專利名稱:一種非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線，屬于無線通訊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代社會中，無論是在民用和軍事領(lǐng)域，無線通訊扮演著極為重要的角色。近數(shù)十年來，無線通訊得到了迅猛的發(fā)展，對人們的生活和工作起著越來越大的作用。天線是無線通訊系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，無線通訊系統(tǒng)在功能、容量、質(zhì)量和服務(wù)業(yè)務(wù)上不斷地升級，對無線通訊系統(tǒng)的天線提出了越來越高的性能要求。
目前，有多類全向高增益天線被應(yīng)用于無線通訊系統(tǒng)中，特別是作為通訊基站天線。為保障無線通訊的覆蓋區(qū)域和獲得高質(zhì)量通訊效果，常常要求這些全向天線具有很高的水平增益。應(yīng)用較廣泛的高增益全向天線有同軸交叉共線天線(Coaxial CollinearAntenna)、同軸縫隙天線和微帶全向陣列天線等。
同軸線是一類應(yīng)用極為廣泛的傳輸線。電磁能量可以在內(nèi)外導(dǎo)體之間的封閉腔體內(nèi)無輻射損耗地傳輸。如果在同軸線上環(huán)切掉部分同軸線外導(dǎo)體，電磁能量就會從外導(dǎo)體縫隙處輻射出去，同軸線便構(gòu)成一副天線，稱為同軸縫隙天線。
為了獲得高增益，同軸縫隙天線通常是在同軸線上按一定間隔多處環(huán)切。保留外導(dǎo)體的同軸線部分(同軸段)屬于傳輸線，起著轉(zhuǎn)輸能量的作用。除去外導(dǎo)體部分既傳輸能量，又對外輻射電磁能量，為同軸縫隙天線的輻射段。一段同軸段和一段輻射段構(gòu)成了的一個輻射單元，實(shí)際應(yīng)用的同軸縫隙天線是由數(shù)個到數(shù)十個輻射單元組成的陣列天線。
作為陣列天線，同軸縫隙天線有并聯(lián)饋電或串聯(lián)饋電兩種方式，將多個輻射單元組成陣列天線。并聯(lián)饋電方式可獲得更高增益，但天線往往全向性不好，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此大多數(shù)現(xiàn)有同軸縫隙天線采用串聯(lián)饋電的方式。
同軸縫隙天線由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，具有理想的全向輻射特性。輻射效率高并且結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，因此在無線通訊中得到了廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)有同軸縫隙天線采用結(jié)構(gòu)完全一致的輻射單元，即各輻射單元的同軸段和輻射段都有相同的長度。在采用串聯(lián)饋電方式時，這種均勻結(jié)構(gòu)對同軸縫隙天線性能帶來了如下不利影響1.在串聯(lián)饋電方式下，從饋電端口進(jìn)入天線的電磁能量邊沿天線邊傳輸邊輻射，逐步減小，到達(dá)遠(yuǎn)離饋電端口的輻射單元時已很弱了。因此同軸縫隙天線作為一類陣列天線，理論上增加輻射單元數(shù)量可以提高天線增益，但實(shí)際存在“增益極限”，當(dāng)輻射單元達(dá)到一定數(shù)量后，難以靠增加輻射單元進(jìn)一步提高天線增益。
從理論上，只有當(dāng)陣列天線的每個輻射單元的輻射功率值相等時，天線增益才能達(dá)到最大。而現(xiàn)有同軸縫隙天線的輻射單元結(jié)構(gòu)相同，其輻射效率相等，而傳輸?shù)礁鲉卧碾姶拍芰恐鸩綔p弱，因此各單元的輻射功率呈遞減的趨勢，這造成天線增益不能達(dá)到最大。事實(shí)上，現(xiàn)有同軸縫隙天線的實(shí)際增益通常在12dBi以下，難以滿足無線通訊系統(tǒng)對天線高增益的要求。
2.同軸縫隙天線輻射方向圖的主瓣通常與水平面存在一定的傾斜角，稱為主瓣傾斜角。在天線架高一定的情況下，主瓣傾斜角將嚴(yán)重影響天線覆蓋區(qū)域的范圍大小，因此在天線設(shè)計(jì)時還必須通過調(diào)整天線結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)主瓣傾斜角，以滿足無線通訊的要求。
對現(xiàn)有同軸縫隙天線，由于輻射單元的結(jié)構(gòu)完全一致，只有少量天線結(jié)構(gòu)參數(shù)可供用于調(diào)節(jié)天線的主瓣傾斜角，為了保證駐波、增益等其它性能指標(biāo)，這些天線結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠調(diào)整的范圍也較小。這為同軸縫隙天線主瓣傾斜角的調(diào)節(jié)帶來了很大困難，在部分同軸縫隙天線的設(shè)計(jì)中，難以將天線主瓣傾角調(diào)節(jié)到通訊所要求的最佳角度。
關(guān)于同軸縫隙天線已有較多的研究文獻(xiàn)?！癛adiation Characteristics of Dielectric-Coated Coaxial Waveguide Periodic Slot with Finite and Zero Thickness”(發(fā)表在1999發(fā)版的IEEE Transactions on Antennas and Propagation，VOL.47，NO.1)采用了模式匹配法和有限積分法分析了縫隙深度對同軸縫隙天線輻射性能的影響，文中的同軸縫隙天線縫隙結(jié)構(gòu)具有相同的尺寸和間距；在2003年發(fā)表在《電波科學(xué)》第18卷第3期的論文“同軸線斜置縫隙振子的阻抗和輻射特性”提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的同軸縫隙天線，其縫隙不是傳統(tǒng)地沿圓周環(huán)切，而是與軸線成一定夾角地傾斜切割，但輻射單元結(jié)構(gòu)的間隔和長度仍是相等的。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種采用非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線，其特點(diǎn)是將同軸線以不相等的間隔和長度切割外導(dǎo)體，保留外導(dǎo)體的同軸線部分(同軸段)屬于傳輸線，起著轉(zhuǎn)輸能量的作用。除去外導(dǎo)體部分既傳輸能量，又對外輻射電磁能量，為天線的輻射段，一段同軸段和一段輻射段構(gòu)成了天線的一個輻射單元。由于切割外導(dǎo)體的間隔和長度不相等，因此本發(fā)明的同軸縫隙天線由若干非均勻輻射單元組成。
本發(fā)明的目標(biāo)由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線含有同軸段和輻射段，其特點(diǎn)是將同軸線以不相等的間隔和長度做外導(dǎo)體切割，保留外導(dǎo)體的同軸段，切割外導(dǎo)體的輻射段，外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體之間填充絕緣介質(zhì)，外導(dǎo)體外裝設(shè)玻璃鋼外殼，玻璃鋼外殼的前端裝設(shè)N型接頭，玻璃鋼外殼的后端裝設(shè)塑料天線蓋。
絕緣介質(zhì)為聚四復(fù)乙烯或環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.以獲得最大的天線增益對于由多個輻射單元組成的陣列天線，只有當(dāng)每個輻射單元的輻射功率值相等時，天線增益才能達(dá)到最大。在串聯(lián)饋電方式下，饋入同軸縫隙天線的電磁能量沿天線邊傳輸邊輻射，逐步減小，如果如現(xiàn)有同軸縫隙天線的均勻結(jié)構(gòu)，各輻射單元結(jié)構(gòu)相同，輻射效率相同，則各單元的輻射功率是隨離開饋源距離而逐步減弱，因此不能獲得最大天線增益。
對同軸縫隙天線中的各輻射單元，改變同軸段或輻射段長度可以改變單元的輻射效率。在本發(fā)明中，各單元的長度可以不相等，因此能夠通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓各輻射單元的輻射效率隨離饋源距離呈逐步增加的趨勢，補(bǔ)償在輻射單元中傳輸?shù)碾姶拍芰侩S離饋源距離而逐步減小的趨勢，從而使各單元的輻射功率基本一致，獲得最大的天線增益。
2.為調(diào)節(jié)同軸縫隙天線的主瓣傾斜角提供了充足的手段同軸縫隙天線屬于一類陣列天線，其總輻射方向圖是各單元輻射方向圖的疊加。各輻射單元中同軸段或輻射段長度的改變都可以改變該單元的輻射方向圖，進(jìn)而影響天線的總輻射方向圖。本發(fā)明的同軸縫隙天線的各輻射單元中同軸段和輻射段長度可以不相等，都是可供調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這為調(diào)節(jié)同軸縫隙天線的主瓣傾斜角提供了充足的手段。
圖1為非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線結(jié)構(gòu)示意圖1.N型接頭，2.絕緣介質(zhì)，3.同軸線內(nèi)導(dǎo)體，4.玻璃鋼外殼，5.同軸段，6.輻射段，7.天線后蓋圖2為非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線切割外導(dǎo)體示意圖圖3為非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線三維輻射方向圖具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖1～2所示，圖1為非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線切割外導(dǎo)體示意圖。該非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線是將同軸線以不相等的間隔和長度切割外導(dǎo)體，保留外導(dǎo)體的同軸段5，切割外導(dǎo)體的輻射段6，一段同軸段和一段輻射段組成天線的一個輻射單元。外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體3之間填充絕緣介質(zhì)2，絕緣介質(zhì)為聚四復(fù)乙烯或環(huán)氧樹脂。外導(dǎo)體外裝設(shè)玻璃鋼外殼4，玻璃鋼外殼的前端裝設(shè)N型接頭1，玻璃鋼外殼的后端裝設(shè)塑料天線蓋7。
該天線由16節(jié)輻射單元組成，要求輻射方向圖為水平全向，工作頻率為5.725GHz，在工作頻率上的電壓駐波系數(shù)VSWR小于2，最大增益要大于14dBi，并且輻射主瓣傾角為0°，即最大輻射方向沿水平面。
采用計(jì)算機(jī)輔助的天線自動設(shè)計(jì)，利用遺傳算法并結(jié)合天線數(shù)值仿真對同軸縫隙天線各單元的輻射段和同軸段長度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為簡化設(shè)計(jì)過程和減小優(yōu)化計(jì)算量，將各輻射單元中同軸段的長度設(shè)為相同，優(yōu)化得到的同軸段長度為20.5mm。各單元中輻射段長度為不等，優(yōu)化得到的各單元(從饋電端口開始)中輻射段的長度分別為11、16、16、19、13、20、20、18、21、19、15、15、16、16、15、14mm。
優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線三維輻射方向圖如圖3所示。該天線的在工作頻率(5.725GHz)的電壓駐波系數(shù)為1.83，增益達(dá)到了14.8dBi，其主瓣傾斜角為0°，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線，含有同軸段和輻射段，其特征在于該同軸縫隙天線是將同軸線以不相等的間隔和長度做外導(dǎo)體切割，保留外導(dǎo)體的同軸段(5)，切割外導(dǎo)體的輻射段(6)，外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體(3)之間填充絕緣介質(zhì)(2)，外導(dǎo)體外裝設(shè)玻璃鋼外殼(4)，玻璃鋼外殼的前端裝設(shè)N型接頭(1)，玻璃鋼外殼的后端裝設(shè)塑料天線蓋(7)。
2.如權(quán)利要求
1所述非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線，其特征在于絕緣介質(zhì)為聚四復(fù)乙烯或環(huán)氧樹脂。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線，含有同軸段和輻射段，其特點(diǎn)是該非均勻輻射單元結(jié)構(gòu)的同軸縫隙天線是將同軸線以不相等的間隔和長度做外導(dǎo)體切割，保留外導(dǎo)體的同軸段(5)，切割外導(dǎo)體的輻射段(6)，外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體(3)之間填充絕緣介質(zhì)(2)，外導(dǎo)體外裝設(shè)玻璃鋼外殼(4)，玻璃鋼外殼的前端裝設(shè)N型接頭(1)，玻璃鋼外殼的后端裝設(shè)塑料天線蓋(7)。
文檔編號H01Q21/30GK1996666SQ200610022688
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者黃卡瑪, 陳星 , 趙翔, 郭慶功, 楊曉慶, 劉長軍, 閆麗萍 申請人:四川大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan