CN104518279A - 双向天线、无线接入点和列车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种双向天线。该双向天线包括：基板；两个相互平行的偶极子，每个偶极子包含分别印刷于所述基板的上面和底面的两臂，所述两个偶极子之间的距离为λ/2；平衡微带线，印刷于所述基板的上面和底面，用于为所述两个偶极子馈电；以及平衡不平衡转换器，与所述平衡微带线连接，用于为所述两个偶极子进行阻抗匹配。本发明实施方式还公开了一种包括上述双向天线的无线接入点和列车控制系统。应用本发明实施方式，通过具有两个偶极子结构的天线实现了双向高增益天线功能。与传统方法中将两个定向天线利用功分器连接而实现的双向天线相比，可以免去功分器等元件，既减少了天线体积，又降低了制造、安装和维护成本。

Description

双向天线、无线接入点和列车控制系统

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种双向天线、无线接入点和列车控制系统。

背景技术

列车控制系统是对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，保证列车能够安全运行、提高运行效率的系统，简称列控系统。在各种列控系统中，通常需要在移动的列车与静止的信号与控制系统之间进行无线电通信。可以沿着轨道以预定间隔布置无线接入点(AP)，当列车沿着轨道行驶时可以在这些无线接入点的覆盖范围之内漫游。无线接入点通常连接到骨干网，而骨干网与信号与控制系统连接，因此可以实现列车和信号与控制系统之间的无线电通信。

由于只需要沿着轨道方向发射无线电信号(比如沿着列车的可能运行路径)，因此在无线接入点处通常采用具有高增益及较小波束宽度的定向天线。与全向天线相比，定向天线增加了平行于轨道方向的无线电射程，而且降低了由其它方向干扰所造成的负面影响。

通常情况下，无线接入点应该在两个方向(前向和反向)上覆盖轨道。在现有技术中，指向相反的两个定向天线经由功分器相结合，并连接到无线接入点的天线端口。

然而，这种结构中结合有两个定向天线，导致天线系统的体积较大，通常难以安装，尤其难以在隧道中找到充分的安装空间。而且，这种结构还需要功分器以及各种安装元件，还导致安装和维护的费用较高。

发明内容

由此，本发明实施方式提出一种双向天线，以缩小天线体积，并同时保证天线的增益。此外，本发明实施方式还提出一种无线接入点和列车控制系统，该无线接入点和列车控制系统中包括本发明实施方式提出的上述双向天线，因此易于工程实施，并且能够降低天线的安装和维护费用。

本发明实施方式的技术方案如下：

一种双向天线，包括：

基板；

两个相互平行的偶极子，每个偶极子包含分别印刷于所述基板的上面和底面的两臂，所述两个偶极子之间的距离为λ/2，其中λ为所述天线的目标波长；

平衡微带线，印刷于所述基板的上面和底面，用于为所述两个偶极子馈电；以及

平衡不平衡转换器，与所述平衡微带线连接，用于为所述两个偶极子进行阻抗匹配。

根据本发明实施方式的双向天线，进一步包括；

引向器，印刷于所述基板的上面和／或底面，平行于所述两个偶极子，且位于所述两个偶极子的同一侧或在所述两个偶极子的外侧相对布置。

根据本发明实施方式的双向天线，所述引向器在所述两个偶极子的外侧对称布置。

根据本发明实施方式的双向天线，所述引向器的长度小于所述两个偶极子的长度。

根据本发明实施方式的双向天线，所述引向器包括印刷于所述基板的上面和／或底面的多条金属带，且所述金属带之间的距离为λ／4～λ／2。

根据本发明实施方式的双向天线，所述平衡不平衡转换器与所述平衡微带线的中点连接。

根据本发明实施方式的双向天线，所述平衡不平衡转换器印刷于所述基板的上面和底面，且在所述基板的上面或底面具有从下端到上端渐缩的锥形形状。

根据本发明实施方式的双向天线，所述平衡微带线在所述基板的上面或底面具有从中心向两端渐缩的锥形形状。

根据本发明实施方式的双向天线，所述两个偶极子是半波偶极子。

根据本发明实施方式的双向天线，所述天线进一步包括：

非平衡微带线，印刷于所述基板的上面和底面，与所述平衡不平衡转换器连接，用于连接其它射频器件。

根据本发明实施方式的双向天线，所述基板为FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4、CEM-5、AlN或SiC。

根据本发明实施方式的双向天线，所述双向天线为丝网印刷天线、刻印天线或蚀刻天线。

一种无线接入点，该无线接入点包括根据本发明实施方式的双向天线。

一种列车控制系统，包括：

根据本发明实施方式的无线接入点，所述无线接入点沿轨道布置；

骨干网，用于在所述无线接入点和信号与控制系统之间传输通信信号；以及

所述信号与控制系统，用于通过所述骨干网向与所述无线接入点发送控制信号，以对所述列车进行控制。

由此可见，应用本发明实施方式之后，通过具有两个平行偶极子结构的天线实现了双向天线功能。与传统方法中将两个定向天线通过功分器相结合而实现的双向天线相比，可以免去功分器等结合组件，从而既减少了天线体积，又降低了制造、安装和维护成本。

而且，在根据本发明实施方式的印刷天线中，可集成平衡不平衡转换器以实现阻抗匹配功能，因此，该印刷天线易于加工，并可以容易地与标准同轴电缆相连接。

根据本发明实施方式的双向天线中还可进一步包括以寄生元件方式实施的引向器，通过引向器的不同数量和间隔的金属带可以在天线的方向图上保证天线所需的增益。

另外，还可以将本发明实施方式应用到大量的应用环境中，比如铁路交通、采矿无线通信系统、车辆与路边通信系统、长距离无线多次反射通信等等。

附图说明

图1为根据本发明实施例的双向天线的第一结构示意图。

图2为根据本发明实施例的双向天线的第二结构示意图。

图3为根据本发明实施例的列车控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

图1为根据本发明实施例的双向天线的第一结构示意图。

如图1所示，该天线包括：

基板(1)；

两个相互平行的偶极子(2)，每个偶极子都包含分别印刷于所述绝缘基板的底面和上面的两臂，该两个偶极子之间的距离为λ/2，其中λ为该天线的目标波长，也即预设的该天线所传输的无线信号的波长；

平衡微带线(4)，印刷于所述绝缘基板(1)的上面和底面，用于为所述两个偶极子(2)馈电；以及

平衡不平衡转换器(5)，印刷于所述绝缘基板(1)的上面和底面，与所述平衡微带线(4)连接，用于为所述两个偶极子(2)进行阻抗匹配。

可以看出，该天线采用印刷电路板(PCB)方式实现，因此加工简便，并可显著降低成本。在该印刷天线结构中，相互平行的两个偶极子(2)作为天线的辐射元件，用于收发无线电信号。示范性地，偶极子(2)具体可以是精确偶极子、半波偶极子、可调半波偶极子、固定频率偶极子，等等。优选地，两个偶极子(2)为两个相互平行的半波偶极子。

如上所述，两个偶极子之间的距离为λ/2，该距离取决于天线所要满足的目标波长。但是，本领域技术人员应该可以意识到，天线的目标工作频段可以是一个较宽的范围，而不是一个精确的频点。并且，随着基板的材质变化及该两个偶极子的印刷于基板上的金属带的宽度不同，该两个偶极子的间距应相应地进行微调。因此，此处所述的距离为λ/2应理解为根据本发明实施例的天线在工程实施中的一个近似值，而非一个数学意义上的精确值。

由于两个偶极子(2)间距λ/2，因此，当使用所述平衡微带线为该两个偶极子馈入激励信号时，两个偶极子将以180度的相位偏移被分别激励。这样，两个偶极子(2)的射频信号可在图1中x轴的方向上同相叠加，从而在x轴方向上获得较高的增益；而在y-z平面上的信号相位将相互抵消，从而可以在y-z平面上获得较低的增益。

每个偶极子(2)都包含两臂，这两臂分别位于基板(1)的底面和上面。比如，在图1中，虚线所示臂位于基板底面，而实线所示臂位于基板上面。

在基板(1)的上面印刷有平衡微带线(4)，用于为两个偶极子(2)在基板(1)上面的两臂馈电。同样地，在基板(1)的底面也印刷有平衡微带线(4)，用于为两个偶极子(2)在基板(1)底面上的两臂馈电。

如图1所示，印刷于基板(1)的上面和底面的平衡微带线(4)可以具有均匀对称的带状结构。

优选地，该印刷天线可进一步包含一个或者多个引向器(3)，所述引向器(3)可印刷于所述基板的底面和／或上面且平行于所述两个偶极子(2)布置。

在一个实施方式中，可以只在基板(1)的上面或底面布置引向器(3)。在另一个实施方式中，也可以在基板(1)的底面和上面都布置引向器(3)，这样可以增强射频信号的辐射效率。在根据本发明的实施方式中，所述引向器(3)可以位于所述两个偶极子(2)的相同一侧或者在所述两个偶极子(2)的外侧相对布置。

比如：

(a)、所有引向器(3)可以都位于两个偶极子的左侧。

(b)、所有引向器(3)可以都位于两个偶极子的右侧。

(c)、一部分引向器(3)位于两个偶极子的左侧，另一部分引向器(3)位于两个偶极子的右侧，也就是说这两部分引向器(3)在两个偶极子的外侧相对布置。

引向器(3)的作用是增强自身侧方向的射频信号，无论是发射信号还是接收信号都可以得到增强。因此，引向器的数量及其布置方式取决于具体实施场景中所需的天线方向图和增益。如上述布置方式(a)，则所述两个偶极子(2)左侧方向的天线增益得以增强，而上述布置方式(b)，则所述两个偶极子(2)右侧方向的天线增益得以增强。

在根据本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述引向器(3)包括印刷于所述基板的上面和底面的8条金属带，这8条金属带在所述两个偶极子(2)的外侧对称布置，每侧各有4条金属带，且这些金属带的长度均小于所述两个偶极子(2)的长度。

通过仿真实验，当所述引向器(3)中包括印刷于所述基板的上面和／或底面的多条金属带时，所述多条金属带之间的距离优选为λ/4～λ/2。

引向器(3)的具体数量、长度、间隔和布置对于天线的可实现增益以及天线方向性都有重要影响。使用通用的射频仿真工具(比如HFSS等)，综合考虑优化目标(比如天线最大增益、最大旁瓣抑制、最大效率，等等)之后，可以利用多种方式优化引向器(3)的具体数量、长度、间隔以及位置。比如，可以使用HFSS工具，仿真计算当引向器的数量、长度、间隔和位置变化时，天线的各种性能参数(包括二维、三维远场／近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等)的变化，从而确定出最佳的引向器(3)的具体实施方式。

按照天线理论，偶极子天线属平衡型器件，而射频电缆等射频器件属不平衡型器件，若将偶极子天线与射频电缆直接连接，则偶极子天线与射频电缆之间阻抗不匹配，这样就会影响天线的辐射效率。因此，通过在偶极子天线和射频电缆之间加入平衡不平衡转换器，以实现阻抗匹配。

优选地，平衡不平衡转换器(5)印刷于基板(1)的上面和底面且与平衡微带线(4)的中点连接。如图1所示，平衡不平衡转换器(5)包括印刷于基板(1)上面的金属迹5s以及印刷于基板(1)底面的金属迹5t。金属迹5s具有近似于柱状的形状，而金属迹5t具有从下端到上端(以面对图1的观察者的角度而言)渐缩的锥形形状。

平衡不平衡转换器(5)用于将平衡的偶极子元件(2)与非平衡的微带线(6)相匹配，同时还用于将天线阻抗与非平衡微带线(6)的特征阻抗(典型50欧姆)相匹配。非平衡微带线(6)，印刷于所述基板的上面和底面，与平衡不平衡转换器(5)连接，用于连接其它射频器件，其中所述射频器件可以包括其它的集成在所述基板上的射频器件或标准射频连接器件(如SMA或N-typ连接器)。

本领域技术人员应当理解，虽然在上述优选实施例中，平衡不平衡转换器(5)印刷于所述基板上，但是本发明并不限于此。在根据本发明的其它实施方式中，平衡不平衡转换器(5)也可以采用分立元件的形式集成在所述基板上，还可以采用独立于所述基板的器件来实现。

优选地，所述基板为平面形状，而且具体材质可以为FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4、CEM-5、A1N或SiC，等等。

可以通过多种方式将上述天线的各个器件布置在基板上。比如：可以采用丝网印刷、刻印或蚀刻等方式，将偶极子、引向器、平衡微带线、平衡不平衡转换器、非平衡微带线等器件印制在所述基板上。通过这种PCB电路板印刷方式制造天线简便易行，且适于批量生产，因而可以显著降低天线的制造成本和制造周期。

以上详细描述了根据本发明实施例的天线的具体实施方式，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。

图2为根据本发明实施例的双向天线的第二结构示意图。

如图2所示，该天线包括：

基板(1)；

两个相互平行的偶极子(2)，每个偶极子都包含分别印刷于所述基板的底面和上面的两臂，该两个偶极子之间的距离近似为λ/2；

平衡微带线(4’)，印刷于所述基板(1)的上面和底面，用于为所述两个偶极子(2)馈电；以及

平衡不平衡转换器(5)，印刷于所述基板(1)的上面和底面，与所述平衡微带线(4)连接，用于为所述两个偶极子(2)进行阻抗匹配。

与根据本发明实施例的双向天线的第一结构示意图不同，在图2中，平衡不平衡转换器(4’)包括印刷于基板(1)上面的金属迹4s以及印刷于基板(1)底面的金属迹4t。金属迹4s具有均匀的带状形状，而金属迹4t具有从中心向两端渐缩的锥形形状。基于该锥形结构，平衡微带线(4’)可以部分地具有平衡不平衡转换器(5)的平衡到不平衡转换功能。因此，该结构可以实现更好的阻抗匹配及平衡到不平衡转换功能，而不需要增加平衡不平衡转换器(5)在y轴方向上的长度，从而可以有效较少天线的体积。

上述平衡微带线(4’)和平衡不平衡转换器(5)的锥形形状的具体设计可以基于常见的线性或指数型变化锥形形状，也可以通过数值计算方法或射频仿真工具来确定。

本发明实施方式通过具有两个偶极子结构的天线实现了双向天线功能。与传统方法中将两个定向天线通过功分器相结合而实现的双向天线相比，可以免去功分器等结合组件，从而既减少了天线体积，又降低了制造、安装和维护成本。

通过仿真实验表明，本发明实施方式采用约30厘米的天线长度可以实现双向10dBi的增益。然而，传统方法中需要大约两个40厘米长的定向天线且每个定向天线的增益至少达到13dBi才可以达到这一效果。不仅如此，相比较传统方法所采用的定向天线，本发明实施方式还省去了功分器等元件。因此，本发明实施方式显著降低了天线尺寸，并可同时保证天线所需的增益。

而且，根据本发明实施方式的印刷天线中，可集成平衡不平衡转换器以实现阻抗匹配功能，因此，该印刷天线易于加工，并可以容易地与标准同轴电缆相连接。

根据本发明实施方式的双向天线中还可进一步包括以寄生元件方式实施的引向器，通过引向器的不同数量和间隔的金属带可以在天线的方向图上保证天线所需的增益。

可以将本发明实施方式应用到大量的应用环境中，比如铁路交通、采矿无线通信系统、车辆与路边通信系统、长距离无线多次反射通信等等。

例如，可以将本发明实施方式提出的双向天线实施到轨道周边的无线接入点中。然后，可以沿着轨道以预定间隔布置无线接入点(AP)。当列车沿着轨道行驶时可以在这些接入点的覆盖范围之内实现无线通信与漫游。

图3为根据本发明列车控制系统的结构图。

如图3所示，在轨道附近具有多个无线接入点，比如无线接入点A、无线接入点B和无线接入点C，这些无线接入点都连接到骨干网，而骨干网与信号与控制系统连接。列车上的车载天线可以与无线接入点A、无线接入点B和无线接入点C实现无线通信，而无线接入点A、无线接入点B和无线接入点C可以通过骨干网和信号与控制系统进行通信，因此可以实现列车和信号与控制系统之间的无线通信。

以上以列车控制系统为应用环境对根据本发明实施例的双向天线进行了示范性描述，本领域技术人员可以意识到，本发明实施方式并不局限于此，而是可以适用于任意需要采用双向天线的应用环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种双向天线，包括：

基板；

两个相互平行的偶极子，每个偶极子包含分别印刷于所述基板的上面和底面的两臂，所述两个偶极子之间的距离为λ/2，其中λ为所述天线的目标波长；

平衡微带线，印刷于所述基板的上面和底面，用于为所述两个偶极子馈电；以及

平衡不平衡转换器，与所述平衡微带线连接，用于为所述两个偶极子进行阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，进一步包括；

引向器，印刷于所述基板的上面和/或底面，平行于所述两个偶极子，且位于所述两个偶极子的同一侧或在所述两个偶极子的外侧相对布置。

3.根据权利要求2所述的双向天线，其特征在于，所述引向器在所述两个偶极子的外侧对称布置。

4.根据权利要求2所述的双向天线，其特征在于，所述引向器的长度小于所述两个偶极子的长度。

5.根据权利要求2所述的双向天线，其特征在于，所述引向器包括印刷于所述基板的上面和/或底面的多条金属带，且所述金属带之间的距离为λ/4～λ/2。

6.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述平衡不平衡转换器与所述平衡微带线的中点连接。

7.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述平衡不平衡转换器印刷于所述基板的上面和底面，且在所述基板的上面或底面具有从下端到上端渐缩的锥形形状。

8.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述平衡微带线在所述基板的上面或底面具有从中心向两端渐缩的锥形形状。

9.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述两个偶极子是半波偶极子。

10.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述天线进一步包括：

非平衡微带线，印刷于所述基板的上面和底面，与所述平衡不平衡转换器连接，用于连接其它射频器件。

11.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述基板为F R.1、F R.2、F R.3、F R.4、F R.5、F R.6、G.10、C E M.1、C E M.2、C E M.3、C E M.4、C E M.5、A lN或S iC。

12.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于，所述双向天线为丝网印刷天线、刻印天线或蚀刻天线。

13.一种无线接入点，其特征在于，该无线接入点包括如权利要求1.12中任一项所述的双向天线。

14.一种列车控制系统，包括：

如权利要求13的无线接入点，所述无线接入点沿轨道布置；

骨干网，用于在所述无线接入点和信号与控制系统之间传输通信信号；以及

所述信号与控制系统，用于通过所述骨干网向与所述无线接入点发送控制信号，以对所述列车进行控制。