一种超宽带有源全向天线

技术领域

本发明涉及电磁频谱侦测和通信技术领域，尤其是涉及一种超宽带有源全向天线。

背景技术

在无线通信系统中，全向天线是无线通信领域中一种重要的天线类型。全向天线的方向图中水平面呈全向360度，以各向均匀辐射的理想全向天线作为参考。全向天线发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同样也可接收水平面任意方向传输来的信号。全向天线在通信系统中应用十分广泛，广泛应用于移动通信，射频识别、信道检测、无线电测向等民用领域；同时应用于在卫星通信、雷达传感器网络、空间飞行器等军用领域。

全向天线发展至今，目前从结构形式上产生了多样化，从最初的单极子、偶极子、双锥、螺旋天线及对数周期天线、微带、智能天线，在技术发展中，对一些自身很难达到全向辐射的单元天线，可以将其组成阵列，就可以形成全向辐射的方向图，但其辐射方向图的均匀性(即不圆度)较差一些，从而影响天线的辐射和接受电磁波信号；全向天线的方向图中水平面呈全向360度，能量全部分散到四周，电磁波在空间中传播时由于受到多方面衰落，所以全向天线的增益比较低；天线全向天线一般带宽比较窄，在实际应用中，若需要使用较宽工作带宽，则需要多个不同频段的全向天线分别配备安装，多个不同频段的天线之间会产生干扰且使用不方便，因此如何增加天线的带宽和提高增益以及小型化就成了一大难题。

然而天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线的频带变窄，效率下降，增益下降，如何在保证天线性能前提下努力减小天线的尺寸，扩展天线的带宽就成为人们重点研究的方向，所以，小型化、高效率、超宽带、高增益、设计灵活和成本低廉的宽频带全向天线是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带有源全向天线，方便了天线设计，提高增益，衰减较小，有利于提高天线性能。

根据本发明的一个目的，本发明提供一种超宽带有源全向天线，包括底座、外罩和天线辐射主体，所述外罩的底部与所述底座连接，所述天线辐射主体设置在所述外罩内部，所述天线辐射主体包括上锥形辐射体和下锥形辐射体，所述下锥形辐射体的顶部设有波导组件同轴连接器，所述底座上固定有低噪声放大器，所述同轴连接器通过射频组件连接到所述低噪声放大器的射频输入端口。

进一步地，所述外罩呈锥形结构，所述外罩下方为开口圆柱形结构，所述外罩的上方为封闭的圆锥形结构。

进一步地，所述上锥形辐射体和所述下锥形辐射体呈锥筒形辐射体，所述上锥形辐射体和所述下锥形辐射体采用圆柱体到圆锥体渐变结构，所述上锥形辐射体和所述下锥形辐射体的内部呈空心结构。

进一步地，所述底座为圆形底座，所述天线辐射主体固定在所述底座上。

进一步地，所述上锥形辐射体连接有上支柱，所述下锥形辐射体连接有下支柱，所述上支柱的顶端和所述下支柱的底端均固定有金属圆环。

进一步地，所述底座和所述下锥形辐射体的中间设有介质连接环。

进一步地，所述上锥形辐射体和所述下锥形辐射体的锥顶之间设有介质支撑件，所述介质支撑件呈圆环状结构。

进一步地，所述介质支撑件包括四个支撑片，所述支撑片为PCB支撑片，两个相对的所述支撑片各设置有一个磁环线圈，所述磁环线圈通过所述支撑片与所述上锥形辐射体和所述下锥形辐射体的外壁连接。

进一步地，所述外罩的下端外壁上固定有供电接口和射频输入端口，所述供电接口通过射频组件连接到所述低噪声放大器的电源端口，所述射频输入端口通过射频组件连接到所述低噪声放大器的射频输出端口。

进一步地，所述下锥形辐射体的顶端开设有波导孔，所述同轴连接器设于所述波导孔内并向上延伸与所述上锥形辐射体顶端连接，所述下锥形辐射体的底端镶嵌有铜铆钉，所述同轴连接器的顶部轴芯焊接于所述铜铆钉上。

本发明技术方案通过设置上下对置的上锥形辐射体和下锥形辐射体，并且设置波导组件进行馈电，并增加有源低噪声放大器，使天线在较宽的频带内获得很好的电性能以及辐射性能，方便了天线设计，提高增益，衰减较小，有利于提高天线性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的剖视图；

图3为本发明实施例的的驻波比曲线图；

图4为本发明实施例天线的0.02GHz频点水平面和垂直面2D图；

图5为本发明实施例天线的0.5GHz频点水平面和垂直面2D图；

图6为本发明实施例天线的3.5GHz频点水平面和垂直面2D图；

图7为本发明实施例天线的6GHz频点水平面和垂直面2D图；

图中：1-外罩，2-供电接口，3-射频输入端口，4-安装杆，5-上支柱，6-上锥形辐射体，7-支撑片，8-同轴连接器，9-下锥形辐射体，10-下支柱，11-底座，12-低噪声放大器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图7所示，一种超宽带有源全向天线，包括底座、外罩和天线辐射主体，外罩2呈锥形结构，外罩1为下方开口的圆柱形外罩，上方为封闭的圆锥形。外罩1的底部与底座11连接，天线辐射主体设置在外罩内部。底座11为圆形底座，天线辐射主体通过八个螺丝固定在底座上，八个螺丝穿过安装杆4的固定盘固定在底座11上。

如图2所示，天线辐射主体包括上锥形辐射体6和下锥形辐射体9，上锥形辐射体6和下锥形辐射体9呈锥筒形辐射体，都采用圆柱体到圆锥体渐变结构，内部呈空心结构，内壁到外壁具有一定的厚度，内部呈空心结构可以减小天线的重量。圆锥顶角决定双锥天线的阻抗大小，振子线的长度决定频率的范围。

本发明上锥形辐射体6和下锥形辐射体9均具有圆锥顶部和圆柱部分，并以锥顶部顶端相对上下对置，并通过同轴连接器组件进行馈电，方便设计，并减少损耗，有利于全向天线的设计。

上锥形辐射体6连接有上支柱5，下锥形辐射体9连接有下支柱10。八个上支柱5的下端螺丝拧进上锥形辐射体6上的八个丝孔并拧紧；八个螺钉穿过金属圆环和上支柱5上端相连，通过八个上支柱5来等效整个圆柱，在电性能相同效果的情况下，大大地减少了天线的重量。

八个下支柱10的上端螺丝拧进下锥形辐射体9上的八个丝孔并拧紧；八个螺钉穿过金属圆环和下支柱10下端相连，下支柱10通过八个螺丝固定在底座上。八个下支柱10来等效整个圆柱，在电性能相同效果的情况下，大大地减少了天线的重量。底座11和下锥形辐射体9的中间设有介质连接环，介质连接圆环起到绝缘和固定的作用。

下锥形辐射体9的顶端开设有波导孔，下锥形辐射体9设有用于对该全向天线馈电的波导组件同轴连接器8，同轴连接器8设于波导孔内并向上延伸与下锥形辐射体9顶端连接。四个螺丝穿过同轴连接器8的固定孔固定在下锥形辐射体9顶部内腔上，通过同轴连接器8的同轴馈针向上锥形辐射体6馈电，且通过镶嵌于上锥形辐射体6的铜铆钉焊接。

上锥形辐射体6和下锥形辐射体9的锥顶之间设有使之保持非接触的介质支撑件，介质支撑件呈圆环状结构，可以防止同轴连接器馈电时短路。具体地，介质支撑件包括四个支撑片7，支撑片7为PCB支撑片，支撑片7的上下两端设有与上锥形辐射体6和下锥形辐射体9外形匹配的收容槽。固定上锥形辐射体6和下锥形辐射体9的四个支撑片7中，两个相对支撑片7各设置一个磁环线圈进行阻抗匹配，使天线的工作频率带拓展更宽。磁环线圈的两端通过支撑片7与上锥形辐射体6和下锥形辐射体9的外壁连接。

本实施例中，磁环线圈由铁氧体磁环和漆包线组成，铁氧体磁环的有效阻抗会随频率的改变而变化，当频率升高时呈现较大的阻抗，能够使电流被限制在加载位置以下。因此，加载铁氧体磁环既能改善天线阻抗，又能改善天线电流分布。磁环的性能与其截止频率密切相关，不同的截止频率使磁环工作在不同的状态(纯电抗与纯电阻状态)，因此在实际应用中通过选择合适的磁环可以对天线性能得到改善。

镍锌铁氧体具有高频、宽频、高阻抗、低损耗的特点，是一种性能优异的软磁铁氧体材料，因此选用镍锌铁氧体磁环对天线进行加载。要使铁氧体磁环加载后改善天线性能，需要通过在天线上选择合适的加载位置，并对磁环数目以及磁导率、功率容量等性能参数进行最优筛选，结合实验进行调试使天线具有良好的电性能，完成设计指标要求。

底座11上固定有低噪声放大器12，四个螺丝穿过低噪声放大器12的四个通孔固定在底座11上，同轴连接器8通过射频组件连接到低噪声放大器12的射频输入端口。无源射频信号通过射频电缆组件引入有源低噪声放大器12，从而对电磁信号进行放大，使天线获得高增益，提高天线的灵敏度。

在外罩1的下端外壁上固定有供电接口2和射频输入端口3，供电接口2通过射频组件连接到低噪声放大器12的电源端口，射频输入端口3通过射频组件连接到低噪声放大器12的射频输出端口。

本发明的全向天线，通过设置上下对置的上锥形辐射体6和下锥形辐射体9，并且设置波导组件进行馈电，并增加有源低噪声放大器，方便了天线设计，提高增益，衰减较小，有利于提高天线性能。

本实施例超宽带有源全向天线的工作频率为0.02GHz～6GHz，尺寸为φ160mm×170mm，重量为2.5Kg，满足小型化、结构简单和超宽频带的要求；能够抗住大于50m/s的风速，满足IP67的防水标准；工作温度范围为-40℃～65℃、贮存温度范围为-55℃～70℃、相对湿度范围为20％～95％具有很强的耐候性。

本发明的目的在于克服现有宽带技术的不足，提供一种0.02GHz～6GHz全向天线，其在低频工作频段均为电小天线，均需要进行阻抗匹配。全向天线其基本形式为对称振子或对称振子的变形。当处于工作频率底端时，天线阻抗实部低到可能只有几欧姆，虚部呈现较大的容抗；当处于工作频率高端时，天线阻抗实部较大，并且虚部呈现高感抗，因此天线较难匹配。为了改善单极子天线的阻抗特性，可考虑在单极子辐射体上加载铁氧体磁环。

本发明设计原型仍为偶极子，使其变异为圆锥形辐射器，在上下辐射椎体上增加上下立柱，从而使工作频率扩展为0.02GHz～6GHz。

本发明采用了加载铁氧体磁环技术，既能改善天线阻抗，又能改善天线电流分布，使短波频段阻抗完成匹配。本发明在无源天线中增加了有源模块低噪声放大器，使天线在较宽的频带内获得良好的增益，提高电性能以及辐射性能。一种超宽带有源全向天线具增益高、频率覆盖范围广、结构简单、设计灵活和成本低廉的特点，能够适应野外恶劣的外部环境，具有很好的耐候性。

本发明旨在为电磁频谱侦测和监测提供一种超宽带高增益有源全向天线，利用圆锥结构增加谐振点以及增加匹配磁环线圈，大大拓宽阻抗带宽，可接收和发射0.02GHz～6GHz垂直极化无线电波。在无源天线中增加了有源模块低噪声放大器，使天线在较宽的频带内获得很好的电性能以及辐射性能。在实际应用时，一个性能良好且可工作频带很宽的天线能使天线数量大大减少，而且还能够合理高效地解决电磁兼容的问题。具有增益高、体积小、性能稳定、灵敏度高等优点，适合电磁环境变化很大的场合使用，可用于电磁监测和侦测领域，是理想的无线电频谱管理监测接收天线。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。