本发明涉及无线通信天线设备与技术，具体说的是全波振子水平极化全向天线。
背景技术：
水平极化全向天线是无线通信领域中一种重要的天线类型，应用需求十分强烈和广泛，如与垂直极化全向天线组成h/v正交双极化全向mimo天线，以提高通信系统的容量。迄今为止，已发明的水平极化水平全向天线几乎都是基于环天线理论，即电小环天线和电大alford环天线。前者是最早发明的水平极化全向天线，但由于周长远小于工作波长，电流处处等幅同相，它的增益很低、带宽很窄、效率很差，常作为有源接收天线使用；后者则是将多个水平半波振子共面排列成圆阵，带宽较宽、全向性好、增益和效率较高、剖面很低，但整体尺寸较大、馈电网络设计复杂、成本较高。为了获得更高增益，通常将多个水平极化全向单元沿竖直方向共轴组阵，然后用功分网络馈电。随着单元数量增加，该方案的设计复杂性也随之增加。另外，在很多应用场合，对天线高度有严格限制。这种情况下，无法通过增加单元数、增大阵元间距来提高阵列增益。然而，提高单元增益却是行之有效的方法。提高单元增益有两种方法，第一种方法是增加单元圆阵中半波阵子的数量，振子数增加会使得圆阵半径随之增大，从而提高了增益。然而，随着振子数量增多，圆阵的匹配网络设计越加复杂，阻抗匹配困难，同时方向图水平方向的增益明显下降，不圆度也将显著变差，带内方向图差异很大，效率也大大降低；第二种方法是，增加圆阵中振子单元的电长度，比如从半波长增加至1个波长，即所谓的全波振子（full-wavelengthdipole，l≈1.0·λ），它的增益可达g≈4dbi然而，它的输入阻抗高达几kω，极难实现阻抗匹配，故尚未工程应用。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供一种全波振子水平极化全向天线，将三个全波振子共面组成圆阵，再通过平行双导体馈线馈电，各振子相当于并联，故阵列阻抗可以大大降低，再调节印制馈线阻抗便可使之匹配至50ω，突破了之前因高阻抗而无法实现工程应用的技术瓶颈，不仅可以用于垂直极化全向天线的设计，亦可用于水平极化全向天线的设计。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：全波振子水平极化全向天线，包括全波振子alford环天线、对全波振子alford环天线进行馈电的50ω同轴电缆；
所述的全波振子alford环天线包括呈圆阵的三元全波振子单元、对三元全波振子单元进行馈电的平行双导体馈线、以及填充在上述两者之间厚度为t的介质层；
所述的平行双导体馈线由呈放射状的相互平行设置间隔为t的上导体和下导体组成，平行双导体馈线以三元全波振子单元的圆心为中心连接点按120°分布三条平行双导线馈线；
所述的三元全波振子单元由三个完全相同并共面的圆弧全波振子和三组短路枝节组成，三个圆弧全波振子均匀设置共心排成圆阵，圆阵内设有平行双导体馈线，每条平行双导线馈线馈电一个圆弧全波振子，每个圆弧全波振子均由振子上臂和振子下臂组成，振子上臂和振子下臂间隔为t并对称设置在一条平行双导线馈线的两侧，振子上臂与平行双导线馈线的上馈线共面并电连接，振子下臂与平行双导线馈线的下馈线共面并电连接，将一组短路枝节以三元全波振子单元的圆心为中心旋转复制三次，得到三组相互间隔120°完全相同的短路枝节，每组短路枝节由一条平行双导线馈线馈电，短路枝节的上枝节与平行双导线馈线的上馈线共面并电连接，短路枝节的下枝节与平行双导线馈线的下馈线共面并电连接，每个短路枝节的上枝节与下枝节的未端短路连接，每组短路枝节由一个短路枝节a和一个短路枝节b组成，同组内的短路枝节a和短路枝节b旋向相反；
所述的50ω同轴电缆向平行双导体馈线的中心馈电。
本发明所述的平行双导线馈线由多节不等长宽的导体段级联构成。
本发明所述的短路枝节为圆弧形或直线形。
本发明所述的短路枝节为圆弧形的中心弧长为（0.25~0.35）×λc，宽度为w=（0.01~0.08）×λc。
本发明所述的短路枝节为直线形的长度为（0.25~0.35）×λc，宽度为w=（0.01~0.08）×λc。
本发明所述的圆弧全波振子（10）的两臂中心的圆弧总长度s=（0.85~1.15）×λc，相邻圆弧全波振子（10）的振子中心间隔角度θ=120°±25°，圆弧全波振子（10）的宽度d=（0.85~1.15）×λc。
本发明所述的介质层的介电常数为εr，损耗角为tanδ，其中，εr=1~20。
本发明所述的介质层为包括空气在内的介质基板。
本发明将三元全波振子单元与平行馈线平行双导体馈线采用pcb印刷工艺一体化印制成形，或者三元全波振子单元与平行馈线平行双导体馈线采用钣金工艺一体加工成形，振子上臂和振子下臂以空气隙相间隔并用介质块固定支撑。
本发明所述的所述的三元全波振子单元的直径为0.75λc-1.0λc。
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）构造圆弧全波振子单元；2）三个圆弧全波振子排成均匀圆阵；3）采用平衡双导体馈线馈电，并有两调谐短路枝节；4）50ω电缆从圆心馈电，保证了方向图不圆度。通过采用上述措施，本发明的三元全波振子水平极化全向天线，实现了lte频段内的超宽带（1.70-2.70ghz，vswr≤2.13，bw=1.0ghz，>45.45%）、较高的增益（g=2.0-3.2dbi）、较好的水平全向性（低频不圆度<5db，高频呈三波瓣）、高效率（ηa≥87%）、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径（≈0.72×λl，λl为最低工作频率）和超低剖面（≈0.09×λl）。比起常规半波振子构成的方案，该方案的增益尤其是水平增益大大提高，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，是宽频带、高增益、低成本水平极化全向的优选方案。而且，对于小型化高增益水平极化全向阵列天线、多频段水平极化全向天线和小型化h/v双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
附图说明
图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。
图2为六元半波振子构成的alford环天线模型的俯视图。
图3为本发明圆弧全波振子、短路枝节a、短路枝节b和平行双导线馈线连接的俯视结构俯视图。
图4为本发明圆弧全波振子、短路枝节a、短路枝节b和平行双导线馈线连接的立体结构俯视图。
图5为本发明的俯视结构示意图。
图6为本发明的立体结构透视图。
图7为全波振子水平极化全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。
图8为全波振子水平极化全向天线的驻波比vswr曲线。
图9为全波振子水平极化全向天线的反射系数|s11|曲线。
图10为全波振子水平极化全向天线在f1=1.70ghz的增益方向图。
图11为全波振子水平极化全向天线在f2=1.95ghz的增益方向图。
图12为全波振子水平极化全向天线在f3=2.20ghz的增益方向图。
图13为全波振子水平极化全向天线在f4=2.45ghz的增益方向图。
图14为全波振子水平极化全向天线在f5=2.70ghz的增益方向图。
图15为全波振子水平极化全向天线的增益g随频率f变化特性。
图16为全波振子水平极化全向天线的h面不圆度随频率f变化曲线。
图17为全波振子水平极化全向天线的e-面（竖直面）半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。
图18为全波振子水平极化全向天线的效率ηa随频率f变化曲线。
图中：1、三元全波振子单元，10、圆弧全波振子，101、振子上臂，102、振子下臂，11、短路枝节，111、短路枝节a，112、短路枝节b，113、短路过孔，2、平行双导体馈线，21、上导体，22、下导体，23、平行双导线馈线，3、介质层，4、同轴电缆。
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
下面结合附图给出本发明的较佳实施例，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发明。
全波振子水平极化全向天线，包括全波振子alford环天线、对全波振子alford环天线进行馈电的50ω同轴电缆。全波振子水平极化全向天线可根据需要叠加多片使用，以增加增益效果，与现有的水平极化全向天线相比，同片数的全向天线本申请的全波振子水平极化全向天线的增益明显高于现有全向天线，而达到同增益情况下，本申请片用的全波振子水平极化全向天线个数较少，产品高度明显下降。
全波振子alford环天线包括呈圆阵的三元全波振子单元1、对三元全波振子单元1进行馈电的平行双导体馈线2、以及填充在上述两者之间厚度为t的介质层3；该介质层3起到固定支撑，但不影响天线传输的作用。介质层的外边缘为圆形，其直径略大于三元全波振子单元1的外边缘直径。
平行双导体馈线2由呈放射状的相互平行设置间隔为t的上导体21和下导体22组成，平行双导体馈线2以三元全波振子单元1的圆心为中心连接点等角度分布三条平行双导线馈线23；即三条平行双导线馈线23在中心连接点处连接为一体，三条平行双导线馈线23之间的夹角为120°，三条平行双导线馈线的上导馈线连接为一体即为上导体21，三条平行双导线馈线23的下导馈线连接为一体即为下导体22。
如图3、4、5所示，三元全波振子单元1由三个完全相同并共面的圆弧全波振子10和三组短路枝节11组成，三个圆弧全波振子10均匀设置共心排成圆阵，圆阵内设有平行双导体馈线2，每条平行双导线馈线23馈电一个圆弧全波振子10，每个圆弧全波振子10均由振子上臂101和振子下臂102组成，振子上臂101和振子下臂102间隔为t并对称设置在一条平行双导线馈线23的两侧，三个圆板全波振子10的振子上臂101和振子下臂102均设置在平行双导线馈线23的同一侧，一个圆弧全波振子10以圆心转动一定角度与相临的两个圆弧全波振子10完全重合，振子上臂101和振子下臂102分别与该条平行双导线馈线23的上导馈线和下导馈线电连接，振子上臂101与平行双导线馈线23的上馈线共面并电连接，振子下臂102与平行双导线馈线23的下馈线共面并电连接，即共面的三个振子上臂同向分别电连接三个平行双导线馈线23的上导馈线，共同的三个振子下臂同向分别连接三个平行双导线馈线23的下导馈线。
将一组短路枝节11以三元全波振子单元1的圆心为中心旋转复制三次，得到三组相互间隔120°完全相同的短路枝节11，每组短路枝节11由一条平行双导线馈线23馈电，短路枝节11的上枝节与平行双导线馈线23的上馈线共面并电连接，每个短路枝节11的下枝节与平行双导线馈线23的下馈线共面并电连接，短路枝节11的上枝节与下枝节的未端短路连接，每组短路枝节11由一个短路枝节a111和一个短路枝节b112组成，同组内的短路枝节a111和短路枝节b112旋向相反，即六对短路枝节11与平行双导体馈线2处于同一平面上，并由三对短路枝节a111和三对短路枝节b112组成，短路枝节11为通常的具有相同形状并平行设置的上枝节和下枝节组成，上枝节与上导体21连接，下枝节与下导体22连接，上枝节与下枝节的未端开有短路过孔113，通过金属实现短路形成短路枝节11，三对短路枝节a111按同一方向分别连接在三条平行双导线馈线23上，三对短路枝节b112与三对短路枝节a111设置方向相反并分别连接在三条平行双导线馈线23上；如图6所示，内圈的三对短路枝节a111顺时针排列，外圈的三对短路枝节b112逆时针排列，反之也能实现相同的功能与作用，只需短路枝节a与短路枝节b的设置方向相反即可。
利用50ω同轴电缆4向平行双导体馈线2的中心馈电，即同轴电缆的内导体与平行双导体馈线2的上导体21焊接，同轴电缆的外导体与平行双导体馈线2的下导体22焊接，或同轴电缆的内导体与平行双导体馈线2的下导体22焊接，同轴电缆的外导体与平行双导体馈线2的上导体21焊接。
平行双导线馈线23由多节不等长宽的导体段级联构成。
短路枝节11为圆弧形或直线形，短路枝节11为圆弧形的中心弧长为（0.25~0.35）×λc，宽度为w=（0.01~0.08）×λc。短路枝节11为直线形的长度为（0.25~0.35）×λc，宽度为w=（0.01~0.08）×λc。
介质层的介电常数为εr，损耗角为tanδ，其中，εr=1~20。介质层为包括空气在内的介质基板。
三元全波振子单元的直径为0.75λc-1.0λc。
全波振子水平极化全向天线的制作工艺为，将三元全波振子单元1与平行馈线平行双导体馈线2采用pcb印刷工艺一体化印制成形，或者三元全波振子单元1与平行馈线平行双导体馈线2采用钣金工艺一体加工成形，振子上臂101和振子下臂102以空气隙相间隔并用介质块固定支撑。
全波振子水平极化全向天线的设计方法包括以下步骤：
步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；
步骤二，构造全波振子单元。在xoy平面，以坐标原点o为圆心、以r为半径作一圆弧振子，圆弧振子分为相分离的振子上臂和振子下臂，再将振子下臂朝下（-z轴方向）移动距离t，使得两臂分别位于上下两个平面，平面间距为t。然后，以圆心o为端点，顺+x轴方向作一对平形双导体馈线，其上、下导体分别与振子上、下臂位于同一平面，由多节不等长宽变换段组成。为了阻抗调谐，进一步在馈线两侧分别添加一对圆弧形或直线形短路枝节，其中一对圆弧枝节位于馈线中间位置，方向为顺时针；另一对圆弧枝节则靠近圆弧振子，方向为逆时针，圆弧振子与馈线连为整体后，构成alford环天线的一臂，如图3所示；
步骤三，构造全波振子alford环天线，将步骤二的全波振子单元，沿z轴旋转复制n=3次，并将三部分合并为一体，组成一个间隔角θ=120°的三元全波振子alford环天线，然后，在振子两臂和平行双导体馈线的空隙间，填充一层介电常数和损耗角分别为εr、tanδ的介质层，介质层的厚度等于振子两臂上下间距t，其外边缘为圆形。在三对平行双导体馈线的各短路枝节末段，有金属化短路过孔穿过介质层，如图5~6的所示；
步骤四，阵列中心同轴线馈电。用一根标准的50ω同轴电缆，连接圆环阵列中心馈电点，其内外导体分别焊接在介质层的上下表面焊盘上向整个天线馈电。
优选地，所述全波振子水平极化全向天线，由n=3元全波振子单元共面排成alford圆环阵列天线；振子为圆弧形，两臂中心的圆弧总长度s=（0.85~1.15）×λc，相邻圆弧全波振子中心间隔角度θ=120°±25°，圆弧全波振子宽度d=（0.85~1.15）×λc。
优选地，所述全波振子水平极化全向天线，n=3元全波振子alford环阵列天线的内部馈线为印制平衡双导体，它由多节不等长宽的导体段级联构成，从阵列中心往全波振子方向延伸；每对平行双导线馈线带两节短路枝节，一枝节靠近馈线中间位置，为逆时针旋向，另一枝节则邻近振子并于振子一臂平行，旋向为顺时针，或者一枝节靠近馈线中间位置，为顺时针旋向，另一枝节则邻近振子并于振子一臂平行，旋向为逆时针；短路枝节最末端或靠近末端位置有金属化短路过孔。
优选地，所述全波振子水平极化全向天线，即三个全波振子的构成alford环阵列，圆列中心或圆心为馈电点，直接用标准50ω同轴电缆馈电，其内外导体分别连接alford环的上下两臂中心焊盘。
优选地，所述全波振子水平极化全向天线，基板材料介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种常见介质基板，如rogers系列、taconic系列和arlon系列。
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）构造圆弧全波振子单元；2）三个圆弧全波振子排成均匀圆阵；3）采用平衡双导线馈电，并有两调谐短路枝节；4）50ω电缆从圆心馈电，保证了方向图不圆度。通过采用上述措施，本发明的三元全波振子水平极化全向天线，实现了lte频段内的超宽带（1.70-2.70ghz，vswr≤2.13，bw=1.0ghz，>45.45%）、较高的增益（g=2.0-3.2dbi）、较好的水平全向性（低频不圆度<5db，高频呈三波瓣）、高效率（ηa≥87%）、高功率容量，以及简单的馈电设计、较小的直径（≈0.72×λl，λl为最低工作频率）和超低剖面（≈0.09×λl）。比起常规半波振子构成的方案，该方案的增益尤其是水平增益大大提高，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，是宽频带、高增益、低成本水平极化全向的优选方案。而且，对于小型化高增益水平极化全向阵列天线、多频段水平极化全向天线和小型化h/v双极化全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
图7为全波振子水平极化全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是阻抗zin，单位为ω;实线表示实部rin，虚线表示虚部xin。由图知，在1.70~2.70ghz频段，实部和虚部变化范围分别为：+28~+100ω和-40~+35ω，具有明显的宽带阻抗特性。
图8为全波振子水平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lte频段（1.70~2.70ghz，bw=1ghz），实现了良好的阻抗匹配，驻波比vswr≤2.13，最小达到1.487，相对带宽大于45.45%，实现了超宽带工作。
图9为全波振子水平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lte频段（1.70~2.70ghz，bw=1ghz），实现了良好的阻抗匹配，反射系数|s11|≤-8.81db，最低可达-14.16db，相对带宽大于45.45%，实现了超宽带工作。
图10为全波振子水平极化全向天线在f1=1.70ghz的增益方向图。其中，实线表示h面，虚线表示e面；h面接近正圆，峰峰值不圆度小于2.35db，水平均匀性较好；e面波束较宽，hpbw=116.0°，增益g=2.0dbi，与半波振子相当，比常规半波振子构成的alford环天线至少高1dbi。
图11为全波振子水平极化全向天线在f2=1.95ghz的增益方向图。其中，实线表示h面，虚线表示e面；h面接近正圆，峰峰值不圆度小于3.21db，水平均匀性较好；e面波束较宽，hpbw=124.67°，增益g=2.25dbi，与半波振子相当，比常规半波振子构成的alford环天线至少高1dbi。
图12为全波振子水平极化全向天线在f3=2.20ghz的增益方向图。其中，实线表示h面，虚线表示e面；h面接近正圆，峰峰值不圆度小于9.18db，水平均匀性较差，具有较明显的三波瓣形状；e面波束较宽，hpbw=130.15°，增益g=3.0dbi，与半波振子相当，比常规半波振子构成的alford环天线至少高1.5dbi。
图13为全波振子水平极化全向天线在f4=2.45ghz的增益方向图。其中，实线表示h面，虚线表示e面；h面接近正圆，峰峰值不圆度小于14.63db，水平均匀性较差，具有明显的三波瓣形状；e面波束较宽，hpbw=119.33°，增益g=2.82dbi，与半波振子相当，比常规半波振子构成的alford环天线至少高1.5dbi。
图14为全波振子水平极化全向天线在f5=2.70ghz的增益方向图。其中，实线表示h面，虚线表示e面；h面接近正圆，峰峰值不圆度小于17.27db，水平均匀性较差，呈现显著的三波瓣形状；e面波束较宽，hpbw=118.0°，增益g=3.19dbi，与半波振子相当，比常规半波振子构成的alford环天线至少高1.5dbi。
图15为全波振子水平极化全向天线的增益g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g，单位是dbi；实线是最大增益gm，虚线为水平增益gh（theta=90°，xoy平面），由图知，带内最大增益gm、水平增益gh变化范围分别为：2.0~3.20dbi和1.88~3.08dbi，总增益和水平增益均较高，且带内尤其是高频的平坦性较好，增益尤其是水平增益远优于常规半波振子构成的alford环天线。
图16为全波振子水平极化全向天线的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，整个频带内，水平面（h面）方向图的峰峰值不圆度（全向性或均匀性）为2.35~31.39db，低频具有较理想的水平均匀辐射特性，高频则呈现显著的三波瓣或三扇区特性。
图17为全波振子水平极化全向天线的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，e面半功率波宽为：hpbw=112o~130.7o，e面波宽较宽，且带内差异较小。
图18为全波振子水平极化全向天线的效率ηa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，整个频带内，天线效率ηa≥87%，最高达到96.2%，比常规半波振子构成的alford环天线至少提高10-15%。
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。