專利名稱：一種Ku波段全向天線的制作方法
技術領域：
本發明屬于微波天線技術范疇，具體涉及的是微波波段全向天線領域。
背景技術：
全向天線是移動通信領域中基地臺、車臺和手持臺等方面必用的一種天線形式，一般對于全向天線有如下的技術要求I)天線方位面方向圖為圓形或具有弱方向性(相對電平的變化不超過3dB)，覆蓋方位面360。空間；2)電壓駐波系數系數盡可能小《 I. 50);3)在俯仰面內具有定向輻射特性，要求在赤道面內的輻射最大，增益高。 以前，在移動通信中使用的全向天線有套筒式偶極天線、佛蘭克林天線、同軸線交叉共線天線和螺旋鞭天線與拉桿天線等，但這幾類全向天線一般只適用于短波、超短波及L波段等波段，對于厘米波及厘米波以上波段的全向天線，如果仍然采用上述諸天線，由于受到電氣尺寸的限制，結構上難于實現。
發明內容
為了克服現有技術在微波波段的高頻段全向天線難以實現的不足，本發明提供一種Ku波段全向天線，用于整個微波波段，實現Ku波段方位面360°的波束覆蓋。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是包括一個一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器和若干個喇叭天線，喇叭天線的輸入口與功分器輸出口大小相同，一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的每一個輸出口連接一個喇叭天線的輸入口，喇叭天線的輻射口向外，各個喇叭天線的輻射口在方位面上組成一個圓周陣；Ku波段微波信號通過同軸電纜接入一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的輸入端，經過等幅同相功率分配后通過喇叭天線輻射到自由空間中，在自由空間中進行波束疊加，在天線的遠場形成全向方向圖。所述的喇ΠΛ天線的數量N為5 12個。所述的N為5時，圓周陣的直徑為90mm ;N為8時，圓周陣的直徑為120mm ；N為10時，圓周陣的直徑為150mm。
I οιO)所述的喇叭天線的H面口徑尺寸a由公式——sSaA2w <—確定，其中，
aa
jnλ為頻率f在自由空間的波長，λ = c/f，f為全向天線工作的中心頻率，c
Δυ0.25Η JN
為光速。
O O；IOJ所述的喇叭天線的E面口徑尺寸b由公式一^ ^ 26^,. iS； 一^確定，其中，2 Θ Q 5E
OO
根據全向天線的增益G的計算近似式G ~ IOlogltl[42000/(360° Χ2θα5Ε)]確定,該計算近似式的誤差小于O. 5%。
本發明的有益效果是以一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器為主線，將微波信號等幅同相地分配到喇叭天線中；全向天線的E面方向圖的半功率波束寬度是可以通過改變喇叭天線E面的口徑尺寸來控制的，它可以方便地調節全向天線地增益；全向天線的方位面方向圖相對電平的變化大小可以由增減天線的單元數來調整，單元數越多，相對電平變化的工作頻帶越寬。本全向天線不僅在Ku波段可以實現，而且其設計方法適用于整個微波波段。
圖I為6元Ku波段全向天線的結構示意圖；圖2為8元Ku波段全向天線的結構示意圖； 圖3為10元Ku波段全向天線的結構示意圖；圖4為仿真的6元全向天線在16GHz時的方位面極坐標方向圖；圖5為仿真的6元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖；圖6為仿真的10元全向天線在16GHz時的方位面極坐標方向圖；圖7為仿真的10元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖；圖8為實測的6元全向天線在15GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖9為實測的6元全向天線在16GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖10為實測的6元全向天線在17GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖11為實測的6元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖；圖12為實測的10元全向天線在15GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖13為實測的10元全向天線在16GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖14為實測的10元全向天線在17GHz時的方位面方向圖，其中，圖(a)和圖(b)分別為天線各掃描180度時的方位面方向圖；圖15為實測的10元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖。
具體實施例方式本發明解決了在微波波段的高頻段全向天線難以實現的問題，研發了一種Ku波段全向天線(該全向天線的設計方法適用于整個微波波段)，該全向天線以一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器(該功率分配/合成器由專利名稱為“一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器”，專利受理號為201010284575. 2的發明專利公開)為基礎，以喇叭天線為陣元排列成圓周陣，實現Ku波段方位面360°的波束覆蓋。本全向天線主要由一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器、喇叭天線(喇叭天線的輸入口與功分器輸出口大小相同)兩部分組成一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的輸出口直接與喇叭天線的輸入口(尺寸小的一端，與功率分配/合成器的輸出口口徑尺寸一致)聯成一體，喇叭天線的輻射口(尺寸大的一端)向外，在方位面上組成一個圓周陣。圖I、圖2、圖3分別為6元、8元、10元Ku波段全向天線的結構示意圖。某一頻率的Ku波段微波信號，通過同軸電纜接入一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的輸入段，經過該功率分配/合成器進行等幅同相功率分配，再將分配好的信號通過喇叭天線輻射到自由空間中，在自由空間中進行波束疊加，在天線的遠場形成全向方向圖。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。本發明“一種Ku波段全向天線”的具體實施措施如下I)確定全向天線的陣元數N。該全向天線陣元數的可選范圍在5 — 12個之間，選擇陣元數的原則根據以下幾方面的不同要求而定A.根據要求的全向天線相對電平變化大小的相對工作帶寬而定，要求的相對電平 變化的相對工作帶寬越寬，則陣元數應選取越多。若全向天線要求的相對工作帶寬為8% 10%，陣元數選取5 7個；相對工作帶寬為10% 15%，陣元數選取8 10個；相對工作帶寬為15% 20%，陣元數選取11 12個；B.根據要求的電壓駐波系數大小的帶寬而定若電壓駐波系數要求為I. 5時，相對工作帶寬為15% 20%，陣元數可選取5 7個；相對工作帶寬為10% 15%，陣元數選取8 10個；若全向天線要求的相對工作帶寬為8% 10%，陣元數選取11 12個；C.根據要求的增益來定由于增益與全向天線的E面方向圖寬度有很大關系，當然與選取的陣元數也有關，當要求的增益為3dB 5dB時，陣元數可選取5 7個；增益要求為5dB 7dB時，陣元數選取8 10個；增益要求為7dB 8dB時，陣元數一般選取11 12個。D.根據要求的全向天線物理尺寸大小而定選取的陣元數越少，物理尺寸越小，反之則物理尺寸越大。陣元數為5個時，天線的直徑約為90mm ;陣元數為8個時，天線的直徑約為120mm ;陣元數為10個時,天線的直徑約為150mm總之，陣元數的確定要根據各種要求綜合考慮。2)喇叭天線的H面口徑尺寸a的初步確定。喇叭天線的H面口徑尺寸由下述公式來進行初步確定。2 θ 0 25H = 360° /N (式中2 θ 0 25H為喇叭天線H面6dB處的波束寬度)入=c/f
IO；再根據近似式(rad),實際設計中取
a
IM ( A。 ^ 2Λ
-(rad) ^ 2Θ025Ν = — 、
aa (rad)上式中f為全向天線工作的中心頻率，c為光速，常數，λ為頻率f在自由空間的波長，rad 為弧度(lrad ^ 57. 3° )。即可近似求得喇叭天線的H面口徑尺寸。3)由全向天線的增益初步確定喇叭天線的E面口徑尺寸b。波束寬度2θα5及E面根據全向天線的增益G的計算近似式G ^ IOlogltl[42000/(360。X2 Θ Q 5E)]
可求得喇叭天線的E面波束寬度2 θ α5Ε，再根據下式2Θ0^￡^ 0.942 (rad)，實際設計中取生^ (rad) = 26*0^ (rad)
b b b可得喇叭天線E面口徑尺寸b。4 )喇叭天線的設計。通過喇叭天線E面口徑尺寸、H面口徑尺寸等要求，按照喇叭天線的設計方法(詳見《天線工程手冊》)，計算喇叭天線張角和喇叭長度L等參數。
5)根據一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的設計方法設計一分N路同軸一波導功率分配/合成器；6)天線整體設計。利用電磁場分析軟件進行仿真計算將N個4)中初步確定的喇叭天線接到一分N路的同軸一波導功率分配/合成器上，調節喇叭天線與功分器的距離、喇叭天線口徑a和b、喇叭的長度L等參數，對整個天線進行仿真優化設計，使得全向天線整體性能滿足技術要求；下面以工作頻率為Ku波段的6元、10元全向天線為例作一介紹。例I :全向天線技術要求I)工作頻帶15. 5GHz 17GHz ;2)方位面全向方向圖允許的相對電平變化的大小不大于3dB ；3)增益G>3dB;4)電壓駐波系數< I. 5。設計I)全向天線相對工作帶寬為(17G-15. 5G)/16. 25G ^ 9%、增益大于3dB的要求，按照全向天線陣元數的確定方法，擬選取陣元數為6 ；2)根據喇叭天線H面口徑尺寸的確定方法計算2 Θ 0 25H ^ 360° /N = 60。λ = c/f ^ 18. 46mm26>025ff^^- (rad)得a = 57. 3。X I. 9X 18. 46mm/60。 33. 5mm
a3)由全向天線的增益初步確定喇機天線的E面口徑尺寸b。G ^ IOlog10 [42000/(360 X 2 θ 0 5E)]得2 Θ 0 5E ^ 60。
O Q4/5為使增益留有一定余量，取2 Θ05Ε = 52°，再由26^ 一^ (rad)
…O可得喇叭天線E面口徑尺寸b O. 94X57. 3。X 18. 46臟/52。 19mm。4 )喇叭天線的設計。通過喇叭天線E面口徑尺寸、H面口徑尺寸等要求，計算喇叭天線張角約為15°和喇叭長度L約為25mm。5)根據一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的設計方法設計一分六路同軸一波導功率分配/合成器；6)全向天線的全陣仿真。利用電磁場分析軟件Ansoft HFSS,將6個初步確定的喇叭天線端接到一分六路的同軸一波導功率分配/合成器上，仿真優化后，最終確定喇叭天線與功分器的距離為O、喇叭天線口徑a = 36mm和b=22mm、喇叭的長度L=22mm。
圖4為仿真的6元全向天線在16GHz時的方位面全向方向圖，圖5為仿真的6元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖。例2 :全向天線技術要求I)工作頻帶15GHz 17GHz ;2)方位面全向方向圖允許的相對電平的變化大小不大于2dB ；3)增益G 彡 6. 5dB ;4)電壓駐波系數VSWR ( I. 5。設計I)全向天線相對工作帶寬為(17G_15G)/16G ^ 12. 5%，增益大于6. 5dB的要求，通過全向天線陣元數的確定方法，擬選取陣元數為10 ；
2)根據喇叭天線H面口徑尺寸的確定方法計算2 Θ 0 25H ^ 360° /N = 36。λ = c/f ^ 18. 75mm2Θ_μ— (rad)得a = 57. 3。X I. 9X 18. 75mm/36。 56. 7mm
a3)由全向天線的增益初步確定喇機天線的E面口徑尺寸b。G ^ IOlog10 [42000/(360 X 2 θ 0 5E)]得2 Θ 0 5E ^ 26。
0 94/為使增益留有一定余量，取2 0Q5E = 22°，再由(rad)
"O可得喇叭天線E 面口徑尺寸 b O. 94X57. 3。X 18. 75mm/22。 45. 9mm。4 )喇叭天線的設計。通過喇叭天線E面口徑尺寸、H面口徑尺寸等要求，計算喇叭天線張角約為15°和喇叭長度L約為70mm。5)根據一種一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的設計方法設計一分十路同軸一波導功率分配/合成器；6)全向天線的全陣仿真。利用電磁場分析軟件Ansoft HFSS,將10個初步確定的喇叭天線接到一分十路的同軸一波導功率分配/合成器上，仿真優化后，最終確定喇叭天線與功分器的距離為1mm、喇卩Λ天線口徑a = 53mm和b=45mm、喇卩入的長度L=67mm。圖6為仿真的10元全向天線在16GHz時的方位面全向方向圖，圖7為仿真的10元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖。為驗證本發明，用上述方法設計并加工了 6元、10元兩種Ku波段的全向天線，并進行了測試。由于受到測試設備所限，每張方向圖僅測試了 180度范圍，為此我們在每個頻率點進行了兩次測試。在進行第二次測試前，將全向天線整體旋轉180度。兩次測試結果相接，就是全向天線的最終測試結果。測試結果分別置于圖8至圖15中。圖8、圖9、圖10分別為6元全向天線分別在15. 5GHzU6GHzU7GHz時的實測方向圖，其中中心頻率方位面方向圖允許的相對電平的變化最大值約為2. 2dB,圖11為6元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖，頻帶內最大電壓駐波系數為1.41 ;圖12、圖13、圖14為10元全向天線分別在15GHz、16GHz、17GHz時的實測方向圖，其中中心頻率方位面方向圖允許的相對電平的變化最大值約為I. 6dB，圖15為10元全向天線在工作頻帶內的電壓駐波系數曲線圖，在應用的頻帶內最大電壓駐波系數約為1.44。
權利要求
1.一種Ku波段全向天線，包括一個一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器和若干個喇叭天線，其特征在于一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的每一個輸出口連接一個喇叭天線的輸入口，喇叭天線的輻射口向外，各個喇叭天線的輻射口在方位面上組成一個圓周陣；Ku波段微波信號通過同軸電纜接入一分任意路的同軸一波導功率分配/合成器的輸入端，經過等幅同相功率分配后通過喇叭天線輻射到自由空間中，在自由空間中進行波束疊加，在天線的遠場形成全向方向圖。
2.根據利用權利要求I所述的Ku波段全向天線，其特征在于所述的喇叭天線的數量N為5 12個。
3.根據利用權利要求I所述的Ku波段全向天線，其特征在于所述的N為5時，圓周陣的直徑為90mm ;N為8時，圓周陣的直徑為120mm ；N為10時，圓周陣的直徑為150臟。
4.根據利用權利要求I所述的Ku波段全向天線，其特征在于所述的喇叭天線的H面口徑尺寸a由公式一確定，其中，21切=7，λ為頻率f在自由空間 aaN的波長，λ = c/f, f為全向天線工作的中心頻率，C為光速。
5.根據利用權利要求I所述的Ku波段全向天線，其特征在于所述的喇叭天線的E面口徑尺寸b由公式，_ < 2Θ^Γ彡1^1確定，其中，2Θ05Ε根據全向天線的增益G的計算近 OO似式G 10 Iogltl[42000/(360。X 2 θ 0 5Ε)]確定，該計算近似式的誤差小于O. 5%。
全文摘要
本發明提供了一種Ku波段全向天線，一分任意路的同軸－波導功率分配/合成器的每一個輸出口連接一個喇叭天線的輸入口，喇叭天線的輻射口向外，各個喇叭天線的輻射口在方位面上組成一個圓周陣；Ku波段微波信號通過同軸電纜接入一分任意路的同軸－波導功率分配/合成器的輸入端，經過等幅同相功率分配后通過喇叭天線輻射到自由空間中，在自由空間中進行波束疊加，在天線的遠場形成全向方向圖。本發明用于整個微波波段，能夠實現Ku波段方位面360°的波束覆蓋。
文檔編號H01Q21/29GK102882014SQ201210288659
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月14日 優先權日2012年8月14日
發明者宋錫明, 王國泉, 莊少華 申請人:陜西黃河集團有限公司