CN107732440B - 超宽带高增益波束上仰全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明超宽带高增益波束上仰全向天线包括共轴排列在同一介质基板上的第一宽带子阵和第二宽带子阵，两子阵的阵元数不相等，最少阵元数为1，其阵元均为U形对称振子，该介质基板上还设有馈电导线，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的振子通过馈电导线连接馈电电缆，分别连接第一宽带子阵和第二宽带子阵的两段所述馈电电缆的特性阻抗分别为Z01和Z02，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的输入阻抗Zin1、Zin2分别等于其馈电电缆的特性阻抗，即：Z01＝Zin1，Z02＝Zin2。本发明超宽带高增益波束上仰全向天线超宽带、高增益、水平全向、波束上仰、大功率、高效率、轻小便携、结构简单、经济耐用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种全向天线设备与技术，特别是涉及一种适合无人机地面 控制站的小型化超宽带高增益波束上仰全向天线及其技术。
【背景技术】
随着航空工业和信息技术的发展，人类进入了无人机时代。无人机适合 执行各类任务，且具有高性价比的优势，在军民领域都具有广阔的应用前 景。军用方面，无人机用于地图测绘、情报侦察、战场监视、对敌攻击、中 继通信等；民用方面，无人机用于航空拍摄、物流快递和科学探险等。目前， 中国在无人机领域均处于世界领先水平。通常，无人机依靠地面站无线电遥控方式执行各类任务。这种无线链路由地面站和无人机天线之间建立。地面 站一般采用高增益抛物面天线，无人机则使用低增益全向天线。前者频率 高、方向性强、波束窄、控制距离远，但是传播路径上不能有障碍物遮挡， 而且受地球曲率影响，只能视距传播。因此，无人机飞行高度需要尽可能高， 而且必须在主瓣波束内，且无法同时控制多架位于不同方位的无人机。另 外，抛物面天线需要方位/俯仰面均可自由转动的机构，体积大、成本较高。 相比之下，若控制站采用低频高增益全向天线，则可很好地解决上述问题。 然而，高增益全向天线通常采用半波振子共轴组阵来实现，其最大辐射方向指向水平方向。这使得而无人机在接近地平线的低仰角区域控制效果好，而 高仰角的空间区域控制效果很差，导致其活动空域极大地受限。因此，全向 天线的主瓣需要上仰一定的角度，且上旁瓣间的零点进行填充，才能满足无 人机广阔空域飞行控制的需要。通常，波束赋形采用阵列加权方式实现，但 需要设计复杂的馈电网络，造成天线增益下降、尺寸增大、便携性变差、成 本增加等。增益下降，会导致控制距离变近、无人机滞空时间变短等问题；尺寸增大，导致机动部署不便、风载过高。另一种方案是，采用串馈振子阵 列，该方案的优点是馈电简单、结构紧凑、成本低，缺点是增益偏低、带宽 窄、波束下倾。跟其他天线一样，带宽也是地面站天线的关键指标之一，它 决定了可以控制的无人机数量及无人机的数据回传速率。另外，为了使无线 链路获得最佳信噪比，地面站天线宜采用宽频带设计，利用不同波长电波的传播特性以保持链路的鲁棒性。显然，常规的振子共轴阵列的方案难以满足 上述宽频带、多频段的要求，而必须另辟蹊径找到扩展带宽的方法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种超宽带、高增益、水平全向、波束上仰、大 功率、高效率、轻小便携、结构简单、经济耐用的超宽带高增益波束上仰全 向天线。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明提供一种超宽带高增益波束上仰全向天线，其包括共轴排列在同 一介质基板上的第一宽带子阵和第二宽带子阵，所述第一宽带子阵和第二宽 带子阵的阵元数不相等，且最少阵元数为1，其阵元均为U形对称振子，该介质基板上还设有馈电导线，连接所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的各振 子，该第一宽带子阵和第二宽带子阵通过馈电导线连接馈电电缆，分别连接 第一宽带子阵和第二宽带子阵的两段所述馈电电缆的特性阻抗分别为Z01和 Z02，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的输入阻抗Zin1、Zin2分别等于其馈电电 缆的特性阻抗，即：Z01＝Zin1，Z02＝Zin2。
上述第一宽带子阵和第二宽带子阵，两个子阵的阵元数不相等，可以分 别为1和2、2和3、3和4、2和5、5和3、4和2、n和m，等等数字组合，其中n、 m为不相等的自然数，前述组合例子只是本发明实施方式的部分实施例，并 不作为本发明权利范围限制，所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的阵元数可 以为任意个数，只要第一宽带子阵和第二宽带子阵的阵元数不相等即可。
优选的，在所述两段馈电电缆的末端分别连接一段特性阻抗为Z03、Z04的四分之一波长电缆变换段，两段电缆变换段连接总电缆，馈电电缆特性阻 抗Z01和Z02、长度L01和L02满足以下数学式关系：
L01＝(2πλ1)×(5γ)×sin(πθ/180)+(λ1/λ2)L02
关系式中，λ1、λ1分别为特性阻抗为Z01和Z02的馈电电缆中的导波波长，γ 为阵元间距的电长度系数，即阵元间距为γλ0，λ0为真空中波长，θ为波束 上仰角度，即波束主瓣与水平方向的夹角。
优选的，两段电缆变换段通过一个三孔馈电槽连接起来，该三孔馈电槽 的第三孔则连接总电缆，总电缆另一端连接射频接头。优选的，两电缆变换 段朝阵列中间位置延伸，在彼此靠近处用一分二的三孔馈电槽连接。优选的， 所述总电缆特性阻抗Z0＝50Ω。
优选的，第一宽带子阵的振子臂末端开纵向L形槽，第一宽带子阵的振 子中心两侧对称加载一对第一子阵寄生枝节，第二宽带子阵的振子中心两侧 对称加载一对第二子阵寄生枝节。
两超宽带PCB印制振子子阵的阵元均为U形对称振子，其上下臂分别 位于介质基板的正反面，位于正面的U形臂朝向基板一端，位于反面的U 形臂则朝向基板另一端，或者刚好相反。
优选的，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的振子双臂总长度为 (0.3～0.5)·λC，其中λC为中心波长。该长度范围为较佳实施例，但并不仅局限 于该具体数值，在此数值范围接近约数或同等变换取值范围均在本发明保护 范围内。
优选的，该第一子阵寄生枝节顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间 隙，该第一子阵寄生枝节的中央朝内突出至振子中间直至振子两臂之间的间 隙处，两侧第一子阵寄生枝节之间不接触。优选的，该第一宽带子阵的振子 臂的底端在朝向末端的一侧设有凸起。
优选的，该第二宽带子阵的振子上下两臂在中间处位置重叠，但不电连 接，该第二子阵寄生枝节顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间隙，第二 子阵寄生枝节的中央朝内突出，贴合振子臂轮廓，但未延伸至振子中间。
优选的，所述馈电电缆、电缆变换段、总电缆，均顺着天线中心轴线方 向走线，并且，各电缆与馈电导线一侧多点焊接。优选的，所述馈电电缆、 电缆变换段、总电缆为同轴电缆。
优选的，该馈电导线为平行双导体馈线，顺着阵列方向并与阵列轴线重 合，由多节不等长宽的变换段级联而成；中心位置为馈电点，两端为短路点， 馈电点为非金属化过孔且上下设焊盘，短路点则为金属化过孔，将上下馈线 连通。
优选的，该超宽带高增益波束上抑全向天线包括一个壁厚为TR、长度为 LR的玻璃钢天线罩，将天线各部件完全包裹起来，天线罩底端开口，顶端封 闭，且与天线共轴设置。优选的，天线罩采用玻璃钢、PTFE、PVC、PC、 PE、ABS等常见介质材料加工。
优选的，该介质基板的长宽厚分别为：LV、WV、TV，介电常数为εr1，损 耗角正切tanδ1。优选的，天线介质基板是以PTFE、碳氢化合物、氧化铝物 质为原料加工而成双面覆铜板，如Rogers、Taconic、Arlon、Neltec、旺灵系 列板材。
优选的，实际馈电电缆带SMA、BNC、TNC、N头、7/16或4.3/10DIN 等常见连接头。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明综合各种现有技术，提出了一种超宽带高增益波束上仰全向天 线。首先，设计两个独立的超宽带PCB子阵，即将阵列分成两个单独的PCB 子阵，再用电缆或功分板将两子阵组成高增益复合阵。通过调节两子阵的阻 抗，并为之选配特性阻抗等于各自阻抗的馈电电缆，使得阵列输入阻抗为 50Ω。由于馈电电缆阻抗等于子阵的阻抗，调节电缆长短便可来改变阵列波束的上仰角度，却不影响其阻抗特性。通过以上措施，天线在UHF 560～680MHz频段(BW＝120MHz，19.35％)、近3.127·λC电长度上，实现了 50Ω良好匹配(VSWR<1.77，最小1.02)；达到5.92～7.30dBi，波束上仰约 5°，竖直面(E面)波宽14.35°～16.12°，水平面(H面)不圆度小于0.68dB， 上旁瓣第一零点电平大于-22.5dB；大大简化了馈电网络设计，增加了带宽， 降低了损耗，提高了效率(≥93.5％)。另外，该设计短小便携、承受功率大、 结构强度高、经济耐用，是适合无人机地面控制站的优选天线设计。另外， 该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、简单易行等特点，对于更宽 带宽、更高增益、波束赋形的全向天线优化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为超宽高增益带波束上仰全向天线的两单元子阵的正视图。
图3为超宽高增益带波束上仰全向天线的两单元子阵的中心局部放大 图。
图4为超宽高增益带波束上仰全向天线的两单元子阵的两端局部放大 图。
图5为超宽高增益带波束上仰全向天线的三单元子阵的正视图。
图6为超宽高增益带波束上仰全向天线的三单元子阵的中心局部放大 图。
图7为超宽高增益带波束上仰全向天线的三单元子阵的两端局部放大 图。
图8为超宽高增益带波束上仰全向天线的上下子阵共轴完整模型的正视 图。
图9为超宽高增益带波束上仰全向天线的同轴馈电网络示意图。
图10为超宽高增益带波束上仰全向天线的S参数曲线。
图11为超宽高增益带波束上仰全向天线的驻波比VSWR。
图12为超宽高增益带波束上仰全向天线在fL＝560MHz的2D方向图。
图13为超宽高增益带波束上仰全向天线在fC＝620MHz的2D方向图。
图14为超宽高增益带波束上仰全向天线在fH＝680MHz的2D方向图。
图15为超宽高增益带波束上仰全向天线的实增益GR随频率f变化曲线。
图16为超宽高增益带波束上仰全向天线的E面半功率波束宽度HPBW 随频率f变化曲线。
图17为超宽高增益带波束上仰全向天线的E面波束上仰角随频率f变化 曲线。
图18超宽高增益带波束上仰全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。
图19宽高增益带波束上仰全向天线的效率ηA随频率f变化曲线。
本文附图是用于对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部 分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限 制或限定。本发明还可以有其他各种变体，以及多个别的应用场景和领域。
【具体实施方式】
这里，将着重于超宽带、高增益、全向性、波束上仰和赋形四个主要特 点来论述本发明，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仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限 定本发明。下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技 术方案。
本发明旨在为无人机地面控制站设计一种超宽带(BW≥20％)、高增益 (G≥6dBi)、水平全向、波束上仰、上零点填充、大功率、高效率、轻小便 携、结构简单、经济耐用的垂直极化天线，并为更高增益、更宽带宽、波束 赋形的优化设计提供有效的参考方法。具体实施例中通过以下步骤构建出本 发明超宽高增益带波束上仰全向天线。
步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；
步骤二，构造第一宽带子阵10。在本实施例中，该第一宽带子阵10为 二元宽带子阵，在坐标系XOZ平面，构造一个顺着Z轴方向放置的两单元 宽带振子阵列，每个振子包含两个对称的U形双臂101、102，总长度约为 (0.3～0.5)·λC(λC为中心波长)；振子臂末端开纵向L形槽103，振子中心两 侧对称加载一对第一子阵寄生枝节104，第一子阵寄生枝节104顺着振子臂 排列，并与振子臂之间留有间隙105，该第一子阵寄生枝节104的中央朝内 突出至振子中间直至振子两臂之间的间隙处，两侧第一子阵寄生枝节104之 间不接触，如图中114部分所示；振子臂的底端在朝向末端的一侧设有凸起 113；第一宽带子阵10的振子与馈线一体化印制于双面介质基板100的两 面，介质基板100的长宽厚分别为：LV、WV、TV，介电常数为εr1，损耗角 正切tanδ1；第一宽带子阵10的各振子上臂在PCB板正面、下臂在反面，或者正好相反；馈线为平行双导体馈线，顺着阵列方向并与阵列轴线重合，由 多节不等长宽的变换段106、107、108、109、110级联而成；中心位置为馈电点111，两端为短路点112，馈电点111为非金属化过孔且上下设焊盘，短 路点112则为金属化过孔，将上下馈线连通，见图2～4；
步骤三，构造第二宽带子阵20。在本实施例中，所述第二宽带子阵10 为三元宽带子阵，在XOZ平面、第一宽带子阵10的介质基板100的另一端， 按照上述方法构造另一个宽带振子阵列，其中心轴线与第一宽带子阵10重 合；第二宽带子阵20的两臂同样为U形振子臂201、202，与第一宽带子阵 10不同的是，第二宽带子阵20的U形振子臂末端没有L形槽，两臂之间没 有间隙，也就是，第二宽带子阵20的振子上下两臂在中间处位置重叠，但 不电连接；振子中心两侧对称加载一对第二子阵寄生枝节203，第二子阵寄 生枝节203顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间隙204，第二子阵寄生 枝节203的中央朝内突出，切合振子臂轮廓，但未延伸至振子中间；第二宽 带子阵20的振子与馈线一体化印制于双面介质基板100的两面，各振子上臂在PCB板正面、下臂在反面，或者正好相反；馈线为平行双导体馈线，顺着阵列方向并与阵列轴线重合，由多节不等长宽的变换段205、206、207、 208级联而成；中心位置为馈电点210，两端为短路点209，馈电点210为非 金属化过孔且上下设焊盘，短路点209则为金属化过孔，将上下馈线连通， 见图5～7；
步骤四，设置同轴馈电网络。用特性阻抗和长度分别为：Z01、L01和Z02、 L02的馈电电缆410、420，分别连接第一宽带子阵10和第二宽带子阵20； 第二宽带子阵20和第一宽带子阵10的输入阻抗Zin1、Zin2分别等于其馈电电 缆的特性阻抗，即：Z01＝Zin1，Z02＝Zin2；电缆Z01和Z02的长度L01和L02满 足以下数学关系：
L01＝(2πλ1)×(5γ)×sin(πθ/180)+(λ1/λ2)L02――(1)
(1)式中，λ1、λ1分别为馈电电缆Z01和Z02中的导波波长；γ为阵元间距的 电长度系数，即阵元间距为γλ0，λ0为真空中波长；θ为波束上仰角度，即 波束主瓣与水平方向的夹角，单位为°(度)。接着，在特性阻抗为Z01和Z02的馈电电缆的末端分别连接一段特性阻抗为Z03、Z04的四分之一波长电缆变 换段411、421；然后，用一个三孔馈电槽将两电缆变换段411、421连接起 来，该三孔馈电槽的第三孔则连接一根特性阻抗为Z0＝50Ω的总电缆430，总电缆430的另一端连接射频接头，见图9；
步骤五，馈电电缆走线优化。将步骤四的五根馈电电缆410～411、420～421 和430，全部顺着天线中心轴线方向走线。除两子阵的馈电电缆两端连接两 子阵馈电点111、210的焊接点外，其余部分和其他各电缆均走直线。并且，将各电缆与子阵中心馈线一侧多点焊接，以便固定电缆并优化布线，见图9；
步骤六，设置天线罩300。设置一个壁厚为TR、长度为LR的玻璃钢天线 罩300，将天线各部件完全包裹起来，天线罩底端开口，顶端封闭，且与天 线共轴排列。
通过上述步骤构建的超宽带高增益波束上仰全向天线，其包括共轴排列 在介质基板上的第一宽带子阵10和第二宽带子阵20，阵元均为U形对称振 子，该介质基板上还设有馈电导线，连接所述第一宽带子阵10和第二宽带 子阵20的各振子，该第一宽带子阵10和第二宽带子阵20通过馈电导线连 接馈电电缆，在所述特性阻抗为Z01和Z02的馈电电缆的末端分别连接一段特 性阻抗为Z03、Z04的四分之一波长电缆变换段411、421，两段电缆变换段连 接总电缆，该第二宽带子阵20和第一宽带子阵10的输入阻抗Zin1、Zin2分别 等于其馈电馈电电缆的特性阻抗，即：Z01＝Zin1，Z02＝Zin2。
分别连接第一宽带子阵10和第二宽带子阵20的馈电电缆的特性阻抗和 长度分别为：Z01、L01和Z02、L02，馈电电缆特性阻抗Z01和Z02、长度L01和 L02满足以下数学式关系：
L01＝(2πλ1)×(5γ)×sin(πθ/180)+(λ1/λ2)L02
关系式中，λ1、λ1分别为特性阻抗为Z01和Z02的馈电电缆中的导波波长，γ 为阵元间距的电长度系数，即阵元间距为γλ0，λ0为真空中波长，θ为波束 上仰角度，即波束主瓣与水平方向的夹角。
两段电缆变换段朝阵列中间位置延伸，在彼此靠近处用一分二的三孔馈 电槽连接起来，该三孔馈电槽的第三孔则连接特性阻抗Z0＝50Ω的总电缆 430，总电缆430另一端连接射频接头。实际馈电电缆带SMA、BNC、TNC、 N头、7/16或4.3/10DIN等常见连接头。
该第一宽带子阵10和第二宽带子阵20的阵元均为U形对称振子，其上 下臂分别位于介质基板的正反面，位于正面的U形臂朝向基板一端，位于反 面的U形臂则朝向基板另一端，或者刚好相反。该第一宽带子阵10和第二 宽带子阵20的振子双臂101、102总长度为(0.3～0.5)·λC，其中λC为中心波 长。该长度范围为较佳实施例，但并不仅局限于该具体数值，在此数值范围 接近约数或同等变换取值范围均在本发明保护范围内。
该第一宽带子阵10的振子臂末端开纵向L形槽103，第一宽带子阵10的振 子中心两侧对称加载一对二元子阵寄生枝节104，第二宽带子阵20的振子中心两侧对称加载一对第二子阵寄生枝节203。该二元子阵寄生枝节104顺着振 子臂排列，并与振子臂之间留有间隙105，该二元子阵寄生枝节104的中央朝内突出至振子中间直至振子两臂之间的间隙处，两侧二元子阵寄生枝节104 之间不接触。该第一宽带子阵10的振子臂的底端在朝向末端的一侧设有凸起 113。
该第二宽带子阵20的振子上下两臂在中间处位置重叠，但不电连接， 该第二子阵寄生枝节203顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间隙204，第二子阵寄生枝节203的中央朝内突出，贴合振子臂轮廓，但未延伸至振子 中间。
该馈电电缆、电缆变换段、总电缆，均顺着天线中心轴线方向走线，并 且，各电缆与馈电导线一侧多点焊接。优选的，所述馈电电缆、电缆变换段、 总电缆为同轴电缆。
该馈电导线为平行双导体馈线，顺着阵列方向并与阵列轴线重合，由多 节不等长宽的变换段106、107、108、109、110级联而成；中心位置为馈电 点111，两端为短路点112，馈电点111为非金属化过孔且上下设焊盘，短路 点112则为金属化过孔，将上下馈线连通。
该超宽带高增益波束上抑全向天线包括一个壁厚为TR、长度为LR的玻 璃钢天线罩300，将天线各部件完全包裹起来，天线罩底端开口，顶端封闭， 且与天线共轴设置。优选的，天线罩采用玻璃钢、PTFE、PVC、PC、PE、 ABS等常见介质材料加工。
该介质基板100的长宽厚分别为：LV、WV、TV，介电常数为εr1，损耗角 正切tanδ1。优选的，天线介质基板是以PTFE、碳氢化合物、氧化铝物质为 原料加工而成双面覆铜板，如Rogers、Taconic、Arlon、Neltec、旺灵系列板 材。
上述仅为本发明实施例，并不用于限制或限定本发明。所述第一宽带子 阵10和第二宽带子阵20只是本发明实施例中对两个阵元数不相同的子阵的 区别命名，上述提及的两个子阵的振子技术特征可以在两个子阵之间互换。
本发明在UHF 560～680MHz频段(BW＝120MHz，19.35％)、近3.127·λC电长度上，实现了50Ω良好匹配(VSWR<1.77，最小1.02)；达到5.92～7.30 dBi，波束上仰约5°，竖直面(E面)波宽14.35°～16.12°，水平面(H面) 不圆度小于0.68dB，上旁瓣第一零点电平大于-22.5dB；大大简化了馈电网 络设计，增加了带宽，降低了损耗，提高了效率(≥93.5％)。具体技术参数 请参阅图10～19，如下所述。
图10为超宽高增益带波束上仰全向天线的S参数曲线。其中，横轴(X 轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是S参数幅度|Sij|，单位为dB； 实线为反射系数|S11|、|S22|，虚线为隔离度|S21|，粗线为三单元子阵20，细线 为下两单元子阵10。由图知，在整个560～680MHz频段实现了良好的阻抗匹 配，带宽达到19.35％(|S11|≤-11.5dB)，隔离度优于-28dB。
图11为超宽高增益带波束上仰全向天线的驻波比VSWR。其中，横轴 (X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是驻波比VSWR；粗线为三 单元子阵20，细线为两单元子阵10。由图知，在整个560～680MHz频段实 现了良好的阻抗匹配，带宽达到19.35％(VSWR≤1.77)。
图12为超宽高增益带波束上仰全向天线在fL＝560MHz的2D方向图。 其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°， YOZ平面)；增益G＝5.92dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝16.12°，H面不 圆度为0.41dB，波束上仰4.817°，上旁瓣第一零点归一化电平为-22.5dB；
图13为超宽高增益带波束上仰全向天线在fC＝620MHz的2D方向图。 其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°， YOZ平面)；增益G＝6.85dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝15.65°，H面不 圆度为0.54dB，波束上仰4.80°，上旁瓣第一零点归一化电平为-19.7dB；
图14为超宽高增益带波束上仰全向天线在fH＝680MHz的2D方向图。 其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝90°， YOZ平面)；增益G＝7.30dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝14.35°，H面不 圆度为0.68dB，波束上仰4.782°，上旁瓣第一零点归一化电平为-16.3dB；
图15为超宽高增益带波束上仰全向天线的实增益GR随频率f变化曲 线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是增益GR， 单位为dBi。在整个频带内(560～680MHz)，实增益为GR＝5.92～7.30dBi， 波束赋形导致的增益损耗约1～1.5dBi。
图16为超宽高增益带波束上仰全向天线的E面半功率波束宽度HPBW 随频率f变化曲线。由图知，在整个频带内(560～680MHz)，E面半功率波 束宽度范围：HPBW＝14.35°～16.12°。
图17为超宽高增益带波束上仰全向天线的E面波束上仰角随频率f变化 曲线。由图知，在整个频带内(560～680MHz)，E面波束上仰角范围为：4.782° ～4.817°。
图18超宽高增益带波束上仰全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。 由图知，整个频带内(560～680MHz)，H面(Theta＝90°)的不圆度小于 0.68dBi，方位面辐射均匀性很好。
图19宽高增益带波束上仰全向天线的效率ηA随频率f变化曲线。由图 知，在频带内(560～680MHz)，天线的效率大于93.5％，效率很高。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本 领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，以及多个别的 应用场景和领域。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替 换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，其包括共轴排列在同一介质基板上的第一宽带子阵和第二宽带子阵，所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的阵元数不相等，且最少阵元数为1，其阵元均为U形对称振子，每个振子包含两个对称的U形臂，两个U形臂分别位于介质基板的正反两面，该介质基板上还设有馈电导线，连接所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的各振子，第一宽带子阵和第二宽带子阵的馈电导线均为设置在介质基板正反两面的平行双导体馈线，该第一宽带子阵和第二宽带子阵通过馈电导线连接馈电电缆，分别连接第一宽带子阵和第二宽带子阵的两段所述馈电电缆的特性阻抗分别为Z01和Z02，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的输入阻抗Zin1、Zin2分别等于其馈电电缆的特性阻抗，即：Z01＝Zin1，Z02＝Zin2；
在两段馈电电缆的末端分别连接一段特性阻抗为Z03、Z04的四分之一波长电缆变换段，两段电缆变换段连接总电缆，馈电电缆特性阻抗Z01和Z02、长度L01和L02满足以下数学式关系：
L01＝(2πλ1)×(5γ)×sin(πθ/180)+(λ1/λ2)L02
关系式中，λ1、λ2分别为特性阻抗为Z01和Z02的馈电电缆中的导波波长，γ为阵元间距的电长度系数，即阵元间距为γλ0，λ0为真空中波长，θ为波束上仰角度，即波束主瓣与水平方向的夹角。
2.如权利要求1所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，两段电缆变换段通过三孔馈电槽连接起来，该三孔馈电槽的第三孔连接特性阻抗Z0＝50Ω的总电缆，总电缆另一端连接射频接头。
3.如权利要求1～2任一项所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，所述第一宽带子阵的振子臂末端开纵向L形槽，第一宽带子阵的振子中心两侧对称加载一对第一子阵寄生枝节，所述第二宽带子阵的振子中心两侧对称加载一对第二子阵寄生枝节。
4.如权利要求3所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，该第一子阵寄生枝节顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间隙，该第一子阵寄生枝节的中央朝内突出至振子中间直至振子两臂之间的间隙处，两侧第一子阵寄生枝节之间不接触，该第一宽带子阵的振子臂的底端在朝向末端的一侧设有凸起。
5.如权利要求4所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，该第二宽带子阵的振子位于介质基板正面的U形臂为上臂，位于介质基板反面的U形臂为下臂，上下两臂在中间处位置重叠，但不电连接，该第二子阵寄生枝节顺着振子臂排列，并与振子臂之间留有间隙，第二子阵寄生枝节的中央朝内突出，贴合振子臂轮廓，但未延伸至振子中间。
6.如权利要求5所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的振子两个U形臂总长度为(0.3～0.5)·λC，其中λC为中心波长。
7.如权利要求6所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，所述馈电电缆、电缆变换段、总电缆，均顺着天线中心轴线方向走线，并且，馈电电缆、电缆变换段和总电缆与馈电导线一侧多点焊接。
8.如权利要求7所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，该馈电导线为平行双导体馈线，顺着阵列方向并与阵列轴线重合，由多节不等长宽的变换段级联而成；中心位置为馈电点，两端为短路点，馈电点为非金属化过孔且上下设焊盘，短路点为金属化过孔，将设置在介质基板正反两面的馈线连通。
9.如权利要求8所述的超宽带高增益波束上仰全向天线，其特征在于，其包括一个天线罩，天线罩底端开口，顶端封闭，且与天线共轴设置。
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