CN101494321B - 高增益扇区天线单元及其一体化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高增益扇区天线单元及其一体化天线，包括馈源和谐振腔两部分，其中谐振腔由圆柱形接地板及与其同轴的圆环形金属条带组合而成的部分反射表面共同构成。在谐振腔中设有与上述圆柱形接地板相连的矩形反射板从而把谐振腔分割为多个横截面为扇形、两端面开放的谐振腔单元；馈源位于所述谐振腔单元中，馈源数与谐振腔单元数相同；圆柱形接地板的外表面与部分反射表面之间的距离满足一定的谐振条件；单个谐振腔单元与位于其中的馈源构成一个扇区天线实现某个扇区的通信覆盖。而上述的多个扇区天线就构成了高增益扇区一体化天线实现整个工作区域的通信覆盖。由于采用谐振腔结构使得天线的增益与半波振子相比可提高13～15dBi。

Description

高增益扇区天线单元及其一体化天线

技术领域

本发明涉及一种高增益天线，尤其涉及一种能够实现高增益的用于基站的扇区天线单元及其一体化天线。

背景技术

目前用于基站通信的中高增益扇区天线大多由单元为带接地板的半波振子或其变型结构，通过组阵构成一个扇区天线实现某个扇区的通信覆盖，利用多个扇区天线完成整个区域内的通信覆盖。但通过组阵方式构成的扇区天线须要馈线网络来实现各单元的馈电。因此天线的馈线网络结构复杂。其次，为实现高增益及弥补由馈线网络引起的衰减通常需要较多单元进行纵向组阵，因而使得天线的纵向尺寸较大。另外，在采用印刷贴片单元进行组阵的方案时，通过选用较高介电常数的介质基片材料虽然可以一定程度的降低天线的纵向尺寸，但成本较高。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，无需任何附加馈线网络即可实现中高增益，可用于基站的高增益扇区天线单元及其一体化天线。

技术方案：本发明的高增益扇区天线单元由馈源和谐振腔单元两部分组成，其特征在于谐振腔单元由圆弧形接地板、圆弧形部分反射表面及与上述圆弧形接地板相连的矩形反射板共同构成，圆弧形接地板采用一段弧形柱面，圆弧形部分反射表面采用与接地板同轴的弧形金属条带组合而成，圆弧形接地板外表面与圆弧形部分反射表面之间的距离满足 $d=(\frac{1}{2}+n){\mathrm{\λ}}_0,n=\mathrm{0,1,2}...,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长，其单个谐振腔单元和位于其中的馈源即可构成一个高增益扇区天线便于单独使用以实现某个扇区的通信覆盖。

所述圆弧形部分反射表面由圆弧形金属条带及圆弧形金属条带之间的空气间隙组成的周期单元，沿圆弧形接地板的轴向排列而成的，上述圆弧形金属条带的高度为为设计中心频率的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙的高度为设计中心频率的自由空间波长的0.005～0.01倍。所述馈源由半波振子或其变型结构构成。

高增益扇区天线单元组成的高增益扇区一体化天线，包括馈源和谐振腔两部分，谐振腔由圆柱形接地板，及与圆柱形接地板同轴的圆环形金属条带组合而成的部分反射表面共同构成，在所述谐振腔中设有与上述圆柱形接地板相连的矩形反射板，从而把谐振腔分割为多个横截面为扇形、两端面开放的谐振腔单元；馈源分别位于所述各谐振腔单元中，馈源数与谐振腔单元数相同；圆柱形接地板的外表面与部分反射表面之间的距离满足

$d=(\frac{1}{2}+n){\mathrm{\λ}}_0,n=\mathrm{0,1,2}...,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

所述部分反射表面是由所述圆环形金属条带及各圆环形金属条带之间的空气间隙组成的周期单元，沿圆柱形接地板的轴向排列而成的。所述馈源由半波振子或其变型结构构成。

所述圆环形金属条带高度为为设计中心频率的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙的高度为设计中心频率的自由空间波长的0.005～0.01倍。

有益效果：与相关用于基站通信的中高增益的扇区天线相比，本发明结构简单，纵向尺寸较小，不需要采用阵列结构即可实现高增益，且各扇区天线间具有高隔离。与传统的以单元为半波振子或其变型结构、微带贴片，通过组阵方式构成的扇区天线相比，本发明通过采用圆柱形接地板(圆柱可为实心或中空)、矩形反射板及与接地板同轴的部分反射表面共同构成截面为扇形，两端面开放的谐振腔单元。利用谐振特性使得不需采用阵列结构、不需复杂的馈线网络、在较小的纵向尺寸下、天线的增益即可得到显著的提高。由于采用矩形反射板可以有效的把圆柱形接地板及与其同轴的部分反射表面共同构成的两端面开放的谐振腔分割成多个相对独立，横截面为扇形的相同的谐振腔单元，每个谐振腔单元与对应的馈源构成一个高增益的，辐射区域成扇形分布的扇区天线，因此各扇区天线间具有较高的隔离度。

最后，在本发明的高增益的谐振扇区一体化天线中，可以根据实际应用中对水平面波束的要求，合理的增加或减少矩形反射板的个数。

附图说明

图1是本发明提供的高增益扇区一体化天线的总体结构立体示意图；

图2是本发明提供的高增益扇区一体化天线的总体结构的俯视图；

图3是本发明的图1、图2中部分反射表面的结构示意图；

图4是本发明的图1和图2中由单个谐振腔单元与其对应的馈源构成的独立的高增益扇区天线结构俯视图；

图5是本发明的图1和图2中由单个谐振腔单元与其对应的馈源构成的独立的高增益扇区天线立体结构图；

图6是本发明提供的高增益扇区单元天线的回波损失的频响曲线图；

图7是本发明提供的高增益扇区一体化天线中不同单元天线间的隔离度频响曲线图；

图8是本发明提供的高增益扇区单元天线中心频率的水平面辐射方向图；

图9是本发明提供的高增益扇区单元天线中心频率的垂直面辐射方向图。

以上的图中有：馈源1、谐振腔2、谐振腔单元21、圆柱形接地板3、圆弧形接地板31、部分反射表面4、圆环形金属条带42、圆环形金属条带之间的空气间隙43、圆弧形部分反射表面41、圆弧形金属条带411、圆弧形金属条带之间的空气间隙412、矩形反射板5。

R为高增益扇区一体化天线的半径，r为圆柱形接地板3的半径，d为圆柱形接地板的外表面与部分反射表面之间的距离，p为圆环形金属条带42与空气间隙43的高度之和，w为圆环形金属条带41的高度，L为高增益扇区一体化天线的高度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种高增益扇区一体化天线单元，由馈源和谐振腔单元两部分组成，谐振腔单元由圆弧形接地板、圆弧形部分反射表面及与上述圆弧形接地板相连的矩形反射板共同构成。圆弧形接地板采用一段弧形柱面，圆弧形部分反射表面采用与接地板同轴的圆弧形金属条带组合而成。圆弧形金属条带的高度为为设计中心频率的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙的高度为设计中心频率的自由空间波长的0.005～0.01倍。圆弧形接地板外表面与圆弧形部分反射表面之间的距离满足 $d=(\frac{1}{2}+n){\mathrm{\λ}}_0,n=\mathrm{0,1,2}...,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。所述馈源由半波振子或其变型结构构成。单个谐振腔单元和位于其中的馈源即可构成一个高增益扇区天线便于单独使用以实现某个扇区的通信覆盖。

由高增益扇区一体化天线单元可以构建一种高增益扇区一体化天线，包括馈源和谐振腔两部分，谐振腔由圆柱形接地板，及与圆柱形接地板同轴的圆环形金属条带组合而成的部分反射表面共同构成，在所述谐振腔中设有与上述圆柱形接地板相连的矩形反射板，从而把谐振腔分割为多个横截面为扇形、两端面开放的谐振腔单元；馈源分别位于所述各谐振腔单元中，馈源数与谐振腔单元数相同；圆柱形接地板的外表面与部分反射表面之间的距离满足

$d=(\frac{1}{2}+n){\mathrm{\λ}}_0,n=\mathrm{0,1,2}...,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

所述部分反射表面是由所述圆环形金属条带及圆环形金属条带之间的空气间隙组成的周期单元，沿圆柱形接地板的轴向排列而成的。所述馈源由半波振子或其变型结构构成。所述圆环形金属条带高度为为设计中心频率的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙的高度为设计中心频率的自由空间波长的0.005～0.01倍。

参见图1和图2，本发明提供的一种高增益扇区一体化天线，包括馈源1和谐振腔2两部分，其中谐振腔由圆柱形接地板3及与其同轴的圆环形金属条带41组合而成的部分反射表面4共同构成；

参见图3圆环形金属条带部分反射表面由一定高度w的圆环形金属条带42及条带之间的空气间隙43组成的单元沿纵向周期排列而成，周期为p。部分反射表面4与矩形反射板5相连接，L是天线的总高度。

参见图4其中圆柱形接地板3、矩形反射板5及圆柱形部分反射表面4共同构成截面为扇形，两端面开放的多个谐振腔单元。馈源位于谐振腔单元中，离开圆柱形接地板及圆环形金属条带部分反射表面一定的距离。其次，圆柱形接地板与圆环形金属条带部分反射表面之间的距离满足特定的谐振条件，

即 $d=(\frac{1}{2}+n){\mathrm{\λ}}_0,n=\mathrm{0,1,2}...$

参见图5由上述单个谐振腔单元与其对应的馈源构成独立的高增益扇区天线；单独使用时，其接地板和部分反射表面可以由高增益扇区一体化天线中的圆柱形接地板3及与其同轴的圆环形金属条带部分反射表面4的一部分构成，即接地板采用一段弧形柱面，部分反射表面采用与接地板同轴的弧形金属条带组合而成。

参见图6～图9为本发明提供的高增益扇区单元及其一体化天线的性能曲线。图6为高增益扇区天线单元的回波损耗；图7为高增益扇区一体化天线不同的天线单元间的隔离度；图8和图9分别为高增益扇区天线单元的水平面与垂直面方向图。上述曲线是在上述给定条件下得出的，若改变结构参数等也可以与之相似的曲线。曲线计算机模拟仿真得到，可选用的仿真软件有如Ansoft公司的HFSS、CST公司的Microwave Studio CST等高频仿真软件。

本发明可延拓涵盖：根据实际应用中对水平面波束的要求，合理的增加或减少矩形反射板的个数，从而按相同原理构成不同数目的谐振腔单元。圆柱形接地板、圆环形金属条带部分反射表面及未与所述部分反射表面相连接的矩形反射板构成的谐振腔单元，及由此谐振腔单元与位于其中的馈源构成独立的高增益扇区天线。矩形反射板把谐振腔分割为多个横截面为扇形、两端面开放的不同大小的谐振腔单元；

便于说明各结构参数的设计过程，以下表述基于给定的结构参数，但这并不失一般性。给定参数：圆柱形接地板3的半径r＝10mm，圆环形金属条带部分反射表面4的半径为R＝27mm、宽度为w＝6mm、沿纵向以长度p＝6.8mm为周期进行排列构成的部分反射表面4，矩形接地板5的纵向长度L＝90mm。馈源位于谐振腔中，离开圆柱形接地板3及圆环形金属条带部分反射表面4的距离分别为4mm和11mm。中心工作频率f＝12GHz。圆柱形接地板3与圆环形部分反射表面4之间的距离即d＝(R-r)满足： $d=\frac{1}{2}{\mathrm{\λ}}_0,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

Claims (7)

1.一种高增益扇区天线单元，由馈源(1)和谐振腔单元(21)两部分组成，其特征在于谐振腔单元(21)由圆弧形接地板(31)、圆弧形部分反射表面(41)及与上述圆弧形接地板(31)相连的矩形反射板(5)共同构成，圆弧形接地板(31)采用一段弧形柱面，圆弧形部分反射表面(41)采用与接地板同轴的弧形金属条带组合而成，圆弧形接地板(31)外表面与圆弧形部分反射表面(41)之间的距离满足

其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长，其单个谐振腔单元和位于其中的馈源(1)即可构成一个高增益扇区天线便于单独使用以实现某个扇区的通信覆盖。

2.根据权利要求1所述的高增益扇区天线单元，其特征在于：所述圆弧形部分反射表面(41)由圆弧形金属条带(411)及圆弧形金属条带(411)之间的空气间隙(412)组成的周期单元，沿圆弧形接地板(31)的轴向排列而成的，上述圆弧形金属条带(411)的高度为设计中心频率电磁波的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙(412)的高度为设计中心频率电磁波的自由空间波长的0.005～0.01倍。

3.根据权利要求1所述的高增益扇区天线单元，其特征在于：所述馈源(1)由半波振子构成。

4.一种用权利要求1所述的高增益扇区天线单元组成的高增益扇区一体化天线，包括馈源(1)和谐振腔(2)两部分，其特征在于谐振腔(2)由圆柱形接地板(3)，及与圆柱形接地板(3)同轴的圆环形金属条带(42)组合而成的部分反射表面(4)共同构成，在所述谐振腔(2)中设有与上述圆柱形接地板(3)相连的矩形反射板(5)，从而把谐振腔分割为多个横截面为扇形、两端面开放的谐振腔单元；馈源(1)分别位于所述各谐振腔单元中，馈源数与谐振腔单元数相同；圆柱形接地板(3)的外表面与部分反射表面(4)之间的距离满足

其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

5.根据权利要求4所述的高增益扇区一体化天线，其特征在于：所述部分反射表面(4)是由所述圆环形金属条带(42)及各圆环形金属条带(42)之间的空气间隙(43)组成的周期单元，沿圆柱形接地板(3)的轴向排列而成的。

6.根据权利要求4所述的高增益扇区一体化天线，其特征在于：所述馈源(1)由半波振子构成。

7.根据权利要求4所述的高增益扇区一体化天线，其特征在于：所述圆环形金属条带(42)高度为为设计中心频率的自由空间波长的0.01～0.03倍，空气间隙(43)的高度为设计中心频率的自由空间波长的0.005～0.01倍。

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