CN101719593A - 宽频多频全向阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频、多频全向阵列天线，主要解决现有全向阵列天线频带窄、全向特性易受周边环境影响的问题。该宽频、多频全向阵列天线包括介质材料板(1)、辐射单元(2)、辐射地板(3)和馈电网络(4)，阵列天线辐射单元和阵列天线辐射地板印制在介质材料板(1)的一侧，馈电网络位于介质材料板(1)的另一侧，辐射单元(2)由指数曲线aebx与折线构成臂形对称振子结构，各辐射单元采用正向和反向交叉放置的方式或者按照顺序一半为正向放置，另一半为反向的方式放置，馈电网络采用并馈馈电方式，各辐射单元通过并馈馈电网络上的巴伦分别进行耦合激励。本发明具有宽频、多频、全向性能好的优点，可作为移动通信领域，如IMT-Advanced系统中全向阵列天线使用。

Description

宽频多频全向阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及宽频、多频带全向阵列天线，用于作为移动通信中的基站天线。

背景技术

移动通信技术给人类带来了快捷的信息沟通。同时需求的增加亦推动了移动通信技术的蓬勃发展。移动通信技术的发展亦日新月异，第一代的模拟移动通信系统逐渐淡出我们的视野，到第二代的数字移动通信系统方兴未艾，再到第三代的宽带移动通信系统全世界范围内建设，第四代技术的研究、标准制定也如火如荼。然而技术的演进发展并非一撮而就，老的技术与新技术往往有个融合并存期。目前各国纷纷开始建设第三代移动通信网络。同样第二代、第三代移动通信系统仍有很长一段共存时期。第二代、第三代移动通信系统共存问题要求基站天线必须适应新的发展。加之各国家为了鼓励通信行业健康有序竞争，同一个地区往往有2～3家移动通信运营商，这就意味着同一个地区架设多个网络，同一个铁塔或者小区上要架设2～3个甚至更多的基站天线。这就对基站天线提出新的需求，一面天线能够实现多个网络共用，即天线能实现宽频、多频带工作。

用于IMT-Advanced系统的有源天线技术是近期兴起的一项技术，有源天线就是将有源器件直接与天线结合，在天线接口或是天线内部加上有源器件如功率放大器等，比较适合像智能天线这样的多单元、多阵列的天线。有源天线主要优点是减少了包括天线外部和内部的馈线损耗，提高系统增益，扩大了覆盖范围，提高了系统的指标余量，同时使得系统集成度大大提高。由于有源天线集成化的提高，使系统省去了许多如馈线、接头等器件，在提高系统性能的同时，还节约了成本，提高了系统的可靠性。有源天线的应用不仅可以提高系统的性能，而且一体化天线，还可使TD-SCDMA系统省去现有的塔放单元。小型化、集成化不仅使得系统在性能、价格、应用等方面更具竞争力，同时由于小型化还减少了视觉污染，再加上系统的低辐射，TD-SCDMA系统将成为真正意义的绿色环保的系统。

现有TD-SCDMA全向智能天线的馈电方式主要包含串馈和并馈两种方式。串馈的馈电方式是将阵列天线单元直接串联在馈电线上，由于馈电线电长度随频率变化较大，易造成对各单元馈电点相位的影响，因而很难在宽的频带内保持各单元馈电点相位稳定。并馈的馈电方式是将阵列天线单元并联在馈电线上，由于频率变化对各单元的馈电点的相位影响基本相同，因而可以在较宽的频带内保持各单元馈电点相位稳定。与并馈的馈电结构相比串馈的馈电结构虽然省略了部分馈电网络，但是这是以牺牲工作带宽为代价的，其天线的方向图相对带宽约10％左右，这就限制了天线和系统性能的提升，对宽带通信非常不利。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有全向阵列天线频带窄、全向性易受影响的缺点，提出一种新型的宽频、多频全向阵列天线，以实现阵列天线频带的拓宽，提高阵列天线和系统性能，便于实现多个网络共用。

本发明的目的是这样实现的：

1.技术原理

微带半波振子结构广泛应用于各种通信天线设计中，一般采用微带线直接激励或者耦合激励，全向微带天线一般采用串联激励的微带印刷单元，现有的种种天线结构在工作带宽上有限。采用曲线结构的振子形式在超宽带天线中有所应用，本发明将曲线结构引入到微带振子设计中，以拓宽振子单元的带宽，激励方式采用扇形巴仑结合并馈的馈电方式，从馈电网络上展宽带宽，这样整体阵列天线的带宽就可进行展宽，相对于现有串馈微带阵列天线10％的带宽，本发明设计的阵列天线结构带宽可达到85％。

全向阵列天线单元在实际使用中全向的方向图特性会受到很多因素的影响，如临近单元的耦合、安装中连接电缆的影响，实际天线方向图已经不再具备良好的全向特性。本发明一改传统的全向阵列天线设计方案，辐射单元采用正向和反向交叉放置的方式或者按照顺序一半为正向放置，另一半为反向的方式放置，使天线在受到同样干扰条件下，相比传统的全向阵列天线，在整个宽频带内仍然可实现较好的全向特性。

2.天线结构

根据上述原理本发明采用超宽带的振子单元，通过并馈的馈电方式设计阵列天线结构。整个阵列天线包括n个辐射单元、辐射地板和馈电网络，其中n≥2，所有辐射单元和辐射地板印制在介质材料板的一侧，馈电网络位于介质的另一侧，馈电网络位于介质的另一侧，馈电网络采用扇形巴仑与圆孔缝隙进行耦合，其中每个辐射单元均为由指数曲线和折线曲线构成臂形对称振子结构，馈电网络采用并馈馈电方式，各辐射单元通过并馈馈电网络上的巴伦分别进行耦合激励。

所述的所有辐射单元按照正向和反向交叉放置或者按照顺序一半为正向放置，另一半为反向放置。

所述的每个振子的外曲线采用折线结构，每个振子的内曲线采用指数曲线ae^bx结构，其中x为函数自变量，a和b为控制指数曲线形状的系数，a和b的数值根据实际需要的曲线形状设置，取值范围为-50≤a≤50，0≤b≤1。

所述的每个振子外部折线由水平边，外部长边，宽边，内部短边，倾斜边(206)及垂直边构成，且该内部短边与倾斜边之间的夹角为45≤θ≤55度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.由于利用指数曲线结构来构造半波振子的形状，相比于现有的天线阵子形式，展宽了辐射单元的带宽，实现了辐射单元的多频工作特性；

2.由于采用扇形巴伦和并馈网络馈电，相对于串馈的馈电方式，展宽了馈电网络的带宽；

3.由于将上述两种技术结合起来，使阵列天线的整体带宽得到了展宽。

4.由于振子采用正向和反向交叉放置的方式或者按照顺序一半为正向放置，另一半为反向的方式放置，大大减少振子单元受周边环境的影响从而导致的全向方向图特性恶化程度，从而保证了阵列天线较好的全向辐射特性。

5.由于将阵列天线的辐射单元、辐射地板和馈电网络分别印制在介质材料板的上下表面，实现了天线的平面化，利于天线共形放置。

理论计算结果表明，本发明阵列天线低频可覆盖800MHz和900MHz工作范围，高频可实现1.0GHz～2.5GHz的工作频带。

附图说明

图1是本发明的阵列天线整体结构图；

图2是本发明阵列天线辐射单元和辐射地板结构示意图；

图3是本发明阵列天线馈电网络结构示意图；

图4是本发明阵列天线的工作频率-电压驻波比曲线图；

图5是本发明的阵列天线在各个频率点的水平面远场方向图。

具体实施方式

参照图1，本发明主要由介质材料板1、n个辐射单元2、辐射地板3和馈电网络4组成。其中辐射单元的个数根据阵列天线增益的需要，可选择n≥2的偶数或奇数，介质材料板1选用介电常数为4.4的FR4介质板，n个辐射单元2和辐射地板3印制在材料板的正面如图2所示，馈电网络4印制在材料板的反面如图3所示。

参照图2，本发明阵列天线的辐射单元根据曲线的形状而设计，它由指数曲线和折线构成臂形对称振子结构，其中振子的内部形状为指数曲线201形状，该指数函数形式为ae^bx，其中x为函数自变量，a和b为控制指数曲线形状的系数，a和b的数值不固定，根据实际需要的曲线形状设置，取值范围为-50≤a≤50，0≤b≤1。振子外部形状为折线形状，该折线由水平边202，外部长边203，宽边204，内部短边205，倾斜边206及垂直边207构成，其中外部长边203的长度大于宽边204和水平边202，外部长边203与内部短边205长度之比约为3∶1，且倾斜边206与内部短边205之间的夹角为45≤θ≤55度。振子的总高度为设计频率的四分之一波长。阵列天线辐射单元的排布方式根据实际使用的需要，采用正向和反向交叉放置的方式或者按照顺序一半为正向放置，另一半为反向的方式放置。辐射单元的个数n根据阵列天线不同的增益需要选择为奇数或偶数，当n为奇数时，正向放置的辐射单元与反向放置的辐射单元数目相差1个，当n为偶数时，正向放置的辐射单元与反向放置的辐射单元数目相同。本发明天线的辐射地板3为矩形结构，该矩形地板的宽度为20毫米，长度根据单元数目来延伸。地板与振子的总高度之和与介质材料板的宽度相同。

参照图3，本发明阵列天线的馈电网络4印制在介质材料版的反面，它由扇形巴仑401和并联馈电网络402构成。该扇形巴仑对应角度为60度，对于不同频率和不同结构，此角度可相应在一定范围内调整。该联馈电网络实现一分二的功率分配与阻抗匹配所需要的阻抗变换功能。整个并馈馈电网络位于地板空间内，通过并馈馈电网络上的巴伦401与圆孔缝隙对各辐射单元分别进行耦合激励，根据不同单元数目实现不同的激励，以实现预期的方向图形状，例如对于3个单元的阵列天线采用并馈网络实现2阶功率分配，对3个单元进行不均匀的激励。

根据上述结构本发明给出单元数目n＝3时的阵列天线实施例如下：

介质1选择长为540毫米，宽为100毫米，厚度为1毫米，介电常数为4.4的FR4介质板。

辐射单元2由指数曲线构成的内部形状201和折线构成的外部形状所组成的臂形振子构成。指数曲线选择a为0.15，b为0.07，构成指数函数形式为0.15e^0.07x。外部长边203为70毫米，宽边204为20毫米，内部短边205为25毫米，角度θ为52度，倾斜边206为26.9毫米，振子底部边长为25毫米。振子单元之间间距为110毫米。3个辐射单元采用按照顺序1个单元反向放置，2个单元正向放置的方式排布。辐射地板3选择宽度为为20毫米，总长度为540毫米。振子高度和地板宽度之和等于介质板的宽度。

馈电网络4实现2阶的功率分配，对三个单元进行不均匀的激励。在并馈的馈电网络上分别实现相应的阻抗变换402，三个辐射单元通过扇形巴仑401与馈电网络进行耦合激励。巴仑选择角度为60度。辐射地板采用常规矩形辐射结构，馈电网络采用扇形巴仑与圆孔缝隙进行耦合，扇形巴仑后面通过并馈的方式组成馈电网络。

在介质材料板1的正反面分别印制完辐射单元，辐射地板和馈电网络后，用腐蚀剂三氯化铁腐蚀掉表面多余的金属部分，再对其表面进行电镀，最后对整体进行裁剪修整，可得到天线。该发明天线采用一次加工成形，具有较好的一致性，馈电电缆只需将内芯焊接到馈电网络终端，外芯焊接到接地板，天线即可实现正常工作。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例阵列天线的电压驻波比、远场辐射方向图进行仿真计算。

2、仿真结果

图4为阵列天线的工作频率-电压驻波比曲线。通过图4可发现，本发明阵列天线在电压驻波比小于2条件下的工作频带可覆盖800MHz，900MHz，1800MHz，1900MHz，2GHz，2.4GHz这些是移动通信所经常需要的工作频段，特别较好的覆盖了IMT-Advanced系统所需要的工作频段和更高频的工作频段，这说明本发明阵列天线具有良好的宽频和多频特性。

图5为阵列天线的2.5倍频内的水平面远场增益方向图，其中图5a为阵列天线工作在1GHz时的远场方向图，图5b为阵列天线工作在2.5GHz时的远场方向图。从图5可看出，在2.5倍频内，阵列天线的最大辐射方向保持稳定。所以说本发明阵列天线具有良好的全向方向图特性。

表1总结了本发明阵列天线在高频工作频带内的增益和水平瓣宽的特性。

表1本发明宽频全向阵列天线指标

频率(GHz)	增益(dBi)	水平瓣宽(度)
			1	6.541	360.0
1.5	4.583	360.0
			2	6.301	360.0
2.5	4.608	360.0

从表1可以看出，在1GHz～2.5GHz的频带内，本发明阵列天线的增益均大于4.5dBi，具有较高的增益，水平瓣宽均达到360度，具有较好的全向特性。

以上仅为本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明阵列天线的宽频、多频及全向特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (10)

1.一种宽频、多频的全向阵列天线，包括n个辐射单元、辐射地板和馈电网络，其中n≥2，所有辐射单元和辐射地板(3)印制在介质材料板(1)的一侧，馈电网络位于介质的另一侧，馈电网络采用扇形巴仑与圆孔缝隙进行耦合，其特征在于每个辐射单元(2)均为由指数曲线和折线曲线构成臂形对称振子结构，馈电网络(4)采用并馈馈电方式，各辐射单元通过并馈馈电网络上的巴伦(401)分别进行耦合激励。

2.根据权利要求1所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于辐射单元的个数根据增益需要设为偶数个或奇数个。

3.根据权利要求2所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于每个辐射单元按照正向和反向交叉放置。

4.根据权利要求2所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于辐射单元按照顺序一半为正向放置，另一半为反向放置。

5.根据权利要求2所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于对于奇数个辐射单元正向放置与反向放置的辐射单元个数相差为1。

6.根据权利要求1所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于每个振子的外曲线采用折线结构。

7.根据权利要求1所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于每个振子的内曲线采用指数曲线结构(201)，该指数函数形式为ae^bx，其中x为函数自变量，a和b为控制指数曲线形状的系数，a和b的数值根据实际需要的曲线形状设置，取值范围为-50≤a≤50，0≤b≤1。

8.根据权利要求6或7所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于振子外部长边(203)与内部短边(205)长度之比为3∶1。

9.根据权利要求8所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于每个振子外部折线由水平边(202)，外部长边(203)，宽边(204)，内部短边(205)，倾斜边(206)及垂直边(207)构成，且该内部短边(205)与倾斜边(206)之间的夹角为45≤θ≤55度。

10.根据权利要求1所述的宽频、多频全向阵列天线，其特征在于每个振子的总高度为设计频率的四分之一波长。

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