专利名称：一种Ku波段全向天线的制作方法
技术领域：
本发明属于微波天线技术范畴，具体涉及的是微波波段全向天线领域。
背景技术：
全向天线是移动通信领域中基地台、车台和手持台等方面必用的一种天线形式，一般对于全向天线有如下的技术要求I)天线方位面方向图为圆形或具有弱方向性(相对电平的变化不超过3dB)，覆盖方位面360。空间；2)电压驻波系数系数尽可能小《 I. 50);3)在俯仰面内具有定向辐射特性，要求在赤道面内的辐射最大，增益高。 以前，在移动通信中使用的全向天线有套筒式偶极天线、佛兰克林天线、同轴线交叉共线天线和螺旋鞭天线与拉杆天线等，但这几类全向天线一般只适用于短波、超短波及L波段等波段，对于厘米波及厘米波以上波段的全向天线，如果仍然采用上述诸天线，由于受到电气尺寸的限制，结构上难于实现。
发明内容
为了克服现有技术在微波波段的高频段全向天线难以实现的不足，本发明提供一种Ku波段全向天线，用于整个微波波段，实现Ku波段方位面360°的波束覆盖。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括一个一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器和若干个喇叭天线，喇叭天线的输入口与功分器输出口大小相同，一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的每一个输出口连接一个喇叭天线的输入口，喇叭天线的辐射口向外，各个喇叭天线的辐射口在方位面上组成一个圆周阵；Ku波段微波信号通过同轴电缆接入一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的输入端，经过等幅同相功率分配后通过喇叭天线辐射到自由空间中，在自由空间中进行波束叠加，在天线的远场形成全向方向图。所述的喇ΠΛ天线的数量N为5 12个。所述的N为5时，圆周阵的直径为90mm ;N为8时，圆周阵的直径为120mm ；N为10时，圆周阵的直径为150mm。
I οιO)所述的喇叭天线的H面口径尺寸a由公式——sSaA2w <—确定，其中，
aa
jnλ为频率f在自由空间的波长，λ = c/f，f为全向天线工作的中心频率，c
Δυ0.25Η JN
为光速。
O O；IOJ所述的喇叭天线的E面口径尺寸b由公式一^ ^ 26^,. iS； 一^确定，其中，2 Θ Q 5E
OO
根据全向天线的增益G的计算近似式G ~ IOlogltl[42000/(360° Χ2θα5Ε)]确定,该计算近似式的误差小于O. 5%。
本发明的有益效果是以一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器为主线，将微波信号等幅同相地分配到喇叭天线中；全向天线的E面方向图的半功率波束宽度是可以通过改变喇叭天线E面的口径尺寸来控制的，它可以方便地调节全向天线地增益；全向天线的方位面方向图相对电平的变化大小可以由增减天线的单元数来调整，单元数越多，相对电平变化的工作频带越宽。本全向天线不仅在Ku波段可以实现，而且其设计方法适用于整个微波波段。
图I为6元Ku波段全向天线的结构示意图；图2为8元Ku波段全向天线的结构示意图； 图3为10元Ku波段全向天线的结构示意图；图4为仿真的6元全向天线在16GHz时的方位面极坐标方向图；图5为仿真的6元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图；图6为仿真的10元全向天线在16GHz时的方位面极坐标方向图；图7为仿真的10元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图；图8为实测的6元全向天线在15GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图9为实测的6元全向天线在16GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图10为实测的6元全向天线在17GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图11为实测的6元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图；图12为实测的10元全向天线在15GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图13为实测的10元全向天线在16GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图14为实测的10元全向天线在17GHz时的方位面方向图，其中，图(a)和图(b)分别为天线各扫描180度时的方位面方向图；图15为实测的10元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图。
具体实施例方式本发明解决了在微波波段的高频段全向天线难以实现的问题，研发了一种Ku波段全向天线(该全向天线的设计方法适用于整个微波波段)，该全向天线以一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器(该功率分配/合成器由专利名称为“一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器”，专利受理号为201010284575. 2的发明专利公开)为基础，以喇叭天线为阵元排列成圆周阵，实现Ku波段方位面360°的波束覆盖。本全向天线主要由一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器、喇叭天线(喇叭天线的输入口与功分器输出口大小相同)两部分组成一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的输出口直接与喇叭天线的输入口(尺寸小的一端，与功率分配/合成器的输出口口径尺寸一致)联成一体，喇叭天线的辐射口(尺寸大的一端)向外，在方位面上组成一个圆周阵。图I、图2、图3分别为6元、8元、10元Ku波段全向天线的结构示意图。某一频率的Ku波段微波信号，通过同轴电缆接入一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的输入段，经过该功率分配/合成器进行等幅同相功率分配，再将分配好的信号通过喇叭天线辐射到自由空间中，在自由空间中进行波束叠加，在天线的远场形成全向方向图。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明“一种Ku波段全向天线”的具体实施措施如下I)确定全向天线的阵元数N。该全向天线阵元数的可选范围在5 — 12个之间，选择阵元数的原则根据以下几方面的不同要求而定A.根据要求的全向天线相对电平变化大小的相对工作带宽而定，要求的相对电平 变化的相对工作带宽越宽，则阵元数应选取越多。若全向天线要求的相对工作带宽为8% 10%，阵元数选取5 7个；相对工作带宽为10% 15%，阵元数选取8 10个；相对工作带宽为15% 20%，阵元数选取11 12个；B.根据要求的电压驻波系数大小的带宽而定若电压驻波系数要求为I. 5时，相对工作带宽为15% 20%，阵元数可选取5 7个；相对工作带宽为10% 15%，阵元数选取8 10个；若全向天线要求的相对工作带宽为8% 10%，阵元数选取11 12个；C.根据要求的增益来定由于增益与全向天线的E面方向图宽度有很大关系，当然与选取的阵元数也有关，当要求的增益为3dB 5dB时，阵元数可选取5 7个；增益要求为5dB 7dB时，阵元数选取8 10个；增益要求为7dB 8dB时，阵元数一般选取11 12个。D.根据要求的全向天线物理尺寸大小而定选取的阵元数越少，物理尺寸越小，反之则物理尺寸越大。阵元数为5个时，天线的直径约为90mm ;阵元数为8个时，天线的直径约为120mm ;阵元数为10个时,天线的直径约为150mm总之，阵元数的确定要根据各种要求综合考虑。2)喇叭天线的H面口径尺寸a的初步确定。喇叭天线的H面口径尺寸由下述公式来进行初步确定。2 θ 0 25H = 360° /N (式中2 θ 0 25H为喇叭天线H面6dB处的波束宽度)入=c/f
IO；再根据近似式(rad),实际设计中取
a
IM ( A。 ^ 2Λ
-(rad) ^ 2Θ025Ν = — 、
aa (rad)上式中f为全向天线工作的中心频率，c为光速，常数，λ为频率f在自由空间的波长，rad 为弧度(lrad ^ 57. 3° )。即可近似求得喇叭天线的H面口径尺寸。3)由全向天线的增益初步确定喇叭天线的E面口径尺寸b。波束宽度2θα5及E面根据全向天线的增益G的计算近似式G ^ IOlogltl[42000/(360。X2 Θ Q 5E)]
可求得喇叭天线的E面波束宽度2 θ α5Ε，再根据下式2Θ0^￡^ 0.942 (rad)，实际设计中取生^ (rad) = 26*0^ (rad)
b b b可得喇叭天线E面口径尺寸b。4 )喇叭天线的设计。通过喇叭天线E面口径尺寸、H面口径尺寸等要求，按照喇叭天线的设计方法(详见《天线工程手册》)，计算喇叭天线张角和喇叭长度L等参数。
5)根据一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的设计方法设计一分N路同轴一波导功率分配/合成器；6)天线整体设计。利用电磁场分析软件进行仿真计算将N个4)中初步确定的喇叭天线接到一分N路的同轴一波导功率分配/合成器上，调节喇叭天线与功分器的距离、喇叭天线口径a和b、喇叭的长度L等参数，对整个天线进行仿真优化设计，使得全向天线整体性能满足技术要求；下面以工作频率为Ku波段的6元、10元全向天线为例作一介绍。例I :全向天线技术要求I)工作频带15. 5GHz 17GHz ;2)方位面全向方向图允许的相对电平变化的大小不大于3dB ；3)增益G>3dB;4)电压驻波系数< I. 5。设计I)全向天线相对工作带宽为(17G-15. 5G)/16. 25G ^ 9%、增益大于3dB的要求，按照全向天线阵元数的确定方法，拟选取阵元数为6 ；2)根据喇叭天线H面口径尺寸的确定方法计算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)由全向天线的增益初步确定喇机天线的E面口径尺寸b。G ^ IOlog10 [42000/(360 X 2 θ 0 5E)]得2 Θ 0 5E ^ 60。
O Q4/5为使增益留有一定余量，取2 Θ05Ε = 52°，再由26^ 一^ (rad)
…O可得喇叭天线E面口径尺寸b O. 94X57. 3。X 18. 46臟/52。 19mm。4 )喇叭天线的设计。通过喇叭天线E面口径尺寸、H面口径尺寸等要求，计算喇叭天线张角约为15°和喇叭长度L约为25mm。5)根据一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的设计方法设计一分六路同轴一波导功率分配/合成器；6)全向天线的全阵仿真。利用电磁场分析软件Ansoft HFSS,将6个初步确定的喇叭天线端接到一分六路的同轴一波导功率分配/合成器上，仿真优化后，最终确定喇叭天线与功分器的距离为O、喇叭天线口径a = 36mm和b=22mm、喇叭的长度L=22mm。
图4为仿真的6元全向天线在16GHz时的方位面全向方向图，图5为仿真的6元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图。例2 :全向天线技术要求I)工作频带15GHz 17GHz ;2)方位面全向方向图允许的相对电平的变化大小不大于2dB ；3)增益G 彡 6. 5dB ;4)电压驻波系数VSWR ( I. 5。设计I)全向天线相对工作带宽为(17G_15G)/16G ^ 12. 5%，增益大于6. 5dB的要求，通过全向天线阵元数的确定方法，拟选取阵元数为10 ；
2)根据喇叭天线H面口径尺寸的确定方法计算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)由全向天线的增益初步确定喇机天线的E面口径尺寸b。G ^ IOlog10 [42000/(360 X 2 θ 0 5E)]得2 Θ 0 5E ^ 26。
0 94/为使增益留有一定余量，取2 0Q5E = 22°，再由(rad)
"O可得喇叭天线E 面口径尺寸 b O. 94X57. 3。X 18. 75mm/22。 45. 9mm。4 )喇叭天线的设计。通过喇叭天线E面口径尺寸、H面口径尺寸等要求，计算喇叭天线张角约为15°和喇叭长度L约为70mm。5)根据一种一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的设计方法设计一分十路同轴一波导功率分配/合成器；6)全向天线的全阵仿真。利用电磁场分析软件Ansoft HFSS,将10个初步确定的喇叭天线接到一分十路的同轴一波导功率分配/合成器上，仿真优化后，最终确定喇叭天线与功分器的距离为1mm、喇卩Λ天线口径a = 53mm和b=45mm、喇卩入的长度L=67mm。图6为仿真的10元全向天线在16GHz时的方位面全向方向图，图7为仿真的10元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图。为验证本发明，用上述方法设计并加工了 6元、10元两种Ku波段的全向天线，并进行了测试。由于受到测试设备所限，每张方向图仅测试了 180度范围，为此我们在每个频率点进行了两次测试。在进行第二次测试前，将全向天线整体旋转180度。两次测试结果相接，就是全向天线的最终测试结果。测试结果分别置于图8至图15中。图8、图9、图10分别为6元全向天线分别在15. 5GHzU6GHzU7GHz时的实测方向图，其中中心频率方位面方向图允许的相对电平的变化最大值约为2. 2dB,图11为6元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图，频带内最大电压驻波系数为1.41 ;图12、图13、图14为10元全向天线分别在15GHz、16GHz、17GHz时的实测方向图，其中中心频率方位面方向图允许的相对电平的变化最大值约为I. 6dB，图15为10元全向天线在工作频带内的电压驻波系数曲线图，在应用的频带内最大电压驻波系数约为1.44。
权利要求
1.一种Ku波段全向天线，包括一个一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器和若干个喇叭天线，其特征在于一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的每一个输出口连接一个喇叭天线的输入口，喇叭天线的辐射口向外，各个喇叭天线的辐射口在方位面上组成一个圆周阵；Ku波段微波信号通过同轴电缆接入一分任意路的同轴一波导功率分配/合成器的输入端，经过等幅同相功率分配后通过喇叭天线辐射到自由空间中，在自由空间中进行波束叠加，在天线的远场形成全向方向图。
2.根据利用权利要求I所述的Ku波段全向天线，其特征在于所述的喇叭天线的数量N为5 12个。
3.根据利用权利要求I所述的Ku波段全向天线，其特征在于所述的N为5时，圆周阵的直径为90mm ;N为8时，圆周阵的直径为120mm ；N为10时，圆周阵的直径为150臟。
4.根据利用权利要求I所述的Ku波段全向天线，其特征在于所述的喇叭天线的H面口径尺寸a由公式一确定，其中，21切=7，λ为频率f在自由空间 aaN的波长，λ = c/f, f为全向天线工作的中心频率，C为光速。
5.根据利用权利要求I所述的Ku波段全向天线，其特征在于所述的喇叭天线的E面口径尺寸b由公式，_ < 2Θ^Γ彡1^1确定，其中，2Θ05Ε根据全向天线的增益G的计算近 OO似式G 10 Iogltl[42000/(360。X 2 θ 0 5Ε)]确定，该计算近似式的误差小于O. 5%。
全文摘要
本发明提供了一种Ku波段全向天线，一分任意路的同轴－波导功率分配/合成器的每一个输出口连接一个喇叭天线的输入口，喇叭天线的辐射口向外，各个喇叭天线的辐射口在方位面上组成一个圆周阵；Ku波段微波信号通过同轴电缆接入一分任意路的同轴－波导功率分配/合成器的输入端，经过等幅同相功率分配后通过喇叭天线辐射到自由空间中，在自由空间中进行波束叠加，在天线的远场形成全向方向图。本发明用于整个微波波段，能够实现Ku波段方位面360°的波束覆盖。
文档编号H01Q21/29GK102882014SQ201210288659
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者宋锡明, 王国泉, 庄少华 申请人:陕西黄河集团有限公司