CN115764289A - 一种宽带垂直极化全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带垂直极化全向天线，属于无线通信技术领域。其金属辐射层包括振子单元和馈电网络，振子单元包括多个曲面平行双线馈电异面印刷的偶极子，每一偶极子均包括两个振子，且两个振子分别置于支撑筒内、外两侧，形成互补结构；偶极子的轴向方向与支撑筒的轴向方向平行；馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，宽带平行双线馈电网络的两部分分别为位于支撑筒内侧的内侧馈电网络和位于支撑筒外侧的外侧馈电网络；内侧馈电网络的末端与内侧的对应振子相连，外侧馈电网络的末端与外侧的对应振子相连；本发明具有具有结构简单、紧凑，全向辐射特性好的特点，满足垂直极化全向通信***的应用场景。

Description

一种宽带垂直极化全向天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种宽带垂直极化全向天线。

背景技术

天线极化是描述天线辐射电磁波场矢量空间指向的参数，由于电场与磁场有恒定的关系，一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化。以地面为参考系时，线极化可分为水平极化和线极化。当电场矢量取向随时间而变化，其矢量端点在垂直于传播方向的水平面内描绘的轨迹是一个椭圆，就称为椭圆极化；当描绘轨迹为一个圆时，即为圆极化。圆极化波又可分为左旋圆极化和右旋圆极化波。根据天线极化方式的区别，我们可以将关于全向天线的研究大致分为三类，垂直极化全向天线，水平极化全向天线和圆极化全向天线。

在地波传播中，水平极化波的衰减远大于垂直极化波。因此在移动通信中，多采用垂直极化天线来避免能量的大量衰减，保证信号的有效传播。最易实现及广泛采用的垂直极化全向天线为垂直于地面放置的偶极子天线。为展宽带宽、提高增益、实现天线小型化，垂直极化全向天线在形式上出现了很多改进。一般有以下三种方法来实现：第一，使用单极子、对称振子、单锥或者盘锥天线作为基本辐射体，从而达到宽带垂直极化全向辐射指标；第二，使用宽带的辐射单元，通过组阵的方式来实现全向辐射；第三，使用微带圆片天线作为基本单元，通过采用耦合馈电或者加载短路开路调节器的措施来提高天线的工作带宽，从而实现全向辐射。使用单锥、双锥或者使用宽带振子作为阵元的全向天线很容易实现宽带和全向的效果，因为它原则上是基于半波对称振子来的，可以通过调节振子臂的形状来缩小天线尺寸，但是对极化方向天线尺寸改善不会很大，很难达到低剖面的效果。使用微带圆片作为基本辐射单元的垂直极化全向天线其很容易做到低剖面，因为它是基于微带天线为基本模型的，但是这种天线很难实现宽频。

以上方式实现的垂直极化全向天线普遍存在带宽窄，增益不高的缺点，制约了垂直极化全向天线的工程应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带垂直极化全向天线，其具有结构简单、紧凑，全向辐射特性好的特点，满足垂直极化全向通信***的应用场景。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种宽带垂直极化全向天线，包括金属辐射层和支撑筒；

所述金属辐射层包括振子单元和馈电网络，振子单元包括多个曲面平行双线馈电异面印刷的偶极子，每一偶极子均包括两个金属振子，且两个金属振子分别置于支撑筒内、外两侧，形成互补结构；偶极子的轴向方向与支撑筒的轴向方向平行；馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，宽带平行双线馈电网络的两部分分别为位于支撑筒内侧的内侧馈电网络和位于支撑筒外侧的外侧馈电网络；内侧馈电网络的末端与内侧的对应金属振子相连，外侧馈电网络的末端与外侧的对应金属振子相连；

传输线转换结构由位于支撑筒内侧的内金属条带和位于支撑筒外侧的外金属条带组成；内侧馈电网络的合成端口与内金属条带的一端连接，外侧馈电网络的合成端口与外金属条带的一端连接；传输线转换结构的外端分别与接插件的内外导体相连接。

进一步的，所述偶极子数量为M×N，M为绕支撑筒圆周方向数量，N为支撑筒轴线方向数量，其中M≥3，N≥1。

进一步的，所述支撑筒为正多边形介质筒或圆柱形介质筒。

进一步的，内金属条带的馈电网络连接端到外端的宽度呈指数式缩小。

进一步的，外金属条带的馈电网络连接端到外端的宽度呈指数式增加。

进一步的，同一偶极子的两金属振子通过金属探针或金属过孔短路连接。

进一步的，内金属条带和外金属条带的馈电网络连接端的宽度和其对应侧馈电网络的合路端的宽度相同。

本发明的有益效果在于：

1.本发明设置了一种宽带垂直极化全向天线，包括金属辐射层，介质支撑筒和同轴接插件垂直极化全向天线。在天线相对带宽＞50％，天线可通过增加天线单元规模来实现高增益，具有良好的带宽特性和全向辐射特性。

2.本发明通过在一定直径的圆柱体上均匀分布的曲面异面印刷偶极子实现天线的全向辐射特性，利用宽带异面印刷偶极子和渐变馈电合成网络实现天线的天线超宽带特性，天线结构紧凑，抗力学性能好的特点。

3.本发明天线结构简单、辐射效率高，全向特性好，可以作为各种全向通信***中辐射天线使用。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图

图2是本发明实施例中支撑筒内侧金属层的展开结构示意图；

图3是本发明实施例中支撑筒外侧金属层的展开结构示意图；

图4是本发明实施例的宽带垂直极化全向天线方向图。

图中：1、支撑筒内侧，2、支撑筒外侧，1-1、内侧金属振子，1-2、内金属条带，1-3，内侧馈电网络，2-1、外侧金属振子，2-2、外金属条带，2-3、外侧馈电网络。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种宽带垂直极化全向天线，包括金属辐射层，支撑筒和同轴接插件。金属辐射层包括内金属层和外金属层，分别固定或涂覆在圆柱形介质支撑筒内外两侧。

金属辐射层包括振子单元和馈电网络，金属振子为曲面平行双线馈电异面印刷偶极子，异面印刷偶极子具有良好的宽带特性，偶极子的两金属振子分别置于介质支撑筒两侧，形成互补结构，且两金属振子均为金属贴片；偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向平行。

馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，分别固定在介质支撑筒两侧，两侧的馈电网络投影重合，内侧馈电网络的支路端与内侧金属振子相连，外侧馈电网络的支路端与外侧金属振子相连，馈电网络的合路端与传输线转换结构的上端连接。

传输线转换结构由内外金属条带组成，内、外金属条带上端宽度与馈电网络合路端相等，下端宽度比例大于5/1，两侧为指数线渐变线。通过曲面印刷偶极子和宽带馈电网络的共同作用，可以有效展宽天线的带宽。同时天线的印刷偶极子单元与馈电合成网络集成在一起，因此可以通过增加天线单元数量的方式提高天线的增益。传输线转换结构的下端分别与接插件的内外导体相连。

进一步，内、外层金属偶极子数量为M×N，M为绕介质筒圆周方向数量，N为介质筒轴线方向数量，其中M≥3，N≥1。

进一步，支撑筒也可以为正多边形介质筒。

进一步，内外层金属偶极子也可以为完整的双振子，内外层对应的金属振子通过金属探针或金属过孔短路连接。通过探针或过孔短路的内外层振子，可以等效于加粗偶极子的振子，可以展宽一定的天线阻抗带宽。

进一步内外金属层和介质筒结构可以为双面微波介质板结构，提高天线的可加工性，有利于天线的批量化、工程化生产。

下面为一更具体的实施例：

如图1、图2和图3所示，本实施例包括金属辐射层，支撑筒和同轴接插件。为方便天线实施方式的描述，采用4×2阵元规模的垂直极化全向天线作为典型结构进行具体描述。

金属辐射层包括内金属层和外金属层，分别固定或涂覆在圆柱形介质支撑筒内外两侧，金属辐射层包括金属振子单元和馈电网络，金属振子为8个曲面平行双线馈电异面印刷偶极子，异面印刷偶极子具有良好的宽带特性，绕支撑筒圆周方向金属振子数量为4，支撑筒轴线方向金属振子数量为2。偶极子的两振子分别为置于介质支撑桶两侧的金属贴片，形成互补结构；

偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向平行。

馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，分别固定在介质支撑筒两侧，两侧的馈电网络投影重合，内侧馈电网络的支路端与内侧金属振子相连，外侧馈电网络的支路端与外侧金属振子相连，馈电网络的合路端与传输线转换结构的上端连接。传输线转换结构由内外金属条带组成，内外金属条带上端宽度与馈电网络合路端相等，下端宽度比例大于5/1，两侧为指数线渐变线。传输线转换结构的下端分别与接插件的内外导体相连。单元的垂直极化全向天线的方向图如图4所示，天线相对带宽＞50％。

进一步，支撑筒也可以为正多边形介质筒。

进一步，内、外层金属偶极子也可以为完整的双振子，内外层对应的金属振子通过金属探针或金属过孔短路连接。通过探针或过孔短路的内外层振子，可以等效于加粗偶极子的振子，可以展宽一定的天线阻抗带宽。

进一步，内、外金属层和介质筒结构可以为双面微波介质板结构，提高天线的可加工性，有利于天线的批量化、工程化生产。

本发明的简要工作原理：

本发明的工作原理：由M个印刷偶极子单元在一定直径支撑筒圆周上均匀排列，构成平面形式的圆环阵列。圆环阵列可以通过改变单元所在圆环直径和单元幅度和相位产生水平全向的方向图。一种宽带垂直极化全向天线，包括金属辐射层，支撑筒和同轴接插件。金属辐射层包括内金属层和外金属层，分别固定或涂覆在圆柱形介质支撑筒内外两侧，金属辐射层包括金属振子单元和馈电网络，金属振子为曲面平行双线馈电异面印刷偶极子，异面印刷偶极子具有良好的宽带特性，绕支撑筒圆周方向金属振子数量为M，通过调整单元间距，实现天线的全向辐射特性，支撑筒轴线方向金属振子数量为N。通过增大N的数量，可以提高天线的增益，解决天线高增益的需求。偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向平行。馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，具有良好的宽带特性，传输线转换结构的下端分别与接插件的内外导体相连。宽带垂直极化全向天线具有良好的全向辐射特性和阻抗带宽特性，天线相对带宽＞50％。

Claims (7)

1.一种宽带垂直极化全向天线，包括金属辐射层和支撑筒；其特征在于，

所述金属辐射层包括振子单元和馈电网络，振子单元包括多个曲面平行双线馈电异面印刷的偶极子，每一偶极子均包括两个振子，且两个振子分别置于支撑筒内、外两侧，形成互补结构；偶极子的轴向方向与支撑筒的轴向方向平行；馈电网络包括指数线阻抗变化的宽带平行双线馈电网络和传输线转换结构，宽带平行双线馈电网络的两部分分别为位于支撑筒内侧的内侧馈电网络和位于支撑筒外侧的外侧馈电网络；内侧馈电网络的末端与内侧的对应振子相连，外侧馈电网络的末端与外侧的对应振子相连；

传输线转换结构由位于支撑筒内侧的内金属条带和位于支撑筒外侧的外金属条带组成；内侧馈电网络的合成端口与内金属条带的一端连接，外侧馈电网络的合成端口与外金属条带的一端连接；传输线转换结构的外端分别与同轴接插件的内外导体相连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，所述偶极子数量为M×N，M为绕介质筒圆周方向数量，N为介质筒轴线方向数量，其中M≥3，N≥1。

3.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，所述支撑筒为正多边形介质筒或圆柱形介质筒。

4.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，内金属条带的馈电网络连接端到外端的宽度呈指数式缩小。

5.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，外金属条带的馈电网络连接端到外端的宽度呈指数式增加。

6.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，同一偶极子的两振子通过金属探针或金属过孔短路连接。

7.根据权利要求1所述的一种宽带垂直极化全向天线，其特征在于，内金属条带和外金属条带的馈电网络连接端的宽度和其对应侧馈电网络的合路端的宽度相同。

Images