CN107181067A - 全向天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全向天线阵列，其中，该全向天线阵列包括：第一双锥天线单元，用于接收或发送第一高频信号；第二双锥天线单元，堆叠于所述第一双锥天线单元上，用于接收或发送与所述第一高频信号幅度与相位均相同的第二高频信号；馈电网络，内嵌于所述第一双锥天线单元和所述第二双锥天线单元内，用于将高频信号分配成所述第一高频信号和所述第二高频信号后发射出去，或者将所述第一高频信号和所述第二高频信号合成高频信号接收进来。本发明的全向天线阵列可以应用在Ka波段或更高频段中，并获取10dBi以上的水平全向增益。

Description

全向天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种全向天线，具体来说就是一种全向天线阵列。

背景技术

全向天线在水平方向图上表现为360度均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，由于全向天线可以覆盖较大的范围，因此在通信领域得到广泛应用。常见的全向天线包括偶极子天线、单极子天线、双锥天线、单锥天线和环形天线等。但是，现有的全向天线增益低不能满足某些特定需求，事实上，现有技术中还不存在增益达到10dBi的单一全向天线。

为了使增益超过10dBi以上，人们采用全向天线阵列代替单一全向天线来使用。最常用的天线阵列是共线天线阵列，其是由多个低增益全向天线单元沿着一个轴串联或者并联而成。其中，串联馈电的共线天线阵列包括富兰克林(Franklin)天线阵列、曲折线反相(meander-line phase reversal)天线阵列、同轴转置(transposed coaxialsections)天线阵列等。虽然全向天线阵列可以提高全向天线的增益，但也导致全向天线阵列内部馈电网络的复杂化，而且损耗也很大。

此外，上述提到的全向共线天线阵列主要应用在甚高频(VHF)和特高频(UHF)波段中，而无法将现有的这些全向天线阵列应用在Ka波段(Ka-band)或者更高频段中，如果强行将这些全向天线阵列应用在Ka波段(Ka-band)或者更高频段中，将很难达到所需要的增益，这主要是因为在Ka波段(Ka-band)或者更高频段中，馈电网络的高损耗抵消了天线增益的增量。另外，由于现有共线天线阵列的馈电网络会破坏天线阵列的旋转对称性以及辐射模式的无向性，因此现有全向共线天线阵列也无法应用到对全向性要求极高的无线信道测量领域。

因而，本领域技术人员亟需一种馈电网络结构简单、损耗低，并且可以应用到Ka波段(Ka-band)或者更高频段中，还可以满足无线信道测量要求的高增益全向天线。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种全向天线阵列，解决现有技术中全向天线阵列结构复杂、能耗高，无法应用到Ka波段或更高频段中，并且无法进行无线信道测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的一个具体实施方式提供一种全向天线阵列，包括：第一双锥天线单元，用于接收或发送第一高频信号；第二双锥天线单元，堆叠于所述第一双锥天线单元上，用于接收或发送与所述第一高频信号幅度与相位均相同的第二高频信号；馈电网络，内嵌于所述第一双锥天线单元和所述第二双锥天线单元内，用于将高频信号分配成所述第一高频信号和所述第二高频信号后发射出去，或者将所述第一高频信号和所述第二高频信号合成高频信号接收进来。

根据本发明的上述具体实施方式，可知全向天线阵列至少具有以下有益效果或特点：利用两个相互堆叠的双锥天线单元(biconical antenna element)，以及内嵌于双锥天线单元内的馈电网络(feeding network)组成全向天线阵列，由于两个相互堆叠的双锥天线单元成镜像对称，在第一锥形组件和第二锥形组件之间形成的第一高频信号，与在第三锥形组件和第四锥形组件之间形成的第二高频信号幅度与相位均相同，因此本发明的全向天线阵列可以在Ka波段或更高频段中获取10dBi以上的增益；另外，由于双锥天线单元和馈电网络均旋转对称，所以高频信号的全向性好；馈电网络设置于双锥天线单元的中心，不会破坏双锥天线单元的旋转对称性，因此，本发明提供的全向天线还可以用于测量无线信道。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的整体结构剖视图(由于对称性，只显示整个结构的四分之一，三维图)；

图2为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的分解图(由于对称性，只显示整个结构的四分之一，三维图)；

图3为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的侧面剖面图(由于对称性，只显示整个结构的二分之一，侧视图)；

图4为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的工作原理图(由于对称性，只显示整个结构的二分之一，侧视图)；

图5为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的馈电网络的侧面剖面图(由于对称性，只显示整个结构的二分之一，侧视图)；

图6为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的馈电网络的工作原理图(由于对称性，只显示整个结构的二分之一，侧视图)；

图7为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的反射系数曲线图；

图8为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的增益曲线图；

图9为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的仿真及测量的垂直方向归一化共面极化辐射图；

图10为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的仿真及测量的水平方向归一化共面极化辐射图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的整体结构剖视图，图2为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的分解图，如图1、图2所示，利用两个相互堆叠的双锥天线单元(biconical antenna element)，以及内嵌于双锥天线单元的馈电网络(feeding network)组成全向天线阵列，实现在Ka波段或更高频段中获取10dBi以上的高增益。

该附图所示的具体实施方式中，全向天线阵列包括第一双锥天线单元10、第二双锥天线单元20和馈电网络30，其中，第一双锥天线单元10用于接收或发送第一高频信号。第一双锥天线单元10进一步包括第一锥形组件101和第二锥形组件102，其中，第一锥形组件101具有第一柱孔(cylinder aperture)1011，即第一锥形组件101的中心具有一个通孔；第二锥形组件102堆叠于所述第一锥形组件101上，第二锥形组件102用于与所述第一锥形组件101形成所述第一高频信号的接收或发送通道。

第二双锥天线单元20堆叠于所述第一双锥天线单元10上，第二双锥天线单元20用于接收或发送与所述第一高频信号幅度与相位均相同的第二高频信号。第二双锥天线单元20进一步包括第三锥形组件201、第四锥形组件202，其中，第三锥形组件201与所述第二锥形组件102一体设置，即第三锥形组件201和第二锥形组件102为一个整体，整体观察第三锥形组件201和第二锥形组件102，它们为一个双面锥体，这样可以降低产品制造的复杂度，从而降低生产成本，本发明其它实施例中，第三锥形组件201也可以与所述第二锥形组件102分开设置；第四锥形组件202堆叠于所述第三锥形组件201上，第四锥形组件202用于与所述第三锥形组件201形成所述第二高频信号的接收或发送通道，本发明的具体实施例中，为了增加双锥天线单元的通用性，第四锥形组件202也可以具有一个与第一锥形组件101相同的通孔。

馈电网络30内嵌于所述第一双锥天线单元10和所述第二双锥天线单元20内，馈电网络30用于将高频信号分配成所述第一高频信号和所述第二高频信号后发射出去，或者将所述第一高频信号和所述第二高频信号合成高频信号接收进来。馈电网络30进一步包括同轴端口301、垂直部302、第一接头303、第二接头304，其中，同轴端口301具有金属探针3011和同轴端子3012，所述金属探针3011的一端***所述同轴端子3012内，金属探针3011的另一端***所述垂直部分3022内，即垂直部分3022为一圆管；垂直部302具有水平部分3021和内部中空的垂直部分3022，所述垂直部分3022设置于所述第一柱孔101内，所述垂直部分3022夹设于所述第一锥形组件101和所述第四锥形组件202之间，所述金属探针3011的另一端***所述垂直部分3022内，水平部分3021呈圆饼状，且与垂直部分3022连接处具有一凸起P和凹槽C(如图5所示)，这样设置可以有效地将高频信号的同轴波导传输转换成径向传输；第一接头303夹设于所述第一锥形组件101和所述第二锥形组件102之间，第一接头303用于输入或输出第一高频信号，第一接头303的垂直截面呈L形；第二接头304夹设于所述第三锥形组件201和所述第四锥形组件202之间，第二接头304用于输入或输出第二高频信号，第二接头304的垂直截面呈倒L形，第二接头304与第一接头303之间呈镜像对称。由于馈电网络30内嵌于双锥天线单元的中心，不会破坏双锥天线单元的旋转对称性，因此，本发明提供的全向天线还可以用于测量无线信道。

可选地，所述第一双锥天线单元10和所述第二双锥天线单元20呈镜像对称，即第一双锥天线单元10和第二双锥天线单元20可以完全相同，因此在第一锥形组件101和第二锥形组件102之间形成的第一高频信号，与在第三锥形组件201和第四锥形组件202之间形成的第二高频信号幅度与相位均相同，从而使本发明的全向天线阵列可以在Ka波段或更高频段中获取10dBi以上的增益，为了便于组装同轴端口301，也可以将第一双锥天线单元10中心下方部位设置成如图中所示，即第一双锥天线单元10下侧面中心部位有一圆形凹槽，方便安装同轴端口301。由于第一双锥天线单元10、第二双锥天线单元20和馈电网络30均旋转对称，所以高频信号的无向性好。

如图2所示，具体组装时可以首先将馈电网络30的金属探针3011***同轴端子3012内，再将第一锥形组件101叠加在同轴端口301上，并让金属探针3011***第一锥形组件101的第一柱孔1011内，然后将垂直部302堆叠在第一锥形组件101上，并让垂直部302的垂直部分3022***到第一锥形组件101的第一柱孔1011内，并保证金属探针3011***垂直部分3022内部，再将第一接头303堆叠在第一锥形组件101上，然后将第二锥形组件102和第三锥形组件201堆叠在第一接头303上，再将第二接头304堆叠在第三锥形组件201上，最后将第四锥形组件202堆叠在第二接头304上，从而完成全向天线阵列的组装。

本发明的具体实施例中，所述垂直部分3022、所述第一接头303和所述第二接头304均具有同轴波导传输特性；所述水平部分3021具有径向传输特性。所述同轴端口301的特征阻抗大小可以为50欧姆；所述同轴端口301可以为SMK连接器。所述垂直部302和所述第一接头303的内外导体半径不同；所述垂直部302和所述第二接头304的内外导体半径不同；所述垂直部302、所述第一接头303和所述第二接头304由介质材料制成，介质材料可以为PTFE。所述同轴端口301、所述第一双锥天线单元10和所述第二双锥天线单元20由金属材料制成，金属可以为铝或铜。第一锥形组件101的下表面到第二锥形组件102上表面的距离远大于高频信号的波长，即第一双锥天线单元10的厚度远大于高频信号的波长，远大于就是二者不在一个数量级上，比如Ka波段为27GHz-29GHz，假定高频信号的波长为0.4×10^-10m，那么第一双锥天线单元10的厚度至少要大于0.4×10^-9m；所述第三锥形组件201的下表面到第四锥形组件202上表面的距离远大于高频信号的波长。所述第一双锥天线单元10和所述第二双锥天线单元20的半径均远大于高频信号的波长，本发明的具体实施例中，第一锥形组件101、第二锥形组件102、第三锥形组件201和第四锥形组件202的半径相同，即第一锥形组件101、第二锥形组件102、第三锥形组件201和第四锥形组件202在水平面上的投影为大小相同的圆。

图3为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的侧面剖面图；图4为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的工作原理图；如图3、图4所示，第一接头303夹持在第一锥形组件101和第二锥形组件102之间，第二接头304夹持在第三锥形组件201和第四锥形组件202之间，垂直部302夹持在第一锥形组件101和第四锥形组件202之间，并且在第一锥形组件101、第二锥形组件102、第三锥形组件201和第四锥形组件202之间形成有垂直截面为形的空腔，即垂直部302没有与第一接头303或第二接头304直接接触。在图4中，馈电网络30将高频信号分配成所述第一高频信号和所述第二高频信号后发射出去，或者馈电网络30将所述第一高频信号和所述第二高频信号混合成高频信号接收进来，第一高频信号和第二高频信号的幅度与相位相同。

图5为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的馈电网络的侧面剖面图；图6为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的馈电网络的工作原理图；如图5、图6所示，馈电网络30进一步包括同轴端口301、垂直部302、第一接头303、第二接头304，其中，同轴端口301具有金属探针3011和同轴端子3012，所述金属探针3011的一端***所述同轴端子3012内，金属探针3011的另一端***所述垂直部分3022内，即垂直部分3022为一圆管；垂直部302具有水平部分3021和内部中空的垂直部分3022，所述垂直部分3022设置于所述第一柱孔101内，所述垂直部分3022夹设于所述第一锥形组件101和所述第四锥形组件202之间，所述金属探针3011的另一端***所述垂直部分3022内，水平部分3021呈圆饼状，且与垂直部分3022连接处具有一凸起P；第一接头303夹设于所述第一锥形组件101和所述第二锥形组件102之间，第一接头303用于输入或输出第一高频信号，第一接头303的垂直截面呈L形；第二接头304夹设于所述第三锥形组件201和所述第四锥形组件202之间，第二接头304用于输入或输出第二高频信号，第二接头304的垂直截面呈倒L形，第二接头304与第一接头303之间呈镜像对称。由于馈电网络30内嵌于双锥天线单元的中心，不会破坏双锥天线单元的旋转对称性，因此，本发明提供的全向天线还可以用于测量无线信道。第二锥形组件102和第三锥形组件201具有正对着水平部分3021的凸起；同轴端口301和所述第一接头303的内外导体半径不同；同轴端口301和所述第二接头304的内外导体半径不同，通过图示，可以看出，第一接头303和第二接头304的内外导体半径相同。当高频信号通过同轴端口301进入垂直部302后，激励产生沿水平部分3021径向传输的水平板TEM模式波(parallel plate TEM mode wave)，当水平板TEM模式波到达水平部分3021末端时，水平板TEM模式波沿着水平空腔继续向前传输，当到达水平空腔边缘时，水平板TEM模式波被分成两部分(即第一高频信号和第二高频信号)，一部分沿垂直空腔向下运动到达第一接头303，另一部分沿垂直空腔向上运动到达第二接头304，这两部分波信号天然幅度与相位相同。

图7为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的反射系数曲线图；图8为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的增益曲线图；如图7为全向天线阵列工作在Ka波段(27-29GHz)的反射系数曲线图，图8为全向天线阵列工作在Ka波段(27-29GHz)的增益曲线图，单端接头50采用SMK连接器，SMK连接器具有一个很长的金属探针(如图2所示)，同轴端口301、第一双锥天线单元10、第二双锥天线单元20的材质为铝或铜，垂直部302、第一接头303和第二接头304的材质为可以为介质材料，介质材料可以为PTFE，如图7所示，在频段25.9GHz到29.8GHz之间，仿真反射系数低于-20dB；在频段26.2GHz到30.2GHz(对应相对带宽为14.2％)之间，测量反射系数低于-10dB；在频段26.6GHz到28.9GHz(对应相对带宽8.29％)之间，测量反射系数低于-10dB。如图8所示，在频段26.5GHz到31.5GHz之间，仿真增益大于12.0dBi，由于失配(mismatching)，当频段增至32GHz时，增益急剧降至2dBi；在频段27GHz到30.2GHz之间，测量增益大于12.2dBi，这与全向天线阵列的仿真增益符合。另外，还可以设置一铝盘来支撑全向天线阵列，本发明不以此为限。

图9为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的仿真及测量的垂直方向归一化共面极化辐射图；图10为本发明具体实施方式提供的一种全向天线阵列的仿真及测量的水平方向归一化共面极化辐射图，如图9所示，在垂直方向(XZ平面)给出高频信号频率分别在27GHz、28GHz、29GHz上的仿真及测量共面极化辐射图形，如图10所示，在水平方向(XY平面)给出高频信号频率分别在27GHz、28GHz、29GHz上的仿真及测量共面极化辐射图形。具体数值如下表1所示，表1为本发明全向天线在不同频段的基本辐射特性。

表1

通过表1可以清楚看到，垂直方向，仿真归一化后的共面极化辐射图形呈现出一个尖波束，在频率为27GHz、28GHz、29GHz时，3-dB波束宽度对应分别为4.9度、4.8度、4.6度，理论上，由于天线和辐射(TEM波为同轴波导激励)均为旋转对称，在水平方向(XY平面)上的信号辐射应当获得很好的无向性，但是由于仿真数值误差，在垂直面(XZ平面)上，归一化的辐射图案波形在频率为27GHz、28GHz、29GHz时的误差为±0.1dB；另外，由于加工与装配误差，测量反射系数与仿真反射系数并不是完全匹配重合，图10中，在27GHz时，测量辐射图形与仿真辐射图形相比，测量辐射图形向上偏移，在28GHz、29GHz时，测量辐射图形与仿真辐射图形基本符合；在频率为27GHz、28GHz、29GHz时，辐射图案波形在水平面(XY平面)上均小于±0.5dB；随着频率增加，3-dB波束宽度变化很小，在频率为27GHz、28GHz、29GHz时，3-dB波束宽度分别为4.9°、4.8°和4.6°。

本发明提供一种全向天线阵列，利用两个相互堆叠的双锥天线单元(biconicalantenna element)，以及内嵌于两个双锥天线单元内的馈电网络(feeding network)组成全向天线阵列，可以在Ka波段或更高频段中获取10dBi以上的增益，无向性好，并且可以测量无线信道。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种全向天线阵列，其特征在于，所述全向天线阵列包括：

第一双锥天线单元(10)，用于接收或发送第一高频信号；

第二双锥天线单元(20)，堆叠于所述第一双锥天线单元(10)上，用于接收或发送与所述第一高频信号幅度与相位均相同的第二高频信号；以及

馈电网络(30)，内嵌于所述第一双锥天线单元(10)和所述第二双锥天线单元(20)内，用于将高频信号分配成所述第一高频信号和所述第二高频信号后发射出去，或者将所述第一高频信号和所述第二高频信号合成高频信号接收进来。

2.如权利要求1所述的全向天线阵列，其特征在于，所述第一双锥天线单元(10)进一步包括：

第一锥形组件(101)，具有第一柱孔(1011)；以及

第二锥形组件(102)，堆叠于所述第一锥形组件(101)上，用于与所述第一锥形组件(101)形成所述第一高频信号的接收或发送通道，

所述第二双锥天线单元(20)进一步包括：

第三锥形组件(201)，与所述第二锥形组件(102)一体设置；以及

第四锥形组件(202)，堆叠于所述第三锥形组件(201)上，用于与所述第三锥形组件(201)形成所述第二高频信号的接收或发送通道。

3.如权利要求2所述的全向天线阵列，其特征在于，所述馈电网络(30)进一步包括：

同轴端口(301)，具有金属探针(3011)和同轴端子(3012)，所述金属探针(3011)的一端***所述同轴端子(3012)内；

垂直部(302)，具有水平部分(3021)和内部中空的垂直部分(3022)，所述垂直部分(3022)设置于所述第一柱孔(101)内，所述垂直部分(3022)夹设于所述第一锥形组件(101)和所述第四锥形组件(202)之间，所述金属探针(3011)的另一端***所述垂直部分(3022)内；

第一接头(303)，夹设于所述第一锥形组件(101)和所述第二锥形组件(102)之间，用于输入或输出第一高频信号；以及

第二接头(304)，夹设于所述第三锥形组件(201)和所述第四锥形组件(202)之间，用于输入或输出第二高频信号。

4.如权利要求3所述的全向天线阵列，其特征在于，所述垂直部分(3022)、所述第一接头(303)和所述第二接头(304)均具有同轴波导传输特性；所述水平部分(3021)具有径向传输特性。

5.如权利要求3所述的全向天线阵列，其特征在于，所述垂直部(302)和所述第一接头(303)的内外导体半径不同；所述垂直部(302)和所述第二接头(304)的内外导体半径不同。

6.如权利要求3所述的全向天线阵列，其特征在于，所述垂直部(302)、所述第一接头(303)和所述第二接头(304)均由介质材料制成。

7.如权利要求3所述的全向天线阵列，其特征在于，所述第一双锥天线单元(10)、所述、第二双锥天线单元(20)和所述同轴端口(301)均由金属材料制成。

8.如权利要求2所述的全向天线阵列，其特征在于，第一锥形组件(101)的下表面到第二锥形组件(102)上表面的距离远大于高频信号的波长；所述第三锥形组件(201)的下表面到第四锥形组件(202)上表面的距离远大于高频信号的波长。

9.如权利要求1所述的全向天线阵列，其特征在于，所述第一双锥天线单元(10)和所述第二双锥天线单元(20)的半径均远大于高频信号的波长。

10.如权利要求1所述的全向天线阵列，其特征在于，所述第一双锥天线单元(10)和所述第二双锥天线单元(20)成镜像对称。