CN109659673A - 宽波束高增益双极化定向天线 - Google Patents
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Abstract
宽波束高增益双极化定向天线，包括反射板、H/V交叉振子阵列、双框体边界；反射板的中部为平直部分，两侧为弯折部分，两个弯折部分的边缘各对称加载两对L形卷边，在反射板的中心设有H/V交叉振子阵列，H/V交叉振子阵列的两侧设有部分设置在反射板上的双框体边界，通过合理设计反射板以及反射板的复合边界，采用搭配H/V交叉振子阵列，提供一种宽带宽、高增益、超宽波束、双极化、高隔离、低剖面、低成本、易生产的定向基站天线。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线设备与技术，特别是涉及宽波束高增益双极化定向天线。
背景技术
随着网络部署密度不断增大，移动通信已基本实现信号广域连续覆盖。然而，受限于工作频带和覆盖区域的限制，宏蜂窝难以满足高速数据传输和大系统容量的需求。相比之下，5.8G 的ISM频段免许可、带宽宽、容量大、传播特性好、天线尺寸小，非常适合用户密集的局域高速数据业务。这类基站或无线接入点（Access Point, AP）天线通常覆盖5.15~5.85GHz频段（BW=12.73%）、增益高（G>12dBi）和水平波宽宽（90°以上）、双线极化（H/V或±45°），以覆盖较大区域、服务较多用户，从而获得良好的覆盖效果和较佳的经济性。再者，低旁瓣SLL和高前后比FTBR也是基本指标，可以避免干扰到邻近小区。除此之外，小型化、低剖面、重量轻也是重要要求，以方便安装和实现良好的用户感受。宽带、低剖面和双极化天线，常用形式有微带贴片和半波振子，前者剖面很低（小于0.1×λ），后者高度约四分之一波长。但是，当工作于5.8G时，由于波长短，半波振子的剖面高度尚可接受。然而，两者的水平波宽仅60~70o，无法满足90o以上的超宽波宽要求，即使振子下垂也难以实现。而其他超宽波束天线，如小焦径比抛物面天线的介质辐射头，又不具备低剖面和超宽带特性，且馈电复杂、体积大、成本高。
鉴于半波阵子的诸多优点，只需克服波宽较窄的缺点，即可很好地满足应用需要。实现半波阵子波束展宽的常规方法是，振子两臂下垂和减小地板尺寸。然而，上述方法的波宽展宽效果十分有限，远远不能满足整个带内90o以上的水平波宽要求。相比之下，若在地板两侧边缘加载特殊形状和尺寸的金属边界的话，则可将水平波宽展宽至90°或更宽。然而，由于H/V极化特性的固有差异，无论加载什么形状的地板边界，都无法保证两者方向图完全一致，尤其是水平波宽HPBW和前后比FTBR。相比之下，地板边界相对于±45°极化的一致性则好很多，这也是为什么绝大部分基站天线选用±45°双极化的原因。尽管如此，我们仍可探索出一种较理想的边界，使其对于H/V极化具有较佳的一致性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种宽带宽、高增益、超宽波束、双极化、高隔离、低剖面、低成本、易生产的定向基站天线。通过合理设计反射板以及反射板的复合边界，采用搭配H/V交叉振子阵列，实现上述设计目标。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：宽波束高增益双极化定向天线，包括反射板、H/V交叉振子阵列、双框体边界；
所述的反射板的中部为平直部分，反射板的两边先朝下再朝两侧弯折为弯折部分，两个弯折部分的边缘各对称加载两对L形卷边，同侧的两对L形卷边背对背设置，位于内侧的L形卷边朝向平直部分设置，位于外侧的L形卷边背向平直部分设置，L形卷边的竖直始端与反射板连接，L形卷边的弯折端位于L形卷边的竖直始端的上方，在L形卷边的长度方向上排列开设多个缺口，同侧的两对L形卷边的缺口相对应，缺口从L形卷边弯折端的边缘开设到L形卷边竖直始端的中部；
所述的H/V交叉振子阵列设置在反射板的平直部分中心位置并由馈电网络馈电，H/V交叉振子阵列由多个沿反射板轴线方向设置的H/V交叉振子对排列而成；
所述的双框体边界设有两对，两对双框体边界分别对称设置在H/V交叉振子阵列的两侧，双框体边界的竖直高度低于H/V交叉振子阵列的高度，双框体边界的一端设置在反射板的平直部分上，其另一端设置所处位置的反射板的弯折部分的上方，双框体边界由多个双框体组成，每个双框体由两个大小不同并同心嵌套的正方形框体组成，两个正方形框体的对角线相重合，两个正方形框体的其中一条对角线与反射板的轴线平行，两个正方形框体的垂直于反射板轴线的对角线上设有一水平段，该水平段将内外正方形框的两侧顶点连为一体。
本发明所述的H/V交叉振子对由呈正交设置的H极化振子和V极化振子组成，H极化振子和V极化振子均包括介质基板以及设置在介质基板两侧的对称振子和微带馈线，H极化振子的微带馈线和V极化振子的微带馈线高低错开不相交。
本发明所述的对称振子包括两个对称设置的振子臂，两振子臂之间设有间隙，振子臂包括竖直巴仑、顶部水平中段和下垂末端，顶部水平中段两端分别连接竖直巴仑和下垂末端，竖直巴仑的上部内侧边缘上开设有L形槽，L形槽长度为L zl = (0.05~0.085)⋅λ L ，顺着振子臂的上边缘内侧开设有至少一条纵向槽，顺着振子臂的下边缘内侧也开设有至少一条纵向槽，位于上边缘的纵向槽的起始端和末端均呈L形，位于上边缘的纵向槽的下垂末端处设有朝内的突起，位于上边缘的纵向槽起始端的L形槽长度为L zql = (0.05~0.09)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
本发明所述的微带馈线包括具有馈电端的起始竖直段、顶部水平段和末端竖直段，顶部水平段的两端分别连接起始竖直段和末端竖直段，在起始竖直段上连接有L形短路枝节，L形短路枝节的长度为L qd =(0.05~0.15)⋅λ L ，在起始竖直段上连接有至少一个水平开路枝节，水平开路枝节的长度为L Sk =(0.01~0.05) ⋅λ L ，末端竖直段包括竖直连接在顶部水平段上的末端开路枝节和末端短路枝节，末端开路枝节的长度为L mk = (0.05~0.15)⋅λ L ，末端短路枝节的长度为L md = (0.10~0.20)⋅λ L， λ L 为最低频率的真空波长。
本发明内侧的L形卷边弯折端的缺口的两侧切角或/和外侧的L形卷边弯折端的缺口的两侧切角。
本发明所述的反射板的平直部分的宽度为W p =(0.85~1.25)⋅λ L 、反射板的弯折部分的宽度为W w = (0.35~0.65)⋅λ L ，反射板的平直部分和弯折部分的高度差为H 0 =(0.10~0.25)⋅λ L ，L形卷边的竖直始端的高度为H ls = (0.25~0.40)⋅λ L 、L形卷边的弯折端卷边的宽度和高度分别为：W lj = (0.10~0.2)⋅λ L 和H lj = (0.15~0.25)⋅λ L ；同侧的两相对设置的L形卷边的竖直始端间距为D l =(0.10~0.15)⋅λ L ，L形卷边的缺口高度和宽度分别为：H q = (0.15~0.25)⋅λ L 、W q = (0.15~0.25)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
本发明的嵌套在内的正方形框体的对角线上设有一个与水平段相垂直的窄矩形框，水平段将内外正方形框体的两侧顶点以及窄矩形框连为一体，位于中央的窄矩形框长为A 3 = (0.35~0.39)⋅λ L ，长宽比9:1~12:1，λ L 为最低频率的真空波长。
本发明的双框体直立时为柱体，其高度低于H/V交叉振子对；外正方形框体的边长分别为：A 1 =(0.45~0.55)⋅λ L ，内正方形框体的边长分别为：A 2 =(0.30~0.40)⋅λ L ，高度为H 1 =(0.22~0.28)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
本发明的天线设有将反射板、由馈电网络馈电的H/V交叉振子阵列以及双框体边界完全包覆住的天线罩，天线罩为标准矩形薄壳腔体或顶部切角矩形薄壳腔体，天线罩采用ABS、ASA、PC、PVC、PE或玻璃钢加工成形。
本发明的多个H/V交叉振子对排成直线H/V交叉振子阵列，H/V交叉振子对的阵元间距相等，L形卷边上的缺口和双框体水平对齐，且与相邻两振子的中间线平齐，相临的缺口间距、相临的双框体间距与相临的H/V交叉振子对间距相等，该间距d=0.6⋅λ L ~0.9⋅λ L ；λ L 为最低频率的真空波长，每侧两对L形卷边的对应缺口数量和双方框体单元数量相等，且比H/V交叉振子对数量至少多1个，使天线水平对称及垂直对称。
本发明为H/V交叉振子阵列馈电的馈电网络为两路馈电网络，两路馈电网络技术上为多级一分二功分器，形式上则为微带线、带状线或同轴线选择组成，馈电网络位于反射板的背部中间位置以及阵列左右两侧位置；为减小馈电网络的后向辐射，可在其后方设置另一个加载馈电网络的金属板。
本发明的外侧的正方形框体的与反射板的轴线相垂直的左右顶点切角，内侧的正方形框体与反射板的轴线相平行的上下顶点切角。
本发明的益效果是：本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施： 1）反射板中间高两侧低，并在两侧边缘分别加载一对朝内、朝外的卷边；2）在地板中间边缘设置一对双框体边界，并优化形状、位置和高度等几何参数，合理设置H/V交叉振子阵列位置，即可实现宽带宽、高增益、超宽波束、双极化、高隔离、低剖面、低成本、易生产的定向基站天线；3）进一步优化末端下垂PCB振子的形状和尺寸；4）进一步优化微带巴仑的几何参数，包括变换段节数及长宽、短路枝节尺寸等；实现了常规方案难以实现的：一、良好匹配，宽带宽，驻波比VSWR≤1.50（5.15~5.85GHz，BW=12.73%）；二、H/V极化高隔离度，端口|S21|优于-30.4dB，；二、H/V双极化超宽波束，H/V极化水平波宽分别为92o~120o、88o~105°；三、H/V双极化高前后比，FTBR>24dB；四、H/V双极化的高交叉极化，XPD>25dB；五、H/V极化较低的旁瓣，归一化SLL低于-11.65dB；六、高增益，窄V面波宽，H/V极化的增益G=14/15dBi，V面波宽分别为：11.62~13.02°、11.2°~12.6°；六、两极化的一致性较好，总体性能优良；七、天线尺寸较小，结构紧凑，长宽高分别为：4.463⋅λ L ×2.335⋅λ L ×0.429⋅λ L （λL为最低频率的真空波长），非常适合局域密集覆盖场合。
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，是超宽波束高增益双极化定向天线的优选方案，而且对于普通高增益定向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为本发明H极化振子模型的正视图。
图3为本发明H极化振子的微带馈线模型正视图。
图4为本发明V极化振子模型的正视图。
图5为本发明V极化振子的微带馈线模型正视图。
图6为本发明H/V极化振子交叉放置时的微带馈线模型侧视图。
图7为本发明H极化振子完整模型的正视图。
图8为本发明V极化振子完整模型的正视图。
图9为本发明H极化振子的介质基板模型的正视图。
图10为本发明V极化振子的介质基板模型的正视图。
图11为本发明H/V交叉振子对的完整模型的侧视图。
图12为本发明H/V交叉振子对的完整模型的正视图。
图13为本发明不带双框体边界的双极化定向天线模型的侧视图。
图14为本发明不带双框体边界的双极化定向天线模型的正视图。
图15为本发明不带双框体边界的双极化定向天线模型的右视图。
图16为本发明的双极化定向天线模型的侧视图。
图17为本发明的双极化定向天线模型的俯视图。
图18为本发明的双极化定向天线模型的正视图。
图19为本发明的双框体的俯视图。
图20为本发明的双框体的侧视图。
图21为本发明的±45°极化阵列天线的完整模型的俯视图。
图22为本发明的H/V极化交叉振子单元的输入阻抗Z in 特性。
图23为本发明的H/V交叉振子对的驻波比VSWR曲线。
图24为本发明的H/V交叉振子对的端口隔离度|S21|。
图25为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 1 =5.15GHz增益方向图。
图26为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 2 =5.50GHz增益方向图。
图27为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 3 =5.85GHz增益方向图。
图28为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 1 =5.15GHz增益方向图。
图29为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 2 =5.50GHz增益方向图。
图30为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 3 =5.85GHz增益方向图。
图31为本发明的H/V交叉振子阵列的水平面半功率波宽HPBW vs. f变化特性。
图32为本发明的H/V交叉振子阵列的竖直面半功率波宽HPBW vs. f变化特性。
图33为本发明的H/V交叉振子阵列的增益G vs. f变化特性。
图34为本发明H/V交叉振子阵列的前后比FTBR vs. f变化特性。
图35为H/V极化PCB交叉振子阵列的归一化旁瓣电平SLL vs. f变化特性。
具体实施方式
下面结合附图给出发明专利的较佳实施例，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本发明。
如图16所示，宽波束高增益双极化定向天线，包括反射板、H/V交叉振子阵列、双框体边界。
如图13-图18所示，反射板的中部为平直部分600，即反射板的中部向上凸起为平面，反射板的两边先朝下再朝两侧弯折为弯折部分，即反射板的两侧分别个有一个低于平直部分的平面，两个弯折部分的边缘各对称加载两对L形卷边603、604，同侧的两对L形卷边背对背设置，位于内侧的L形卷边朝向平直部分设置，位于外侧的L形卷边背向平直部分设置，即位于内侧的L形卷边603朝向反射板中心设置，位于外侧的L形卷边604背朝反射板中心设置，L形卷边的竖直始端与反射板连接，L形卷边的弯折端位于L形卷边的竖直始端的上方，在L形卷边的长度方向上排列开设多个缺口，同侧的两对L形卷边的缺口相对应，缺口从L形卷边弯折端的边缘开设到L形卷边竖直始端的中部，从图16可以看出，侧视的L形卷边如城墙形的外形。
H/V交叉振子阵列设置在反射板的平直部分中心位置并由馈电网络馈电，H/V交叉振子阵列由多个沿反射板轴线方向设置的H/V交叉振子对排列而成；可选用常用H/V交叉振子对进行排列。H/V交叉振子对由呈正交设置的H极化振子和V极化振子组成，H极化振子和V极化振子均包括介质基板以及设置在介质基板两侧的对称振子和微带馈线，H极化振子的微带馈线和V极化振子的微带馈线高低错开不相交。
为进一步优化天线效果，可采用对称振子两臂末端下垂的H/V交叉振子对。
对称振子包括两个对称设置的振子臂，两振子臂之间设有间隙，振子臂包括竖直巴仑、顶部水平中段和下垂末端，顶部水平中段两端分别连接竖直巴仑和下垂末端，竖直巴仑的上部内侧边缘上开设有L形槽，L形槽长度为L zl = (0.05~0.085)⋅λ L ，顺着振子臂的上边缘内侧开设有至少一条纵向槽，顺着振子臂的下边缘内侧也开设有至少一条纵向槽，位于上边缘的纵向槽的起始端和末端均呈L形，位于上边缘的纵向槽的下垂末端处设有朝内的突起，位于上边缘的纵向槽起始端的L形槽长度为L zql = (0.05~0.09)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。微带馈线包括具有馈电端的起始竖直段、顶部水平段和末端竖直段，顶部水平段的两端分别连接起始竖直段和末端竖直段，在起始竖直段上连接有L形短路枝节，L形短路枝节的长度为L qd =(0.05~0.15)⋅λ L ，在起始竖直段上连接有至少一个水平开路枝节，水平开路枝节的长度为L Sk =(0.01~0.05) ⋅λ L ，末端竖直段包括竖直连接在顶部水平段上的末端开路枝节和末端短路枝节，末端开路枝节的长度为L mk = (0.05~0.15)⋅λ L ，末端短路枝节的长度为L md = (0.10~0.20)⋅λ L， λ L 为最低频率的真空波长。
双框体边界设有两对，两对双框体边界分别对称设置在H/V交叉振子阵列的两侧，双框体边界的竖直高度低于H/V交叉振子阵列的高度，双框体边界的一端设置在反射板的平直部分上，其另一端设置所处位置的反射板的弯折部分的上方，即双框体边界的一端设置在平直部分上，另一部分悬空设置在弯折部分的平面上方，双框体边界由多个双框体组成，每个双框体由两个大小不同并同心嵌套的正方形框体组成，两个正方形框体的对角线相重合，两个正方形框体的其中一条对角线与反射板的轴线平行，反射板的轴线方向为天线的垂直方向，与反射板的轴线方向相垂直的方向为天线的水平方向，两个正方形框体的垂直于反射板轴线的对角线上设有一水平段，该水平段将内外正方形框的两侧顶点连为一体。
如图13所示，内侧的L形卷边603弯折端的缺口的两侧切角或/和外侧的L形卷边604弯折端的缺口的两侧切角。该种设置可进一步缩小天线尺寸，优化天线的效果，同样，可以将外侧的正方形框体的与反射板的轴线相垂直的左右顶点切角，内侧的正方形框体与反射板的轴线相平行的上下顶点切角，以提升H/V极化的一致性。
本发明所述的反射板的平直部分的宽度为W p =(0.85~1.25)⋅λ L 、反射板的弯折部分的宽度为W w = (0.35~0.65)⋅λ L ，反射板的平直部分和弯折部分的高度差为H 0 =(0.10~0.25)⋅λ L ，L形卷边的竖直始端的高度为H ls = (0.25~0.40)⋅λ L 、L形卷边的弯折端卷边的宽度和高度分别为：W lj = (0.10~0.2)⋅λ L 和H lj = (0.15~0.25)⋅λ L ；同侧的两相对设置的L形卷边的竖直始端间距为D l =(0.10~0.15)⋅λ L ，L形卷边的缺口高度和宽度分别为：H q = (0.15~0.25)⋅λ L 、W q = (0.15~0.25)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。同侧的L形卷边的缺口可以不同高，但同侧的L形卷边的缺口宽度最好相同，应保证同侧缺口的中心对应。
本发明的嵌套在内的正方形框体的对角线上设有一个与水平段相垂直的窄矩形框，水平段将内外正方形框体的两侧顶点以及窄矩形框连为一体，窄矩形框位于内侧的正方形框体的内部，由水平段将内外框的垂直于反射板轴线的两侧顶点以及窄矩形框连为一体，位于中央的窄矩形框长为A 3 = (0.35~0.39)⋅λ L ，长宽比9:1~12:1，λ L 为最低频率的真空波长。
本发明的双框体直立时为柱体，其高度低于H/V交叉振子对；外正方形框体的边长分别为：A 1 =(0.45~0.55)⋅λ L ，内正方形框体的边长分别为：A 2 =(0.30~0.40)⋅λ L ，内外正方形框体的高度为H 1 = (0.22~0.28)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。H极化振子长度和高度分别为：(0.45~0.55)×λL、(0.25~0.30)×λL
本发明的天线设有将反射板、由馈电网络馈电的H/V交叉振子阵列以及双框体边界完全包覆住的天线罩，天线罩为标准矩形薄壳腔体或顶部切角矩形薄壳腔体，天线罩采用ABS、ASA、PC、PVC、PE或玻璃钢加工成形。
本发明的多个H/V交叉振子对排成直线H/V交叉振子阵列，H/V交叉振子对的阵元间距相等，L形卷边上的缺口和双框体水平对齐，且与相邻两振子的中间线平齐，相临的缺口间距、相临的双框体间距与相临的H/V交叉振子对间距相等，该间距d=0.6⋅λ L ~0.9⋅λ L ；λ L 为最低频率的真空波长，每侧两对L形卷边的对应缺口数量和双方框体单元数量相等，且比H/V交叉振子对数量至少多1个，使天线水平对称及垂直对称。
本发明为H/V交叉振子阵列馈电的馈电网络为两路馈电网络，两路馈电网络技术上为多级一分二功分器，形式上则为微带线、带状线或同轴线选择组成，馈电网络位于反射板的背部中间位置以及阵列左右两侧位置；为减小馈电网络的后向辐射，可在其后方设置另一个加载馈电网络的金属板，该金属板可中间向上凸起与反射板的背面相贴，两侧弯折成凹形可将两侧的L形弯折包围起来。
宽波束高增益双极化定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H极化振子。H极化振子包括对称振子、微带馈线和介质基板三部分，下面分别予以介绍。在XOZ平面，以Z轴为对称轴构造对称振子，振子臂包括竖直巴仑102、顶部水平中段110和末端下垂段108；两振子臂之间有间隙，竖直巴仑102的底面为平面101，平面101与反射板连接，竖直巴仑102内侧边缘103的上部开有L形槽104，内侧边缘103的顶部则切有缺口113，顺着顶部水平中段110和末端下垂段108的上下边缘107、105，分别开一条纵向槽109、106，其中上边缘的纵向槽109包括L形起始部分112和末端突起部分111，见图2所示。在竖直巴仑102一侧（Y轴方向），设置宽带微带馈线200，包括起始竖直段、顶部水平段和末端竖直段，它们分别包括：馈电端201、变换段202、203和207、锥销段204、L形短路枝节205（标号206为短路点）、水平开路枝节208和209，顶部水平段210，末端开路枝节211和末端短路枝节212（213为短路点），水平开路枝节的长度为L Sk =(0.01~0.05) ⋅λ L ，末端开路枝节的长度为L mk = (0.05~0.15)⋅λ L ，末端短路枝节的长度为L md = (0.10~0.20)⋅λ L， 如图3所示。然后，在H极化振子的对称振子和微带馈线之间，设置介质基板400，其外形与对称振子基本相同，并自中心底部朝上开一纵向缝401，如图9所示。至此，H极化振子构造完成，H极化振子长度和高度分别为：0.464×λL、0.275×λL（λL为最低频率的真空波长），如图7所示；
步骤三，构造V极化振子。在YOZ平面，以Z轴为对称轴构造对称振子，振子臂包括竖直巴仑702、顶部水平中段710和末端下垂段708；两振子臂之间有间隙，竖直巴仑102的底面为平面701，平面701与反射板连接，竖直巴仑702内侧边缘703的上部开有L形槽704，内侧边缘703的顶部则切有缺口713，顺着顶部水平中段和末端下垂段的上下边缘707和705，分别开一条纵向槽709、706，其中上边缘的纵向槽709包括L形起始部分712和末端突起部分711，见图2所示。在竖直巴仑一侧（Y轴方向），设置宽带微带馈线300，包括起始竖直段、顶部水平段和末端竖直段，它们分别包括：馈电端301、变换段302、303和307、锥销段304、L形短路枝节305（306为短路点）、水平开路枝节308和309，顶部水平段310，末端开路枝节311和末端短路枝节312（313为短路点），如图3所示。然后，在V级化振子的对称振子和微带馈线之间，设置介质基板500，其外形与振子基本相同，并自中心顶部朝下开一纵向缝501，如图10所示。至此，V极化振子完成构造，如图8所示；
步骤四，构造H/V交叉振子对。将步骤二、步骤三的H/V极化振子正交相嵌放置，两介质基板400、500上的中心槽401、501相互嵌合，它们的总长度等于基板高度，H/V极化的微带馈线顶部水平段分别在上方和下方，由此避免了相互交叉，如图6所示。然后，在H/V交叉振子对的正下方设置一块反射板。至此，H/V交叉振子对完成构造，如图11~12所示；
步骤五，组阵并设置反射板。将步骤四的H/V交叉振子对，沿着Y轴方向组成五元均匀H/V交叉振子阵列，设置两路功分网络进行馈电。然后，在H/V交叉振子阵列下方设置金属反射板，反射板的轴线方向为Y轴方向，反射板中间为平直部分600，两边先朝下方、再朝两侧弯折，形成侧壁601和水平段602组成的弯折部分。最后，在反射板两侧边缘对称加载两对L形卷边603、604，它们分别朝内和朝外弯折。然后，在L形卷边603、604上切出一组缺口，于是呈现出城墙形的外形，缺口从L形卷边603、604的下垂末端延伸至竖直始端的中部位置606，并分别在卷边603、604的内侧缺口顶部和外侧缺口顶部两侧切角605，缺口在水平方向（X轴方向）与两相邻H/V交叉振子对的中间线平齐，如图13~15所示；
步骤六，添加双框体边界。在步骤五的反射板的中间平直部分的两侧边缘处，再加载一对双框体边界，双框体边界由多个双框体607排列而成，双框体呈正方形，大小各异并同心嵌套，它们的对角线均位于水平（X轴方向）和竖直方向（Y轴方向）；外正方形框体610的X轴方向左右顶点切角，内框体609则Y轴方向上下顶点切角；在两框体的Y轴竖直对角线上有一窄矩形框612，然后用X轴方向的一水平段611将内外框体的左右顶点以及中央窄矩形框连为一体；双框体直立时为柱体，其高度比H/V交叉振子对稍矮，如图16~20所示。
最终构造而成的宽波束高增益双极化定向天线如图21所示。
图22为本发明的H/V极化交叉振子单元的输入阻抗Z in 特性。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H极化，虚线表示V极化；光滑线表示实部R in ，加点线表示虚部X in 。由图知，在5.15~5.85GHz频段，H/V极化实虚部的变化范围分别为：+36.3~+60.47Ω、-8.77~+8.73Ω和+43.86~+57.16Ω、+9.35~+16.56Ω，具有良好好的宽带阻抗特性。
图23为本发明的H/V交叉振子对的驻波比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H极化，虚线表示V极化。由图知，交叉振子单元在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），实现了良好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤1.50，最低达1.12；相对带宽为12.73%。
图24为本发明的H/V交叉振子对的端口隔离度|S21|。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是H/V端口隔离度，单位是dB。由图知，H/V极化交叉振子单元在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），两端口隔离度优于-30.4dB，非常理想。
图25为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 1 =5.15GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到120°、竖直面波宽很窄，仅13°，交叉极化XPD>25.58dB，极化纯度较好。
图26为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 2 =5.50GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到92°、竖直面波宽很窄，仅12.3°，交叉极化XPD>28.38dB，极化纯度较好。
图27为本发明的H/V交叉振子阵列的H极化在f 3 =5.85GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到96°、竖直面波宽很窄，仅11.65°，交叉极化XPD>22.55dB，极化纯度较好。
图28为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 1 =5.15GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到105°、竖直面波宽很窄，仅12.6°，交叉极化XPD>25.1dB，极化纯度较好。
图29为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 2 =5.50GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到95°、竖直面波宽很窄，仅12.0°，交叉极化XPD>29.78dB，极化纯度较好。
图30为本发明的H/V交叉振子阵列的V极化在f 3 =5.85GHz增益方向图。其中，实线为水平面（XOZ平面），虚线为竖直面（YOZ平面）；粗线为主极化，细线为交叉极化。由图知，水平面波宽很宽，达到88°、竖直面波宽很窄，仅11.2°，交叉极化XPD>36.51dB，极化纯度较好。
图31为本发明的H/V交叉振子阵列的水平面半功率波宽HPBW vs. f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是半功率波宽，单位为deg；实线表示H极化，虚线表示V极化。由图知，H/V极化在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），水平面波宽分别为92°~120°、88°~105°，两极化的水平波宽最大相差15°，说明所加边界对于两极化无法呈现完全相同的特性。
图32为本发明的H/V交叉振子阵列的竖直面半功率波宽HPBW vs. f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是半功率波宽，单位为deg；实线表示H极化，虚线表示V极化。由图知，H/V极化在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），竖直面波宽分别为11.62°~13.02°、11.2°~12.6°，两极化的水平波宽最大相差0.4°，说明竖直面波宽差异主要由阵列间距决定。
图33为本发明的H/V交叉振子阵列的增益G vs. 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，单位为dBi；实线表示H极化，虚线表示V极化。由图知，H/V极化在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），增益分别为13.58~14.30dBi、14.35~15.46dBi，两极化的增益有1dBi左右的差异，说明所加边界对于两极化无法呈现完全相同的特性。
图34为本发明H/V交叉振子阵列的前后比FTBR vs. 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，单位为dB；实线表示H极化，虚线表示V极化。由图知，H/V极化在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），FTBR分别为为24dB、25dB~37dB，两极化的前后比差异较大，说明所加边界对于两极化无法呈现完全相同的特性。
图35为H/V极化PCB交叉振子阵列的归一化旁瓣电平SLL vs. f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是归一化SLL，单位为dB；光滑线表示H极化，点线表示V极化。由图知，两极化在5.15~5.85GHz频段（BW=700MHz，12.73%），归一化SLL分别为-11.65~-13.2dB、-13.70~-14.05dB，两极化的SLL较好。
Claims (10)
1.宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：包括反射板、H/V交叉振子阵列、双框体边界；
所述的反射板的中部为平直部分，反射板的两边先朝下再朝两侧弯折为弯折部分，两个弯折部分的边缘各对称加载两对L形卷边，同侧的两对L形卷边背对背设置，位于内侧的L形卷边朝向平直部分设置，位于外侧的L形卷边背向平直部分设置，L形卷边的竖直始端与反射板连接，L形卷边的弯折端位于L形卷边的竖直始端的上方，在L形卷边的长度方向上排列开设多个缺口，同侧的两对L形卷边的缺口相对应，缺口从L形卷边弯折端的边缘开设到L形卷边竖直始端的中部；
所述的H/V交叉振子阵列设置在反射板的平直部分中心位置并由馈电网络馈电，H/V交叉振子阵列由多个沿反射板轴线方向设置的H/V交叉振子对排列而成；
所述的双框体边界设有两对，两对双框体边界分别对称设置在H/V交叉振子阵列的两侧，双框体边界的竖直高度低于H/V交叉振子阵列的高度，双框体边界的一端设置在反射板的平直部分上，其另一端设置所处位置的反射板的弯折部分的上方，双框体边界由多个双框体组成，每个双框体由两个大小不同并同心嵌套的正方形框体组成，两个正方形框体的对角线相重合，两个正方形框体的其中一条对角线与反射板的轴线平行，两个正方形框体的垂直于反射板轴线的对角线上设有一水平段，该水平段将内外正方形框的两侧顶点连为一体。
2.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：所述的H/V交叉振子对由呈正交设置的H极化振子和V极化振子组成，H极化振子和V极化振子均包括介质基板以及设置在介质基板两侧的对称振子和微带馈线，H极化振子的微带馈线和V极化振子的微带馈线高低错开不相交。
3.如权利要求2所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：所述的对称振子包括两个对称设置的振子臂，两振子臂之间设有间隙，振子臂包括竖直巴仑、顶部水平中段和下垂末端，顶部水平中段两端分别连接竖直巴仑和下垂末端，竖直巴仑的上部内侧边缘上开设有L形槽，L形槽长度为L zl = (0.05~0.085)⋅λ L ，顺着振子臂的上边缘内侧开设有至少一条纵向槽，顺着振子臂的下边缘内侧也开设有至少一条纵向槽，位于上边缘的纵向槽的起始端和末端均呈L形，位于上边缘的纵向槽的下垂末端处设有朝内的突起，位于上边缘的纵向槽起始端的L形槽长度为L zql = (0.05~0.09)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
4.如权利要求2所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：所述的微带馈线包括具有馈电端的起始竖直段、顶部水平段和末端竖直段，顶部水平段的两端分别连接起始竖直段和末端竖直段，在起始竖直段上连接有L形短路枝节，L形短路枝节的长度为L qd =(0.05~0.15)⋅λ L ，在起始竖直段上连接有至少一个水平开路枝节，水平开路枝节的长度为L Sk =(0.01~0.05) ⋅λ L ，末端竖直段包括竖直连接在顶部水平段上的末端开路枝节和末端短路枝节，末端开路枝节的长度为L mk = (0.05~0.15)⋅λ L ，末端短路枝节的长度为L md = (0.10~0.20)⋅λ L， λ L 为最低频率的真空波长。
5.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：内侧的L形卷边弯折端的缺口的两侧切角或/和外侧的L形卷边弯折端的缺口的两侧切角。
6.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：所述的反射板的平直部分的宽度为W p =(0.85~1.25)⋅λ L 、反射板的弯折部分的宽度为W w = (0.35~0.65)⋅λ L ，反射板的平直部分和弯折部分的高度差为H 0 =(0.10~0.25)⋅λ L ，L形卷边的竖直始端的高度为H ls = (0.25~0.40)⋅λ L 、L形卷边的弯折端卷边的宽度和高度分别为：W lj = (0.10~0.2)⋅λ L 和H lj = (0.15~0.25)⋅λ L ；同侧的两相对设置的L形卷边的竖直始端间距为D l =(0.10~0.15)⋅λ L ，L形卷边的缺口高度和宽度分别为：H q = (0.15~0.25)⋅λ L 、W q = (0.15~0.25)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
7.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：嵌套在内的正方形框体的对角线上设有一个与水平段相垂直的窄矩形框，水平段将内外正方形框体的两侧顶点以及窄矩形框连为一体，位于中央的窄矩形框长为A 3 = (0.35~0.39)⋅λ L ，长宽比9:1~12:1，λ L 为最低频率的真空波长。
8.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：双框体直立时为柱体，其高度低于H/V交叉振子对；外正方形框体的边长分别为：A 1 =(0.45~0.55)⋅λ L ，内正方形框体的边长分别为：A 2 =(0.30~0.40)⋅λ L ，高度为H 1 = (0.22~0.28)⋅λ L ，λ L 为最低频率的真空波长。
9.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：天线设有将反射板、由馈电网络馈电的H/V交叉振子阵列以及双框体边界完全包覆住的天线罩，天线罩为标准矩形薄壳腔体或顶部切角矩形薄壳腔体，天线罩采用ABS、ASA、PC、PVC、PE或玻璃钢加工成形。
10.如权利要求1所述的宽波束高增益双极化定向天线，其特征在于：多个H/V交叉振子对排成直线H/V交叉振子阵列，H/V交叉振子对的阵元间距相等，L形卷边上的缺口和双框体水平对齐，且与相邻两振子的中间线平齐，相临的缺口间距、相临的双框体间距与相临的H/V交叉振子对间距相等，该间距d=0.6⋅λ L ~0.9⋅λ L ；λ L 为最低频率的真空波长，每侧两对L形卷边的对应缺口数量和双方框体单元数量相等，且比H/V交叉振子对数量至少多1个，使天线水平对称及垂直对称。
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Legal Events
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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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