CN101359772B - 双环辐射单元和平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于无线移动通信网络的双环辐射单元，包括：一对辐射体，用于发射信号或接收信号；一对馈电装置，用于分别对单个辐射体进行平衡馈电；一个支撑装置，所述两个馈电装置对称设置其上；所述每个辐射体均呈具有开口的环状，均有一个相对应的馈电装置与该辐射体的两个开口端相连接以实现平衡馈电；通信信号可被馈入两个馈电装置，进而馈入两个辐射体，向空中发射；也可由两个辐射体接收空中的信号后，逆向处理。此外，还公开一种平板天线，基于该双环辐射单元组阵。本发明适用于无线移动通信网络，采用所述双环辐射单元，构成平板天线，尤其适用于窄波束覆盖的特殊场合，且具有增益高、工作带宽宽和波束收敛性强等特点。

Description

双环辐射单元和平板天线

【技术领域】

本发明涉及无线移动通信领域，尤其涉及一种双环辐射单元，以及涉及一种由双环辐射单元组阵形成的平板天线。

【背景技术】

随着无线移动通信的发展，覆盖区域更加广阔，也更加多样化。一些特殊场合的覆盖，例如狭长的公路、铁路，几千米以外的风景点、海岛等，对天线提出了更高的要求，不仅要求天线增益高，以满足远距离覆盖，并要求更窄的水平面波束宽度，以减小对原有网络的干扰，同时为实现网络兼容性，需要更宽的工作频带。

现有的技术，一般采用双排振子的结构形式，见图1。在反射板10的正面相隔一定距离装配两排振子11、12，横向两两构成一组，例如11a和12a、11b和12b等，在水平面方向上形成窄波束，而在纵向则根据增益等指标选择合适的振子数量。在当前移动通信高速发展的大背景下，高性能、低成本的趋势越来越明显。这种典型的天线结构形式，由于振子数量多，其在重量和成本方面的限制将会突显。

行业的发展趋势呼唤一种结构更为简单，成本更低、性能更优的天线结构形式，例如实现CDMA800MHz和GSM900MHz的宽频覆盖或者实现DCS1800MHz、PCS1900MHz和UMTS2100MHz三频覆盖，要求H面(水平面)波束宽度在工作带宽内满足±4°，且副瓣电平小于-18dB等。

另一方面，双环天线的应用也限于电视信号接收和调频广播方面，如中国CN2032765号专利公告，发明主题为“环臂振子天线”，以及公告号为JP2002124823A的日本专利等，近二十年来，限于因应用领域不同而引起的技术障碍无法被克服，因此一直没有得到很好地推广，尤其一直不能引入至移动通信领域。

【发明内容】

本发明的第一目的就是提供一种双环辐射单元，以克服上述双排振子结构形式的缺陷，并拓宽双环辐射单元的应用领域。

本发明的第二目的在于提供一种由上述双环辐射单元组阵而成的平板天线，以满足和优化如公路、铁路、风景点和海岛等特殊场合网络覆盖的需求。

为实现上述第一目的，本发明采用如下技术方案：

该双环辐射单元，包括：

一对辐射体，用于发射信号或接收信号；

一对馈电装置，用于分别对单个辐射体进行平衡馈电；

一个支撑装置，所述两个馈电装置对称设置其上；

所述每个辐射体均呈具有开口的环状，均有一个相对应的馈电装置与该辐射体的两个开口端相连接以实现平衡馈电；

通信信号可被馈入两个馈电装置，进而馈入两个辐射体，向空中发射；也可由两个辐射体接收空中的信号后，逆向处理。

所述辐射体的环状轮廓具体可呈圆形、椭圆形、矩形、菱形、矩圆形中任何一种。

所述辐射体的横截面可为正方形、长方形、圆形、椭圆形中任何一种。

所述辐射体也可呈四边形，具有一对对等角、一个顶角以及一个与该顶角相对应的所述的开口，所述对等角角度相等，为60°～90°之间的锐角，所述顶角则为100°～150°之间的钝角。

具体的，所述每个馈电装置均包括两个悬臂，每个悬臂的一端固定在所述支撑装置上，另一端与相应的辐射体的一个开口端相连接。所述支撑装置截面大致呈U型，具有底板和两侧壁，每个侧壁支撑两个馈电装置中各自的一个同侧的悬臂。该馈电装置可为平行式结构或渐变式结构。所述支撑装置、馈电装置和辐射体宜一体成型。所述支撑装置的一个侧壁上设有通孔，以供线缆穿越进行馈电。

较佳地，该辐射单元呈如下比例的结构：所述辐射体的总周长约为一个工作波长；两个辐射体之间的最短距离约为半个工作波长；所述支撑装置的高度约为四分之一个工作波长。

为适应本发明的第二目的，本发明采用如下技术方案：

该平板天线包括反射板和组成规则矩阵并进行并联馈电的复数个辐射单元，所述辐射单元采用如权利要求上述第一目的所述的双环辐射单元。

可每四个辐射单元为一组十字交叉进行并联馈电。

所述各辐射单元也可以其纵长方向规则排布进行并联馈电。

所述各辐射单元还可以其短窄方向规则排布进行并联馈电，如此，所述各辐射单元之间可设有无源片。

本发明适用于无线移动通信网络，采用所述双环辐射单元，构成平板天线，尤其适用于窄波束覆盖的特殊场合，且具有增益高、工作带宽宽和波束收敛性强等特点。

【附图说明】

图1为双排振子结构形式的平板天线原理示意图；

图2为本发明的双环辐射单元的立体结构图；

图3为图2辐射单元中的轴向剖视图，该示图示出侧壁25a；

图4至图7为辐射单元变形后的示意图，旨在示出其辐射体的轮廓；

图8为具有渐变式馈电装置的双环辐射单元的结构示意图；

图9为双环辐射单元立体结构图，其基于图2对馈电芯进行改型；

图10至14为基于本发明双环辐射单元组成的平板天线的示意图；

图15和16分别为基于图14的平板天线的驻波曲线和H面方向图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

请参阅图2所示，一种双环辐射单元由如下各部分组成：

两个呈环状的辐射体21、22，每个环状辐射体21、22均具有一个开口，即被制作成一定几何轮廓后形成两个开口端(21′a和21′b；22′a和22′b)。

两个馈电装置23、24，每个馈电装置23，24包括两个并排的悬臂23a，23b，馈电装置23由悬臂23a和23b构成，馈电装置24由悬臂24a和24b构成。

一个支撑装置25，大致呈U型，具有一个底板和垂直于底板两侧的侧壁25a和25b。

环状辐射体21，其两开口端21′a、21′b分别与馈电装置23的两个悬臂23a和23b连接，环状辐射体22的两开口端22′a、22′b分别与馈电装置24的两个悬臂24a和24b连接。由图2可见，两个辐射体以及两个馈电装置在由辐射体形成的平面上呈轴对称结构。馈电装置23和24、辐射体21和22以及支撑装置25均一体成型，因此，馈电装置23和24兼做环状辐射体21和22的支撑结构将环状辐射体21和22与支撑装置25相连，并通过支撑装置25安装在反射板40上(参见图10至14)。

为了便于对双环辐射单元进行馈电，还配置一个馈电芯26，馈电芯26一端固定并垂直于支撑装置25的一侧壁25a，保持电气上不连接，另一端与支撑装置25的另一侧壁25b焊接形成馈电点。如此，同轴电缆可以在侧壁25a处用其内外导体实现与侧壁25a、25b之间的电性连接，而与侧壁25b之间的电性连接是通过连接馈电芯26进行的。

为使结构合理化，便于装设所述馈电芯26，在支撑装置25的侧壁25a顶部，即两个馈电装置23和24各自的一个悬臂23a和24a之间，设计成阶梯状结构，详见图3。在支撑装置25第一侧壁25a上方形成一凹槽28，在第二侧壁25b上构成一通孔30，馈电芯26穿过上述通孔30，采用焊接方式固定在支撑装置第一侧壁25a的凹槽28上。

如图2所示，在所述支撑装置25第二侧壁25b通孔下方构成一凸起27，并在凸起27上构成一半圆形凹槽27′。同轴电缆的外导体采用焊接方式连接在所述凸起27的半圆形凹槽27′里，同轴电缆的内导体采用焊接方式连接在馈电芯26上，形成馈电点。

当然，也可不设置所述馈电芯26，而将同轴电缆的内外导体直接分别与侧壁25a和25b电性连接实现馈电。

本实施例中采用平行式馈电结构，通信信号可分别经两个侧壁25a和25b流经两个馈电装置23和24，进行平衡馈电，分别馈入两个辐射体21和22，最终完成信号的发射。至于对空中信号的接收，则可以相逆的路径进行。

较佳地，本发明在尺寸方面的设计宜被约束为如下结构配比：所述环状辐射体21或22的总周长约为一个工作波长。环状辐射体21、22之间的最短距离，即开口端21′a和22′a或者是21′b和22′b之间的距离，约为半个工作波长。支撑装置25高约为四分之一个工作波长。

请参阅图4至图7，除了本实施例中的菱形外，所述环状辐射体21、22的形状可以为圆形(图4)、矩形(图5)、椭圆形(图6)、和矩圆形(图7)其中任何一种；也可以为非规则的四边形，它关于通过支撑装置25的两侧壁25a、25b的中心线且垂直于馈电芯26的平面镜像对称，即具有位于上述平面两侧的一对对等角和一个位于辐射单元远端的顶角，位于上述平面一侧的两条边的夹角即对等角为60°～90°的锐角，两个对等角等值，另一夹角即顶角为100°～150°钝角。

同理，所述环状辐射体21、22的横截面可以为正方形、长方形、圆形、椭圆形其中任何一种。

所述馈电装置23、24既可为图2所示的平行式结构，也可以为图8所示的渐变式结构，即每个馈电装置23和24的各自的两个悬臂(23a和23b，24a和24b)彼此相对向外折弯，形成所述渐变式结构。

在图9所示的另一实施例中，在支撑装置第一、第二侧壁25a、25b上分别构成一通孔31，螺钉32从第一侧壁25a外侧穿过第一侧壁25a上的通孔31将穿过第二侧壁25b上的通孔的馈电芯26固定在支撑装置25第一侧壁25a上。所述馈电芯26外套一固定绝缘介质件29，由此馈电芯26保持不与支撑装置25第二侧壁25b物理接触。

如图3所示，所述支撑装置25在面向反射板40的一面，即U形结构的底部，具有一径向至少部分伸出的边缘或凸缘33，可以使得双环辐射单元与反射板的接触良好，改善交调指标。

图10至图14示出了基于上述双环辐射单元41构成的窄波束平板天线。它可以按上述双环辐射单元41的纵长或较短窄方向直线排列，组成图10或11所示的线阵，也可以按多行多列构成如图12或13所示的面阵，其中，图13采用了线4个双环辐射单元41进行十字交叉组阵的方式。这些由复数个双环辐射单元以矩阵形式组装在反射板40上所形成的平板天线系统，可采用公知的方式进行并联馈电。

图14中示出了一个垂直线阵的实施例。它包含有：

反射板40；

由至少两个上述双环辐射单元41组成的天线阵列，等间距直线排列于上述反射板40内；

无源片42，置于双环辐射单元41两两之间；

支撑柱43，用于固定上述无源片42。

所述无源片42，长度约为0.5λ～0.8λ，宽度约为0.05λ～0.25λ，其中心距离反射板40高度约为0.15λ～0.5λ。

所述无源片42平行于天线阵列的轴线，相对于反射板40或垂直放置，或平行放置。

基于图14设计的四单元天线系统，可以实现DCS1800MHz、PCS1900MHz和UMTS2100MHz三频覆盖，增益18dBi，在1710MHz～2170MHz整个带宽内，电压驻波比小于1.25，H面波束宽度控制在32°±3°范围内，副瓣电平小于-21dB。图15、图16分别示出了其驻波曲线和H面方向图。

本发明适用于无线移动通信网络，采用所述双环辐射单元，构成天线系统，尤其适用于窄波束覆盖的特殊场合，且具有增益高、工作带宽宽和波束收敛性强等特点。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种双环辐射单元，其特征在于：包括：

一对辐射体，用于发射信号或接收信号；

一对馈电装置，用于分别对单个辐射体进行平衡馈电；

一个支撑装置，所述两个馈电装置对称设置其上；

所述每个辐射体均呈具有开口的环状，均有一个相对应的馈电装置与该辐射体的两个开口端相连接以实现平衡馈电；

所述支撑装置、馈电装置和辐射体一体成型，馈电装置兼做环状辐射体的支撑结构将环状辐射体与支撑装置相连；

所述每个馈电装置均包括两个悬臂，每个悬臂的一端固定在所述支撑装置上，另一端与相应的辐射体的一个开口端相连接；

所述支撑装置截面呈U型，具有底板和两侧壁，每个侧壁支撑两个馈电装置中各自的一个同侧的悬臂；

通信信号可被馈入两个馈电装置，进而馈入两个辐射体，向空中发射；也可由两个辐射体接收空中的信号后，逆向处理。

2.根据权利要求1所述的双环辐射单元，其特征在于：所述辐射体的环状轮廓具体呈圆形、椭圆形、矩形、菱形、矩圆形中任何一种。

3.根据权利要求1所述的双环辐射单元，其特征在于：所述辐射体的横截面为正方形、长方形、圆形、椭圆形中任何一种。

4.根据权利要求1所述的双环辐射单元，其特征在于：所述辐射体呈四边形，具有一对对等角、一个顶角以及一个与该顶角相对应的所述的开口，所述对等角角度相等，为60°～90°之间的锐角，所述顶角则为100°～150°之间的钝角。

5.根据权利要求1所述的双环辐射单元，其特征在于：该馈电装置为平行式结构或渐变式结构。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的双环辐射单元，其特征在于：所述支撑装置的一个侧壁上设有通孔，以供线缆穿越进行馈电。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的双环辐射单元，其特征在于该辐射单元呈如下比例的结构：所述辐射体的总周长为一个工作波长；两个辐射体之间的最短距离为半个工作波长；所述支撑装置的高度为四分之一个工作波长。

8.一种平板天线，包括反射板和组成规则矩阵并进行并联馈电的复数个辐射单元，其特征在于：所述辐射单元采用如权利要求1至7中任意一项所述的双环辐射单元。

9.根据权利要求8所述的平板天线，其特征在于：每四个辐射单元为一组十字交叉进行并联馈电。

10.根据权利要求8所述的平板天线，其特征在于：所述各辐射单元以其纵长方向规则排布进行并联馈电。

11.根据权利要求8所述的平板天线，其特征在于：所述各辐射单元以其短窄方向规则排布进行并联馈电。

12.根据权利要求11所述的平板天线，其特征在于：所述各辐射单元之间设有无源片。

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