CN102394378A - 高增益垂直极化全金属扇区天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益垂直极化全金属扇区天线，其中，谐振腔（2）的上部为刻蚀缝隙阵的金属板构成的部分反射表面（21），下部为接地板（22）；部分反射表面（21）与接地板（22）之间的四周由金属板（23）连接，在部分反射表面（21）、接地板（22）之间形成间隙（24）；馈源（1）位于谐振腔（2）中；在部分反射表面（21）上设有矩形缝隙阵列（25）；所述馈源（1）采用微带贴片或半波振子或其变型结构；且馈源的极化方向与矩形缝隙的长边方向垂直。本发明结构简单，无需组阵即可实现高增益，并且水平面与垂直面内的波瓣图符合扇区天线的要求。

Description

高增益垂直极化全金属扇区天线
技术领域
本发明涉及一种可用于移动互联接入（尤其是WiMAX系统）的高增益垂直极化全金属扇区天线。
背景技术
目前广泛应用于移动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，并通过调节接地板的形状来调整水平面波瓣的宽度，从而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，无需任何附加的馈电网络即可实现高增益，并应用于移动互联接入尤其是WiMAX系统的高增益垂直极化全金属扇区天线。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种应用于移动互联接入尤其是WiMAX系统的高增益垂直极化全金属扇区天线，包括馈源、谐振腔。
谐振腔的上部为刻蚀缝隙阵的金属板构成的部分反射表面，下部为接地板；部分反射表面与接地板之间的四周由金属板连接，在部分反射表面、接地板之间形成间隙；馈源位于谐振腔中；在部分反射表面上设有矩形缝隙阵列；所述馈源采用微带贴片或半波振子或其变型结构；且馈源的极化方向与矩形缝隙的长边方向垂直。
所述矩形缝隙阵列，由多个矩形缝隙分别沿缝隙的长边和短边方向周期排列构成，且沿缝隙的长边和短边方向的周期长度不等，短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度；且沿长边方向的周期数远小于沿短边方向的周期数。
所述部分反射表面与接地板之间的距离近似满足                                               ，的谐振条件，其中
Figure 943273DEST_PATH_IMAGE002
为中心频率电磁波的自由空间波长，n为整数。
有益效果：与已有的扇区天线相比，本发明的可用于移动互联接入的高增益垂直极化全金属扇区天线，纵向尺寸小，结构更加简单；其次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不需要采用阵列结构即可实现高增益，高隔离的要求。本发明通过接地板、与接地板平行的部分反射表面及连接两者之间的金属板共同构成谐振腔，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。最后，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其调整水平面波瓣宽度的方式通常是调节接地板的形状和高度，而在本发明的高增益的扇区天线中，可以通过合理的增加或减少沿矩形缝隙长边方向的矩形缝隙的个数实现不同的水平面波瓣宽度。
附图说明
图1是本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线的总体结构立体示意图；
图2是本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线的总体结构的侧视图；
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、图2、图3中部分反射表面周期单元的结构示意图；
图5是本发明的图1、图2、图3中馈源相对于接地板的位置示意图；
图6是本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线在设计频率上的垂直面面方向图；
图7是本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线在设计频率上水平面方向图；
图8是本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线的端口回波损耗曲线图；
以上的图中有：馈源1、谐振腔2、部分反射表面21、接地板22、金属板23、间隙24。
其中所述部分反射表面21由矩形缝隙阵列25构成；PX为矩形缝隙阵列周期单元沿x方向的周期长度，P y为矩形缝隙阵列周期单元沿y方向的周期长度。l x为矩形矩形缝隙的宽度， l y为矩形矩形缝隙的长度。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线包括馈源1、谐振腔2。
谐振腔2包括上部、下部和将上部与下部连接的连接部。
馈源1位于谐振腔2中。
谐振腔2的上部为刻蚀缝隙阵的金属板构成的部分反射表面21，下部为接地板22；谐振腔2的四周为金属板23；部分反射表面21与接地板22之间设有间隙24。
所述部分反射表面21由矩形缝隙阵列25构成。
所述矩形缝隙阵列25，由矩形缝隙分别沿缝隙的长边和短边方向周期排列构成，且沿缝隙的长边和短边方向的周期长度不等，短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度，且沿长边方向的周期数远小于沿短边方向的周期数。
所述馈源1采用微带贴片或半波振子或其变型结构。
所述馈源1的极化方向与矩形缝隙25的长边方向垂直。
所述部分反射表面21与接地板22之间的距离近似满足
Figure 210307DEST_PATH_IMAGE001
，的谐振条件，其中
Figure 471524DEST_PATH_IMAGE002
为中心频率电磁波的自由空间波长，n为整数。
所述谐振腔2的连接部由金属板构成。
部分反射表面与接地板之间设有间隙。矩形缝隙阵列，由矩形缝隙分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成，且沿矩形的长边和短边方向的周期长度P y与P x不等。短边方向的周期长度P x小于长边方向的周期长度P y。长边方向的周期长度P y为设计中心频率的自由空间波长的0.3～0.4倍。接地板与部分反射表面之间的距离满足
Figure 201110340648X100002DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 766501DEST_PATH_IMAGE002
为中心频率电磁波的自由空间波长。所述馈源由微带贴片或半波振子或其变型结构构成。
参见图1和图2，本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线包括谐振腔包括上部、下部和将上部与下部连接的连接部。馈源位于谐振腔中。
其中，谐振腔的上部为刻蚀缝隙阵的金属板构成的部分反射表面21，下部为接地板22；部分反射表面21与接地板22之间设有间隙24。
部分反射表面与接地板之间设有间隙满足
Figure 822182DEST_PATH_IMAGE003
的谐振条件。
参见图3部分反射表面21由矩形缝隙25分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成。且沿矩形的长边和短边方向的周期长度不等。短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度。
参见图4 部分反射表面21由矩形缝隙25分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成。矩形缝隙25的长度为l y，宽度为l x；P X为部分反射表面周期单元沿x方向的周期长度，P y为部分反射表面周期单元沿y方向的周期长度。
参见图5 馈源相对于接地板的位置示意。
参见图6～图8为本发明提供的高增益垂直极化全金属扇区天线的性能曲线。图6，图7分别为高增益垂直极化全金属扇区天线在设计频率垂直面和水平面内主极化/交叉极化的方向图；图8为高增益垂直极化全金属扇区天线的端口回波损耗曲线。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。曲线通过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：当水平面波瓣宽度要求发生变化时，可以通过合理的增加或减少沿矩形缝隙长边方向的矩形缝隙的个数来实现不同的水平面波瓣宽度。当部分反射表面采用非全金属结构，而是通过印刷工艺将类似结构或其互补结构印制于介质基片构成。当馈源的极化取向水平极化时，通过选取与之相匹配的矩形缝隙结构，矩形缝隙的长边与极化方向垂直，此时部分反射表面由矩形缝隙分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成，且沿矩形的长边方向的周期长度大于沿短边方向的周期长度，且沿长边方向的周期数远大于沿短边方向的周期数；可以通过合理的增加或减少沿矩形缝隙短边方向的矩形缝隙的个数实现不同的水平面波瓣宽度。
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：矩形缝隙25的l x＝3.0mm, l y＝25mm, 沿长边x方向的周期长度P X=12mm，沿短边y方向的周期长度P y＝30mm，。馈源位于谐振腔中。中心工作频率f＝2.4GHz。接地板22与部分反射表面21之间的距离为65mm，满足: 
Figure 638828DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 999009DEST_PATH_IMAGE002
为中心频率电磁波的自由空间波长。

Claims (3)

1.一种高增益垂直极化全金属扇区天线，包括馈源(1)、谐振腔(2)，其特征在于：谐振腔(2)的上部为刻蚀缝隙阵的金属板构成的部分反射表面(21)，下部为接地板(22)；部分反射表面(21)与接地板(22)之间的四周由金属板(23)连接，在部分反射表面(21)、接地板(22)之间形成间隙(24)；馈源(1)位于谐振腔(2)中；在部分反射表面(21)上设有矩形缝隙阵列(25)；所述馈源(1)采用微带贴片或半波振子或其变型结构；且馈源的极化方向与矩形缝隙的长边方向垂直。
2.根据权利要求1所述的高增益垂直极化全金属扇区天线，其特征在于：所述矩形缝隙阵列(25)，由多个矩形缝隙分别沿缝隙的长边和短边方向周期排列构成，且沿缝隙的长边和短边方向的周期长度不等，短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度；且沿长边方向的周期数远小于沿短边方向的周期数。
3.根据权利要求1所述的高增益垂直极化全金属扇区天线，其特征在于：所述部分反射表面(21)与接地板(22)之间的距离近似满足d＝(1/2+n)λ0，的谐振条件，其中λ0为中心频率电磁波的自由空间波长，n为整数。
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