车载全向偶极子天线的制作方法

本发明涉及移动通信基站/终端天线设备与技术，尤其是涉及一种适合车载的全向高增益偶极子天线。

背景技术：

目前，人类已经全面进入信息时代，获取资讯成为人们每天生活内容中不可或缺的重要部分。以互联网和无线通信为核心的信息技术已经深刻地改变了人类的生产生活方式。移动通信以其特有的便捷性，已成为人们随时随地获取信息和彼此通信的关键手段。利用遍布各处的蜂窝基站，2G/3G/4G移动通信网络实现了信号广域连续覆盖，使得人们“任意时间、任意地点、与任何人以任何方式进行通信”的梦想基本成为了现实。人与人之间实现了自由沟通，而物与物之间、人与物之间尚未实现完全联通。信息随心所至、万物互联互通，才是人类的终极目标。建立在信息网基础上的物联网IoT(Internet of Thing)是下一代移动通信技术5G的关键技术及应用，例如利用移动基站信号，人们可以对车辆进行远程控制，从而实现无人驾驶。比如，工程类车辆如垃圾运输车、道路清扫车、矿石运载车、水泥搅拌车、渣土车可以实现无人作业，从而节省人力成本；而旅客车辆如公交车、商务车、小轿车、大客车则可以无人驾驶，从而更好地保障交通安全。

实现车辆自动驾驶的两大关键技术：一是人工智能技术，二是无线通信技术。前者是大脑和指挥机构，负责判断和决策；后者则是耳目和传感器，负责信息侦听和收集传递。为了实现车辆与附近基站通信，车载天线必不可少。天线是无线通信系统关键子部件，它的性能优劣对整个系统的影响是决定性的。在车载LTE移动通信系统中，由于车辆的运动性或移动性，基站发射台和车载终端天线之间的相对位置关系时刻都在变化，两者的方位关系也是任意的。因此，双方均需安装全向天线才能保证彼此处于任何方位关系时都能获得良好的通信效果。另外，由于车体颠簸摇晃，车载天线结构必须足够坚固，才能经久耐用。单/偶极子天线是最常用的单极化全向天线，但增益较低。为了提高增益，单/偶极子天线通常将多个单元共轴排成直线阵，或组成平面阵并后置反射板进一步提高增益，然后排成圆阵以实现全向覆盖。此类阵列天线尺寸较大、设计复杂、成本较高，适合于广域连续覆盖的室外大型宏基站天线。而终端设备由于体积、尺寸受限，通常直接在单/偶极子单元上直接构造阵列以获得较高增益。实现原理是，通过反相器使电流在单根天线上的多节直导体段上保持同向，从而获得与常规阵列等效的高增益。实现形式有集总加载、导线弯折、窄环加载和螺旋加载等。集总加载损耗大、效率损失严重，常用于小型化接收天线设计；导线弯折损耗较小、辐射干扰较强、尺寸较大、带宽较窄、较易匹配；窄环加载损耗较小、辐射较干扰较弱、尺寸偏大、带宽较窄、较易匹配；螺旋加载损耗低、辐射干扰弱、尺寸小、带宽窄、较难匹配，但可由单根导线绕制，结构强度高，经久耐用。综上可知，反相器设计是实现高增益单/偶极子单元阵列的关键。而现有的螺旋加载带宽窄、匹配差，其匹配度、增益大小仍未能满足需要。

因此，提供一种性能优越、尺寸短小、结构坚固、经济耐用、干扰少、损耗低、匹配度高的车载全向终端天线实为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种性能优越、尺寸短小、结构坚固的车载全向偶极子天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种车载全向偶极子天线，其包括由下而上共轴排列依次加载连接的套筒、第一导体段、第一螺旋体、第二导体段、第二螺旋体和第三导体段，该套筒包括由下至上连接的第一圆柱段、圆锥段、第二圆柱段，该第一圆柱段直径大于第二圆柱段，且该第一圆柱段直径与该圆锥段下端直径一致，该第二圆柱段直径与该圆锥段上端直径一致，在套筒中心轴线上设有一根自下而上穿过的同轴电缆，该同轴电缆的外导体与套筒顶端连接，该同轴电缆的内导体朝上延伸至第一导体段底部连接；该套筒顶端与该第一导体段底端彼此靠近，该第一导体段顶端与该第一螺旋体底端连接，该第一螺旋体顶端与该第二导体段底端连接，该第二导体段顶端与该第二螺旋体的底端连接，第三导体段底端与第二导体段顶端连接，且套于第二螺旋体内部，或者，该第二导体段顶端与该第二螺旋体的顶端连接的同时，连接第三导体段的底端，第二螺旋体以第二导体段为轴线朝下旋绕。

本发明在保留螺旋反相器优点的同时，克服其带宽窄、匹配差的缺点，将下部平直地板变成竖直套筒，导体中间段和末端同时加载螺旋，使天线实现了良好匹配，增益大，带宽增加；增益与常规两单元半波振子阵列相当，却省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率。而且，该设计尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合工程类车辆的理想终端类天线。该第三导体段加载连接在该第二导体段顶端。导体顶端同时加载螺旋和导线段，使天线实现了良好匹配，增益大，带宽增加，匹配和带宽均比常规顶端导体加载方案显著改善；增益与常规两单元半波振子阵列相当，却省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率。

优选的，该套筒外壁总长度Ls为0.15·λ_c～0.25·λ_c，底端直径为0.01·λ_c～0.1·λ_c，顶端直径大于等于该同轴电缆外导体外径，其中λ_c为中心波长。

本发明将下部平直地板变成长度约0.25·λ_c的竖直套筒，从而增强了水平方向的增益，使天线在LTE频段(1820MHz-2020MHz)、近1.5·λc电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小达-25.4dB)。

优选的，该套筒壁厚大于0而小于套筒顶端半径。

优选的，该第一导体段长度为0.15·λ_c～0.25·λ_c，其中λ_c为中心波长，上端有第一L形弯折段，该第一L形弯折段与第一导体段竖直部分的夹角为62°～70°或110°～118°。

优选的，该第一螺旋体线径为0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈数为2.0-2.8、升角为10°～16°，连接于第一导体段上端L形弯折段的顶端。

优选的，该第二导体段长度为0.48·λ_c～0.52·λ_c，两端设有第二L形弯折段，上下两端的第二L形弯折段的水平面夹角为90°，互呈异面直角。

优选的，该第二螺旋体线径为0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈数为2.0-2.8、升角为10°～16°，连接于第二导体段上端的第二L形弯折段的顶端。

优选的，该第三导体段线径为0.01·λ_c～0.10·λ_c，长度为0.20·λ_c～0.30·λ_c，竖直朝上。

优选的，该同轴电缆为带SMA、BNC、TNC、N型连接头的50Ω同轴电缆。

优选的，该套筒、第一导体段、第一螺旋体、第二导体段、第二螺旋体、第三导体段均为纯铜或铜合金或铝材料制作。

本发明还提供一种车载全向偶极子天线，其包括由下而上共轴排列依次加载连接的套筒、第一导体段、第一螺旋体、第二导体段、第二螺旋体，该套筒包括由下至上连接的第一圆柱段、圆锥段、第二圆柱段，该第一圆柱段直径大于第二圆柱段，且该第一圆柱段直径与该圆锥段下端直径一致，该第二圆柱段直径与该圆锥段上端直径一致，在套筒中心轴线上设有一根自下而上穿过的同轴电缆，该同轴电缆的外导体与套筒顶端连接，该同轴电缆的内导体朝上延伸至第一导体段底部连接；该套筒顶端与该第一导体段底端彼此靠近，该第一导体段顶端与该第一螺旋体底端连接，该第一螺旋体顶端与该第二导体段底端连接，该第二导体段顶端与该第二螺旋体的顶端连接，第二螺旋体以第二导体段为轴线朝下旋绕。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明在保留螺旋反相器优点的同时，克服其带宽窄、匹配差的缺点，独特地采用以下设计方法：1、将下部平直地板变成长度约0.25·λ_c的竖直套筒，从而增强了水平方向的增益；2、导体中间段加载螺旋，加载上下圆柱螺旋，通过选择合适的螺旋参数，如直径为0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈数为2.0-2.8、升角为10°～16°，以实现带内辐射水平指向；3、导体顶端同时加载螺旋和导线段，以改善带内匹配、扩展带宽和提高增益；4、通过选择上下L形导体段的长度(分别约0.50·λ_c、0.25·λ_c)、线径(0.01·λ_c～0.10·λ_c)和弯折角度(62°～70°或110°～118°)，以实现了宽带宽和水平高增益；5、单根导线绕制而成，结构强度高，经济耐用。使天线在LTE频段(1820MHz-2020MHz)、近1.5·λ_c电长度上实现了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小达-25.4dB)，增益达到4.5dBi，带宽为10.5％，匹配和带宽均比常规顶端导体加载方案显著改善(|S₁₁|最大改善15dB)；增益与常规两单元半波振子阵列相当，却省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率(≥89％)。而且，该设计尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合工程类车辆的理想终端类天线。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，对于更高增益的单/偶极子全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

【附图说明】

图1为本发明车载全向偶极子天线建立模型所采用的直角坐标系定义的示意图；

图2为本发明车载全向偶极子天线实施例一的XOZ平面视图；

图3为本发明车载全向偶极子天线实施例一的YOZ平面视图；

图4为本发明车载全向偶极子天线实施例二的示意图；

图5为本发明车载全向偶极子天线实施例三的示意图；

图6为本发明车载全向偶极子天线实施例一的输入阻抗Z_in频率特性曲线。

图7为本发明车载全向偶极子天线实施例一与常规全向偶极子天线的反射系数|S₁₁|曲线对比图。

图8为本发明车载全向偶极子天线实施例一的在f_L＝1.82GHz的实增益2D方向图。

图9为本发明车载全向偶极子天线实施例一在f_C＝1.91GHz的实增益2D方向图。

图10为本发明车载全向偶极子天线实施例一在f_H＝2.02GHz的实增益2D方向图。

图11为本发明车载全向偶极子天线实施例一的实增益G_R随频率f变化曲线。

图12为本发明车载全向偶极子天线实施例一的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。

图13为本发明车载全向偶极子天线实施例一的H面不圆度随频率f变化曲线。

图14为本发明车载全向偶极子天线实施例一的效率η_A随频率f变化曲线。

【具体实施方式】

请参阅图1～3，以本发明车载全向偶极子天线实施例一为例说明，本发明提供一种车载全向偶极子天线，其包括由下而上共轴排列依次加载连接的套筒6、第一导体段1、第一螺旋体2、第二导体段3、第二螺旋体4，以及加载连接在该第二导体段顶端的第三导体段5。该套筒包括由下至上连接的第一圆柱段61、圆锥段62、第二圆柱段63，该第一圆柱段直径大于第二圆柱段，且该第一圆柱段直径与该圆锥段下端直径一致，该第二圆柱段直径与该圆锥段上端直径一致，在套筒中心轴线上设有一根自下而上穿过的同轴电缆7，该同轴电缆的外导体与套筒顶端连接，该同轴电缆的内导体朝上延伸至第一导体段底部连接。

请结合参与图4和图5，本发明车载全向偶极子天线还可以有其他实施方式。在图3所示的第一实施例中，具体连接方式，该套筒6顶端与该第一导体段1底端连接，该第一导体段1顶端与该第一螺旋体2底端连接，该第一螺旋体2顶端与该第二导体段3底端连接，该第二导体段3顶端与第二螺旋体4底端连接，同时第二导体段3顶端与第三导体段5底端连接。

在第二实施例中，如图4所示，该第二导体段3顶端与该第二螺旋体4的顶端连接，第二螺旋体4向下绕第二导体段3设置，同时第二导体段3顶端与第三导体段5底端连接。

在第三实施例中，如图5所示，该第二导体段3顶端与该第二螺旋体4的顶端连接，第二螺旋体4向下绕第二导体段3设置。

本发明还有另一种实施例可以是在第一实施例基础上省却第三导体段5。

请结合参与图1～5，该车载全向偶极子天线构建的方式采用图1所示的直角坐标系定义来建立模型，具体为，步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，在XOZ平面，构造一个自上而下分别为第二圆柱段、圆锥段、第一圆柱段，直径依次增大的金属套筒6，套筒6外壁总长度L_s为0.15·λ_c～0.25·λ_c，近0.25·λ_c(λ_c为中心波长)，底端直径为0.01·λ_c～0.1·λ_c，顶端直径大于等于该同轴电缆外导体外径，该套筒壁厚大于0而小于套筒顶端半径，见图2和图3；

步骤三，在步骤二的套筒6顶端上方，用线径为D_w的金属导线构造一节第一导体段1，该第一导体段1长约为0.15·λ_c～0.25·λ_c，优选近0.25·λ_c，其中λ_c为中心波长，上端有第一L形弯折段11，该第一L形弯折段11与第一导体段竖直部分12的夹角为62°～70°或110°～118°；

步骤四，在步骤三的第一导体段1顶端，用线径为D_w的金属导线构造一节朝上右旋或左旋的圆柱螺旋，也就是所述第一螺旋体2，该第一螺旋体2线径为0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈数为2.0-2.8、升角为10°～16°，连接于第一导体段1上端L形弯折段11的顶端；

步骤五，在步骤四的第一螺旋体2顶端，用线径为D_w的金属导线构造一段两端均L形弯折的导体段，也就是所述第二导体段3，该第二导体段3长度为0.48·λ_c～0.52·λ_c，两端设有第二L形弯折段31，上下两端的第二L形弯折段的水平面夹角为90°，互呈异面直角；

步骤六，在步骤五的第二导体段3顶端，加载一节线径为D_w、朝上右旋或左旋圆柱螺旋，也就是图3所述第二螺旋体4，或者加载一节朝下右旋或左旋圆柱螺旋，也就是图4、5所述第二螺旋体4，该第二螺旋体线径为0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈数为2.0-2.8、升角为10°～16°，连接于第二导体段3上端的第二L形弯折段31的顶端。

进一步地，步骤七，在步骤五的第二导体段3顶端，加载一节线径为D_w、竖直朝上的导体段，也就是所述第三导体段5，见图3、图5，该第三导体段5线径为0.01·λ_c～0.10·λ_c，长度为0.20·λ_c～0.30·λ_c，竖直朝上。

步骤八，在步骤二的金属套筒1中心轴线上，自下而上穿过一根50Ω同轴线，也就是所述同轴电缆7，其外导体在套筒1顶端断开并与之焊接为一体，内导体则朝上延伸至步骤三的第一导体段1底部并与之焊接，该同轴电缆7带有SMA、BNC、TNC、N型连接头。

该套筒6、第一导体段1、第一螺旋体2、第二导体段3、第二螺旋体4、第三导体段5均为纯铜或铜合金或铝材料制作。

图6为本发明车载全向偶极子天线实施例一的输入阻抗Z_in频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。

图7为本发明车载全向偶极子天线实施例一与常规全向偶极子天线的反射系数|S₁₁|曲线对比图。其中，实线表示方案一的|S₁₁|，虚线表示常规加载的|S₁₁|；横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是S₁₁的幅度|S₁₁|，单位为dB。由图知，实施例一在LTE频段(1.82-2.02GHz)实现了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB，BW＝10.42％；最佳匹配|S₁₁|＝-25.4dB@1.91GHz)，而常规顶端加载中心频点的反射系数|S₁₁|仅-10dB。显然，方案一的顶端螺旋与导体段复合加载方式的带宽和匹配改善效果显著。

图8为本发明车载全向偶极子天线实施例一的在f_L＝1.82GHz的实增益2D方向图。其中，图中实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.40dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝38°，第一旁瓣SLL低于主瓣电平9.0dB。

图9为本发明车载全向偶极子天线实施例一在f_C＝1.91GHz的实增益2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.18dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝38.8°，第一旁瓣SLL低于主瓣电平8.7dB。

图10为本发明车载全向偶极子天线实施例一在f_H＝2.02GHz的实增益2D方向图。其中，实线表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虚线表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.04dBi，E面半功率波束宽度HPBW＝38.5°，第一旁瓣SLL低于主瓣电平8.2dB。

图11为本发明车载全向偶极子天线实施例一的实增益G_R随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是实增益G_R，单位为dBi。整个频带内，实增益G_R＝4.0-4.5dBi，接近于两单元半波振子阵列增益(约5.0dBi)。

图12为本发明车载全向偶极子天线实施例一的E面半功率波束宽度HPBW随频率f变化曲线。由图知，整个频带内，E面HPBW＝38°-39°。

图13为本发明车载全向偶极子天线实施例一的H面不圆度随频率f变化曲线。由图知，整个频带内，H面方向图不圆度(全向性或均匀性)小于0.06dB，这说明螺旋加载对方向图水平全向性影响很小。

图14为本发明车载全向偶极子天线实施例一的效率η_A随频率f变化曲线。由图知，整个频带内，天线的效率大于89％(最高可达99.95％)。

以上数据及图表均可证明本发明在保留螺旋反相器优点的同时，克服其带宽窄、匹配差的缺点，使天线实现了良好匹配，增益大，带宽增加；增益与常规两单元半波振子阵列相当，却省去了复杂的馈电网络设计，减小了损耗，提高了效率。而且，该设计尺寸短小、结构强度高、经济耐用，是适合工程类车辆的理想终端类天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。