CN102664311B - 裂缝波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能实现电磁波信号均匀覆盖的裂缝波导天线。该裂缝波导天线具有至少一根用于传输特定频率范围电磁波信号的裂缝波导管，裂缝波导管的表面设有使得信号在裂缝波导管与外部空间之间相互传输的复数个裂缝，其特征在于：裂缝是根据多个开缝参数而形成的，所述开缝参数沿信号的传输方向变化，通过调整裂缝的开缝参数，本发明裂缝波导天线可以将电磁波信号控制在一定的范围内，同时使得电磁波信号在传输过程中能够均匀平稳。

Description

裂缝波导天线

技术领域

本发明涉及无线信号传输领域，特别涉及一种能实现电磁波信号均匀覆盖的裂缝波导天线。

背景技术

随着无线技术的日益发展，无线通信技术的应用也越来越广泛，在无线通信系统中，最常用的信号传输方法是直接利用自由空间传输信号，这种方法具有天线安装方便、灵活性强、性价比高等特性。但由于信号直接在自由空间传输，因此非常容易受到外界信号的干扰。受环境和多径效应的影响，信号在空间的分布还呈现出极大的不均匀性(即不平稳)，同时也存在信息安全方面的问题。

在对无线信号传输可靠性和安全性有较高要求的场合，使用泄露电缆是一种较为有效的方法。泄露电缆是一种具有特殊结构的同轴电缆，其外导体上沿长度方向周期性地开有一定形状的槽孔，可将电磁波能量沿线路均匀的辐射及接收，属于一种分布式天线系统。泄露电缆铺设比较方便，信号的遮挡和干扰也较小，而且属于宽带系统，可对多种频段的通信服务同时提供覆盖。但泄露电缆最大的缺点是传输高频信号时损耗很大，例如常用的1 1/4＂规格泄露电缆对2.4GHz射频信号的传输损耗约为0.06dB/m，因此目前一般只有载波频率3GHz以下的系统才会采用。

另一种实现无线信号可靠、安全、双向传输的媒介是裂缝波导天线。裂缝波导天线是在普通的波导管管壁上开缝，使得波导管中传输的电磁波信号受控地辐射出去，实现信号的分布式覆盖。除具有传输频带宽、可靠性高、抗干扰能力强等特点外，还具有传输损耗小的优点，特别是对于高频信号传输，裂缝波导天线相对于其他传输媒介的传输损耗优势十分明显。例如，典型的矩形裂缝波导天线对2.4GHz射频信号的传输损耗仅为0.02dB/m，更低的传输损耗意味着同样的设备可以有更大的覆盖范围，因此目前越来越多的系统开始使用裂缝波导天线作为信号传输介质。

现有的裂缝波导天线应用方式都是在矩形波导管一侧按一定间距开有若干相同形状和尺寸的缝隙，再将若干根这样的裂缝波导管连接在一起，形成一个裂缝波导天线区段。裂缝波导天线存在一定的传输损耗，因此裂缝波导天线区段输入端和终端的信号辐射强度必然存在差异，当这一差异超出整个通信系统所能容忍的动态范围后，系统将无法正常工作。特别是在高频传输系统中，裂缝波导天线损耗相对增大，经较长距离传输后，区段输入端和终端的信号辐射强度将呈现明显的不均匀性。

图8是按常规方法设计的裂缝波导天线上方的信号辐射强度示意图；如图8所示，当选用铝制R48标准波导管进行开缝，工作范围为5700MHz～5900MHz时，根据理论计算，350m长的R48波导管其输入端和终端的信号辐射强度差异在20dB以上，在大多数通信系统中，终端信号强度可能已低于接收机所能接收到的最小信号强度，从而可能造成信息丢失，由此可见，信号在常规方法设计的裂缝波导天线上方的场强分布不均匀，并可能造成通信系统无法正常工作。

综上所述，现有裂缝波导天线的应用方式不仅无法解决信号均匀覆盖的问题，而且当无线通信系统工作在更高频率时(如无线通信协议IEEE802.11a所分配的5.8GHz频段)，信号的不均匀性极大地限制了裂缝波导天线区段的覆盖范围。

发明内容

本发明针对裂缝波导天线的输入端信号和终端信号强度差异较大的问题，提出了一种能实现电磁波均匀覆盖的裂缝波导天线。该裂缝波导天线，具有至少一根用于传输特定频率范围电磁波信号的裂缝波导管，裂缝波导管的表面设有使得信号在裂缝波导管与外部空间之间相互传输的复数个裂缝，其特征在于：裂缝是根据多个开缝参数而形成的，开缝参数沿信号的传输方向变化,其中，所述多个开缝参数包括：所述裂缝的中心线在所述裂缝波导管表面上的位置,所述位置沿所述信号的所述传输方向相对于所述裂缝波导管开缝表面的中心线渐变，所述裂缝的中心线偏离所述开缝表面中心线之间的偏离距离m为连续渐渐变小和以复数个所述裂缝为组按区间逐步变小中的任意一种情况进行变化。

进一步，本发明提供的裂缝波导天线还可以有这样的特征：多个开缝参数还包括裂缝的尺寸、形状、以及相邻两裂缝的间距，变化是根据多个开缝参数中的至少一种而产生的。

进一步，本发明提供的裂缝波导天线还可以有这样的特征：开缝参数中的尺寸沿信号的传输方向渐变，或在裂缝波导天线的不同区段变化，使得信号在裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

进一步，本发明提供的裂缝波导天线还可以有这样的特征：开缝参数中的形状沿信号的传输方向变化，或在裂缝波导天线的不同区段变化，使得信号在裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

进一步，本发明提供的裂缝波导天线还可以有这样的特征：开缝参数中的间距沿信号的传输方向渐变，或在裂缝波导天线的不同区段变化，使得信号在裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

另外，本发明提供的裂缝波导天线还可以有这样的特征：裂缝波导天线具有至少一层能透波的防护层，防护层覆盖复数个裂缝。

发明作用与效果

根据本发明的裂缝波导天线，通过改变不同裂缝波导天线区段里裂缝的一个或多个参数，可将各区段中裂缝波导管的信号辐射强度控制在一定范围内，从而使整个裂缝波导天线的信号辐射强度比较均匀，特别是使天线输入端附近和终端附近的信号辐射强度不至于差异过大而超出通信系统的接收信号动态范围，因此，本发明提供了一种能实现电磁波信号均匀覆盖的裂缝波导天线。

附图说明

图1是本发明实施例一中的裂缝波导天线的结构示意图；

图2是本发明裂缝波导天线中波导管的参数示意图；

图3是本发明实施例二中裂缝波导天线的开缝参数变化示意图；

图4是本发明实施例三中裂缝波导天线的开缝参数变化示意图；

图5是本发明实施例四中裂缝波导天线的开缝参数变化示意图；

图6是本发明实施例五中裂缝波导天线的开缝参数变化示意图；

图7是本发明裂缝波导天线包含防护层的组成示意图；

图8是按常规方法设计的裂缝波导天线上方的信号辐射强度示意图；

图9是本发明裂缝波导天线上方的信号辐射强度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明的具体实施方式。

本发明的几个实施例中，都是将本发明裂缝波导天线应用于轨道交通车地通信系统，工作频率范围都为5700～5900MHz，显然，本发明裂缝波导天线还可以使用于其他需要无线信号覆盖的场合和其他工作频率范围。

由于裂缝波导天线接收和发射信号是互易的，因此实施例中仅以发射模式为例对其工作原理进行说明。当裂缝波导天线接收信号时，其工作原理与之相同。

实施例一

图1是本发明在实施例一中的裂缝波导天线的结构示意图。如图1所示：该裂缝波导天线10由波导同轴转换101、波导负载105和三种外形尺寸相同但开缝参数不同的裂缝波导管102、103、104构成，其中裂缝波导管的结构组成相同，以裂缝波导管102为例进行说明：裂缝波导管102由波导管102a和两端的法兰102b组成，波导管102a由管道201和复数个裂缝202组成，裂缝202位于管道201的一侧宽边上，其开缝形状为长腰形；裂缝波导管102有10～12根，裂缝波导管103有8～10根，裂缝波导管103共有6～8根。相同开缝参数的若干根裂缝波导管构成一个区段，整个裂缝波导天线共分为三个区段，其总长度超过300m，发射模式下，信号沿着A端(波导同轴转换端)至B端(波导负载端)方向传输。

图2是本发明裂缝波导天线中波导管的开缝参数示意图。如图2所示，开缝形状为长腰形，缝长L，缝宽W，缝间距d，裂缝偏离开缝表面中心线的距离m。管道宽边内尺寸用a表示，窄边内尺寸用b表示。

在裂缝波导管102中，缝长为L₁，缝宽为W₁，缝间距为d₁，裂缝偏离开缝表面中心线的距离为m₁，管道201宽边内尺寸为a₁，窄边内尺寸为b₁；在裂缝波导管103中，缝长为L₂，缝宽为W₂，缝间距为d₂，裂缝偏离开缝表面中心线的距离为m₂，管道301宽边内尺寸为a₂，窄边内尺寸为b₂；在裂缝波导管104中，缝长为L₃、缝宽为W₃、缝间距为d₃，裂缝偏离开缝表面中心线的距离为m₃，管道401宽边内尺寸为a₃，窄边内尺寸为b₃。当m₁＝m₂＝m₃＝0，a₁＝a₂＝a₃＝47.549mm，b₁＝b₂＝b₃＝22.149mm，d₁＝d₂＝d₃＝20～30mm时，L₁＝8～11mm，W₁＝1.5～2mm；L₂＝11～14mm，W₂＝2～3mm；L₃＝14～17mm，W₃＝3～4mm，即：L₁<L₂<L₃,W₁<W₂<W₃，由此可见，裂缝是根据多个开缝参数而形成，并且开缝参数随信号的传输方向逐渐变化。

实施例二

图3是本发明在实施例二中的裂缝波导天线的开缝参数变化示意图。如图3所示，在裂缝波导天线20的裂缝波导管201中，宽边内尺寸为a₂₀，窄边内尺寸为b₂₀。开缝形状为长腰形，开缝参数中，以每三个裂缝为一组，其中，缝间距d保持不变，裂缝偏离开缝表面中心线的距离m保持不变，信号沿着A端(波导同轴转换端)至B端(波导负载端)方向传输，此时，L₂₁<L₂₂<L₂₃，W₂₁<W₂₂<W₂₃，由此可见，开缝参数中裂缝的尺寸沿所述信号的所述传输方向渐变。

实施例三

图4是本发明在实施例三中的裂缝波导天线的开缝参数变化示意图。如图4所示，在裂缝波导天线30的裂缝波导管301中，宽边内尺寸为a₃₀，窄边内尺寸为b₃₀。开缝形状为长腰形，开缝参数中，以每三个裂缝为一组，其中，缝间距d保持不变，缝长L保持不变,缝宽W保持不变,信号沿着A端(波导同轴转换端)至B端(波导负载端)方向传输，此时，裂缝偏离开缝表面中心线的距离m₃₁>m₃₂>m₃₃，由此可见，开缝参数中裂缝的位置沿信号的所述传输方向渐变。

实施例四

图5是本发明在实施例四中的裂缝波导天线的开缝参数变化示意图。如图5所示，在裂缝波导天线40的裂缝波导管401中，宽边内尺寸为a₄₀，窄边内尺寸为b₄₀。开缝形状为长腰形，开缝参数中，以每三个裂缝为一组，其中，裂缝偏离开缝表面中心线的距离m保持不变，缝长L保持不变，缝宽W保持不变，信号沿着A端(波导同轴转换端)至B端(波导负载端)方向传输，此时，缝间距d₄₁>d₄₂>d₄₃，由此可见，开缝参数中裂缝的间距沿所述信号的所述传输方向渐变。

实施例五

以上四个实施例中，裂缝波导天线中波导管的开缝形状均为长腰形，但本发明中波导管的开缝形状并不仅限于长腰形，还可以是任何可加工出的形状，如圆形、方形、菱形、椭圆形等。图6是本发明在本实施例中的裂缝波导天线的开缝参数变化示意图。如图6所示，在裂缝波导天线50的裂缝波导管501中，宽边内尺寸为a₅₀，窄边内尺寸为b₅₀。开缝参数中，缝间距d保持不变，前半段裂缝的开缝形状为长腰形，缝长L，缝宽W，后半段裂缝的开缝形状为圆形，直径φ。在本实施例中，当a₅₀＝47.549mm，b₅₀＝22.149mm，L＝8～11mm，W＝1.5～2mm，φ＝5～6mm时，长腰形裂缝的辐射量小于圆形裂缝的辐射量，信号沿着A端(波导同轴转换端)至B端(波导负载端)方向传输。由此可见，开缝参数中裂缝的形状沿所述信号的所述传输方向变化。

开缝参数的改变可以是一个，也可以是多个；开缝参数可以是按区段变化的，也可以是连续渐变的。以上列举的五个实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。应当指出，在阅读了本发明记载的内容后，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术原理的前提下，做出各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明的保护范围。

图7是本发明裂缝波导天线包含防护层的组成示意图。如图7所示，本发明裂缝波导天线10还具有至少一层能透波的防护层106，防护层106覆盖复数个裂缝202。该防护层用于避免灰尘等异物从所述裂缝中进入裂缝波导管102内，若需要对裂缝波导天线的防护有更高的要求，可采取更多层能透波的防护层。

实施例作用与效果

图9是本发明裂缝波导天线上方的信号辐射强度示意图。如图9所示，当同样选用350m长的铝制R48标准波导管进行开缝，工作频率范围为5700MHz～5900MHz时，将整个裂缝波导天线分为三个区段，三个区段分别由三种开缝参数不同裂缝波导管组成。通过裂缝的尺寸变化，调节裂缝波导管上方的信号辐射强度，使得当前一区段的裂缝波导管传输损耗达到6dB～7dB时，后续连接区段的裂缝波导管辐射强度增加6dB～7dB，以补偿前一区段的传输损耗。经实际测试，在该条件下，本发明裂缝波导天线上方信号强度的最大差异在8dB以内，很好地解决了传统裂缝波导天线设计方案的缺点。

显然，本发明提供的裂缝波导天线上方的信号覆盖更加平稳均匀，同时，当无线通信系统工作在更高频率时(如无线通信协议IEEE802.11a所分配的5.8GHz频段)，本发明提供的裂缝波导天线能够安全地覆盖更大的范围。

Claims (6)

1.一种裂缝波导天线，具有至少一根用于传输特定频率范围电磁波信号的裂缝波导管，所述裂缝波导管的表面设有使得所述信号在裂缝波导管与外部空间之间相互传输的复数个裂缝组，其特征在于：

每个所述裂缝组中都包含至少一个裂缝，每个所述裂缝的长度方向与所述裂缝波导管的宽度方向的中心线相垂直，

所述裂缝是根据多个开缝参数而形成的，所述开缝参数沿信号的传输方向变化，

其中，所述多个开缝参数包括：所述裂缝的中心位置与所述中心线之间的距离所作为的偏移距离，

每个所述裂缝组中的所述裂缝的所述偏移距离相同，

所述复数个裂缝组的所述偏移距离沿所述中心线变化，该变化为在所述中心线的一侧由大变小至在另一侧由小变大。

2.根据权利要求1所述的裂缝波导天线，其特征在于：

其中，每个所述裂缝组中包含至少两个所述裂缝，

所述多个开缝参数还包括：裂缝的尺寸、形状、以及相邻两裂缝的间距，

每个所述裂缝组中的所述裂缝的所述尺寸、所述形状以及所述间距相同，

所述复数个裂缝组中的所述裂缝还进行尺寸变化、形状变化和间距变化中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的裂缝波导天线，其特征在于：

其中，所述尺寸沿所述信号的所述传输方向渐变，或在所述裂缝波导天线的不同区段变化，使得所述信号在所述裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

4.根据权利要求2所述的裂缝波导天线，其特征在于：

其中，所述形状沿所述信号的所述传输方向变化，或在所述裂缝波导天线的不同区段变化，使得所述信号在所述裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

5.根据权利要求2所述的裂缝波导天线，其特征在于：

其中，所述间距沿所述信号的所述传输方向渐变，或在所述裂缝波导天线的不同区段变化，使得所述信号在所述裂缝波导天线上方的场强分布平稳。

6.根据权利要求2所述的裂缝波导天线，其特征在于：

所述裂缝波导天线还具有至少一层能透波的防护层，所述防护层覆盖所有的所述裂缝。