CN109066051B - 超宽带高增益双极化全波振子天线 - Google Patents
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Abstract
超宽带高增益双极化全波振子天线，包括两个正交设置的对称振子组成的双极化全波振子、反射板以及与双极化全波振子连接进行馈电的同轴电缆，双极化全波振子竖直设置在反射板上方；所述的双极化全波振子的增益为10.12~10.53dBi，双极化全波振子的边长为0.45∙λ C ‑0.55∙λ C ，其总路径长为0.9∙λ C ‑1.1∙λ C ；两个所述的对称振子均包括一对按对角对称设置且闭环镂空的振子臂，振子臂上开设有至少一条顺着振子臂方向并按振子臂对角线对称的纵向槽，并且振子臂上还连接有导体条，本天线超宽带、高增益、双极化、高交叉极化比、高效率、低剖面，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信天线设备与技术，具体说的是超宽带高增益双极化全波振子天线。
背景技术
对称振子或偶极子（dipole）是无线通信中应用最广泛的一种天线。由它演变而来的天线变种不计其数，如蜂窝基站天线中的基本辐射单元—双极化振子或交叉振子。然而，目前基站天线中所用的各类双极化振子均为半波振子，带宽虽可达30%~40%甚至更宽，如698~960 MHz（BW=31.6%） /1710~2700 MHz （BW=44.9%）频段振子，但由于物理口径仅半个波长，增益仅为8-9dBi。半波振子的较低增益，使其在很多场合难以满足应用要求，比如微基站天线增益G=9.5~10.5dBi，两振子组阵可达到增益要求，但总体尺寸远超过要求。另外，在某些高增益场合，比如人口稀少的偏远农村或郊区，基站需要覆盖更大的地理区域，阵列天线则需要更多半波振子组阵。然而，根据阵列天线理论，当单元数目增加一倍时，阵列增益仅提升3dBi，但物理尺寸却增加了一倍。另外，馈电网络设计更复杂、损耗变大，重量和成本也会增加。由此可见，仅增加阵元提高增益，其代价无疑是巨大的，尤其是当阵列规模很大时，阵元增加所带来的增益提升刚好被馈电损耗增加所抵消。相比之下，若将提高阵元增益提高3dBi的话，那么相同增益条件下，阵元数量将减少一半，馈电网络复杂性大大降低，重量、成本也将大幅减小。由此看来，增加振子单元的增益，对于提升阵列性能意义巨大。然而，提高振子增益十分困难，原因在于增大尺寸提高增益的同时，阻抗匹配将变得异常困难，是故学术界和工程界一直没有研究出电尺寸大于半个波长的振子天线，比如全波振子。全波振子的物理原型，是电长度约一个波长的细线偶极子。由于其阻抗实部几千欧，虚部为负几百欧，匹配非常困难，但增益可达到3.80dBi左右，比半波振子足足高了1.7dBi，而且跟半波一样具有理想的水平全向方向图。以上两个特点，使得全波振子具有巨大的应用价值。显然，阻抗匹配是突破全波振子技术的关键。要同时实现高增益和阻抗匹配，则振子外形尺寸需设计得十分巧妙。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带、高增益、双极化、高交叉极化比、高效率、低剖面，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的超宽带高增益双极化全波振子天线。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：超宽带高增益双极化全波振子天线，包括两个正交设置的对称振子组成的双极化全波振子、反射板以及与双极化全波振子连接进行馈电的同轴电缆，双极化全波振子竖直设置在反射板上方；
所述的双极化全波振子的增益为10.12~10.53dBi，双极化全波振子的边长为0.45∙λ C -0.55∙λ C ，其总路径长为0.9∙λ C -1.1∙λ C ；
两个所述的对称振子均包括一对按对角对称设置且闭环镂空的振子臂、与各对振子臂分别连接的一对巴仑、以及设置在一对巴仑内的同轴芯线，两个所述的对称振子的振子臂共面并且不相连，巴仑固定设置在反射板上；
所述的振子臂上开设有至少一条顺着振子臂方向并按振子臂对角线对称的纵向槽，并且振子臂上还连接有导体条，导体条按振子臂对角线方向设置，导体条的起始段与振子臂的外顶点连接并共面设置一直延伸至振子臂的内顶点上方形成开路段。
本发明所述的双极化全波振子的极化方式为±45°、H/V或其他任意正交线极化。
本发明所述的振子臂的形状为方环形、圆环形或其他闭环形状。
本发明所述的开路段为圆弧形开路段或直弯折开路段，开路段的开口朝向外顶点方向或双极化全波振子朝中心方向设置。
本发明两根所述的同轴芯线由不等粗细和长度的多节导体柱或导体片组成，两根同轴芯线上下错位不相交。
本发明所述的两对巴仑的管壁与其内的同轴芯线分别与一根同轴电缆的内外导体连接，或者两对巴仑的管壁与其内的同轴芯线经阻抗匹配电路后再与同轴电缆连接。
本发明所述的双极化全波振子可作为单个天线使用，亦可用作阵元组成阵列天线，阵列天线中的阵元间距为0.5∙λ C -1.35∙λ C 。
本发明所述的双极化全波振子由全金属的压铸工艺加工、塑料基体3D打印加工、表面电镀工艺加工，还可采用PCB印制工艺制作。
本发明所述的巴仑底端穿过反射板并固定于反射板上，使双极化全波振子的平面与反射板平行，巴仑高度等于双极化全波振子距地板高度，该高度为0.15∙λ C -0.25∙λ C 。
本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）双极化全波振子外形设计成臂宽较窄的方形环；2）方环的两外边中心开纵向槽，两槽相交于振子对角线上；3）振子对角线上加载一根末端开路的导体条；4）振子边长约为半波长，总路径长则为一个波长；5）采用同轴巴仑馈电；6）巴仑底部放置金属地板。通过上述措施，双极化全波振子在LTE频段（1700~2200MHz）实现了良好匹配（VSWR<1.9，BW=25.64%），端口隔离度<-23dB，增益高达10.12~10.53dBi，比常规振子高了近1.5~2dBi，交叉极化比XPD<-45dB，E/H面波宽54.5~55.5°、60.5~63.5°，效率大于76%。而且，天线整体尺寸较小、剖面低，尺寸为（0.45-0.55）∙λ C （长）×（0.45-0.55）∙λ C （宽）×≤0.25∙λ C （高）（λ C 为中心频率波长）。
该发明在无线通信领域尤其是蜂窝通信基站天线如宏基站、微基站天线方面具有良好的应用前景。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，是取代常规宽带半波振子的优选方案，而且对于更宽频带或多频高增益交叉振子天线的设计和改进也是适用和有效的。
附图说明
图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。
图2为超宽带高增益双极化全波振子不带同轴馈线模型的俯视图。
图3为超宽带高增益+45°极化全波振子模型的侧视图。
图4为超宽带高增益+45°极化全波振子模型的正视图。
图5为超宽带高增益-45°极化全波振子模型的正视图。
图6为超宽带高增益双极化全波振子的同轴馈线模型侧视图。
图7为超宽带高增益双极化全波振子模型的正视图。
图8为超宽带高增益双极化全波振子模型直立时的侧视图。
图9为超宽带高增益双极化全波振子模型倒立时的侧视图。
图10为超宽带高增益双极化全波振子模型直立于反射板上的侧视图。
图11为超宽带高增益双极化全波振子模型直立于反射板上的俯视图。
图12为超宽带高增益双极化全波振子的输入阻抗Z in 曲线。
图13为超宽带高增益双极化全波振子的的驻波比VSWR曲线。
图14为超宽带高增益双极化全波振子的端口隔离度|S 21 |曲线。
图15为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f L =1.71GHz的增益方向图。
图16为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f C =1.94GHz的增益方向图。
图17为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f H =2.17GHz的增益方向图。
图18为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f L =1.71GHz的增益方向图。
图19为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f C =1.94GHz的增益方向图。
图20为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f H =2.17GHz的增益方向图。
图21为超宽带高增益双极化全波振子的增益G随频率f变化特性。
图22为超宽带高增益双极化全波振子的E/H面半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。
图23为超宽带高增益双极化全波振子的效率η A 随频率f变化曲线。
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。
超宽带高增益双极化全波振子，包括两个正交设置的对称振子组成的双极化全波振子100；所述的双极化全波振子并非常规的半波振子，其增益高达10.12~10.53dBi，双极化全波振子100的边长（口径A）为半个波长（0.45-0.55）∙λ C ，其总路径（线长B）为一个波长（0.9-1.1）∙λ C ，为一个全波振子；
两个所述的对称振子均包括一对按对角对称设置且闭环镂空的振子臂101、与各对振子臂101分别连接的一对巴仑110、以及设置在一对巴仑110内的同轴芯线，两个所述的对称振子的振子臂101共面并且不相连；即一对振子臂对应连接一对巴仑，每一对巴仑内的设有一个同轴芯线，同轴芯线用于与同轴电缆相连实现馈电。
所述的振子臂101上开设有至少一条顺着振子臂101方向并以振子臂对角线对称的纵向槽102，并且振子臂101上还连接有导体条10，导体条10按振子臂对角线方向设置，导体条10的起始段104与振子臂101的外顶点连接并共面设置一直延伸至振子臂101的内顶点上方形成开路段109。
本发明所述的双极化全波振子100的极化方式为±45°、H/V或其他任意正交线极化，由两对对称振子共面正交放置实现。
本发明所述的振子臂101的形状为方环形、圆环形或其他闭环形状，各振子臂之间不相连，两两之间设有间隙112，例如，振子臂为臂宽较窄的方环形，在方环形振子臂101的两外臂近中间各开一条纵向槽，两条纵向槽按对角线方向对称，两纵向槽102在振子的对角线处相交并贯通为一体，有一细导体条从振子外顶点103开始，沿对角线朝内延伸至振子中心附近，该导体条10由与方环振子臂共面的起始端104、朝上延伸的竖直段105、悬置于方环上方或下方的上水平段106、朝下或朝上延伸的竖直段107、位置较低的悬置水平段108，以及末端与悬置水平段108共面的圆环段（开路段109）共六部分组成；该导体起始端将振子方环外臂的纵向槽两侧的导体连接在一起，该导体的水平段106可在振子上方，亦可在下方，也可去除竖直段105与方环形振子臂 101共面，开路段109为圆弧形开路段或直弯折开路段，开路段109的开口朝向外顶点方向或双极化全波振子100朝中心方向设置。
本发明两根所述的同轴芯线由不等粗细和长度的多节导体柱或导体片组成，两根同轴芯线上下错位不相交。
本发明所述的两对巴仑110的管壁与其内的同轴芯线分别与一根同轴电缆的内外导体连接，或者两对巴仑110的管壁与其内的同轴芯线经阻抗匹配电路后再与同轴电缆连接。例如，采用同轴巴仑中心平衡馈电，两直立方柱组成一对巴仑110，巴仑110的中心竖直设有圆管111，同轴芯线从巴仑一侧的底部朝上穿过圆管111后，朝水平方向弯折90°，然后延伸至巴仑另一侧的圆管上方，再朝下弯折90°延伸至管内约1/4~1/3的深度处后断开，同轴芯线由不等粗细和长度的多节导体柱或导体片组成，两同轴芯线的水平段上下错位以免相交。
本发明所述的双极化全波振子100可作为单个天线使用，亦可用作阵元组成阵列天线，阵列天线中的阵元间距为0.5∙λ C -1.35∙λ C 。
本发明所述的双极化全波振子100由全金属的压铸工艺加工、塑料基体3D打印加工、表面电镀工艺加工，还可采用PCB印制工艺制作。
超宽带高增益双极化全波振子天线，包括如上文所述的双极化全波振子100、反射板400以及与双极化全波振子100连接进行馈电的同轴电缆，双极化全波振子100竖直设置在反射板400上方。
本发明所述的巴仑110底端穿过反射板400并固定于反射板400上，使双极化全波振子100的平面与反射板400平行，巴仑110高度等于双极化全波振子100距地板高度。同轴巴仑110的底部，设置一块足够大的金属地板用作天线地板或反射板400，巴仑穿过地板（反射板）并直立于地板上，振子离地板高度即巴仑长度（巴仑距地板表面的高度）短于四分之一波长，为（0.15-0.25）∙λ C ，双极化全波振子的平面与地板平行，由于地板反射，全波振子的方向性增强
超宽带高增益双极化全波振子以及天线的具体设计方法，以±45°极化为例，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+45°极化全波振子。在XOZ平面，沿着+45°方向构造一对全波振子，即在一个大方块内部挖去一个与之共对角线的小方块，形成一个臂宽较窄的方形环振子臂，即内外边缘距离较近，在方环两振子臂的外臂的近中间位置，顺臂长方向各开一条纵向槽102，两槽延伸至对角线相交并贯通为一体。然后，以外顶点103为起点，作一细导体条10沿对角线朝内延伸至振子中心附近，它包括与振子臂共面的起始端104、朝上延伸的竖直段105、悬置于方环上方的水平段106、朝下延伸的竖直段107、位置较低的悬置水平段108，以及末端与悬置水平段108共面的圆环段；在方形环振子臂内顶点处，设置一竖直朝下的粗导体方柱巴仑，方柱与方形环振子臂101的两直角边平齐，方柱的内外棱分别为倒直角和圆角，中间则开上下贯通的圆孔形成一圆管111，111管内同轴的多节圆柱体与之构成同轴芯线，方柱巴仑与方环振子臂合并为振子一臂，与其旋转了180°的镜像臂一起，构成了+45°极化全波振子，采用同轴巴仑馈电，如图2~4所示；
步骤三，构造±45°双极化全波振子。将步骤二的+45°极化全波振子复制并旋转90°，与原振子共面并正交，两振子构成一个±45°双极化全波振子，两振子的四条内侧边彼此相邻，之间有平行间隙112。为避免两同轴芯线的顶部水平段交叉，将它们上下错位方式放置，故两同轴芯线外形不完全相同；两条同轴馈线由起始变换段210/310、第二变换段211/311、顶部水平段212/312、第三变换段213/313和末端214/314组成，如图5~9所示。需要说明的是，双极化全波振子边长A为半个波长，总路径长B（=2∙A）为一个波长，这便是全波振子名称的由来，如图2所示；
步骤四，设置金属地板。在步骤三的双极化全波振子正下方、同轴巴仑110的底部，设置一块足够大的金属地板用作天线地板或反射板400，巴仑穿过地板并直立于地板上，振子离地高度即巴仑长度短于四分之一波长，为0.190∙λ C ，振子平面与地板平行，由于地板反射，全波振子的方向性增强，见图10~11所示；
步骤五，同轴电缆馈电。将两根标准50Ω同轴电缆，分别连接两个对称振子的馈电端，同轴电缆的内外导体分别连接圆管111的管壁和其内部同轴芯线的起始变换段210/310。
最终得到的天线整体尺寸较小、剖面低，尺寸为0.5∙λ C （长）×0.5∙λ C （宽）×0.218∙λ C （高）（λ C 为中心频率波长）。
图12为超宽带高增益双极化全波振子的输入阻抗Z in 曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是阻抗，单位为Ω；实线表示实部R in ，虚线为虚部X in ；光滑线为+45°极化，加点线为-45°极化；
图13为超宽带高增益双极化全波振子的的驻波比VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR；实线表示+45°极化，虚线表示-45°极化。由图知，天线在1.7~2.2GHz的LTE频段，两极化均实现了良好的阻抗匹配（VSWR≤1.90），最低可达1.26，相对带宽达到了25.64%，实现了超宽带双极化工作。
图14为超宽带高增益双极化全波振子的端口隔离度|S 21 |曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是S 21 的幅度|S 21 |，单位为dB。由图知，天线在1.7~2.2GHz的LTE频段，±45°端口的隔离度|S 21 |≤-23dB，最低可达-32.6dB，隔离度比较理想。
图15为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f L =1.71GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平很理想，小于-55dB；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-40 dB、-45dB。
图16为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f C =1.94GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平非常理想，达到-60dB；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-36 dB、-42dB。
图17为超宽带高增益双极化全波振子的+45°极化在f H =2.17GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平很理想，达到-48dB左右；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-32 dB、-48dB。
图18为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f L =1.71GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平很理想，小于-54dB；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-44 dB、-46dB。
图19为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f C =1.94GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平很理想，达到-50dB；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-38 dB、-44dB。
图20为超宽带高增益双极化全波振子的-45°极化在f H =2.17GHz的增益方向图。其中，实线表示E面，虚线表示H面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；0°交叉极化XPD水平很理想，达到-47dB左右；E/H面的±60°的XPD也很理想，分别为-24 dB、-52dB。
图21为超宽带高增益双极化全波振子的增益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，±45°极化的增益G变化范围分别为：10.12~10.53dBi、10.11~10.55dBi，两极化的带内增益一致性较好，增益相差小于0.15dB。
图22为超宽带高增益双极化全波振子的E/H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）；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线为E面，虚线为H面。由图知，±45°极化的E/H面波宽HPBW=54.5~55.5°/60.5~63.5°、54.6~55.3°/60.3~63.4°，两极化波宽一致性较好。
图23为超宽带高增益双极化全波振子的效率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；实线为+45°极化，虚线为-45°极化。由图知，±45°极化带内效率η A =78%~99%、η A =76%~99%，两极化效率较高且一致性好。
通过上述措施，交叉振子在LTE频段（1700~2200MHz）实现了良好匹配（VSWR<1.9，BW=25.64%），端口隔离度<-23dB，增益高达10.12~10.53dBi，比常规振子高了近1.5~2dBi，交叉极化比XPD<-45dB，E/H面波宽54.5~55.5°、60.5~63.5°，效率大于76%。而且，天线整体尺寸较小、剖面低，尺寸为0.50∙λ C （长）×0.50∙λ C （宽）×0.218∙λ C （高）（λ C 为中心频率波长）。
该发明在无线通信领域尤其是蜂窝通信基站天线如宏基站、微基站天线方面具有良好的应用前景。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，是取代常规宽带半波振子的优选方案，而且对于更宽频带或多频高增益交叉振子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，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 (9)
1.超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：包括两个正交设置的对称振子组成的双极化全波振子（100）、反射板（400）以及与双极化全波振子（100）连接进行馈电的同轴电缆，双极化全波振子（100）竖直设置在反射板（400）上方；
所述的双极化全波振子的增益为10.12~10.53dBi，双极化全波振子（100）的边长为0.45∙λ C -0.55∙λ C ，其总路径长为0.9∙λ C -1.1∙λ C, λ C 为中心频率波长；
两个所述的对称振子均包括一对按对角对称设置且闭环镂空的振子臂（101）、与各对振子臂（101）分别连接的一对巴仑（110）、以及设置在一对巴仑（110）内的同轴芯线，两个所述的对称振子的振子臂（101）共面并且不相连，巴仑（110）固定设置在反射板（400）上；
所述的振子臂（101）上开设有至少一条顺着振子臂（101）方向并按振子臂（101）对角线对称的纵向槽（102），并且振子臂（101）上还连接有导体条（10），导体条（10）按振子臂对角线方向设置，导体条（10）的起始段（104）与振子臂（101）的外顶点连接并共面设置一直延伸至振子臂（101）的内顶点上方形成开路段（109）。
2.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的双极化全波振子（100）的极化方式为±45°、H/V或其他任意正交线极化。
3.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的振子臂（101）的形状为方环形、圆环形或其他闭环形状。
4.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的开路段（109）为圆弧形开路段或直弯折开路段，开路段（109）的开口朝向外顶点方向或双极化全波振子（100）朝中心方向设置。
5.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：两根所述的同轴芯线由不等粗细和长度的多节导体柱或导体片组成，两根同轴芯线上下错位不相交。
6.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的两对巴仑（110）的管壁与其内的同轴芯线分别与一根同轴电缆的内外导体连接，或者两对巴仑（110）的管壁与其内的同轴芯线经阻抗匹配电路后再与同轴电缆连接。
7.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的双极化全波振子（100）可作为单个天线使用，亦可用作阵元组成阵列天线，阵列天线中的阵元间距为0.5∙λ C -1.35∙λ C 。
8.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的双极化全波振子（100）由全金属的压铸工艺加工、塑料基体3D打印加工、表面电镀工艺加工，或采用PCB印制工艺中的一种制作。
9.如权利要求1所述的超宽带高增益双极化全波振子天线，其特征在于：所述的巴仑（110）底端穿过反射板（400）并固定于反射板（400）上，使双极化全波振子（100）的平面与反射板（400）平行，巴仑（110）高度等于双极化全波振子（100）距地板高度，该高度为0.15∙λ C -0.25∙λ C 。
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