CN108736152A - 一种小型化宽带高增益全向天线 - Google Patents
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Abstract
一种小型化宽带高增益全向天线，涉及无线通信天线设备与技术，由多元复合阵列和向多元复合阵列馈电的外部馈线组成；多元复合阵列包括M组按同一直线方向同间距均匀排列而成的N元子阵，以及对每个N元子阵进行馈电的M组印制平衡双导馈线，N元子阵由N个形状大小相同的超宽振子单元并列组成，超宽带振子单元由振子上臂、振子下臂和两个寄生枝节组成，首先构造超宽带振子单元，然后将N个单元组成宽带子阵，采用平衡双导线馈电，阻抗设计为25Ω而非常规的50Ω，这使得其宽带特性与单振子相当，增益却提高近一倍，为实现更高增益提供了基本前提。进一步减少焊点、互调性能好，重量轻，成本低，适合批量生产，并具有小型化、高增益效果。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线设备与技术，特别涉及的是一种小型化宽带高增益全向天线。
背景技术
全向天线，通常指在方位面具有均匀辐射特性的一类天线，它在无线通信领域中具有广泛而重要的用途，典型场景如通信基站、广播电视塔，或车辆、飞行器、无线网关等终端设备。首先，由于用户设备相对于基站台的位置和方位是任意的，使用全向天线不仅能保证良好的通信效果，还可以减少设备尺寸与成本。另外，考虑到基站的覆盖范围和系统容量，全向天线必须是高增益、宽带宽和高功率。再者，考虑到大量部署和实际安装，全向天线还必须具有小型化、低互调、低成本、适合量产等特点。综上所述，在工程领域中，小型化、宽带宽、高增益、高效率、低成本、低互调、易生产的全向天线具有强烈的应用需求。
迄今为止，人们所发明的各种高增益全向天线几乎都是采用半波振子共线或共轴组阵方式来实现。受制于应用需求、设计难度、尺寸限制等因素，高增益全向天线的常见增益为5~12dBi。而且，随着增益增加，带宽将逐渐减小，即增益与带宽是一对矛盾。常规高增益宽带振子阵列，通常选用直径较粗的金属管为辐射单元，采用同轴电缆来构建馈电网络。这种方案可克服增益和带宽的矛盾，且功率容量大，但焊点多、互调差、重量重、成本高、量产困难。相比之下，PCB印制方案则具有低互调、高可靠性、低成本、重量轻、适合批产等优点，但功率容量较低、阻抗带宽较窄、增益带宽更窄。鉴于上述特点，印制振子阵列低增益、窄频带系统，如终端设备上获得了广泛应用。如果解决大功率和带宽较窄的问题，印制振子阵列将成为全向基站的理想设计方案。综上所述，小型化高增益宽带全向天线具有广阔的应用前景，但仍需突破诸多工程技术瓶颈，因此仍是天线研究的重要方向。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种小型化宽带高增益全向天线，首先构造超宽带振子单元，然后将N个单元组成宽带子阵，采用平衡双导线馈电，阻抗设计为25Ω而非常规的50Ω，这使得其宽带特性与单振子相当，增益却提高近一倍，为实现更高增益提供了基本前提。进一步，将M个这样的N元子阵再组阵，构成更高增益的复合阵，并采用同轴电缆馈电以保持子阵宽带特性，减少焊点、互调性能好，重量轻，成本低，适合批量生产，并具有小型化、高增益效果。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种小型化宽带高增益全向天线，由多元复合阵列和向多元复合阵列馈电的外部馈线组成；
所述的多元复合阵列包括M组按同一直线方向同间距均匀排列而成的N元子阵，以及位于每个N元子阵排列中心线上对每个N元子阵进行馈电的M组印制平衡双导馈线，其中，M≥2n，n=1、2、3……，在每个N元子阵的两端设有使该N元子阵的印制平衡双导馈线的上下馈线短路的金属化过孔，在每个N元子阵中心设有用于外部馈线与印制平衡双导馈线的上下馈线电连接的中心馈电孔；
所述的N元子阵输入阻抗为25Ω，以中心馈电孔为中心的N个形状大小相同的超宽振子单元并列组成，其中，N≥2；超宽带振子单元由设置在PCB板正面的振子上臂、设置在PCB板反面的振子下臂和两个寄生枝节组成，振子上臂下移距离T后与振子下臂镜像对称，振子上臂与印制平衡双导馈线的上馈线连接，振子下臂与印制平衡双导馈线的下馈线连接，振子上臂和振子下臂均为U形振子，振子上臂和振子下臂的开口相向设置，振子上臂或振子下臂由中部的横臂和对称设置在横臂上下两侧的翼臂组成U形结构，翼臂由与横臂连接的窄臂段和另一端的宽臂段组成，横臂的外侧两端角向内侧方向倒内角θ，横臂的内侧中心设有向外侧方向凹陷的凹口；
所述的振子上臂的外侧和振子下臂的外侧之间的两侧各设有一个寄生枝节，两个寄生枝节不接触并对称共同设置在PCB板正面或PCB板反面上，每个寄生枝节左右对称，寄生枝节的内边与振子上臂的外侧和振子下臂的外侧均存在间隙，其外边与窄臂段的外边缘平齐，所述的寄生枝节由一体成型的长条段、尖角段和延伸段组成，长条段的中心连接尖角段，尖角段的尖角处连接有延伸段，长条段位于振子上、下臂的宽臂段和窄臂段围成的间隙内，并与该间隙形状相同，尖角段位于振子上、下臂的倒内角θ围成的空间内，并与该空间形状相同，延伸段延伸至振子上、下臂的横臂之间的间隙内；
所述的外部馈线由一分为二等功分器、阻抗变换器和主馈电缆组成，一分为二等功分器通过两个为一组的中心馈电孔与印制平衡双导馈线的上下馈线电连接，一分为二等功分器通过阻抗变换器和主馈电缆电连接。
本发明所述的印制平衡双导馈线的上下馈线均由多节不等长宽的导体段级联而成。
本发明所述外部馈线由50Ω的分馈电缆、35Ω的变换段电缆和50Ω的主馈电缆组成，50Ω的分馈电缆的两端分别通过两个为一组的中心馈电孔与印制平衡双导馈线的上下馈线电连接，50Ω的分馈电缆的中心与35Ω的变换段电缆的一端电连接，35Ω的变换段电缆的另一端与50Ω的主馈电缆电连接。
本发明所述的振子上臂和振子下臂组成半波振子，每臂长度为0.20~0.25个中心波长λ c ，上下两个宽窄段的外边缘与振子上臂的长度比例为0.45~0.75，上下两个宽窄段之间的开口间距与振子上臂的长度比例为0.25~0.35；倒内角θ值范围为15o~60o。
本发明所述的凹口为矩形、三角形、圆槽或其它对称结构。
本发明所述的寄生枝节的宽长比为0.01~0.20。
本发明所述的PCB板的介电常数εr=1~20，PCB板为包括空气在内的各种介质基板。
本发明同一个N元子阵内的相临的超宽带振子单元之间的间距为d=(0.55 ~0.85)λ c ，M个N元子阵组成的多元复合阵列均匀排列时，M个多元复合阵列阵元间距为N‧(M-1)‧d。
本发明有益效果是：
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）构造超宽带振子单元；2）超宽带振子组成N元子阵，采用印制平衡双导线馈电，阻抗设计为25Ω而非常规的50Ω，这使得其宽带特性与单振子相当，增益却提高近一倍，为实现更高增益提供了基本前提；3）N元子阵组成多元复合阵列，并采用外部馈线即同轴电缆馈电以保持子阵宽带特性，电缆包括三种不同阻抗型号，三种电缆为一分为二等功分器、阻抗变换器和主馈电缆，即50Ω的分馈电缆、35Ω变换段电缆和50Ω主馈电缆；电缆的低色散、低损耗特性保证了阵列的宽带高增益。通过采用上述措施，本发明的多元PCB振子复合阵列天线实现了LTE频段内近超宽频带（1.71-2.18GHz，VSWR≤2.5，BW=470MHz，24.2%）、高增益（G=7.34~8.71 dBi）、理想全向性（不圆度<2.4dB）、低上旁瓣（SLL<-18dB）、高下旁瓣（SLL>-12dB）、以及高效率（η A ≥70%）工作。另外，该方案还具有尺寸小（长-2.472×λ c，宽-0.177×λ c）、馈电简单、低互调、装配方便和低成本等特点，是一种适用于蜂窝基站的理想全向天线方案。
另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规宽带全向基站天线的优选方案，而且对于低增益、宽带或窄频带的终端全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
附图说明
图1为小型化宽带高增益全向天线天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。
图2为小型化宽带高增益全向天线振子上臂和振子下臂的正视结构示意图。
图3为小型化宽带高增益全向天线超宽带振子单元的正视结构示意图。
图4为小型化宽带高增益全向天线寄超宽带振子单元的立体透视结构示意图。
图5为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的正视结构示意图。
图6为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的立体透视结构示意图。
图7为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的中心馈电孔的局部放大结构示意图。
图8为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的两端金属化过孔的局部放大结构示意图。
图9为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列的正视结构示意图。
图10为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列并采用外部馈线的正视结构示意图。
图11为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列的外部馈线与两子阵印制平衡双导馈线的位置关系示意图。
图12为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的输入阻抗Z in 的频率特性曲线。
图13为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的反射系数|S 11 |曲线。
图14为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的驻波比VSWR曲线。
图15为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵在中心频点f c =1.90GHz的增益方向图。
图16为小型化宽带高增益全向天线的输入阻抗Z in 的频率特性曲线。
图17为小型化宽带高增益全向天线的驻波比VSWR曲线。
图18为小型化宽带高增益全向天线在频点f L =1.71GHz的增益方向图。
图19为小型化宽带高增益全向天线在频点f C =1.945GHz的增益方向图。
图20为小型化宽带高增益全向天线在频点f H =2.18GHz的增益方向图。
图21为小型化宽带高增益全向天线的增益G随频率f变化特性。
图22为小型化宽带高增益全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。
图23为小型化宽带高增益全向天线的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。
图24为小型化宽带高增益全向天线的效率η A 随频率f变化曲线。
图25为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵的间距示意图。
图26为小型化宽带高增益全向天线的两个三元子阵的间距示意图。
图中：1、多元复合阵列，2、外部馈线，3、N元子阵，4、印制平衡双导馈线，4-1、印制上馈线，4-2、印制下馈线，41、金属化过孔，42、中心馈电孔，5、分馈电缆，6、变换段电缆，7、主馈电缆，8、超宽带振子单元，81、振子上臂，811、横臂，811-1、内角，811-2、凹口，812、翼臂，812-1、窄臂段，812-2、宽臂段，82、振子下臂，83、寄生枝节，831、长条段，832、尖角段，833、延伸段。
本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。
本发明旨在为蜂窝通信提供一种小型化、宽频带、高增益、全向性、低上旁瓣/高下旁瓣、高效率，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的全向基站天线，并为低增益、宽窄频带终端全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。
一种小型化宽带高增益全向天线，由多元复合阵列1和向多元复合阵列1馈电的外部馈线2组成；多元复合阵列可根据需要进行设计。本发明提出的上方、下方、左方、右方均按图示方向限定。
多元复合阵列1包括M组按同一直线方向同间距均匀排列而成的N元子阵3，以及位于每个N元子阵3排列中心线上对每个N元子阵3进行馈电的N组印制平衡双导馈线4，其中，M≥2n，n=1、2、3……，即多元复合阵列最少包含两个N元子阵，组成N·M元复合阵列，每一个N元子阵的上表面和下表面上均对应设有印制平衡双导馈线的上馈线和下馈线，印制平衡双导馈线设计在PCB板表面，与印制的N元子阵电连接。
在每个N元子阵3的两端设有使该N元子阵3的印制平衡双导馈线4的上下馈线短路的金属化过孔41，金属化过孔41穿过PCB板的上下表面，使PCB板上下表面上的印制平衡双导馈线4的上下馈线短路连接，在每个N元子阵3中心设有用于外部馈线2与印制平衡双导馈线4的上下馈线电连接的中心馈电孔42；中心馈电孔42是使同轴电缆从下方穿过该孔，内导体与印制平衡双导馈线4的上馈线电连接，外导体与印制平衡双导馈线4的下馈线电连接，或者，中心馈电孔42是使同轴电缆从上方穿过该孔，内导体与印制平衡双导馈线4的下馈线电连接，外导体与印制平衡双导馈线4的上馈线电连接。
N元子阵3输入阻抗为25Ω，以中心馈电孔42为中心的N个形状大小相同的超宽带振子单元8并列组成，其中，N≥2；超宽带振子单元8由设置在PCB板正面（上表面）的振子上臂81、设置在PCB板反面（下表面）的振子下臂82和两个寄生枝节83组成，振子上臂81下移距离T后与振子下臂82镜像对称，距离T即为PCB版的厚度，振子上臂81与印制平衡双导馈线4的上馈线连接，振子下臂82与印制平衡双导馈线4的下馈线连接，振子上臂81和振子下臂82均为U形振子，振子上臂81和振子下臂82的开口相向设置，振子上臂81或振子下臂82由中部的横臂811和对称设置在横臂811上下两侧的翼臂812组成U形结构，翼臂812由与横臂811连接的窄臂段812-1和另一端的宽臂段812-2组成，宽臂段812-2的宽度大于窄臂段的宽度，横臂811的外侧两端角向内侧方向倒内角θ，横臂811的内侧中心设有向外侧方向凹陷的凹口811-2。
振子上臂81的外侧和振子下臂82的外侧之间上方和下方（两侧）各设有一个寄生枝节83，即在振子上臂81和振子下臂82之间的间隙的上方和下方各设有一个寄生枝节83，两个寄生枝节83不接触并对称共同设置在PCB板正面或PCB板反面上，每个寄生枝节83左右对称，寄生枝节83的内边与振子上臂81的外侧和振子下臂82的外侧均存在间隙，即寄生枝节83的外表面处于振子上臂81和振子下臂82之间的间隙内，不与两者的外侧接触，同时，寄生枝节83的外边与窄臂段812-1的外边缘平齐，所述的寄生枝节83由一体成型的长条段831、尖角段832和延伸段833组成，长条段831的中心连接尖角段832，尖角段832的尖角处连接有延伸段833，长条段831位于振子上、下臂的宽臂段812-2和窄臂段812-1围成的间隙内，并与该间隙形状相同，大小略小于该间隙，尖角段832位于振子上、下臂的倒内角θ围成的空间内，并与该空间形状相同，大小略小于该空间，延伸段833延伸至振子上、下臂的横臂811之间的间隙内，两个寄生枝节83的延伸段833相对但不接触设置在振子上、下臂的横臂811之间的间隙内；
所述的外部馈线2由一分为二等功分器、阻抗变换器和主馈电缆组成，一分为二等功分器通过两个为一组的中心馈电孔42与印制平衡双导馈线4的上下馈线电连接，一分为二等功分器通过阻抗变换器和主馈电缆电连接。
若N元子阵个数为2个，该N元子阵为两元子阵，则外部馈线需要一个一分为二等功分器，一个阻抗变换器和一条主馈电缆，一分为二等功分器的输出线分别与一个两元子阵的中心馈电孔42电连接，而一分为二等功分器的输入端与一个阻抗变换器连接，阻抗变换器的输入端连接一条主馈电缆，完成外部馈线连接，向四元复合阵列馈电。
若N元子阵个数为4个，该N元子阵为两元子阵，由需要将2个两元子阵为一组准备该组的外部馈线，该组外部馈线需要一个一分为二等功分器，一个阻抗变换器和一条主馈电缆，一分为二等功分器的输出线分别与一个N元子阵的中心馈电孔42电连接，而一分为二等功分器的输入端与一个阻抗变换器连接，阻抗变换器的输入端连接一条主馈电缆，然后将两组的主馈电缆分别连接一个阻抗变换器，再将该阻抗变换器连接到最终的主馈电缆上，完成外部馈线连接，向八元复合阵列馈电。
若N元子阵的个数再次增加，需要按上述规律增加阻抗变换器和主馈电缆以完成所有外部馈线连接。
此外，外部馈线2可由50Ω的分馈电缆5、35Ω的变换段电缆6和50Ω的主馈电缆7组成，50Ω的分馈电缆5的两端分别通过两个为一组的中心馈电孔42与印制平衡双导馈线4的上下馈线电连接，50Ω的分馈电缆5的中心与35Ω的变换段电缆6的一端电连接，35Ω的变换段电缆6的另一端与50Ω的主馈电缆7电连接。其中两根分馈电缆与一个N元子阵的中心馈电孔42电连接时候当于一分为二等功分器，35Ω的变换段电缆6可替代阻抗变换器的作用。其安装设计原理与上述描述相同。可根据N元子阵个数不同，进行外部馈线连接。
印制平衡双导馈线4的上下馈线均由多节不等长宽的导体段级联而成，如图5所示。
振子上臂81和振子下臂82组成半波振子，振子上臂81或振子下臂82长度为0.20~0.25个中心波长λ c ，上下两个宽窄段的外边缘与振子上臂的长度比例为0.45~0.75，上下两个宽窄段之间的开口间距与振子上臂的长度比例为0.25~0.35；倒内角θ值范围为15o~60o。
凹口811-2为矩形、三角形、圆槽或其它对称结构，对称结构只需保证以横臂内侧中心点为对称点能够上下对称即可。
寄生枝节83的宽长比为0.01~0.20。
同一个N元子阵内的相临的超宽带振子单元8之间的间距为d=(0.55 ~0.85)λ c ，M个N元子阵组成的多元复合阵列1均匀排列时，M个多元复合阵列1阵元间距为N‧(M-1)‧d。
PCB板的介电常数εr=1~20，PCB板为包括空气在内的各种常见介质基板，如Rogers系列、Taconic系列和Arlon系列。
小型化超宽带高增益全向天线，其特征在于，所述小型化超宽带高增益全向天线的设计方法包括以下步骤：
步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；
步骤二，构造超宽带振子单元。在XOZ平面，顺+Z轴方向构建一个开口朝上的U形结构，U形两臂左右对称，两臂宽度在顶部开口处较宽，底部两端角边缘切θ角，底部内侧中间朝下凹陷。然后，将U形沿X轴进行镜像，并将镜像体沿Y轴方向平移距离T，使得振子两臂分别位于PCB板的正反两面，如图2、3所示。另外，在U形两臂外侧平行地附加一对寄生枝节，枝节上下、左右均对称，其内边和两端均与振子上、下臂间隔一定的距离，外边与振子上臂和振子下臂的两臂边缘平齐，枝节中间则朝内侧突入振子两臂的中间间隙，如图3、4所示；
步骤三，构造印制平衡双导馈线和N元子阵。将步骤二的超宽带振子单元，沿Z轴平移并复制N次，使相临的两个超宽带振子单元之间的间距为d，组成一个等间隔的N元均匀直线阵。然后，采用印制平衡双导馈线在N元子阵中间馈电，N元子阵的两端则有金属化过孔将印制平衡双导馈线的上下馈线短路；印制平衡双导馈线由多节不等长宽的导体段级联而成，印制平衡双导馈线的上下馈线分别连接N元子阵的上下臂，如图5~8所示；
步骤四，构造外部馈线和多元复合阵列。将步骤三的N元子阵沿Z轴方向平移距离N‧d，并将子阵复制M次，构成一个（N·M）元的复合阵列。然后，用2M根分馈电缆分别连接M个N元子阵的中心馈电孔，这2M根分馈电缆以2根为一组与另一节阻抗变换段电缆用馈电槽连接。最后，在每根变换段电缆的另一端用馈电槽连接一根标准50欧主馈电缆，见图9~11所示。
图4为小型化宽带高增益全向天线寄超宽带振子单元的立体透视结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅色黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；
图5为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的正视结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅色黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；位于中心的虚线框表示中心馈电孔，两端的虚线框表示金属化过孔；
图6为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的立体透视结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；位于中心的虚线框表示中心馈电孔，两端的虚线框表示金属化过孔；
图7为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的中心馈电孔的局部放大结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；虚线框表示中心馈电孔，其孔径大小在印制馈线的两侧不同；
图8为小型化宽带高增益全向天线的两元子阵的两端金属化过孔的局部放大结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；虚线框表示金属化过孔；
图9为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列的正视结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；位于中心的虚线框表示中心馈电孔，两端的虚线框表示金属化过孔；
图10为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列并采用外部馈线的正视结构示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；虚线框表示中心馈电孔或金属化过孔；粗细黑实线表示各级馈电电缆，黑圆点表示电缆连接点；各级电缆均沿着阵列同一侧的中心印制馈线走线，它们的外皮被剥掉、外导体则彼此焊接在一起，最后跟子阵的印制馈线焊接。
图11为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵组成多元复合阵列的分馈电缆与两子阵印制平衡双导馈线的位置关系示意图。
其中，黑线框表示PCB振子上臂，位于PCB板正面；浅黑线框表示PCB振子下臂，位于PCB板背面；虚线框表示中心馈电孔或金属化过孔孔；细黑实线表示两根分馈电缆，黑圆点表示电缆连接点；该电缆连接点再与变换段电缆连接。
图12为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的输入阻抗Z in 的频率特性曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是阻抗Z in ，单位为Ω; 实线表示实部R in ，虚线表示虚部X in 。由图知，在1.71~2.18GHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+20~+28Ω和-6~+6Ω，具有明显的宽带阻抗特性。
图13为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的反射系数|S 11 |曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是S 11 的幅度|S 11 |，单位为dB。由图知，由图知，天线在LTE频段（1.71~2.18GHz，BW=470MHz），实现了良好的阻抗匹配，反射系数|S 11 |≤-15，最低可达-26.3dB，相对带宽24.2%，基本实现了超宽带工作。
图14为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵的驻波比VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR。由图知，天线在LTE频段（1.71~2.18GHz，BW=470MHz），实现了良好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤1.43，最小达到1.1，相对带宽24.2%，基本实现了超宽带工作。
图15为小型化宽带高增益全向天线的N元子阵在中心频点f c =1.90GHz的增益方向图。其中，实线表示H面，虚线表示E面；H面接近正圆，说明全向性好；E面波束较窄，增益G=4.81dBi，旁瓣较低（归一化值约-19dB）。
图16为小型化宽带高增益全向天线的输入阻抗Z in 的频率特性曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是阻抗Z in ，单位为Ω; 实线表示实部R in ，虚线表示虚部X in 。由图知，在1.71~2.18GHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+25~+72Ω和-35~+20Ω，具有明显的宽带阻抗特性。
图17为小型化宽带高增益全向天线的驻波比VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR。由图知，天线在LTE频段（1.71~2.18GHz，BW=470MHz），实现了较好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤2.5，最小达到1.20，相对带宽24.2%，基本实现了超宽带工作。
图18为小型化宽带高增益全向天线在频点f L =1.71GHz的增益方向图。其中，实线表示H面，虚线表示E面；H面接近正圆，说明全向性好；E面波束较窄，增益G=7.14dBi；无上旁瓣，对邻区干扰低；下旁瓣电平较高（归一化值约-12dB），有利于改善站下覆盖。
图19为小型化宽带高增益全向天线在频点f C =1.945GHz的增益方向图。其中，实线表示H面，虚线表示E面；H面接近正圆，说明全向性好；E面波束较窄，增益G=8.69dBi；上旁瓣电平较低（归一化值约-18dB），对邻区干扰小；下旁瓣电平较高（归一化值约-12dB），有利于改善站下覆盖。
图20为小型化宽带高增益全向天线在频点f H =2.18GHz的增益方向图。其中，实线表示H面，虚线表示E面；H面接近正圆，说明全向性好；E面波束较窄，增益G=8.44dBi；上旁瓣电平较低（归一化值约-18dB），对邻区干扰小；下旁瓣电平较高（归一化值约-11dB），有利于改善站下覆盖。
图21为小型化宽带高增益全向天线的增益G随频率f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是增益G，单位是dBi。由图知，带内增益G变化范围为：7.34~8.71 dBi，增益较高，且带内平坦性较好。
图22为小型化宽带高增益全向天线的H面不圆度随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是不圆度，单位是度dB。由图知，整个频带内，水平面（H面）方向图的不圆度（全向性或均匀性）小于2.4dB，具有较理想的水平均匀辐射特性。
图23为小型化宽带高增益全向天线的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是波束宽度，单位是度（deg）；实线为Phi=0°平面，虚线为Phi=90°平面。由图知，两平面的带内半功率波宽分别为：HPBW=18.2o~25o、HPBW=17.5o~24.2o， E面波宽较窄，且带内差异较小。另外，Phi=0°、90°两个E面的波宽差异较小，说明H面不圆度较理想。
图24为小型化宽带高增益全向天线的效率η A 随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是效率。由图知，整个频带内，天线效率η A ≥70%（典型值>82%），效率比较理想。
图25为小型化宽带高增益全向天线的两个两元子阵的间距示意图。
其中，d 1 为两元子阵内相临的两个超宽带振子单元之间的间距，两个两元子阵组成的多元复合阵列阵元间距为d 2 ，当S 1 =S 2 时，d 2 = 2d 1 ，当S 1 ＜S 2 时，d 2 ＞2d 1 。
图26为小型化宽带高增益全向天线的两个三元子阵的间距示意图。
其中，d 1 为两元子阵内相临的两个超宽带振子单元之间的间距，两个两元子阵组成的多元复合阵列阵元间距为d 2 ，当S 1 =S 2 时，d 2 = 3d 1 ，当S 1 ＜S 2 时，d 2 ＞3d 1 。
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）构造超宽带振子单元；2）超宽带振子组成N元子阵，采用平衡双导线馈电，阻抗设计为25Ω而非常规的50Ω，增益提高近一倍，带宽则基本不变；3）N元子阵组成复合阵，采用同轴电缆馈电，电缆的低色散、低损耗特性保证了阵列的宽带高增益。通过采用上述措施，本发明的N·M元PCB振子复合阵列天线实现了LTE频段内近超宽频带（1.71-2.18GHz，VSWR≤2.5，BW=470MHz，24.2%）、高增益（G=7.34~8.71 dBi）、理想全向性（不圆度<2.4dB）、低上旁瓣（SLL<-18dB）、高下旁瓣（SLL>-12dB）、以及高效率（η A ≥70%）工作。另外，该方案还具有尺寸小（长-2.472×λ c，两个二元阵子情况下，宽-0.177×λ c）、馈电简单、低互调、装配方便和低成本等特点，是一种适用于蜂窝基站的理想全向天线方案。
另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规宽带全向基站天线的优选方案，而且对于低增益、宽带或窄频带的终端全向天线的设计和改进也是适用和有效的。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种小型化宽带高增益全向天线，由多元复合阵列（1）和向多元复合阵列（1）馈电的外部馈线（2）组成，其特征在于：
所述的多元复合阵列（1）包括M组按同一直线方向同间距均匀排列而成的N元子阵（3），以及位于每个N元子阵（3）排列中心线上对每个N元子阵（3）进行馈电的M组印制平衡双导馈线（4），其中，M≥2n，n=1、2、3……，在每个N元子阵（3）的两端设有使该N元子阵（3）的印制平衡双导馈线（4）的上下馈线短路的金属化过孔（41），在每个N元子阵（3）中心设有用于外部馈线（2）与印制平衡双导馈线（4）的上下馈线电连接的中心馈电孔（42）；
所述的N元子阵（3）输入阻抗为25Ω，以中心馈电孔（42）为中心的N个形状大小相同的超宽带振子单元（8）并列组成，其中，N≥2；超宽带振子单元（8）由设置在PCB板正面的振子上臂（81）、设置在PCB板反面的振子下臂（82）和两个寄生枝节（83）组成，振子上臂（81）下移距离T后与振子下臂（82）镜像对称，振子上臂（81）与印制平衡双导馈线（4）的上馈线连接，振子下臂（82）与印制平衡双导馈线（4）的下馈线连接，振子上臂（81）和振子下臂（82）均为U形振子，振子上臂（81）和振子下臂（82）的开口相向设置，振子上臂（81）或振子下臂（82）由中部的横臂（811）和对称设置在横臂（811）上下两侧的翼臂（812）组成U形结构，翼臂（812）由与横臂（811）连接的窄臂段（812-1）和另一端的宽臂段（812-2）组成，横臂（811）的外侧两端角向内侧方向倒内角θ，横臂（811）的内侧中心设有向外侧方向凹陷的凹口（811-2）；
所述的振子上臂（81）的外侧和振子下臂（82）的外侧之间的两侧各设有一个寄生枝节（83），两个寄生枝节（83）不接触并对称共同设置在PCB板正面或PCB板反面上，每个寄生枝节（83）左右对称，寄生枝节（83）的内边与振子上臂（81）的外侧和振子下臂（82）的外侧均存在间隙，其外边与窄臂段（812-1）的外边缘平齐，所述的寄生枝节（83）由一体成型的长条段（831）、尖角段（832）和延伸段（833）组成，长条段（831）的中心连接尖角段（832），尖角段（832）的尖角处连接有延伸段（833），长条段（831）位于振子上、下臂的宽臂段（812-2）和窄臂段（812-1）围成的间隙内，并与该间隙形状相同，尖角段（832）位于振子上、下臂的倒内角θ围成的空间内，并与该空间形状相同，延伸段（833）延伸至振子上、下臂的横臂（811）之间的间隙内；
所述的外部馈线（2）由一分为二等功分器、阻抗变换器和主馈电缆组成，一分为二等功分器通过两个为一组的中心馈电孔（42）与印制平衡双导馈线（4）的上下馈线电连接，一分为二等功分器通过阻抗变换器和主馈电缆电连接。
2.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述的印制平衡双导馈线（4）的上下馈线均由多节不等长宽的导体段级联而成。
3.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述外部馈线（2）由50Ω的分馈电缆（5）、35Ω的变换段电缆（6）和50Ω的主馈电缆（7）组成，50Ω的分馈电缆（5）的两端分别通过两个为一组的中心馈电孔（42）与印制平衡双导馈线（4）的上下馈线电连接，50Ω的分馈电缆（5）的中心与35Ω的变换段电缆（6）的一端电连接，35Ω的变换段电缆（6）的另一端与50Ω的主馈电缆（7）电连接。
4.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述的振子上臂（81）和振子下臂（82）组成半波振子，每臂长度为0.20~0.25个中心波长λ c ，上下两个宽窄段的外边缘与振子上臂的长度比例为0.45~0.75，上下两个宽窄段之间的开口间距与振子上臂的长度比例为0.25~0.35；倒内角θ值范围为15o~60o。
5.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述的凹口（811-2）为矩形、三角形、圆槽或其它对称结构。
6.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述的寄生枝节（83）的宽长比为0.01~0.20。
7.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：所述的PCB板的介电常数εr=1~20，PCB板为包括空气在内的各种介质基板。
8.如权利要求1所述的一种小型化宽带高增益全向天线，其特征在于：同一个N元子阵内的相临的超宽带振子单元（8）之间的间距为d=(0.55 ~0.85) λ c ，M个N元子阵组成的多元复合阵列（1）均匀排列时，M个多元复合阵列（1）阵元间距为N‧(M-1)‧d。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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