需求并得到了大量研究，其中单/偶极子天线是发明最早、结构最简、应用最广的全向天线类型。另外，在收发天线方位面或水平面实现全向性的同时，还要求其仰角面或竖直面波束宽度较窄以实现较高增益，从而改善通信效果和增加通信距离。然而，单/偶极子天线由于其典型的电长度为0.25· λ 和0.5· λ ，竖直面波束较宽（E面，HBPW≈78o）、增益因此较低（ G ≈2.15 dBi）。为了提高增益，单/偶极子天线通常将多个单元排成直线阵，或者组成平面阵并后置反射板以进一步改善增益。阵列天线馈电网络设计复杂、成本较高，适合于宽范围广域组网覆盖，如大型宏基站天线。移动终端由于体积、尺寸受限，其单/偶极子全向天线通常直接在单元上构造阵列，具体方式是加载反相器并增加电长度，使得电流在大于0.25· λ 或0.5· λ 的直导体段上保持同向，从而获得类似常规阵列的高增益。反相器的原理是让两相邻的同向电流段之间的半波长反向电流段辐射效果最弱，其实现形式通常有螺旋导线、弯折导线和集总电路等。导线弯折尺寸较大，对带宽和方向性向性也会产生不利影响；集总电路元件加载通常损耗较大，对天线效率损失较大，常用于小型化接收天线设计；而螺旋加载因其低损耗、弱辐射、小尺寸，成为反相器设计的首选方案。然而，跟几何弯折一样，螺旋也是一种窄带结构，会显著减小天线带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种小型化、低剖面、高增益、全向性、宽E面波束、低旁瓣/后瓣、高效率、低成本的螺旋加载单极子天线，并为更高增益的全向单/偶极子天线优化设计提供有效的参考方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种螺旋加载高增益全向单极子天线，设有一个圆形地板、一个螺旋加载辐射体和多个导体短桩，所述螺旋加载辐射体设置在圆形地板的中心，多个导体短桩均匀分布在螺旋加载辐射体周围的圆形地板上，螺旋加载辐射体由上导体段、螺旋段和下导体段组成，上导体段呈L形并与螺旋段的上端连接，下导体段呈倒置的L形并与螺旋段的下端连接。
优选地，所述上导体段中竖直部分的上端设置有一个直径大于其本体的金属导体。
优选地，所述下导体段中竖直部分的中部设置有一个直径大于其本体的金属导体。
优选地，上导体段的电长度为0.5λ，下导体段的电长度为0.25λ。
优选地，所述上导体段和下导体段中竖直部分和弯折部分之间的角度为99°。
优选地，所述导体短桩的顶部设有一个直径比下部直径大的金属圆盘。
优选地，所述导体短桩的直径与螺旋加载辐射体中螺旋段、上导体段及下导体段的直径相同。
优选地，所述金属圆盘的直径为导体短桩直径的3倍。
优选地，所述导体短桩的高度为0.225λ，导体短桩与地板圆心之间的距离为0.625λ。
优选地，所述螺旋段的螺旋直径 Dh =0.155· λ 、导体直径 D1 =0.031· λ 、螺旋升角为7o―8o、螺旋圈数为2。
所述圆形地板为直径 Dg =2· λ 的金属圆盘。
本发明的有益效果是：由于用水平地板取代了竖直下臂而降低一半高度，单极子天线的最大辐射方向会上翘一定的角度，水平方向增益显著降低，并有较大的旁/后瓣，最终使得水平方向的通信效果变差。因此，只有将E面波束宽度展宽，才能克服这一困难。本发明独特地采用所述结构的螺旋加载辐射体及地板加载圆周排列金属柱的方法，实现了单极子天线窄带内高增益、全向性、宽E面波束、低旁/后瓣和高效率辐射。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单等特点，对于更高增益的单/偶极子全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
附图说明
图1为螺旋加载辐射体的正面结构示意图。
图2为螺旋加载辐射体的侧视图。
图3为螺旋加载高增益全向单极子天线的整体结构示意图。
图4为天线的俯视图。
图5为天线的侧视图。
图6为螺旋加载高增益全向单极子天线输入阻抗 Zin 的频率特性曲线。
图7为螺旋加载高增益全向单极子天线的反射系数| S11 |曲线。
图8为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.52
GHz的2D实增益方向图。
图9为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.65
GHz的2D实增益方向图。
图10为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.73
GHz的2D实增益方向图。
图11为螺旋加载高增益全向单极子天线的增益 GP 随频率 f 变化曲线。
图12为螺旋加载高增益全向单极子天线的半功率波束宽度HPBW随频率 f 变化曲线。
图13为螺旋加载高增益全向单极子天线的水平方向增益 GH 随频率 f 变化曲线（Theta=90o,
Phi=0o）。
图14为螺旋加载高增益全向单极子天线的效率 η A 随频率 f 变化曲线。
图中标记：1、螺旋段，2、下导体段，3、上导体段，4、下导体段的弯折部分，5、上导体段的弯折部分，6、馈电同轴线，7、导体短桩，8、金属圆盘，9、圆形地板。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例具体说明本发明的实施方式。
这里，将基于0.75倍同向电流波长来设计螺旋加载高增益全向单极子天线，并给出相应附图对本发明进行详细说明。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发明，并不用于限制或限定本发明。
本发明的螺旋加载高增益全向单极子天线，设有一个圆形地板9、一个螺旋加载辐射体和多个导体短桩7。其材料选用金属良导体，如紫铜（纯铜）、合金铜（如黄铜）、纯铝等制作。所述螺旋加载辐射体设置在圆形地板9的中心，多个导体短桩7均匀分布在螺旋加载辐射体周围的圆形地板上，螺旋加载辐射体由上导体段3、螺旋段1和下导体2段组成，上导体段呈L形并与螺旋段的上端连接，下导体段呈倒置的L形并与螺旋段的下端连接。馈电同轴线的外导体与圆形地板连接，内导体与下导体段连接。
优选地，所述螺旋加载高增益全向单极子天线的螺旋加载辐射体采用一体成型工艺，然后再与圆形地板、导体短桩和馈电同轴线组装为一体。螺旋加载高增益全向单极子天线实际馈电的50 Ω标准同轴线带SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头。
所述圆形地板采用金属圆盘，其直径一般不小于1·λ，本发明优选直径Dg=2·λ。其厚度Tg一般较小，通常<<1·λ。
优选地，所述上导体段中竖直部分的上端设置有一个直径大于其本体的金属导体。下导体段中竖直部分的中部设置有一个直径大于其本体的金属导体。通过在下导体段中段和上导体段末端分别加载更大直径的导体段，从而增加了工作带宽（BW=220
MHz，4.76%）。
优选地，上导体段的电长度为0.5λ，下导体段的电长度为0.25λ。以上述加载更大直径导体段的方式为例。下导体段本体部分的直径为D1，竖直部分和弯折部分的长度分别为L1和L2，其竖直部分中部加载的金属导体的直径和长度分别为D2和L3，则L1+
L2+(D2- D1)≈0.25·λ。下导体段本体部分的直径为D1，竖直部分和弯折部分的长度分别为L2和L4，其竖直部分末端加载的金属导体的直径和长度分别为D2和L5，则L2+
L4+ L5+(D2- 0.5·D1)≈0.5·λ。
优选地，所述上导体段和下导体段中竖直部分和弯折部分之间的角度α为99°。
优选地，导体短桩的高度为0.225λ，导体短桩与地板圆心之间的距离为0.625λ。导体短桩的数量可以设置为3个、4个、5个或更多个，优选为6个。
优选地，所述导体短桩的顶部设有一个直径比下部直径大的金属圆盘，最好将金属圆盘的直径Dd设置为导体短桩直径D1的3倍，其厚度Hd与圆形地板厚度Tg一致。
优选地，所述螺旋段采用自下而上的右旋圆柱螺旋，其螺旋直径Dh=0.155·λ、导体直径D1=0.031·λ、螺旋升角为7°―8°，优选为7.5°、螺旋圈数为2。
本发明通过选择合适的螺旋参数，实现了单极子在中心频率处0.75个波长的同向电流分布，因而获得了高增益水平全向辐射（增益 G 为5.15 dBi-6.25 dBi；不圆度低频小于0.9
dB，高频接近正圆）；通过选择合适的地板尺寸、竖直短桩和加载顶盘参数，实现了后瓣/旁瓣电平的有效抑制（低频旁瓣消失，中高频旁瓣/后瓣减小约5 dB），展宽了E面半功率波束宽度HPBW（最大展宽12o），并显著改善水平方向的增益（最小改善6.25 dB，最大改善15.45 dB）；通过加载螺旋下上导体段分别采用中段和末端加载更大直径的导体段，从而增加了工作带宽（BW=220
MHz，4.76%）。
图6为螺旋加载高增益全向单极子天线输入阻抗 Zin 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）是输入阻抗 Zin ，单位为Ω；实线表示实部 Rin ，虚线表示虚部 Xin ；粗线表示短桩加载，细线表示无短桩加载。
图7为螺旋加载高增益全向单极子天线的反射系数| S11 |曲线。其中，横轴（X轴）是频率 f ，单位为GHz；纵轴（Y轴）是 S11 的幅度| S11 |，单位为dB；粗线表示短桩加载，细线表示无短桩加载。由图知，短桩加载在4.52
GHz-4.74 GHz（BW=220 MHz，4.76%）实现了良好匹配，（| S11 |≤-10 dB）,无短桩加载带宽则稍宽。
图8为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.52
GHz的2D实增益方向图。其中，实线表示H-面（Phi平面；有短桩-Theta=-38o，无短桩-Theta=-40o），虚线表示E-面（Theta平面，Phi=90o）；粗线表示短桩加载（ G =4.67 dBi，HPBW=52.75o），细线表示无短桩加载（ G =5.68
dBi，HPBW=42.62o）。加载短桩后，旁瓣消失，后瓣改善4.6 dB。
图9为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.65
GHz的2D实增益方向图。其中，实线表示H-面（Phi平面；有短桩-Theta=-36o，无短桩-Theta=-42o），虚线表示E-面（Theta平面，Phi=90o）；粗线表示短桩加载（ G =5.68 dBi，HPBW=45.32o），细线表示无短桩加载（ G =5.92
dBi，HPBW=41.96o）。加载短桩后，旁瓣改善4.26 dB，后瓣改善5.25
dB。
图10为螺旋加载高增益全向单极子天线在 fL =4.73
GHz的2D实增益方向图。其中，实线表示H-面（Phi平面；有短桩-Theta=-35o，无短桩-Theta=44o），虚线表示E-面（Theta平面，Phi=90o）；粗线表示短桩加载（ G =6.03 dBi，HPBW=43.83o），细线表示无短桩加载（ G =5.86
dBi，HPBW=42. 76o）。加载短桩后，旁瓣和后瓣均改善约5 dB。
图11为螺旋加载高增益全向单极子天线的增益 GP 随频率 f 变化曲线。粗线表示短桩加载（带内增益为5.15
dBi -6.25 dBi，由低频到高频增益逐渐增大），细线表示无短桩加载（带内增益为6 dBi左右，增益随频率变化很小）。
图12为螺旋加载高增益全向单极子天线的半功率波束宽度HPBW随频率 f 变化曲线。粗线表示短桩加载（低频HPBW=55o，高频HPBW=45o，最小HPBW=43.8o），细线表示无短桩加载（低频HPBW=43o，高频HPBW=40o，最大HPBW=43.4o）。
图13为螺旋加载高增益全向单极子天线的水平方向增益 GH 随频率 f 变化曲线（Theta=90o,
Phi=0o）。粗线表示短桩加载，细线表示无短桩加载。前者相比后者，低频 GH 大9.28 dBi，中频 GH 大15.45 dBi，高频 GH 大6.25 dBi。
图14为螺旋加载高增益全向单极子天线的效率 η A 随频率 f 变化曲线。粗线表示短桩加载，细线表示无短桩加载。短桩加载和无短桩加载带内效率都在98%以上，但前者随频率逐渐增大，后者则随频率线性下降。
Claims (10)
1.一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：设有一个圆形地板、一个螺旋加载辐射体和多个导体短桩，所述螺旋加载辐射体设置在圆形地板的中心，多个导体短桩均匀分布在螺旋加载辐射体周围的圆形地板上，螺旋加载辐射体由上导体段、螺旋段和下导体段组成，上导体段呈L形并与螺旋段的上端连接，下导体段呈倒置的L形并与螺旋段的下端连接。
2.如权利要求1所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述上导体段中竖直部分的上端设置有一个直径大于其本体的金属导体。
3.如权利要求1所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述下导体段中竖直部分的中部设置有一个直径大于其本体的金属导体。
4.如权利要求1—3中任一项所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：上导体段的电长度为0.5λ，下导体段的电长度为0.25λ。
5.如权利要求1—3中任一项所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述上导体段和下导体段中竖直部分和弯折部分之间的角度为99°。
6.如权利要求1所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述导体短桩的顶部设有一个直径比下部直径大的金属圆盘。
7.如权利要求6所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述金属圆盘的直径为导体短桩直径的3倍。
8.如权利要求6所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述导体短桩的高度为0.225λ，导体短桩与地板圆心之间的距离为0.625λ。
9.如权利要求1所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述螺旋段的螺旋直径 Dh =0.155· λ 、导体直径 D1 =0.031· λ 、螺旋升角为7o—8o、螺旋圈数为2。
10.如权利要求1所述的一种螺旋加载高增益全向单极子天线，其特征在于：所述圆形地板为直径 Dg =2· λ 的金属圆盘。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A spiral loaded high gain omnidirectional monopole antenna Effective date of registration: 20231206 Granted publication date: 20180710 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Zhongshan branch Pledgor: TONGYU COMMUNICATION Inc. Registration number: Y2023980069635 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |