CN101436715A - 一种双极化背腔式辐射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极化背腔式辐射天线，应用于无线移动通信领域，作为定向天线和基站阵列天线单元之用，可以覆盖1700－2500MHz，乃至更宽直达倍频程带宽，是一种性能优越的高效率高性能天线。本发明的扼流环槽(2)的形式，改善了天线前后向辐射电平比；本发明的反射腔平面底圆盘赋形为旋转对称圆锥形，有效的扩展了天线的工作带宽和阻抗匹配特性，同时对天线的付瓣特性也有好处。对称振子提升了天线的电气性能。本发明的结构简单，紧凑易制造和成本低，易采用双极化(或双圆极化)易匹配，副瓣及背瓣低等优良特性。

Description

一种双极化背腔式辐射天线
技术领域
本发明涉及一种宽频带双极化高性能的新型背腔天线，尤其涉及一种双极化背腔式辐射天线，应用于无线移动通信领域，作为定向天线和基站阵列天线单元之用，可以覆盖1700-2500MHZ，乃至更宽直达倍频程带宽，是一种性能优越的高效率高性能天线。
背景技术
杯偶极子背腔式辐射器天线，已在VHF、UHF及微波频率通讯方面获得了广泛的应用。自70年代末以来，由于下列优点这类辐射器在许多卫星应用中已成为佼佼者：单元增益高，天线单元轻、紧凑、容易制造和建造成本低、圆极化(CP)应用轴比好，容易采用双极化特性，容易匹配，副瓣及背瓣低，容易设计作为高功率应用，容易满足环境防护要求，结构设计容易。
园极化(CP)背腔式十字偶极子辐射器天线的基本概念是使用十字偶极子，这些偶极子是安装在圆形、正方形或其他多边形截面柱体腔内的。十字偶极子是产生两个正交信号的最常用的CP源。馈电给杯偶极子天线输入同轴电缆(产生CP而无须求助功分器和移相网络)的两种最有效的技术是单同轴电缆输入和双同轴电缆输入。当然也可用3分贝90°电桥实现园极化或双园极化。随着微带天线的发展，出现多种形式的微带单元天线，其中也有几种形式的印刷板正交偶极子单元天线，把它放在背腔的适当位置，有平放置的，立起来放置的作为馈源或激励器，并且把巴伦平衡器与之集成作在一起，更突现出其优越性，获得越来越多的应用。
虽然背腔式辐射器天线具有众多优越性能，但在某些应用场合，仍觉得它有不足之处，如带宽≥1.8频率比，前后向辐射比≥28db时，现有的这种天线技术状况就难以满足了。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
为了解决目前该种天线技术发展状况中的上述缺陷，并且保持它既有的优秀特性，而提供了一种双极化背腔式辐射天线。
2、技术方案：
本发明的圆锥形反射腔1内设有两对互相正交的第一对称振子3和第二对称振子4，上跨接片5通过绝缘子11连接在第一对称振子3之间，下跨接片6通过绝缘子11连接在第二对称振子4之间，一个第一对称振子3和第二对称振子4连有开路线10，另一个第一对称振子3和第二对称振子4连有同轴馈线9，开路线10和同轴馈线9之间连有短路片8，短路片8可上下移动；圆锥形反射腔1内设有扼流环槽2。开路线10和同轴馈线9之间连有电容环7，电容环7连接在对称振子和短路片8之间，电容环7可上下移动。开路线10和同轴馈线9的直径相同。第一对称振子3和第二对称振子4为板状振子或直立的印刷振子或伞形振子。扼流环槽2为至少1个槽。圆锥形反射腔1为旋转对称式，内设有三个扼流环槽2，其直径依次为0.32λ、0.8λ、1.3λ，圆锥形反射腔1的圆柱部分的高度为0.25λ，λ为中心频率对应的波长。扼流环槽2的宽度W和壁厚T对每个槽是相同的。扼流环槽2的宽度W和壁厚T的比W/t＝5。同轴馈线9为50Ω。圆锥形反射腔1平面底园盘赋形为锥角等于15°的旋转对称圆锥形。
3、有益效果
本发明的扼流环槽2的形式，改善了天线前后向辐射电平比；本发明的反射腔平面底园盘赋形为旋转对称圆锥形，有效的扩展了天线的工作带宽和阻抗匹配特性，同时对天线的付瓣特性也有好处。对称振子提升了天线的电气性能。本发明的结构简单，紧凑易制造和成本低，易采用双极化(或双园极化)易匹配，付瓣及背瓣低等优良特性。
附图说明
图1(a)为本发明的结构示意图；
图1(b)本发明的截面示意图；
图2为本发明的平衡转换电路；
图3(a)为本发明的上跨接片的振子示意图；
图3(b)为本发明的下跨接片的振子示意图；
图4(a)为伞状振子示意图；
图4(b)为典型印刷振子示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
1.辐射器包括两对正交的板状振子(图1(a))或直立的印刷振子(图4(b))或伞形振子(图4(a))，并与馈电巴伦平衡器集成为一体。
2.支撑对称振子的平衡转换电路(图2)，共两对，每一对由一根50Ω同轴馈线9和一开路线10的外管组成，二者直径完全相同，功率径50Ω同轴馈线9到达振子12的输入端(振子12为第一对称振子3或第二对称4)，一个分流入对称振子，一个分经同轴馈线9和开路线10的外皮流入地，因为两管之间连有短路片8，所以对地短路，信号被反射回来再度返回振子12，从而完成了由同轴馈线9的不平衡馈电到对称振子12的平衡馈电转换，开路线10和图1(b)中的电容环7都是用来调整振子输入端阻抗匹配的元件，电容环7对改善振子阻抗匹配起着关键作用，而短路片8亦起到同样的作用。
3.旋转对称圆锥形反射腔1，内设有三个扼流环槽2，如图1(a)至图1(b)，其直径依次为0.32λ、0.8λ、1.3λ，λ为中心频率对应的波长，直径不同，天线波束宽度不同，直径大波束窄，而腔的圆柱部分的高度为0.25λ。这种独特形式的反射腔具有调节两种极化波束宽度的作用，使E面和H面的波束宽度趋于一致，这也是天线辐射效率高的基本原因，也使该种天线具有良好的园极化轴比的原因。
4.扼流环槽2的作用是抑制流入腔外皮的电流，减弱后向辐射，流入扼流槽的电流，在底部被短路，呈现出很大或无限大的阻抗，电流即变得很微弱，接近于零值，因为槽深为0.25λ，所以设置3个槽也是宽频带的需求。
图1(a)至图3(b)，圆锥形反射腔1内设有两对互相正交的第一对称振子3和第二对称振子4，上跨接片5通过绝缘子11连接在第一对称振子3之间，下跨接片6通过绝缘子11连接在第二对称振子4之间，一个第一对称振子3和第二对称振子4连有开路线10，另一个第一对称振子3和第二对称振子4连有同轴馈线9，开路线10和同轴馈线9之间连有短路片8；开路线10和同轴馈线9之间还可以连有电容环7，电容环7连接在对称振子和短路片8之间。
带有扼流环槽2赋形圆锥形反射腔1的背腔式天线，它由双极化的第一对称振子3和第二对称振子4进行馈电激励，互相正交的第一对称振子3和第二对称4通过上跨接片5和下跨接片6及短路片8、同轴馈线9、开路线10组成的平衡的巴伦机构对反射腔1进行电磁激励，而电容环7的上下移动和短路片8的上下移动可保证天线及馈电机构的最佳阻抗匹配，而扼流环槽2的作用主要是使天线的前向及后向辐射比达到最高，而巴伦机构的结构也是多种多样，但原理是一致的，就是作到对称平衡馈电，保证良好的旋转对称辐射方向性。根据巴伦结构的具体结构，电容环7有些情况是可以省去的，在立式印刷振子(图4)馈电机构中往往是省去的。扼流环槽2的宽度W和壁厚T对每个槽是相同的，只是各个环槽的深度不同而已，而在一般情况下W/t＝5，环槽的数量至少为一个，越多效果越好，相应的腔口面的直径也越大，根据实际情况决定，双极化对称振子尺寸的选择根据常规设计，与背腔直径有关系。
本发明将边环做成扼流环槽2的形式，改善了天线前后向辐射电平比，使前后比(F/B)≥30dB
本发明将反射腔平面底园盘赋形为锥角等于15°的旋转对称圆锥形，有效的扩展了天线的工作带宽和阻抗匹配特性，使驻波比≤1.4的相对带宽≥60％，同时对天线的付瓣特性也有好处。
本发明的各种结构和形状的对称振子都可放在腔内的适当位置，全面提升了天线的电气性能，配合不同直径获得不同波束宽度的辐射特性，以满足蜂窝移动通信不同扇区的覆盖需求。
本发明的天线单元增益高(8.5-11)dBi，结构简单，紧凑易制造和成本低，易采用双极化(或双园极化)易匹配，付瓣及背瓣低等优良特性。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (9)

1、一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：圆锥形反射腔1内设有两对互相正交的第一对称振子3和第二对称振子4，上跨接片5通过绝缘子11连接在第一对称振子3之间，下跨接片6通过绝缘子11连接在第二对称振子4之间，一个第一对称振子3和第二对称振子4连有开路线10，另一个第一对称振子3和第二对称振子4连有同轴馈线9，开路线10和同轴馈线9之间连有短路片8，短路片8可上下移动；圆锥形反射腔1内设有扼流环槽2。
2、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：开路线10和同轴馈线9之间连有电容环7，电容环7连接在对称振子和短路片8之间，电容环7可上下移动。
3、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：开路线10和同轴馈线9的直径相同。
4、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：第一对称振子3和第二对称振子4为板状振子或直立的印刷振子或伞形振子。
5、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：扼流环槽2为至少1个槽。
6、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：圆锥形反射腔1为旋转对称式，内设有三个扼流环槽2，其直径依次为0.32λ、0.8λ、1.3λ，圆锥形反射腔1的圆柱部分的高度为0.25λ，λ为中心频率对应的波长。
7、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：扼流环槽2的宽度W和壁厚T对每个槽是相同的。
8、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：扼流环槽2的宽度W和壁厚T的比W/t＝5。
9、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：同轴馈线9为50Ω。
10、根据权利要求1所述的一种双极化背腔式辐射天线，其特征在于：圆锥形反射腔1平面底园盘赋形为锥角等于15°的旋转对称圆锥形。
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