CN115207644A - 宽带全向高增益线阵列天线 - Google Patents

宽带全向高增益线阵列天线 Download PDF

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CN115207644A CN202210730483.5A CN202210730483A CN115207644A CN 115207644 A CN115207644 A CN 115207644A CN 202210730483 A CN202210730483 A CN 202210730483A CN 115207644 A CN115207644 A CN 115207644A
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程文驰
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Abstract

本发明公开了一种宽带全向高增益线阵列天线，主要解决现有技术波束倾斜、带宽较窄、全向性较差和体积较大的问题，其包括线阵列(1)，信号输入端(2)和介质板(3)，线阵列包括上线阵列(11)和下线阵列(12)，其分别印刷在介质板(3)的上下表面，上线阵列包括左、中、右三种上阵元，每个阵元均为“T”形印刷金属片；下线阵列包括“十”字形的左下阵元和“H”形的右下阵元，其均为印刷金属片，阵元的横边与传输线平行，且通过竖边相连，且上下表面阵元的竖边位置重合，横边方向相反；信号输入端位于线阵列天线正中心位置，并与相邻上下表面阵元相连。本发明波束平稳，频带宽，全向性良好，体积小易于携带，可用于无线通信。

Description

宽带全向高增益线阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种线阵列天线，可用于无线通信。
技术背景
天线作为通信设备传递信号的关键部件,其性能往往依赖于所在通信环境，而不同的无线通信环境对天线的设计要求也不尽相同。天线按照辐射能量的均匀程度也即方向性可以分类为定向性天线和全向性天线。定向性天线常应用在单点对有限个确定点的环境中，如在公路或近海地带的通信，这些区域要求定向天线在已知的特定方位产生一个或多个主波束，而在其他方向上形成零陷以削弱此方向的辐射或接收能力。由于定向性天线可以在特定的具体的方位辐射全部能量，因此其特征是増益较高、通信距离较远且不易被监听。而在单点对任意不确定多点的通信中常选择全向性天线，因为全向性天线能够在方位面内均辐射电磁波，从而实现信号的全方位覆盖。
全向天线是指在水平面内实现360°均匀辐射，垂直面内有与水平面成形成不同角度的波束宽度的天线。全向天线发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同时可接收水平面各个方向的信号。全向天线在通信***中通常应用于大范围覆盖的点对多点通讯***中，如广播电视场合。全向天线的特点是增益较低、通信距离短但覆盖范围广，可应用在特殊的通信环境中。例如在广播、电视、移动通信基站这些需要电磁波信号大范围覆盖的场景中，全向性天线比定向性天线更适用。在近距离无特定目标通信中，如室内WLAN、对讲机***等通信设备中，全向性天线具有更可靠的优势。另外，全向性天线还普遍应用在路基导航、射频识别、雷达传感器网络及信道检测等工程中。相对于机械扫描天线和相控阵天线，全向天线可自然实现360°全向覆盖，且结构简单，制造成本低。
随着时代的发展，科技日新月异，无线通信技术的发展深入改变着人们的工作和生活，催生人们对更高性能、更快速的移动通信、互联和信息获取技术的执着追求。如***移动通信中信息量急剧增加，需要满足语言文字方面的数据传递外，还要求传输高质量的图片、音频及视频，而第五代更是要求具备大数量终端同时接入、超快速网络连接、稳定不间断的通讯和及时而又高品质的多媒体体验，而要达到此目标，要求对信息传输速率、信号频谱利用率以及网络容量都要有非常大的提升。这迫使无线通信***向宽频带化和全面智能化的目标发展。特别是基于保密通信的需要，广泛采用跳频扩频技术，同时还要保证大规模数字化的通信数据在高精尖的要求下实现信息快速无线传输，这必然要求***中天线的带宽也要快速提升。另外，为了满足复杂电磁环境中各设备电磁兼容的需要，要求降低无线电设备上多个***中的天线间的相互耦合和干扰，而用一个宽带或者超宽带天线适应多种不同的工作环境和覆盖所有的通讯频段是一个可行的方法，这可以大大减少工作环境中天线的数量，减小了***间的干扰，并达到降低成本和优化***性能的目的。因此，无论在民用上还是军事上，宽频带全向天线的研究与发展在现代无线通信***中是一个值得关注的研究课题。
现有全向天线阵列，其包括线阵列、面阵列、缝隙阵列、组合天线阵列。其中：
线阵列，如图1所示，其由组成天线阵列的最小单元阵元排列在一条直线上形成，绝大多数线阵列馈电方式为串联馈电即从天线的其一端口输入，尽管使用串联馈电的线阵列天线可以获得具有良好全向性的垂直极化天线，但由于串联馈电天线阵列的输入端口到每个辖射单元的路径长度不一样，当频率发生变化时导致其到达时的相位也不一样，因而造成天线阵列的波束容易下倾或者上倾，带宽比较窄。
面阵列，其由多个线阵列天线在某一平面上按设定间隔排列组成，平面阵列采用并联馈电方式，并联馈电的天线阵列形式虽然避免了方向图的倾斜行为，但并联馈电结构设计复杂，所占空间较大，对于性能较强的大规模阵列设计更为复杂。
缝隙阵列，其通过特殊加工形成的线阵列，即先对导体面开缝制造多个缝隙阵元，再经排列形成缝隙阵列，这种天线由于体积庞大，因而在一些需要小型化天线的工作场合并不适用，且制作工艺复杂，对加工精度要求高，加工成本高。
组合天线阵列，其由多个线阵列天线经功分器馈电形成，尽管将天线阵列划分为多个线阵列可简化生产步骤，使用功分器馈电可简化馈电线路结构，但由于组合天线阵列通常为立体形状，重量和体积均偏大，且调试组装过程繁琐，不利于携带，在一些需要临时安置天线的场所并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带全向高增益线阵列天线，以改进现有天线阵列波束倾斜、带宽较窄、体积较大和成本较高的技术问题，满足宽频带全向性通信需求。
为实现上述目的，本发明的宽带全向高增益线阵列天线，包括线阵列1，信号输入端2和介质板3，其特征在于：
所述线阵列1分为上线阵列11和下线阵列12，其分别印刷在介质板3的正反面，信号输入端2位于上线阵列11和下线阵列12的正中心位置；
所述上线阵列11由1×8个平行排列的上阵元组成，其从左到右包括1×4个左上阵元111，1×2个中上阵元112和2个右上阵元113，每种阵元均为“T”形印刷金属片；每个左上阵元111的横边1111方向与其传输线1112的方向相同，且通过竖边1113相连；每个中上阵元112的横边1121方向与其传输线1122的方向相反，且通过竖边1123相连通；每个右阵上元113仅有竖边1131和传输线1132垂直连接；
所述下线阵列12由8个平行排列的下阵元组成，从左到右包括6个左下阵元121和2个右下阵元122；每个左下阵元121为“十”字形印刷金属片，其横边1211与传输线1212平行，且与竖边1213构成直角形状；每个右阵下元122为“H”形印刷金属片，其横边1221与其传输线1222平行，且与竖边1223构成俩对称的直角形状。
进一步，所述信号输入端2位于介质板3中心的圆形槽处，其与相邻上线阵列和下线阵列的阵元的传输线相连。
进一步，所述左上阵元111的横边1111与对应位置的左下阵元121的横边1211方向相同，且长度均为9.7mm～9.8mm，宽度均为1.25mm～1.35mm；
所述左上阵元111的竖边1113长度为11.7mm～11.9mm，其对应位置左下阵元121的竖边1213长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.45mm～1.55mm。
进一步，所述中上阵元112的横边1121与对应位置的左下阵元121的横边1211方向相反，长度均为9.7mm～9.8mm，宽度均为1.25mm～1.35mm；
所述中上阵元112的竖边1123长度为11.7mm～11.9mm，对应位置的左下阵元121的竖边1213长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.4mm～1.5mm。
进一步，所述右下阵元122的横边1221长度为20.9mm～21.1mm，宽度为1.25mm～1.35mm。
所述右上阵元113的竖边1131长度为11.7mm～11.9mm，对应位置的右下阵元122的竖边1223长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.4mm～1.5mm。
进一步，所述左上阵元111的传输线1112、中上阵元112的传输线1122和右上阵元113的传输线1132其形状均为细长三角形，长度均为33mm～34mm，其连接竖边的一端宽，远离竖边的一端窄，且靠近竖边一端的宽度为1.95mm～2.05mm，远离竖边一端的宽度远小于靠近竖边一端的宽度；
所述左下阵元121的传输线1212和右下阵元122的传输线1222的宽度均为9.95mm～10.5mm，长度均为33mm～34mm。
进一步，所述介质板3采用介电常数为3.45F/m～3.65F/m，损耗正切为0.0025～0.003，整体尺寸为315mm×40mm×0.8mm的绝缘材料。
进一步，所述介质板中心处的圆形槽直径为0.9mm～1.1mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明将信号输入端置于线阵列中心位置，使得线阵列的馈电方式为并联馈电，其馈电结构简单，且线阵列的波束水平稳定，不易下倾或者上倾，全向性好，频带宽度较宽。
2.本发明由于将不同数量的不同阵元以直线排列的方式组成上线阵列和下线阵列，分别印刷在介质板的上下表面，使得线阵列天线厚度较小，质量较轻，整体结构所占空间较小，便于携带，且对加工精度要求较低，生产成本较低。
附图说明
图1是常规线阵列天线示意图；
图2是本发明的整体结构的***图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4是本发明中的上线阵列结构示意图；
图5是本发明中的左上阵元、中上阵元和右上阵元的结构示意图；
图6是本发明中的下线阵列结构示意图；
图7是本发明中的左下阵元、右下阵元的结构示意图；
图8是本发明线阵列天线的S11反射系数仿真曲线图；
图9是本发明线阵列天线的天线方向仿真图；
图10是本发明线阵列天线的3D天线方向仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述，本发明给出如下三种实施例：
实施例1
参照图2和图3，本实例包括线阵列1，信号输入端2和介质板3，该线阵列1分为上线阵列11和下线阵列12，其中上线阵列11印制在介质板3的正面，下线阵列12印制在介质板3的反面，信号输入端2位于上线阵列11和下线阵列12的正中心位置；
所述介质板3，其材料为Rogers4003，要求采用介电常数为3.45F/m～3.65F/m，损耗正切为0.0025～0.003，本实施例取但不限于该介电常数3.55F/m，损耗正切0.0027，整体尺寸为315mm×40mm×0.8mm。
参照图4和图5，所述上线阵列11包括三种阵元，即左上阵元111，中上阵元112和右上阵元113，这三种阵元的数量比为2M：M：M，其排列成一条直线，M≥1，该实例中M＝2。该左上阵元111和中上阵元112均设有横边、竖边和传输线，该右上阵元113仅有竖边和传输线。这三种阵元均为“T”形金属片，每个左上阵元111的横边1111方向与其传输线1112的方向相同，并通过竖边1113垂直相连；每个中上阵元112的横边1121方向与其传输线1122的方向相反，并通过竖边1123垂直连通；每个右阵上阵元113的竖边1131和传输线1132垂直连接。该左上阵元111的传输线1112、中上阵元112的传输线1122和右上阵元113的传输线1132，形状均为细长三角形，即传输线的一端宽度大于另一端的宽度，且与传输线宽的一端与竖边相连，即三种阵元的传输线连接竖边一端的宽度均为2mm，长度均为33.5mm。
参照图6和图7，所述下线阵列12包括两种阵元，即左下阵元121和右下阵元122，这两种阵元的数量比为3M：M，其排列成一条直线，M≥1，该实例中M＝2。该左下阵元121和右下阵元122均设有横边、竖边和传输线。每个左下阵元121为“十”字形金属片，其横边1211与传输线1212平行，且与竖边1213构成直角形状；每个右下阵元122为“H”形印刷金属片，其横边1221与传输线1222平行，且与竖边1223构成两个对称的直角形状。该左下阵元的传输线1212和右下阵元的传输线1222大小相同，即两种阵元的传输线宽度均为10mm，长度均为33.5mm。
所述左上阵元111与所述左下阵元121的位置对应，且左上阵元111的横边1111与左下阵元121的横边1211方向相同，大小相同，即两者的阵元横边长度均为9.75mm，宽度均为1.3mm；左上阵元111的竖边1113与左下阵元121的竖边1213位置重合，宽度相同，竖边长度不同，即左上阵元111竖边1113的长度为11.8mm，左下阵元121竖边1213的长度为9mm，两个竖边宽度均为1.5mm。
所述中上阵元112与所述左下阵元121的位置对应，且中上阵元112的横边1121与左下阵元121的横边1211方向相反，大小相同，即两者的阵元横边长度均为9.75mm，宽度均为1.3mm；中上阵元112的竖边1123与左下阵元121的竖边1213位置重合，宽度相同，竖边长度不同，即中上阵元112竖边1123的长度为11.8mm，左下阵元121竖边1213的长度为9mm，两个竖边宽度均为1.5mm。
所述右上阵元113与所述右下阵元122的位置对应，且右上阵元113的竖边1131与右下阵元122的竖边1223位置重合，宽度相同，长度不同，即右上阵元113竖边1131的长度为11.8mm，右下阵元122竖边1223的长度为9mm，两个竖边宽度均为1.5mm；右下阵元122的横边1221的长度为21mm，宽度为1.3mm。
所述介质板中心处的圆形槽直径为1mm。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，其材料种类和天线参数不同，具体描述如下：
所述介质板3其介电常数为3.45F/m，损耗正切为的0.0025。
所述左上阵元的传输线1112、中上阵元的传输线1122和右上阵元的传输线1132其连接竖边一端的宽度均为1.95mm，长度均为33mm。
所述左下阵元的传输线1212和右下阵元的传输线1222的宽度均为9.95mm，长度均为33mm。
所述左上阵元111的横边1111与左下阵元121的横边1211的长度均为9.7mm，宽度均为1.25mm；左上阵元111竖边1113的长度为11.7mm，左下阵元121竖边1213的长度为8.9mm，两个竖边宽度均为1.45mm。
所述中上阵元112的横边1121与左下阵元121的横边1211长度均为9.7mm，宽度均为1.25mm；中上阵元112竖边1123的长度为11.7mm，左下阵元121竖边1213的长度为8.9mm，两个竖边宽度均为1.45mm。
所述右上阵元113竖边1131的长度为11.7mm，右下阵元122竖边1223的长度为8.9mm，两个竖边宽度均为1.45mm；右下阵元122的横边1221的长度为20.5mm，宽度为1.45mm。
所述介质板中心处的圆形槽直径为0.9mm。
实施例3
本实施例与实施例1的结构相同，其材料种类和天线参数不同，具体描述如下：
所述介质板3的介电常数为3.65F/m，损耗正切为0.003。
所述左上阵元的传输线1112、中上阵元的传输线1122和右上阵元的传输线1132其连接竖边一端的宽度均为2.05mm，长度均为34mm。
所述左下阵元的传输线1212和右下阵元的传输线1222的宽度均为10.5mm，长度均为34mm。
所述左上阵元111的横边1111与左下阵元121的横边1211的长度均为9.8mm，宽度均为1.35mm；左上阵元111竖边1113的长度为11.9mm，左下阵元121竖边1213的长度为9.1mm，两个竖边宽度均为1.55mm。
所述中上阵元112的横边1121与左下阵元121的横边1211长度均为9.8mm，宽度均为1.35mm；中上阵元112竖边1123的长度为11.9mm，左下阵元121竖边1213的长度为9.1mm，两个竖边宽度均为1.55mm。
所述右上阵元113竖边1131的长度为11.9mm，右下阵元122竖边1223的长度为9.1mm，两个竖边宽度均为1.55mm；右下阵元122的横边1221的长度为21.1mm，宽度为1.55mm。
所述介质板中心处的圆形槽直径为1.1mm。
上述实例的工作原理如下：
印制在介质板上下表面对应阵元的横边所组成的对称振子，其表面电流分布可看作近似正弦分布，假设将对称振子安放到Z轴，对其分析可得到上面的电流分布为：
I＝Imsinβ(L-|z|) 0<z<L
式中，Im为波腹电流，β为传播常数，L为振子一臂即阵元横边的长度。
线阵列天线经信号输入端馈电后会在两臂激发高频电流，高频电流将在空间的各个方向激励辐射场，若将线阵列天线所在位置设为坐标原点，则形成在空间中的辐射场分布，其表示为：
Figure BDA0003713145730000071
式中，r为空间中某一点距离原点的距离，θ角为空间中某一点和原点连线与Z轴的夹角，
Figure BDA0003713145730000072
是空间中某一点和原点连线在XY平面的投影与X轴的夹角,k是玻尔兹曼常数。
将电场
Figure BDA0003713145730000073
除以其最大值EMax得到归一化方向图函数：
Figure BDA0003713145730000074
根据归一化方向图函数
Figure BDA0003713145730000075
和电场强度最大值EMax，即可计算各个方位的电场强度大小E。
从上式可以看出，归一化方向图函数
Figure BDA0003713145730000076
与球坐标分量
Figure BDA0003713145730000077
无关，即同一平面内距离相同的点的函数
Figure BDA0003713145730000078
的值相同，电场强度相同，电场强度大小随着俯仰面角度θ变化，即电场强度大小只与对称振子和水平面的夹角有关，当
Figure BDA0003713145730000079
时表示为水平面，其
Figure BDA0003713145730000081
为常数，此时水平面上离线阵列天线相同距离的各个方位电场强度大小相同，即此时振子在水平面是全向辐射的。
以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：
1.仿真条件
仿真使用的商业仿真软件为HFSS_15.0，
2.仿真内容：
仿真1，在4.7GHz～5.7GHz的频段内对本发明实施例1的线阵列天线进行S11反射系数仿真，结果如图8所示。
从图8可以看出，线阵列天线在4.7GHz～5.6GHz的频率范围内S11值均小于-10dB，且4.95GHz时峰值为-21dB，满足现代通信带宽的要求。
仿真2，对本发明实施例1的线阵列天线进行天线方向图仿真，结果如图9所示，其中图9(a)是水平波瓣图，图9(b)是垂直波瓣图。
从图9(a)可以看出，水平波瓣图显示线阵列天线具有全向性，天线阵列最大增益可达到8dB；
从图9(b)可以看出，垂直波瓣图显示线阵列天线在水平方向的全向性最好，增益最高，线阵列天线斜上方或斜下方空间的辐射能力也较强。
仿真3，对本发明实施例1的线阵列天线进行3D天线方向图仿真，结果如图10所示，其中图10(a)是水平3D辐射图，图10b)是垂直3D辐射图。
从图10(a)可以看出，水平3D辐射图显示天线阵列具有全向性；
从图10(b)可以看出，垂直3D辐射图显示天线阵列在水平方向全向性最好，增益最高，天线阵列斜上方或斜下方空间的辐射能力也较强；
综上，本发明天线阵列具有全向、高增益的优良属性，满足现代通信的要求。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带全向高增益线阵列天线，包括线阵列(1)，信号输入端(2)和介质板(3)，其特征在于：
所述线阵列(1)分为上线阵列(11)和下线阵列(12)，其分别印刷在介质板(3)的正反面，信号输入端(2)位于上线阵列(11)和下线阵列(12)的正中心位置；
所述上线阵列(11)由1×8个平行排列的上阵元组成，其从左到右包括1×4个左上阵元(111)，1×2个中上阵元(112)和2个右上阵元(113)，每种阵元均为“T”形印刷金属片；每个左上阵元(111)的横边(1111)方向与其传输线(1112)的方向相同，且通过竖边(1113)相连；每个中上阵元(112)的横边(1121)方向与其传输线(1122)的方向相反，且通过竖边(1123)相连；每个右阵上元(113)仅有竖边(1131)和传输线(1132)垂直连接；
所述下线阵列(12)由8个平行排列的下阵元组成，从左到右包括6个左下阵元(121)和2个右下阵元(122)；每个左下阵元(121)为“十”字形印刷金属片，其横边(1211)与传输线(1212)平行，且与竖边(1213)构成直角形状；每个右阵下元(122)为“H”形印刷金属片，其横边(1221)与其传输线(1222)平行，且与竖边(1223)构成俩对称的直角形状。
2.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于，所述信号输入端(2)位于介质板(3)中心的圆形槽处，其与相邻上线阵列和下线阵列的阵元的传输线相连。
3.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于：
所述左上阵元(111)的横边(1111)与对应位置的左下阵元(121)的横边(1211)方向相同，且长度均为9.7mm～9.8mm，宽度均为1.25mm～1.35mm；
所述左上阵元(111)的竖边(1113)长度为11.7mm～11.9mm，其对应位置左下阵元(121)的竖边(1213)长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.45mm～1.55mm。
4.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于：
所述中上阵元(112)的横边(1121)与对应位置的左下阵元(121)的横边(1211)方向相反，长度均为9.7mm～9.8mm，宽度均为1.25mm～1.35mm；
所述中上阵元(112)的竖边(1123)长度为11.7mm～11.9mm，对应位置的左下阵元(121)的竖边(1213)长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.45mm～1.55mm。
5.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于：
所述右下阵元(122)的横边(1221)长度为20.9mm～21.1mm，宽度为1.25mm～1.35mm；
所述右上阵元(113)的竖边(1131)长度为11.7mm～11.9mm，对应位置的右下阵元(122)的竖边(1223)长度为8.9mm～9.1mm，该两个竖边位置重合，宽度均为1.45mm～1.55mm。
6.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于：
所述左上阵元(111)的传输线(1112)、中上阵元(112)的传输线(1122)和右上阵元(113)的传输线(1132)其形状均为细长三角形，长度均为33mm～34mm，其连接竖边的一端宽，远离竖边的一端窄，且靠近竖边一端的宽度为1.95mm～2.05mm，远离竖边一端的宽度远小于靠近竖边一端的宽度；
所述左下阵元(121)的传输线(1212)和右下阵元(122)的传输线(1222)的宽度均为9.95mm～10.5mm，长度均为33mm～34mm。
7.根据权利要求1所述的线阵列天线，其特征在于，所述介质板(3)采用介电常数为3.45F/m～3.65F/m，损耗正切为0.0025～0.003，整体尺寸为315mm×40mm×0.8mm的绝缘材料。
8.根据权利要求2所述的线阵列天线，其特征在于，所述介质板中心处的圆形槽直径为0.9mm～1.1mm。
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