宽带全向高增益天线阵列

1.本发明属于天线技术领域，特别涉及一种天线阵列，可用于无线通信。
技术背景
2.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。
3.全向天线是指在水平面内实现360
°
均匀辐射，垂直面内有一定波束宽度的天线。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。全向天线在通信系统中通常应用于大范围覆盖，点对多点通讯系统中，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、移动通信基站等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、对讲机系统等通信设备中，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。
4.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。如第四代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。这迫使无线通信系统向宽频带化和全面智能化的目标发展。军事上，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，这必然要求系统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系统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，减小了系统间的干扰，并达到降低成本和优化系统性能的目的。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系统中是一个值得关注的研究课题。
5.现有全向天线阵列，包括线阵列、面阵列、缝隙阵列。其中：
6.线阵列，由组成天线阵的最小单元阵元排列在一条直线上形成，线阵列馈电方式为自中心输入的串联馈电，尽管使用串联馈电的天线阵列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，因而造成天线阵的波束容易下倾或者上倾，带宽比较窄。
7.面阵列，由多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列组成，平面阵采用并联馈电方式，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，所占空间积较大，对于性能较强的大规模阵列设计更为复杂。
8.缝隙阵列，是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。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种宽带全向高增益天线阵列，以改进现有天线阵列带宽较窄、全向性较差、体积较大和制作流程复杂的技术问题，满足宽频带全向性通信需求。
10.为实现上述目的，本发明基于印刷对称振子天线的宽带全向高增益天线阵列，包括阵列天线和馈源，其特征在于：
11.所述馈源采用一分四功分器，其设有总信号输入端和均分的四个分支信号输入端；
12.所述阵列天线设为四个，其以平行垂直的方式排列，固定在一分四功分器的底座上；每个阵列天线，包括印刷在介质板上表面的上阵列和印刷在介质板下表面的下阵列；
13.该上阵列包括1
×
4周期性排布的正面阵元，每个正面阵元为倒直角形状的印刷金属片，且竖边垂直指向馈源，横边通过上传输线与馈源的分支信号输入端相连；
14.该下阵列包括1
×
4周期性排布的反面阵元，每个反面阵元为直角形状的印刷金属片，且竖边垂直指向阵列天线顶部，横边与对应的正面阵元横边位置重合，且通过下传输线与馈源的分支信号输入端相连。
15.作为优选，所述底板围绕其中心开有四个矩形槽，用于插接四个介质板，且四个分支信号输入端也印刷在底板上，矩形槽与分支信号输入端互相垂直连接。
16.作为优选，所述阵列天线的上传输线和下传输线在介质板和底板的接口处焊接连通；
17.作为优选，所述正面阵元的竖边与反面阵元的竖边长度相同，方向相反；
18.作为优选，所述正面阵元的横边与反面阵元的横边长度相同，且印刷在介质板正反面的同一位置处。
19.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
20.1.本发明由于采用一分四馈源，使得天线阵列的波束水平稳定，不易下倾或者上倾，全向性好，且频带宽度较宽。
21.2.本发明由于将天线阵列分为独立的四个线阵列天线，并以平行垂直的方式排列，固定在一分四功分器的底座上，简化了馈电结构，且整体结构所占空间较小。
22.3.本发明由于将阵元印刷在介质板的正反面，制作工艺简单、对精度要求较低，且
制作成本较低。
附图说明
23.图1是本发明的整体结构示意图；
24.图2是本发明中的底座馈源结构示意图；
25.图3是本发明中的介质板正反面线阵列结构示意图；
26.图4是本发明阵元的正反面结构示意图；
27.图5是本发明中单独的一个线阵列天线的s11反射系数仿真曲线图；
28.图6是本发明中单独的一个线阵列天线的天线方向仿真图；
29.图7是本发明天线阵列的s11反射系数仿真曲线图；
30.图8是本发明天线阵列的天线方向仿真图；
31.图9是本发明天线阵列的3d天线方向仿真图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细详述：
33.参照图1，本发明包括四个平行垂直排列的阵列天线1和馈源2，其中：
34.所述的每一个阵列天线1，包括上阵列11和下阵列12，该上阵列11为由多个正面阵元111排列成的线阵列，其印刷在介质板3的上表面，该下阵列12为由多个反面阵元121排列成的线阵列，其印刷在介质板3的下表面。
35.所述馈源2，其结构如图2所示，其总信号输入端21均分为四个分支信号输入端22，形成一分四功分器，并印刷在底板4上。
36.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132mm
×
20mm
×
0.8mm。
37.所述四个阵列天线1平行垂直排列，固定在一分四功分器所在的底板4上，底板4包括围绕其中心用于插接介质板3的四个矩形槽，分支信号输入端22与矩形槽垂直连接。
38.参照图3和图4，所述上阵列11和下阵列12，其结构，包括m
×
n个周期性排布的正面阵元111和反面阵元121，正面阵元111之间的间距与反面阵元121之间的间距相同，其约为32mm～35mm，本实施例取但不限于m＝1，n＝4，阵元间距为33.45mm。
39.所述每个正面阵元111，其整体为倒直角形状，且竖边1111垂直指向馈源2，横边1112通过上传输线1113与馈源的分支信号输入端22相连；要求正面阵元竖边1111的长度为9.6mm～11.6mm，正面阵元横边1112的长度为12mm～14mm。本实施例取但不限于该竖边1111的长度为10.6mm，横边1112的长度为13mm；该上传输线1113的长度与阵元之间的间距相等，其在介质板3和底板4的接口处与分支输入端22焊接连通。
40.所述每个反面阵元121，其整体为直角形状，且竖边1211垂直指向阵列天线顶部，与正面阵元竖边1111长度相同，方向相反，二者组成一个对称振子，横边1211与对应的正面阵元横边1112长度相同，位置重合，且通过下传输线1213与馈源的分支信号输入端22相连；为了确保相对应的正面阵元和反面阵元可组成对称振子，要求反面阵元竖边1211和横边1212的长度与正面阵元竖边1111和横边1112的长度保持相同，本实施例取但不限于该竖边
1211的长度为10.6mm，横边1212的长度为13mm；该下传输线1213的长度与阵元之间的间距相等，其在介质板3和底板4的接口处与分支输入端22焊接连通。
41.本发明的工作原理为如下：
42.印刷在介质板正反表面阵元的竖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，把对称振子安放到z轴，对其分析可得到上面的电流分布为：
43.i＝imsinβ(l-|z|)0《z《l
44.式中，im为波腹电流，β为传播常数，l为振子一臂即阵元竖边的长度。
45.天线阵列经一分四功分器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，若将天线阵列所在位置设为坐标原点，则形成在空间中的辐射场的分布表示为：
[0046][0047]
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，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。
[0048]
将电场除以其最大值e
max
得到归一化方向图函数：
[0049][0050]
根据归一化方向图函数和电场强度最大值e
max
，即可计算各个方位的电场强度大小e。
[0051]
从上式可以看出，归一化方向图函数与球坐标分量无关，电场强度大小随着俯仰面角度θ变化，当时表示为水平面，其为常数，此时水平面上离天线阵列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。
[0052]
以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：
[0053]
1.仿真条件
[0054]
使用商业仿真软件hfss_15.0对上述实施例进行；
[0055]
2.仿真内容：
[0056]
仿真1，在5ghz～7ghz的频段内对本发明中单独的一个线阵列天线进行s11反射系数仿真，结果如图5所示。
[0057]
从图5可以看出，单独的一个线阵列天线在5ghz到7ghz的频率范围内s11值小于-7.5db，且6.7ghz时峰值为-23db；在5ghz到6.85ghz的频率范围内s11值小于-10db，满足现代通信带宽的要求。
[0058]
仿真2，对本发明中单独的一个线阵列天线进行天线方向图仿真，结果如图6所示，其中图6(a)是水平波瓣图，图6(b)是垂直波瓣图。
[0059]
从图6(a)可以看出，水平波瓣图显示单独的一个线阵列天线只能表现出定向性，且只在一部分方向接收或发出的辐射强度较高，且其增益均为负值，小于-4.5db；
[0060]
从图6(b)可以看出，垂直波瓣图显示单一线阵列天线的波束在水平方向有上倾和
下倾现象，水平方向增益小，综上单独的一个线阵列天线是无法满足现代通信的要求。
[0061]
仿真3，在5ghz～7ghz的频段内对本发明的天线阵列进行s11反射系数仿真，结果如图7所示。
[0062]
从图7可以看出，在5ghz～7ghz的频率范围内s11值小于-9db，且6.7ghz时峰值为-42db，在5.1ghz～7ghz的频率范围内s11值小于-10db，满足现代通信对带宽的要求，此外6.35ghz到6.6ghz的频率范围内s11值小于-20db，此频率范围内信号的能量损失更少，可满足更多实际通信的条件。
[0063]
仿真4，对本发明的天线阵列进行天线方向图仿真，结果如图8所示，其中图8(a)是水平波瓣图，图8(b)是垂直波瓣图。
[0064]
从图8(a)可以看出，水平波瓣图显示天线阵列具有全向性，天线阵列最大增益可达到6db；
[0065]
从图8(b)可以看出，垂直波瓣图显示天线阵列在水平方向的全向性最好，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，
[0066]
综上，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。
[0067]
仿真5，对本发明的天线阵列进行3d天线方向图仿真，结果如图9所示，其中图9(a)是水平3d辐射图，图9(b)是垂直3d辐射图。
[0068]
从图9(a)可以看出，水平3d辐射图显示天线阵列具有全向性；
[0069]
从图9(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，
[0070]
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。
[0071]
以上描述仅是本发明的一个具体实例，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。