CN117712697A - 一种宽带全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带全向天线，属于无线通信技术领域；包括辐射层，周期加载层，支撑结构和接插件的宽带全向天线。天线主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层，周期加载层，支撑结构，三者之间空间为空气填充，通过螺钉固定在一起。从天线法线方向投影，振子单元下方有完整子周期对应。子周期加载层为一维锥削排布结构，沿金属振子轴线方向，从振子开放端到馈电端尺寸由大到小排布，沿两振子馈电端中心线为呈轴对称分布。本发明天线具有宽带宽，全向辐射特性好和结构简单可靠的特点，并易于实现增益扩展，可以广泛适用于各种线极化全向通信***。

Description

一种宽带全向天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种基于周期结构加载的印刷偶极子结构的宽带全向天线。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，人们对天线性能的要求也越来越高。天线作为无线通信***中接收或辐射电磁波的设备，完成射频导波与空间无线电波的能量装换，在现代通信***中具有无可替代的作用。根据发射和接收电磁波的方向性，一般可以将天线划分为定向天线和全向天线。与定向天线相比，全向天线辐射的电磁波信号和能量是沿着天线水平面内实现360°均匀辐射，垂直面内有一定波束宽度，典型的全向方向图为“∞”形状。全向天线在通信***中一般应用于大范围覆盖，点对多点通讯***中，如广播、电视、移动通信等场景。

天线极化一般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。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。

与圆极化全向天线相比，线极化全向天线结构简单、易于工程实现，具有更为广泛的应用场景。线极化天线包括垂直极化全向天线和水平极化全向天线。为实现宽带宽、高增益、小型化的全向天线，技术人员在线天线形式上进行了很多探索与改进。垂直极化全向天线一般有通过三种方法来实现：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。

水平极化全向天线方主要有以下几种实现方式：第一，Alford环天线及其变形。Alford环天线具有形成全向性方向图的环电流分布，又因为其结构的特殊性具有相对容易进行阻抗匹配的输入电阻。第二，缝隙天线，包括波导缝隙天线和圆柱面开缝天线。由对偶原理可知，无限延伸、理想导电平面上的半波长缝隙和与它对偶的半波振子具有相同的全向性辐射方向图。第三，组合环天线。由天线理论可知，水平均匀电流环可以实现水平极化全向辐射，利用多个水平放置的天线单元，组成一个圆环或方环，通过合适的馈电方式，使环上电流均匀同相分布，即可实现水平极化全向辐射。第四，旋转场天线，水平面上正交放置的两个偶极子，对其正交馈电，可在水平面上实现全向水平极化辐射。

除此之外，还可以通过圆柱共形微带天线阵、左手传输线结构等方法实现线极化全向辐射。

以上方式实现的全向天线普遍存在带宽窄，增益不高的缺点，制约了全向天线的工程应用。因此研究一种带宽宽，增益高，易于加工，具有良好全向特性的全向天线形式是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中的不足之处，提供基于周期加载结构加载异面印刷偶极子形式的圆柱形结构的宽带垂直极化全向天线。通过在一定直径的圆柱体上均匀分布的带反射板的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，通过周期加载结构减少振子离反射柱的距离进而减小天线直径。同时由于振子和馈电网络可以集成在一起，很容易通过增加天线单元数量的方式提高天线的增益，而不会增加外接馈电网络的复杂度。宽带全向天线具有结构简单、紧凑，全向辐射特性好的特点，可以通过印刷振子在圆柱形表面的排布方向实现垂直或水平极化，满足宽带线极化全向通信***的应用场景。

本发明所采用的技术方案为：

一种宽带全向天线，主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层1、周期加载层2和支撑结构3，三者中的任意两者之间均具有大于0的间距。

进一步的，所述辐射层的主体为外介质支撑筒；

所述外介质支撑筒上设有振子单元11和馈电网络12，振子单元为曲面平行双线馈电异面印刷偶极子，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；

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外介质支撑筒内侧的内侧馈电网络和位于外介质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外介质支撑筒内侧的内金属条带和位于外介质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；

所述周期加载层2的主体结构为内介质支撑筒，内介质支撑筒的外表面设有周期性的方形贴片组；方形贴片组沿振子轴向以振子间距为子周期排布，沿振子周向均匀排布；

从天线法线方向投影，每一振子单元内侧具有完整的子周期对应；子周期为一维锥削排布结构，沿振子轴线方向，从振子开放端到馈电端，方形贴片的边长逐个减小，并沿两振子馈电端中心线呈轴对称分布。

进一步的，所述传输线转换结构外端宽度比例大于5/1，两侧为指数线渐变线。

进一步的，所述偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向平行时为垂直极化；偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向正交时为水平极化。

进一步的，支撑结构为金属结构或表面具有金属涂层的介质结构。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明设置了一种宽带全向天线，包括金辐射层，周期加载层，支撑结构和接插件的宽带全向天线。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超宽带特性，相对阻抗带宽＞70％；并通过周期加载层减小印刷振子与金属底板间的距离进而减小天线体积。

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，天线可通过增加天线单元规模来实现高增益，具有良好增益扩展特点。

3.本发明天线结构简单、带宽宽，全向辐射特性好，易于实现两种线极化方式，可以作为各种全向通信***中辐射天线使用。

为了更加清楚的描述本专利，下面提供了多幅附图，这些附图旨在对本专利的具体实施方案作出辅助说明：

附图说明

图1是宽带垂直极化全向天线结构示意图。

图2是宽带垂直极化全向天线俯视图。

图3是宽带垂直极化全向天线侧视图。

图4是宽带垂直极化辐射层展开示意图。

图5是宽带垂直极化周期加载层展开示意图。

图6是宽带水平全向天线单元展开投影示意图。

图7是宽带水平极化全向天线示意图。

图8是宽带全向天线典型方向图。

图中：1、辐射层，2、周期加载层，3、支撑结构，4、同轴接插件，11、振子单元，12、馈电网络。

具体实施方式

一种宽带全向天线，包括辐射层，周期加载层，支撑结构和接插件的宽带全向天线。天线主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层，周期加载层，支撑结构，三者之间空间为空气填充，通过螺钉固定在一起。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，偶极子的两振子分别置于介质支撑桶两侧的金属贴片，形成互补结构。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，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。周期加载层为在圆柱介质支撑上正方形金属周期结构，沿振子长边方向以振子间距为子周期排布，沿振子短边方向为均匀排布。从天线法线方向投影，振子单元下方有完整子周期对应。子周期加载层为一维锥削排布结构，沿金属振子轴线方向，从振子开放端到馈电端尺寸由大到小排布，沿两振子馈电端中心线为呈轴对称分布。支撑结构可以为金属结构，也可以为表面具有金属涂层的介质结构。天线主体结构也可以为正多边形介质筒，提高天线的可加工性，有利于天线的批量化、工程化生产。

天线的极化方式与与印刷振子在圆柱表面的排布方向相关，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向平行时为垂直极化，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向正交时为水平极化，可根据使用要求进行相应设计。

下面参照附图为一更具体的实施例：

如图1所示一种宽带全向天线结构示意图，由于天线的极化与印刷振子在圆柱表面的排布方向相关，为方便天线实施方式的描述，选取垂直极化的宽带全向天线结构进行具体实施方式的描述。一种宽带全向天线如图1、图2、图3，包括辐射层，周期加载层，支撑结构和接插件的宽带全向天线。天线主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层，周期加载层，支撑结构，三者之间空间为空气填充，通过螺钉固定在一起。辐射层展开示意图如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。图4为辐射层展开示意图，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，偶极子的两振子分别置于介质支撑桶两侧的金属贴片，形成互补结构。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，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。图5为周期加载层展开示意图，周期加载层为在圆柱介质支撑上正方形金属周期结构，沿振子长边方向以振子间距为子周期排布，沿振子短边方向为均匀排布。从天线法线方向投影，振子单元下方有完整子周期对应。子周期加载层为一维锥削排布结构，沿金属振子轴线方向，从振子开放端到馈电端尺寸由大到小排布，沿两振子馈电端中心线为呈轴对称分布。

振子单元与子周期加载层如图6(水平极化)所示，支撑结构可以为金属结构，也可以为表面具有金属涂层的介质结构。

进一步，天线的极化方式与与印刷振子在圆柱表面的排布方向相关，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向平行时为垂直极化，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向正交时为水平极化，可根据使用要求进行相应设计，水平极化宽带全向天线结构示意图如图7所示。

进一步，天线主体结构也可以为正多边形介质筒，提高天线的可加工性，有利于天线的批量化、工程化生产。其中垂直极化的宽带全向天线的典型方向图如图8所示，由方向图可知天线具有良好的全向辐射特性。

本发明的简要工作原理：

本发明的工作原理：一种宽带全向天线，包括辐射层，周期加载层，支撑结构和接插件的宽带全向天线，具体由n个带金属反射板的印刷偶极子单元在一定直径介质筒圆周上均匀排列，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。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，通过周期加载结构减少振子离反射柱的距离进而减小天线直径。同时由于振子和馈电网络可以集成在一起，很容易通过增加天线单元数量的方式提高天线的增益。天线的极化方式与与印刷振子在圆柱表面的排布方向相关，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向平行时为垂直极化，当印刷振子轴向方向与圆柱体轴线方向正交时为水平极化，可根据使用要求进行相应设计。天线主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层，周期加载层，支撑结构，三者之间空间为空气填充，通过螺钉固定在一起。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，偶极子的两振子分别置于介质支撑桶两侧的金属贴片，形成互补结构。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，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。周期加载层为在圆柱介质支撑上正方形金属周期结构，沿振子长边方向以振子间距为子周期排布，沿振子短边方向为均匀排布。从天线法线方向投影，振子单元下方有完整子周期对应。子周期加载层为一维锥削排布结构，沿金属振子轴线方向，从振子开放端到馈电端尺寸由大到小排布，沿两振子馈电端中心线为呈轴对称分布。支撑结构可以为金属结构，也可以为表面具有金属涂层的介质结构。宽带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＞70％。

Claims (5)

1.一种宽带全向天线，其特征在于：主体结构为圆柱形，从外到内依次为辐射层(1)、周期加载层(2)和支撑结构(3)，三者中的任意两者之间均具有大于0的间距。

2.根据权利要求书1所述的一种宽带全向天线，其特征在于，所述辐射层的主体为外介质支撑筒；

所述外介质支撑筒上设有振子单元(11)和馈电网络(12)，振子单元为曲面平行双线馈电异面印刷偶极子，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；

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外介质支撑筒内侧的内侧馈电网络和位于外介质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外介质支撑筒内侧的内金属条带和位于外介质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；

所述周期加载层(2)的主体结构为内介质支撑筒，内介质支撑筒的外表面设有周期性的方形贴片组；方形贴片组沿振子轴向以振子间距为子周期排布，沿振子周向均匀排布；

从天线法线方向投影，每一振子单元内侧具有完整的子周期对应；子周期为一维锥削排布结构，沿振子轴线方向，从振子开放端到馈电端，方形贴片的边长逐个减小，并沿两振子馈电端中心线呈轴对称分布。

3.根据权利要求书2所述的一种宽带全向天线，其特征在于，所述传输线转换结构外端宽度比例大于5/1，两侧为指数线渐变线。

4.根据权利要求书2所述的一种宽带全向天线，其特征在于，所述偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向平行时为垂直极化；偶极子的轴向方向与介质支撑筒的轴向方向正交时为水平极化。

5.根据权利要求书1所述的一种宽带全向天线，其特征在于，支撑结构为金属结构或表面具有金属涂层的介质结构。