CN111224241A - 水平极化全向天线及天线测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平极化全向天线及天线测试系统，其中，天线包括：电流巴伦结构和多个折叠偶极子，多个折叠偶极子构成电压巴伦结构，馈电层与同轴线的天线本体的内芯线相连，接地层与同轴线的天线本体的屏蔽层相连，以通过电流巴伦结构和电压巴伦结构共同扼制折叠偶极子上的电流流到同轴线外皮上，以对多种探头天线进行校准。根据本发明实施例的天线，通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，利用折叠偶极子构成的电压巴伦结构可以达到15‑20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，全向性很好，并且还能在18％‑20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
Description
技术领域
本发明涉及天线校准技术领域，特别涉及一种水平极化全向天线及天线测试系统。
背景技术
相关技术，CTIA标准对用于多探头天线测量暗室的校准天线提出了全向性能的指标要求：不圆度小于0.2dB。
已有水平极化全向天线(也称为loop天线)如图1所示，利用多个辐射单元组合的方式来实现水平极化的高全向性，但是由于线缆外表皮上的电流会破坏天线自身平衡的电流，使得天线的方向图发生畸变，但是无法保证天线的不圆度小于0.2dB。因此这种类型的loop 天线在使用时，必须在线缆上套满铁氧体磁环来减小线缆上电流对天线性能的影响。但是，这种线缆上套铁氧体磁环对线缆上电流的抑制只在2GHz以下的低频有较好的效果，而校准天线的使用频段覆盖0.6-6GHz。同时，由于铁氧体磁性材料具有不确定的损耗，将它使用在校准天线上会导致最后校准结果出现不确定性的偏差。
另一种抑制同轴线缆上电流的方法是给天线加一个平衡不平衡转换器(也叫巴伦结构)，如图2所示的loop天线。这种结构的loop天线虽然能在不套铁氧体磁环的情况下维持天线的方向图基本不变形，但是由于这种巴伦结构的扼流效果与天线的波长相关，因此它的扼流带宽非常窄，通常只有5％的带宽，并且它的尺寸较大，天线的尺寸如果过大会一方面使得它的相位中心发生偏移，另一方面会使得天线的全向性能变差。这种类型的loop天线只能在窄带内实现0.2dB的全向性，由于窄带天线对加工误差和环境影响非常敏感，因此在实际应用中不仅价格昂贵而且次品率会很高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种水平极化全向天线，该天线抑制共模电流效果显著，可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种天线测试系统。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种水平极化全向天线，包括：电流巴伦结构和多个折叠偶极子，所述多个折叠偶极子构成电压巴伦结构，其中，馈电层与同轴线的天线本体的内芯线相连，接地层与同轴线的天线本体的屏蔽层相连，以通过所述电流巴伦结构和所述电压巴伦结构共同扼制折叠偶极子上的电流流到同轴线外皮上，以对多种探头天线进行校准。
本发明实施例的水平极化全向天线，通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，其中，利用折叠偶极子自身特殊的结构，构造一个宽带的自平衡电压巴伦，可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，且由于这种构造零电位的平衡结构几乎不受天线波长的限制，因此能在一定的带宽内起到扼流作用；由于天线与同轴线之间的微带线长度不必再固定为四分之一波长，因此天线到中心之间的距离可以根据需求灵活调整；另外，水平面的增益纹波小于0.2dB，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的水平极化全向天线还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述天线的周向方向上，所述每个折叠偶极子包括沿周向延伸的两个端部，至少一个端部上设有朝向另一端部弯折延伸的弯折部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：多个耦合片，所述多个耦合片的每个耦合片设置于相邻折叠偶极子的端部的对应位置处。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对应位置为所述相邻折叠偶极子的弯折位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述多个折叠偶极子的每个折叠偶极子的上层微带与下层微带均设有电镀过孔。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电流巴伦结构包括：扼流结构，所述扼流结构为预设的盘状结构；微带结构，所述微带结构为预设的宽度渐变结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述天线的阻抗特性由所述多个折叠偶极子的线宽多阶变换得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：多层PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板，其中，所述多层PCB板的每层PCB板通过金属过孔相连。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多个折叠偶极子可以为四个折叠偶极子。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种天线测试系统，包括：微波暗室及仪表；如上述实施例所述的天线。
本发明实施例的天线测试系统，通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，其中，利用折叠偶极子自身特殊的结构，构造一个宽带的自平衡电压巴伦，可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，且由于这种构造零电位的平衡结构几乎不受天线波长的限制，因此能在一定的带宽内起到扼流作用；由于天线与同轴线之间的微带线长度不必再固定为四分之一波长，因此天线到中心之间的距离可以根据需求灵活调整；另外，水平面的增益纹波小于0.2dB，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术的没有巴伦结构的loop天线的示意图；
图2为相关技术的窄带loop天线的示意图；
图3为根据本发明实施例的多探头天线测量暗室的校准原理图；
图4为根据本发明一个实施例的四片折叠偶极子组成的loop天线的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的由折叠偶极子构造的电压巴伦原理图；
图6a为根据本发明一个实施例的双层板印刷PCB天线的顶层(馈电层)的示意图；
图6b为根据本发明一个实施例的双层板印刷PCB天线的下层(接地层)的示意图；
图7为根据本发明一个实施例的不同结构下天线的全向性能(不圆度)的对比图；
图8为根据本发明一个实施例的弧形寄生带与天线的电流分布图；
图9a为根据本发明一个实施例的渐变结构的电流巴伦的结构示意图；
图9b为根据本发明一个实施例的电流巴伦的A部分示意图；
图10为根据本发明一个实施例的天线部分位置枝节变换示意图；
图11为根据本发明一个实施例的直接使用折叠偶极子组合的方案示意图；
图12a为根据本发明一个实施例的三片折叠偶极子组成的loop天线的示意图；
图12b为根据本发明一个实施例的五片折叠偶极子组成的loop天线的示意图；
图13a为根据本发明一个实施例的方形电流巴伦结构的示意图；
图13b为根据本发明一个实施例的圆形电流巴伦结构的示意图；
图14a为根据本发明一个实施例的电镀过孔连接方案的示意图；
图14b为根据本发明一个实施例的耦合连接方案的示意图；
图15为根据本发明一个实施例的三层板方案实现loop天线示意图；
图16为根据本发明一个实施例的三层板顶层与底层通过电镀过孔连接示意图；
图17为根据本发明一个实施例的带状线方案实现折叠偶极子辐射单元示意图；
图18为根据本发明一个实施例的同轴线方案实现loop天的示意图；
图19为根据本发明一个实施例的天线测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：
随着5G移动通信时代的到来，人们对高速数据服务的需求日益增长。相比于传统的单探头测量暗室，多探头天线测量暗室利用电开关极大程度地提高了测量速度，因此，多探头天线测量暗室被越来越广泛地应用在当今OTA测量中。由于多探头天线测量暗室中吸波材料的不一致性、吸波材料与不同探头结合的不一致性以及不同探头增益的不一致性，为了确保多探头测量暗室测量的准确性，在进行测试之前需要对多探头天线测量暗室进行校准。
在图3所示的多探头天线测量暗室中，每个探头天线都是由垂直极化与水平极化组成的双极化天线。因此，对探头的校准也必须包含这两个极化。由于多探头暗室中不同探头的水平极化方向并不相同，所以对于水平极化的校准而言，使用一个水平极化全向天线作为校准天线是最佳的选择：在校准不同探头时，不需要使用机械旋转来改变校准天线的极化方向，缩短了校准时间，提高测量系统的精确度。
正是基于上述背景，本发明实施例提出了一种水平极化全向天线及天线测试系统。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的水平极化全向天线及天线测试系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的水平极化全向天线。
图4是本发明一个实施例的水平极化全向天线的结构示意图。
如图4所示，该水平极化全向天线包括：电流巴伦结构和多个折叠偶极子。
其中，多个折叠偶极子构成电压巴伦结构，其中，馈电层与同轴线的天线本体的内芯线相连，接地层与同轴线的天线本体的屏蔽层相连，以通过电流巴伦结构和电压巴伦结构共同扼制折叠偶极子上的电流流到同轴线外皮上，以对多种探头天线进行校准。本发明实施例的天线通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，利用折叠偶极子构成的电压巴伦结构可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
需要说明的是，本发明实施例的天线可以用于(但不限于)多探头天线测量系统的校准。当使用本发明实施例的天线作为校准天线时，具有如下优点：1、校准更加准确；2、校准的操作更加方便；3、节约校准成本。当然，本发明实施例的天线除了用于校准以外，还可以用于其他需要水平极化全向天线的场合，适用性强。
具体而言，利用折叠偶极子自身特殊的结构，构造一个宽带的自平衡电压巴伦，如图5所示。将内芯馈线的电压被标记为负，馈线与接地层在点A点短路，因此点A 点的电压也为负，所以B点的电位为正。因为C点与B是通过短路线直接连接的，所以C点的电位为正，同理，C点与A点之间也是短路的，因此C点的电位为负。构造一个从B点到C点与从A点到C点具有相同的路径的结构，使得C点的正电动势和负电动势大小相等，从而相互抵消，让C点成为零电位点。因为同轴线外皮接地也是零电位点，因此，C点与同轴线外皮之间没有电势差，折叠偶极子上的电流就不会流到同轴线外皮上，起到了扼流的作用。这种电压巴伦结构相比于四分之一波长的巴伦结构有如下几个优势：
(1)宽带宽，由于这种构造零电位的平衡结构几乎不受天线波长的限制，因此能在一定的带宽内起到扼流作用；
(2)尺寸小，因为天线与同轴线之间的微带线长度不必再固定为四分之一波长，因此天线到中心之间的距离可以根据需求灵活调整。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在天线的周向方向上，每个折叠偶极子包括沿周向延伸的两个端部，至少一个端部上设有朝向另一端部弯折延伸的弯折部。其中，多个折叠偶极子的每个折叠偶极子的上层微带与下层微带均设有电镀过孔。
可以理解的是，本发明实施例以四片弧形弯折的折叠偶极子组合成天线为例，将四片折叠偶极子按照顺时针的方向拼接成如图4所示的组合环天线。如图6a和图6b 所示，本发明实施例天线为双层板印刷PCB天线为例，天线由上下两层组成，上层为馈电层，直接与同轴线的内芯线相连；下层为接地层，末端连着同轴线的屏蔽层。每个折叠偶极子的上层微带与下层微带通过电镀过孔相连接。为了进一步提高天线的全向性能，本发明实施例在此基础上，将该模型沿圆弧进行了弯折，弧形弯折后的每个折叠偶极子与中心的距离为比之前减少了5mm。图7给出了四片折叠偶极子在弧形弯折前后不圆度的对比结果。结果显示，弧形弯折后的天线相比之前的不圆度从0.7dB 减少到了0.3dB。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的天线还包括：多个耦合片。其中，多个耦合片的每个耦合片设置于相邻折叠偶极子的端部的对应位置处，其中，对应位置为相邻折叠偶极子的弯折位置。
可以理解的是，因为偶极子的辐射特性决定了它的电流分布是锥削式的，即中间电流大，两端电流小。为了进一步降低天线的不圆度，在相邻的折叠偶极子之间分别添加一个弧形耦合微带线来补偿偶极子末端被削弱的电流，如图8所示。
微带线上感应的电流与天线上的电流方向一致，与天线上的电流共同组成沿水平面一圈的均匀电流。因此，从图7可以看出，天线在增加了弧形寄生带(耦合片)后，在水平方向的不圆度有了显著的降低(从0.3dB降低至了0.09dB)。
进一步地，在本发明的一个实施例中，电流巴伦结构包括：扼流结构和微带结构。其中，扼流结构为预设的盘状结构；微带结构为预设的宽度渐变结构。
可以理解的是，如图9(a)所示的电流巴伦结构，同轴线的内芯连到顶层，外心连到底层。该巴伦结构由A和B两个部分组成，具体而言：
(a)A部分的主要作用是扼流，由于馈电层与接地层的距离非常近(1mm)，所以馈电层上的强电流会通过耦合作用使得接地层和同轴线上出现较大的电流。因此，为了减小同轴线上这部分由于边缘场泄漏而带来的电流，可以将接地层设计成一个相对于顶层的“大盘子”结构。如图9(b)所示，这种巴伦结构使得顶层绝大部分的电场无法绕过底层的传输线到达底层的背侧，这样就减少了天线流向同轴线外皮的电流，从而起到抑制同轴线上共模电流的作用。
(b)B部分是微带结构，将接地层的宽度设计成宽度渐变的结构来增强阻抗匹配同时能有效地节约天线的占用面积。
进一步地，在本发明的一个实施例中，天线的阻抗特性由多个折叠偶极子的线宽多阶变换得到。
可以理解的是，因为四个并联折叠偶极子的阻抗约为292/4＝73Ω。因此，为了能与50Ω的同轴线相匹配，如图10所示，将折叠偶极子的线宽进行多阶变换来改变天线的阻抗特性，同时加宽折叠偶极子两端的线宽来增大偶极子末端的电流。
需要说明的是，(1)本发明实施例的天线将折叠偶极子进行了弧形弯折，从而实现了更好的全向辐射性能。另外，根据不同的应用背景与性能要求，也可以直接使用没有弧形弯折的折叠偶极子方案，例如，如图11所示，在此不做具体限定。
(2)本发明实施例设计使用如图4所示的4片折叠偶极子组成了一个loop天线，而根据不同的需求，也可以使用不同数量的折叠偶极子单元组成天线，如图12(a)和12(b) 所示的例子，分别是使用3片和5片折叠偶极子单元组成的PCB天线，在此不做具体限定。
(3)本发明实施例设计的电流巴伦在接地层使用的是一个渐变的菱形状结构，如图13所示；当然，也可以将电流巴伦的接地层设计成方形或者圆盘形状等任意形状，在此不做具体限定。
(4)本发明实施例的折叠偶极子的馈电层与接地层是通过电镀过孔相连，如图14(a) 所示，当然，也可以根据不同的需求，折叠偶极子的馈电层与接地层之间也可以通过电流耦合的方式连接。如图14(b)所示，天线的馈电层与接地层之间没有直接电通路连接，而是馈电层与接地层之间没有电镀孔等金属直接连接，并通过微带线耦合的方式进行连接。
(5)本发明实施例设计使用的是PCB双层板方案(如图6所示)，当然，也可以根据不同的应用场景，使用三层板或者更多层板来实现，以loop天线的一个折叠偶极子辐射单元为例，图15所示的是3层板PCB方案，顶层和底层是接地层，它们之间通过用金属过孔连接，如图16所示。
(6)除了上述实施例的PCB的方案，根据PCB本身的特点，其本身也可以通过带状线的方式来实现探头的设计。图17所示PCB带状线实现loop天线的一个折叠偶极子辐射单元。这里的PCB用的是三层电路板，与之前的三层板PCB方案不同的是，带状线方案顶层和底层没有用金属化过孔进行连接，即用的是如图17所示的开放的边界。
(7)如图18所示的同轴线方案示意图，除了PCB方案和开放波导方案，还可以将同轴线弯曲来实现折叠偶极子辐射单元，并将它们组合形成loop天线。
综上，本发明实施例提出的水平极化全向天线，通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，其中，利用折叠偶极子自身特殊的结构，构造一个宽带的自平衡电压巴伦，可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，且由于这种构造零电位的平衡结构几乎不受天线波长的限制，因此能在一定的带宽内起到扼流作用；由于天线与同轴线之间的微带线长度不必再固定为四分之一波长，因此天线到中心之间的距离可以根据需求灵活调整；另外，水平面的增益纹波小于0.2dB，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的天线测试系统。
图19是本发明一个实施例的天线测试系统的结构示意图。
如图19所示，该天线测试系统10包括：微波暗室及仪表100和上述实施例所述的天线200。
根据本发明实施例提出的天线测试系统，通过电压巴伦和电流巴伦的双巴伦形式来抑制共模电流，抑制共模电流效果显著，其中，利用折叠偶极子自身特殊的结构，构造一个宽带的自平衡电压巴伦，可以达到15-20％的带宽，具有宽带宽、尺寸小的优点，且由于这种构造零电位的平衡结构几乎不受天线波长的限制，因此能在一定的带宽内起到扼流作用；由于天线与同轴线之间的微带线长度不必再固定为四分之一波长，因此天线到中心之间的距离可以根据需求灵活调整；另外，水平面的增益纹波小于0.2dB，全向性很好，并且还能在18％-20％的宽带宽内同时实现全向性好和抑制共模电流效果显著这两点性能，简单易实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种水平极化全向天线，其特征在于，包括：
电流巴伦结构和多个折叠偶极子，所述多个折叠偶极子构成电压巴伦结构，其中，馈电层与同轴线的天线本体的内芯线相连，接地层与同轴线的天线本体的屏蔽层相连，以通过所述电流巴伦结构和所述电压巴伦结构共同扼制折叠偶极子上的电流流到同轴线外皮上，以对多种探头天线进行校准。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，在所述天线的周向方向上，所述每个折叠偶极子包括沿周向延伸的两个端部，至少一个端部上设有朝向另一端部弯折延伸的弯折部。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，还包括：
多个耦合片，所述多个耦合片的每个耦合片设置于相邻折叠偶极子的端部的对应位置处。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述对应位置为所述相邻折叠偶极子的弯折位置。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，其中，所述多个折叠偶极子的每个折叠偶极子的上层微带与下层微带均设有电镀过孔。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电流巴伦结构包括：
扼流结构，所述扼流结构为预设的盘状结构；
微带结构，所述微带结构为预设的宽度渐变结构。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线的阻抗特性由所述多个折叠偶极子的线宽多阶变换得到。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括：
多层PCB板，其中，所述多层PCB板的每层PCB板通过金属过孔相连。
9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个折叠偶极子为四个折叠偶极子。
10.一种天线测试系统，其特征在于，包括：
微波暗室及仪表；
如权利要求1-9任一项所述的天线。
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