小型化宽带斜极化全向天线的利记博彩app

本发明涉及一种无线电测向和监测天线设备与技术，特别是涉及小型化宽带斜极化全向天线及其技术。

背景技术：

众所周知，无线电频谱因其独占性和专用性，是一种极其宝贵和稀缺的资源。因同频干扰问题，无线电业务所需频谱通常需要专门规划和授权分配。因此，各国均成立了国家级的无线电管理机构，如中国国家无线电管理委员会、美国联邦通信委员会FCC等。无线电测向和监测是国家无线电管理委员会的一项重要日常工作。对授权频段时刻进行监测，确定是否有机构或个人非法使用，从而干扰到合法业务。无线电监测对于维护无线电业务领域的规范和秩序具有重要意义。从技术层面上讲，要确定非法频谱使用者的地点，就得对其进行精确的无线电测向和定位。这是早在无电线发明初期就已开展的一项重要活动。通常，无线电测向选用高增益定向天线，如八木天线、对数周期天线、(轴向模)螺旋天线等。由于接收天线波束较窄，很容易确定辐射源的准确方位。然而，这种简易的单天线无法确定目标距离。而且，测向时需要在水平方向转动天线，工作效率显得比较低。现代无线电测向和监测，通常采用车载全向阵列天线。天线车载化后，可在短时间内实现对大面积地理区域的巡视，耗时很短，效率很高。采用全向阵列天线，则可以根据同一辐射信号到达不同天线阵元的时间差，准确确定来波方向，从而将赋形波束主瓣指向辐射源方向，进一步精确确定目标方位和距离。由此可见，车载全向阵列天线，不管是测向定位精度还是工作效率，都比常规的定向天线理想得多。

其次，无线电测向/监测天线还需要有超宽工作带宽，以实现对各种无线电业务频段的覆盖。再者，天线还必须具有同时接收垂直/水平极化波的能力。这一特征，使得测向天线真正具备了超宽带覆盖、360°全向接收和极化不敏感的侦测效果。这也是无线电测向/监测天线设计的最大技术难点。除此之外，由于天线安装于车顶，小型化、低剖面也是重要的设计指标。常规车载全向测向/监测天线，通常采用直立单锥体设计方案。它具有很好的超宽带和全向特性，但却是典型的垂直极化方式，对水平极化信号接收效果很差。如果再专门设计一个超宽带水平极化水平全向天线的话，不仅整个天线系统的尺寸和体积将变得很大，而且技术上难度相当大。因此，在尺寸严格受限的情况下，独立设计两副天线分别用于接收水平/垂直极化波的方案并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高增益、高效率、低剖面、结构简单、易生产、低成本的小型化宽带斜极化全向天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明旨在为无线电测向/监测提供一种(超)宽带、全向性、H/V双极化、高增益、高效率、小尺寸、低剖面、结构简单、易生产、低成本的全向天线，将单锥天线进行寄生加载，实现了小型化和低剖面，再在四周设置极化偏转器，使垂直极化变成了斜向45°极化，使之能同时接收H/V极化波。该方法具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规无线电全向测向/监测天线的优选方案，而且对于常规单锥天线的设计和改进也是适用和有效的。

本发明提供一种斜极化辐射单元，其包括沿中心轴排列的单锥辐射体、下寄生短桩、笼形寄生体、极化偏转器，该单锥辐射体与馈电同轴电缆连接，该下寄生短桩设置在单锥辐射体下部的四周，该笼形寄生体设置在下寄生短桩上方、单锥辐射体中部的四周，该极化偏转器设置在该单锥辐射体、下寄生短桩和笼形寄生体的四周。

由此组成的基本斜极化辐射单元再组成MIMO阵列，以实现波束赋形的智能测向和定位功能；波束赋形为可实现波束水平定向的各类算法。

优选的，该单锥辐射体包括上大下小的细长尖锥体，其底部连接圆柱起始段，尖锥体顶部连接倒锥体，其顶部再加载顶部圆柱段。

优选的，该尖锥体及倒锥体的纵剖面四边形内角值有如下关系：θ₁＝0～45°、θ₂>90°-θ₁和180°>θ₃>θ₁，其中θ₁为尖锥体下端内角，θ₂为尖锥体与倒锥体连接处内角，θ₃为倒锥体上端内角。

优选的，该下寄生短桩为加载的倒L形短桩阵，该倒L形短桩包括竖直固定于地板上的直立段和水平悬置的横向段，横向段的末端朝内弯折，N个倒L形短桩等间隔排列在环绕于单锥辐射体的圆周上，其中N为自然数。优选的，N取值为4。

优选的，该倒L形短桩的枝节弯折处设有圆弧角，倒L形短桩高度高于单锥辐射体的底部圆柱起始段，直立段与横向段长度之比取值为2～4。

优选的，该笼形寄生体包括共轴水平排列的上圆环、下圆环和上下圆环之间的中部圆环，上下圆环通过M个沿上下圆环均匀排列的竖直导体段连接，竖直导体下端朝内弯折并竖直向上延伸穿过中部圆环后终止，其中M为自然数。优选的，M大于等于3。

优选的，该上圆环和下圆环尺寸相同，中部圆环直径比上圆环和下圆环稍小，且位置靠近上圆环。

优选的，该极化偏转器包括K个由圆柱螺旋段和水平圆弧段组成的导体框，所述K个导体框等间隔环绕在所述单锥辐射体周围，其中K为自然数。优选的，K大于等于3。

优选的，该极化偏转器的导体框包括一段升角为α、绕角为β的第一圆柱螺旋体，在第一圆柱螺旋体的上部、中部、下部位置，分别延伸出第一水平圆弧段、第二水平圆弧段、第三水平圆弧段，其中，上部的第一水平圆弧段末端先朝下绕成一节等升角α的第二圆柱螺旋段，再端接一节第四水平圆弧段，然后再朝上旋绕成另一同升角α的第三圆柱螺旋段，此后再端接另一节更长的第五水平圆弧段，该第四水平圆弧段在第二水平圆弧段上方并与之间隔一定的距离；同时，而中部的第二水平圆弧段的中部朝下绕制升角为α的第四圆柱螺旋段，该第四圆柱螺旋段与第三水平圆弧段留有距离，该第二水平圆弧段的末端则分别朝上和朝下绕制升角均为α的第五圆柱螺旋段，该第五段圆柱螺旋段的上端和下端分别与该第五水平圆弧段和第三水平圆弧段之间间隔一定的距离，此后，上述所有螺旋段和圆弧段组成未封闭的导线框。

优选的，所述导体框的所有螺旋段升角都等于α，各螺旋段的绕角为β或0.5·β，升角和绕角的取值范围分别为α＝35°～65°和β＝50°～60°；各水平圆弧段圆心角为ω＝60°～75°或ω/3。本发明还提供一种小型化宽带斜极化全向天线，其包括至少两个如上所述的斜极化辐射单元所组成的MIMO阵列。优选地，至少三个所述斜极化辐射单元组成所述MIMO阵列。

优选的，该斜极化辐射单元组成MIMO阵列的形式为圆阵或方阵的平面阵型。

优选的，所述小型化宽带斜极化全向天线，其单元或阵列的各组成部分均为金属良导体，如纯铜、铜合金等。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明在借鉴单锥方案的基础上进行了深度优化，通过加载方式实现了天线小型化和超宽带，再创新性地设计了极化偏转器，将垂直极化波变成斜向45°极化波，而它可分解成垂直和水平两个等大小的极化分量，从而使天线获得了能同时接收垂直/水平极化信号的能力，满足了车载无线电测向/监测天线的技术要求。通过采用上述措施，本发明的车载天线测向/监测天线可覆盖移动通信GSM频段(0.77-0.96GHz，VSWR≤2.50，BW＝190MHz，21.97％)和LTE频段(1.71-2.70GHz，VSWR≤2.50，BW＝870MHz，40.56％)、+45°斜向极化(H/V极化分量差异小于1dB)、较高增益(G＝1.3-7.5dBi)、理想不圆度(<1dB)、很高的效率(η_A≥75％)。然后，将该天线排成圆阵，再采用波束赋形算法，即可形成指向水平任意方位、同时接收H/V极化来波的定向波束，大大提高了测向的准确度和精度。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规无线电全向测向/监测天线的优选方案，而且对于常规单锥天线的设计和改进也是适用和有效的。

【附图说明】

图1为本发明天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图；

图2为本发明小型化宽带斜极化全向天线的单锥辐射体模型的剖面图；

图3为本发明小型化宽带斜极化全向天线的单个L形寄生短桩模型的正视图；

图4为本发明小型化宽带斜极化全向天线的L形下寄生短桩圆阵列模型的正视图；

图5为本发明小型化宽带斜极化全向天线的L形下寄生短桩圆阵列模型的俯视图；

图6为本发明小型化宽带斜极化全向天线的笼形寄生体模型的正视图；

图7为本发明小型化宽带斜极化全向天线的笼形寄生体模型的俯视图；

图8为本发明小型化宽带斜极化全向天线的笼形寄生体模型的透视图；

图9为本发明小型化宽带斜极化全向天线的极化偏转器模型的正视图；

图10为本发明小型化宽带斜极化全向天线的同轴线激励单锥辐射体天线模型的剖面图；

图11为本发明小型化宽带斜极化全向天线完整模型的透视图；

图12为本发明小型化宽带斜极化全向天线完整模型的正视图；

图13为本发明小型化宽带斜极化全向天线完整模型的俯视图；

图14为本发明小型化宽带斜极化全向天线的MIMO阵列的透视图；

图15为本发明小型化宽带斜极化全向天线的MIMO阵列的俯视图；

图16为本发明小型化宽带斜极化全向天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线；

图17为本发明小型化宽带斜极化全向天线的反射系数|S₁₁|曲线；

图18为本发明小型化宽带斜极化全向天线的驻波比VSWR曲线；

图19为本发明小型化宽带斜极化全向天线的低频f_L＝0.95GHz增益方向图；

图20为本发明小型化宽带斜极化全向天线的中频f_C＝1.90GHz增益方向图；

图21为本发明小型化宽带斜极化全向天线的高频f_H＝2.50GHz增益方向图；

图22为本发明小型化宽带斜极化全向天线的H面(方位面)不圆度随频率f变化曲线；

图23为本发明小型化宽带斜极化全向天线的E-面(仰角面)半功率波束宽度HPBW随频率f变化特性；

图24为本发明小型化宽带斜极化全向天线的最大增益G随频率f变化特性；

图25为本发明小型化宽带斜极化全向天线的效率η_A随频率f变化曲线；

图26为本发明小型化宽带斜极化全向天线的MIMO阵列在f＝1.90GHz的赋形方向图。

本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。

【具体实施方式】

下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本本发明。

请参阅图1～15，本发明小型化宽带斜极化全向天线的构建如下所述。

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造单锥辐射体10：首先，在XOY平面，以坐标原点O为圆心构造一直径为D_g、厚度为T_g的金属圆盘，用作天线地板1，其次，在地板中心正上方距离H_g处，朝上作一个直立的尖锥体12，其底部有一圆柱起始段11，然后，尖锥体朝上逐渐张开至最大，再往上逐渐锥销形成一倒锥体13，其顶部再加载顶部圆柱段14，见图2；

步骤三，设置下寄生短桩20：在以原点O为圆心、D_L为半径的圆周上，设置一组直立且等间隔排列的倒L形枝节，环绕于步骤二的单锥辐射体10四周；枝节直立段21的底端与地板相连，横向段22的末端23则朝内弯折，枝节弯折处设有圆弧角24，枝节高度稍高于单锥辐射体10的底部圆柱起始段11，见图3～图5；

步骤四，构造上笼形寄生体30：在步骤三的倒L形枝节上方、单锥辐射体10中部，上下依次放置两个水平圆环，分布为上圆环31、下圆环33，然后用一组沿环形均匀排列的竖直导体34将两圆环上下连为一体，竖直导体34下端朝内弯折并竖直向上延伸穿过位于上圆环31下方的另一孤立水平的中部圆环32后终止，见图6～图8；

步骤五，构造极化偏转器40：在以圆盘中心法线为轴线、直径为D_p的圆柱面上，构建一段升角为α、绕角为β的第一圆柱螺旋体41，然后，在第一圆柱螺旋体41的上部、中部、下部位置，分别作第一水平圆弧段42、第二水平圆弧段43、第三水平圆弧段44，其中，上部的第一水平圆弧段42末端先朝下绕成一节等升角α的第二圆柱螺旋段45，再端接一节第四水平圆弧段46，然后再朝上旋绕成另一同升角α的第三圆柱螺旋段47，此后再端接另一节更长的第五水平圆弧段48；同时，而中部的第二水平圆弧段43的中部朝下绕制升角为α的第四圆柱螺旋段50，第二水平圆弧段43的末端则分别朝上和朝下绕制升角均为α的第五圆柱螺旋段49，该第五段圆柱螺旋段49的上端和下端分别与该第五水平圆弧段48和第三水平圆弧段44之间保持有距离，此后，上述所有螺旋段和圆弧段组成未封闭的导线框，然后将该导线框绕圆柱面中心轴线旋转复制3次，彼此间隔120°角，从而构成所述极化偏转器，见图9，设置在以上各步骤的单锥体、倒L形寄生短桩和笼形寄生体四周；

步骤六，同轴电缆底馈：在步骤二的金属地板1中心钻一圆孔，并在圆孔上放置一个同心金属环3，底部与地板1接触。然后，将一根50Ω的同轴电缆2自下而上穿过圆孔，内导体朝上延伸至步骤二的单锥体底部并与之焊接，外导体则在金属环上表面处断开并与之焊接为一体，见图10；

步骤七，天线MIMO组阵：将上述的单锥辐射体10、下寄生短桩20、笼形寄生体30、极化偏转器40，以及同轴馈电组成的全向天线，再作为基本斜极化辐射单元组成MIMO阵列，见图11～15；

本实施例中，该斜极化辐射单元包括沿中心轴排列的单锥辐射体10、下寄生短桩20、笼形寄生体30、极化偏转器40，该单锥辐射体10与连接同轴馈电，该下寄生短桩20设置在单锥辐射体10下部的四周，该笼形寄生体30设置在下寄生短桩20上方、单锥辐射体10中部的四周，该极化偏转器设置在该单锥辐射体、下寄生短桩20和笼形寄生体的四周。

该单锥辐射体10包括上大下小的细长尖锥体，其底部直接圆柱起始段11，尖锥体顶部连接倒锥体13，其顶部再加载顶部圆柱段14。该尖锥体12及倒锥体13的纵剖面四边形内角值有如下关系：θ₁＝0～45°、θ₂>90°-θ₁和180°>θ₃>θ₁，其中θ₁为尖锥体12下端内角，θ₂为尖锥体12与倒锥体13连接处内角，θ₃为倒锥体13上端内角。

该下寄生短桩20为加载倒L形短桩阵，包括四个倒L形短桩，该倒L形短桩包括竖直固定于地板上的直立段21和水平悬置的横向段22，横向段22的末端23朝内弯折，该倒L形短桩的枝节弯折处设有圆弧角24，倒L形短桩高度高于单锥辐射体10的底部圆柱起始段11，直立段21与横向段22长度之比为2～4。该四个倒L形短桩等间隔排列在环绕于单锥辐射体10的圆周上。

该笼形寄生体包括共轴水平排列的上圆环31、下圆环33和上下圆环之间的中部圆环32，上下圆环31、33通过四个沿上下圆环均匀排列的竖直导体34连接，竖直导体34下端朝内弯折并竖直向上延伸穿过中部圆环32后终止。该上圆环31和下圆环33尺寸相同，中部圆环32直径比上圆环31和下圆环33小，且位置靠近上圆环。

该极化偏转器包括三个圆柱螺旋段和水平圆弧段组成的导体框，所述三个导体框等间隔环绕所述单锥辐射10体周围，相互间隔为120°角。

本实施例中，该极化偏转器的导体框包括一段升角为α、绕角为β的第一圆柱螺旋体41，在第一圆柱螺旋体41的上部、中部、下部位置，分别延伸出第一水平圆弧段42、第二水平圆弧段43、第三水平圆弧段44，其中，上部的第一水平圆弧段42末端先朝下绕成一节等升角α的第二圆柱螺旋段45，再端接一节第四水平圆弧段46，然后再朝上旋绕成另一同升角α的第三圆柱螺旋段47，此后再端接另一节更长的第五水平圆弧段48，该第四水平圆弧段46在第二水平圆弧段43上方并保持有距离；同时，而中部的第二水平圆弧段43的中部朝下绕制升角为α的第四圆柱螺旋段50，该第四圆柱螺旋段50与第三水平圆弧段44留有距离，该第二水平圆弧段43的末端则分别朝上和朝下绕制升角均为α的第五圆柱螺旋段49，该第五段圆柱螺旋段49的上端和下端分别与该第五水平圆弧段48和第三水平圆弧段44之间保持有距离，此后，上述所有螺旋段和圆弧段组成未封闭的导线框。

所述导体框的所有螺旋段升角都等于α，各螺旋段的绕角为β或0.5·β，升角和绕角的取值范围分别为α＝35°～65°和β＝50°～60°；各水平圆弧段圆心角为ω＝60°～75°或ω/3。请参阅图11～15，五个所述的斜极化辐射单元所组成MIMO阵列，成为小型化宽带斜极化全向天线，该MIMO阵列中间排布一个斜极化辐射单元另外四个斜极化辐射单元均匀排布在四周。

本发明通过采取下列措施：1)优化单锥体的形状和尺寸，包括优化锥体顶底部圆柱段的长度和直径值，设置合适的剖面三角形三内角的角度值；2)优化L形下寄生短桩，包括直立段和水平段长度比、距离中心的位置等；3)优化极化偏转器，包括设置圆柱螺旋段的升角和弧度、水平圆弧段的长度及线径，以及它们与锥体轴线的距离；4)中心同轴馈电；5)天线组圆阵，优化阵元间距和位置，获得了较常规方案显著的性能提升：一、超宽带宽，同时覆盖GSM900和LTE频段(0.77-0.96GHz/1.71-2.58GHz)；二、较高增益，单元增益达到1.3～7.5dBi；方向图带内一致性好，增益带宽与阻抗带宽几乎相等；二、理想不圆度，H面非全向性小于1dB；三、斜向+45°极化，水平和垂直分量几乎相等；五、高效率(η_A≥75％)；六、MIMO阵列效果和波束赋形能力，可精确定位和测向；七、小尺寸、低剖面，锥体高度和地板直径分别小于0.187·λ_L和0.9·λ_L。

具体参数效果可参阅图16～26：

图16表示小型化宽带斜极化全向天线的输入阻抗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)是阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。由图知，在0.77-0.96/1.71-2.58GHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+13～+60Ω和-10～+50Ω，具有宽带阻抗特性。

图17表示小型化宽带斜极化全向天线的反射系数|S₁₁|曲线。其中，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，天线在GSM 0.77-0.96GHz频段(BW＝190MHz，21.97％)和LTE1.71-2.58GHz频段(BW＝870MHz，40.56％)，实现了较好的阻抗匹配，反射系数|S₁₁|≤-8.0，最低达-24.75dB；两频段相对带宽分别大于21％和40％，实现了超宽带宽。

图18表示小型化宽带斜极化全向天线的驻波比VSWR曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是VSWR。由图知，天线在GSM 0.77-0.96GHz频段(BW＝190MHz，21.97％)和LTE 1.71-2.58GHz频段(BW＝870MHz，40.56％)，实现了较好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤2.50，最低达1.02；两频段相对带宽分别大于21％和40％，实现了超宽带宽。

图19表示小型化宽带斜极化全向天线的低频f_L＝0.95GHz增益方向图。其中，实线表示H面(水平面)，虚线表示E面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，H面不圆度较好，E面波束指向θ＝48°方向，增益G＝3.47dBi；主瓣内Theta分量与Phi分量几乎完全相等，说明极化方式为理想的斜45°极化，且极化纯度较高(XPD>20dB)。

图20表示小型化宽带斜极化全向天线的低频f_C＝1.90GHz增益方向图。其中，实线表示H面(水平面)，虚线表示E面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，H面不圆度较好，E面波束指向θ＝58°方向，增益G＝4.27dBi；主瓣内Theta分量与Phi分量几乎完全相等，说明极化方式为理想的斜45°极化，且极化纯度较高(XPD>30dB)。

图21表示小型化宽带斜极化全向天线的低频f_H＝2.50GHz增益方向图。其中，实线表示H面(水平面)，虚线表示E面(竖直面)；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化。由图知，H面不圆度较好，E面波束指向θ＝76°方向，增益G＝2.77dBi；主瓣内Theta分量与Phi分量几乎完全相等，说明极化方式为理想的斜45°极化，且极化纯度较高(XPD>20dB)。

图22表示小型化宽带斜极化全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是不圆度，单位是度dB。由图知，整个低频和高频低段，水平面(H面)方向图不圆度(全向性或均匀性)小于1dB，水平全向性十分理想，高频高段则变差，下降至4dB。

图23表示小型化宽带斜极化全向天线的E-面(竖直面)半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是波束宽度，单位是度(deg)。由图知，带内半功率波宽HPBW＝20°～120°，竖直面(E面)波宽较宽，有利于信号接收。

图24表示小型化宽带斜极化全向天线的最大增益随频率f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是dBi。由图知，带内增益变化范围为G＝1.3～7.5dBi，且随频率逐渐增大。

图25表示小型化宽带斜极化全向天线的效率η_A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)是效率。由图知，在匹配较差的低频段内，天线效率η_A≥60％，而在匹配较好的高频段，效率η_A≥88％。

图26表示小型化宽带斜极化全向天线的MIMO阵列在f＝1.90GHz的赋形方向图。由图知，阵列波束指向方位面某处且上仰约72°角，方向图变成了定向辐射。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。