CN109713428A

CN109713428A - 一种多频段高增益天线

Info

Publication number: CN109713428A
Application number: CN201811602246.0A
Authority: CN
Inventors: 李旭; 彭聪
Original assignee: Beijing Jiaotong University; China Railway Corp
Current assignee: Beijing Jiaotong University; China Railway Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109713428B

Abstract

本发明提供了一种多频段高增益天线，包括：天线辐射体、底座、射频口、外壳和功分器，馈口设置在底座的顶部，射频口固定在底座的底部，馈口和射频口均垂直于底座；功分器设置在底座的内部，底部与射频口的顶部连接，顶部的端口与馈口连接；天线辐射体包括至少两个天线辐射单元；每个天线辐射单元包括：辐射振子、加载圆盘和短路接地辐射枝；辐射振子包括：主振子、第一副振子和第二副振子；主振子的底部与馈口连接，第一副振子上设置有与加载圆盘连接的弯折部；第二副振子上设置有多阶弯折部；短路接地辐射枝的两端分别与主振子和底座连接；外壳的底部与底座固定连接。应用本发明可以解决现有技术中多频段天线的尺寸较大以及增益较低的问题。

Description

一种多频段高增益天线

技术领域

本申请涉及铁路通信系统技术领域，尤其涉及一种多频段高增益天线。

背景技术

铁路专用长期演进(Long Term Evolution-Railway，LTE-R)系统是基于LTE系统进行架构的。由于LTE系统的设计即以为终端提供高带宽为目的，因此LTE-R系统亦能为终端提供较高的吞吐量，满足铁路无线通信的需求。

天线作为传输无线信息的桥梁，其性能的好坏将直接影响整个系统的无线传输参数。为满足铁路LTE-R系统所具有的高速率、高安全的特点，提高铁路无线通信中天线的增益是一个有效的解决办法。限定空间内的高增益天线的研究对提高铁路系统的性能具有非常重要的意义。

目前，现有技术中的铁路多频段天线大都采用盘锥或螺旋天线结构来实现多频段，但是这种多频段天线的尺寸比较大，不能满足高速的移动环境，无法在有限的空间中实现高性能的多频段。现有技术中的天线通过单天线对应单一业务，通过多根天线去满足多业务的需求，各根天线之间的相互影响较为严重。现有技术中的多频段天线由于设计的限制等方面的原因，其增益最高大致为2dBi左右，因此天线辐射的覆盖质量较低，导致通信的质量较差。

综上可知，由于现有技术中的铁路多频段天线具有如上所述的缺点，因此如何结合传统铁路天线和设计思路，进行有效的改进，以提出一种适应LTE-R系统的高性能天线，是本领域中亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多频段高增益天线，从而可以解决现有技术中多频段天线的尺寸较大以及增益较低的问题。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种多频段高增益天线，该多频段高增益天线包括：天线辐射体、底座、射频口、外壳和功分器；

其中，所述底座的底部设置有射频安装孔，所述底座的顶部设置有馈口，且所述馈口垂直于所述底座；

所述射频口穿过所述底座上的射频安装孔并固定在所述底座的底部，且所述射频口垂直于所述底座；

所述功分器设置在所述底座的内部，所述功分器的底部与射频口的顶部连接，所述功分器顶部的端口与馈口连接；

天线辐射体包括至少两个天线辐射单元；

每个天线辐射单元均包括：辐射振子、加载圆盘和短路接地辐射枝；

其中，所述辐射振子包括：主振子、第一副振子和第二副振子；

所述主振子的底部与所述馈口连接，

所述第一副振子的一端与所述主振子的中部垂直连接，另一端设置有弯折部，且弯折部的顶端与所述加载圆盘的底部连接；

所述第二副振子的一端与所述主振子的顶部垂直连接，另一端设置有多阶弯折部；

所述短路接地辐射枝的一端与主振子连接，另一端与底座连接；

所述外壳的底部与所述底座固定连接。

较佳的，所述辐射振子为无切断的独立金属体；

其中，所述辐射振子的主振子在向上延伸一个预设长度之后分别向两边弯折以形成第一副振子和第二副振子，而所述第一副振子和第二副振子在延伸预设长度之后分别再次进行弯折以形成弯折部或多阶弯折部。

较佳的，所述所述功分器为威尔金森功分器。

较佳的，相邻两个天线辐射单元之间的垂直距离小于1/4谐振波长；

相邻两个馈口之间的垂直距离小于1/4谐振波长。

较佳的，所述底座上设置有馈源同轴电缆，所述短路接地辐射枝的底部与所述底座以及所述馈源同轴电缆内导体的金属探针连接。

较佳的，所述内导体的馈源探针与所述短路接地辐射枝的底部焊接在一起，且所述内导体的馈源探针被黑胶带包裹。

较佳的，所述射频口的底部与馈线连接。

较佳的，所述加载圆盘的厚度为1～2毫米，直径为5～6毫米。

较佳的，所述多频段天线的外壳为鳍形外壳。

较佳的，所述外壳与底座通过硅胶和螺丝连接。

如上可见，在本发明中的多频段高增益天线中，设置了至少两个天线辐射单元，从而构成了一个阵列天线。其中，每个天线辐射单元都可通过功分器进行馈电，且每个天线辐射单元都包括一根主振子和两根长度不同的高频垂直振子与低频垂直振子。其中，低频段对应的第二副振子通过多阶弯折部的多次弯折进行小型化，从而可以降低谐振点，形成低频段的一个谐振点；而高频段对应的第一副振子采取向对侧弯折的辐射枝，并在在辐射枝的末端进行加顶，增加辐射，并提高天线的电长度，从而不仅强化了辐射的强度，满足高频段的辐射，而且还缩小了天线的尺寸，使得天线更容易进行小型化，并解决了空间天线方向图的全向性以及不圆度较大的问题。此外，由于在主振子上还引出了短路接地辐射枝，从而既可用于谐振枝的匹配，达到天线匹配的效果，同时通过其与地面的连接加强了电流，相当于串联了电感，从而可以达到进一步减小天线的尺寸的效果。

因此，本发明中的多频段高增益天线可以在限定的空间内通过组阵的方式达到高增益的效果，可以有效地解决高速移动场景下天线的覆盖质量问题，为天线带来了更大的通信传输速率和辐射效率。另外，本发明的技术方案还缩小了多频段天线的整体尺寸，使得多频段天线可以更小型化。

附图说明

图1为本发明实施例中的无外壳的多频段高增益天线的立体示意图。

图2为本发明实施例中的无外壳的多频段高增益天线的侧面截面图。

图3为本发明实施例中的底座、射频口和功分器的侧面示意图。

图4为本发明实施例中的底座的俯视图。

图5为本发明实施例中的底座的仰视图。

图6为本发明实施例中的多频段高增益天线的侧面示意图。

图7为本发明实施例中的多频段高增益天线的俯视图。

图8为本发明实施例中的多频段高增益天线的截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

如图1～图8所示，本发明实施例中的多频段高增益天线包括：天线辐射体11、底座12、射频口13、外壳14和功分器15；

其中，所述底座12的底部设置有射频安装孔121，所述底座12的顶部设置有馈口122，且所述馈口122垂直于所述底座12；

所述射频口13穿过所述底座12上的射频安装孔121并固定在所述底座12的底部，且所述射频口13垂直于所述底座12；

所述功分器15设置在所述底座12的内部，所述功分器15的底部与射频口13的顶部连接，所述功分器15顶部的端口与馈口122连接；

天线辐射体11包括至少两个天线辐射单元(例如，图1中所示的天线辐射单元111和112)；

每个天线辐射单元均包括：辐射振子101、加载圆盘102和短路接地辐射枝103；

其中，所述辐射振子101包括：主振子21、第一副振子22和第二副振子23；

所述主振子21的底部与所述馈口122连接，

所述第一副振子22的一端与所述主振子21的中部垂直连接，另一端设置有弯折部221，且弯折部221的顶端与所述加载圆盘102的底部连接；

所述第二副振子23的一端与所述主振子21的顶部垂直连接，另一端设置有多阶弯折部231；

所述短路接地辐射枝103的一端与主振子21连接，另一端与底座12连接；

所述外壳14的底部与所述底座12固定连接。

另外，在本发明的技术方案中，所述底座、射频口和功分器可以是一体成型的一体化结构。其中，所述底座可以是金属底座，可以是一个完整的金属体，其无独立的金属边条。

在本发明的技术方案中，所述射频口和底座可以使用多种连接方式。例如，作为本发明的一个较佳的具体实施方式，所述的射频口可以焊接在底座上。

再例如，作为本发明的另一个较佳的具体实施方式，所述的射频口可以通过多个螺丝(例如，4个十字形螺丝)以及硅胶固定在所述底座的底部。

另外，在本发明的技术方案中，设置在底座顶部的馈口的数量与天线辐射单元的数量相等，从而可以使得每个天线辐射单元的底部都可以分别与对应的一个馈口连接。

在本发明的技术方案中，所述功分器嵌入在底座的内部，该功分器的底部与射频口的顶部连接，该功分器的顶部的端口与底座顶部的馈口连接，因此，该功分器的端口可以与底座形成天线“地”。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述功分器可以是一分二的威尔金森功分器。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，相邻两个天线辐射单元之间的垂直距离小于1/4谐振波长；相邻两个馈口之间的垂直距离也小于1/4谐振波长。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述底座上还设置有馈源同轴电缆，所述短路接地辐射枝103的底部与所述底座以及所述馈源同轴电缆内导体的金属探针连接。

例如，可以将所述内导体的馈源探针与所述短路接地辐射枝103的底部焊接在一起，并用黑胶带(金属保护专用)包裹住所述内导体的馈源探针，以保证连接的可靠性以及探针的非干扰性。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述射频口的底部与馈线连接。此外，在本发明的技术方案中，还可以预留足够长度的馈线，以便于馈线头可以被拉到足够远以进行天线的连接操作。

另外，在本发明的技术方案中，可以将所述馈线拉出与射频口连接并拧紧，将馈线固定好并用防水胶带在接口处反复缠绕多圈(例如，4-5圈)，以做好接头的防水。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述天线辐射体可以焊接(例如，激光焊接)在所述金属底座的馈口上。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述天线辐射单元也可以是一体化结构，即所述辐射振子101、加载圆盘102和短路接地辐射枝103可以是一体成型的一体化结构。

在本发明的技术方案中，基于铁路LTE-R系统中严格的尺寸限制和设计要求以及天线外壳形状的局限性，根据天线组阵的思路，在多频段高增益天线中设置了至少两个天线辐射单元，从而构成了一个阵列天线。其中，每个阵元(即天线辐射单元)都可通过功分器进行馈电，且每个天线辐射单元都包括一根主振子和两根长度不同的高频垂直振子与低频垂直振子。其中，低频段对应的单极子天线(即第二副振子23)可以通过多阶弯折部的多次弯折进行小型化，形成低频段的一个谐振点，从而可以降低谐振点；而高频段对应的单极子天线(即第一副振子22)采取向对侧弯折的辐射枝，并在在辐射枝的末端进行加顶(即与加载圆盘102连接)，增加辐射，并提高天线的电长度，从而不仅强化了辐射的强度，满足高频段的辐射，而且还缩小了天线的尺寸，使得天线更容易进行小型化，并解决了空间天线方向图的全向性以及不圆度较大的问题。此外，由于在主谐振枝(即主振子21)上还引出了接地振子枝节(即短路接地辐射枝)，从而既可用于谐振枝的匹配，达到天线匹配的效果，同时通过其与地面的连接加强了电流，相当于串联了电感，从而可以达到进一步减小天线的尺寸的效果。因此，上述阵列天线中的每个阵元(即天线辐射单元)都可以满足天线的小型化以及提高辐射的特点，使得阵列天线在有限的空间内达到全向的同时还可以满足增加天线高增益的特点。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述底座12上设置有安装孔123，用于将所述底座12安装在用于安装所述多频段高增益天线的平面上(例如，列车的顶部平面上)。

另外，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述底座的安装孔内还设置有尼龙塞和平垫片。当需要将安装底座时，可以在所述安装孔中竖直插入固定螺栓，并依次放入垫片、弹垫，然后拧紧螺帽，将底座固定在用于安装所述多频段高增益天线的平面上。

另外，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述底座也由铜材料制成，即用铜材料进行机械加工，表面进行防氧化处理和喷塑处理。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述天线辐射单元由铜材料制成，即用铜材料进行机械加工，表面进行防氧化处理。

在本发明的一个具体实施例中，所述辐射振子可以是一个无切断的独立金属体。其中，该辐射振子的主振子在向上延伸一个预设长度之后开始分别向两边弯折以形成两根副振子(即第一副振子和第二副振子)，而两根副振子在延伸预设长度之后可以再次进行弯折以形成弯折部，从而可以使得第一副振子(即高频垂直振子)和第二副振子(即低频垂直振子)分别使用不同的工作频点。

在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，预先设置上述主振子、第一副振子和第二副振子的长度。例如，辐射振子的总长度可以根据谐振频率的八分之一进行左右调动，并在保持合理分配空间的前提下，设置合理的主振子的高度，并设置第一副振子和第二副振子的长度。

另外，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述第一副振子的弯折部与所述加载圆盘的底部可以焊接在一起，从而可以进一步保证整个多频段高增益天线的结构的稳定性。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述外壳与底座可以通过硅胶和螺丝连接，使得连接更加牢固，并且还可以使得整个天线形成天线“地”。

另外，如图8所示，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述底座上与外壳的底部的连接处的内侧还设置有防水墙41，用于防水。

另外，如图8所示，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述底座与外壳的底部的连接处还设置有防水胶垫，用于防水。

另外，如图8所示，在本发明的另一个较佳的具体实施方式中，所述底座的底部还设置有底部胶垫43，用于防滑和减震。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，如图6和图8所示，所述多频段高增益天线的外壳可以是鳍形外壳，用于满足LTE-R系统的高速移动性。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述多频段高增益天线的外壳可以是一体形成的外壳。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述多频段高增益天线的外壳由阻燃聚碳酸材料制成，用阻燃聚碳酸材料进行模具加工即可制得。

此外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用场景的需求(例如，谐振工作频率)，预先设置所述第一加载圆盘和第二加载圆盘的厚度和/或大小。

例如，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述加载圆盘的厚度可以是1～2毫米(mm)，直径可以是5～6mm左右。当然，在其它的具体实现方式中，该厚度和直径也可以是其它的取值，在此不再一一赘述。在本发明的技术方案中，所述加载圆盘可以起到增强辐射以及小型化的作用。

再例如，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，可以根据实际应用所需的辐射谐振频率来设置第一副振子以及第二副振子的物理长度。一般情况下，所需的辐射谐振频率越大，则副振子物理长度越短；辐射谐振频率越小，则副振子物理长度越长。当然，在进行上述设置时，还需要考虑当物理长度过大而超出底板限制范围以及“鳍形”外壳的问题。

此外，在本发明的一个较佳的具体实施方式中，所述加载圆盘的形状为椭圆形。在本发明的技术方案中，由于辐射振子(包括主振子、第一副振子和第二副振子)为一个弯折结构，在空间所产生的辐射方向图与地面有一定的夹角，因此将加载圆盘的形状设置为椭圆圆盘状，可以使得辐射振子的辐射方向图在水平面呈现出全向性。

综上所述，在本发明的技术方案中，基于铁路LTE-R系统中严格的尺寸限制和设计要求以及天线外壳形状的局限性，根据天线组阵的思路，在多频段高增益天线中设置了至少两个天线辐射单元，从而构成了一个阵列天线。其中，每个天线辐射单元都可通过功分器进行馈电，且每个天线辐射单元都包括一根主振子和两根长度不同的高频垂直振子与低频垂直振子。其中，低频段对应的第二副振子通过多阶弯折部的多次弯折进行小型化，形成低频段的一个谐振点，从而可以降低谐振点；而高频段对应的第一副振子采取向对侧弯折的辐射枝，并在在辐射枝的末端进行加顶，增加辐射，并提高天线的电长度，从而不仅强化了辐射的强度，满足高频段的辐射，而且还缩小了天线的尺寸，使得天线更容易进行小型化，并解决了空间天线方向图的全向性以及不圆度较大的问题。此外，由于在主振子上还引出了短路接地辐射枝，从而既可用于谐振枝的匹配，达到天线匹配的效果，同时通过其与地面的连接加强了电流，相当于串联了电感，从而可以达到进一步减小天线的尺寸的效果。

因此，本发明中的多频段高增益天线可以在限定的空间内通过组阵的方式达到高增益的效果，例如，现有技术中的多频段天线的增益最高大致为2dBi左右，而本发明中的多频段高增益天线的增益可以达到3.5dBi以上。天线的增益高可以提高通信的质量，因此增益高的多频段天线可以契合新一代铁路无线通信LTE-R的需求。所以，本发明中的技术方案可以有效地解决高速移动场景下天线的覆盖质量问题，为天线带来了更大的通信传输速率和辐射效率。

另外，本发明的技术方案还缩小了多频段天线的整体尺寸，使得多频段天线可以更小型化。例如，现有技术中的铁路无线通信系统中的天线高度一般为120mm左右，而本发明中的多频段高增益天线的高度为90mm，缩小了较大的尺寸规格。

此外，在本发明的技术方案中，还可以巧妙地通过对底座的改造使得原本“固定”的底座的设计变得灵活化，同时还可以巧妙地设计天线辐射单元之间的距离，使得其与天线的外壳可以完美契合，充分利用空间且同时满足天线的高速适应性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种多频段高增益天线，其特征在于，该多频段高增益天线包括：天线辐射体、底座、射频口、外壳和功分器；

天线辐射体包括至少两个天线辐射单元；

所述主振子的底部与所述馈口连接，

所述外壳的底部与所述底座固定连接。

2.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述辐射振子为无切断的独立金属体；

3.根据权利要求1或2所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述所述功分器为威尔金森功分器。

4.根据权利要求3所述的多频段高增益天线，其特征在于：

相邻两个天线辐射单元之间的垂直距离小于1/4谐振波长；

相邻两个馈口之间的垂直距离小于1/4谐振波长。

5.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述底座上设置有馈源同轴电缆，所述短路接地辐射枝的底部与所述底座以及所述馈源同轴电缆内导体的金属探针连接。

6.根据权利要求5所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述内导体的馈源探针与所述短路接地辐射枝的底部焊接在一起，且所述内导体的馈源探针被黑胶带包裹。

7.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述射频口的底部与馈线连接。

8.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述加载圆盘的厚度为1～2毫米，直径为5～6毫米。

9.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述多频段天线的外壳为鳍形外壳。

10.根据权利要求1所述的多频段高增益天线，其特征在于：

所述外壳与底座通过硅胶和螺丝连接。