CN114171880A - 一种应用于隧道覆盖的天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于隧道覆盖的天线阵列，包括反射板、设置于所述反射板的表面上并沿其长度方向依次分布的第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元、第四双极化天线单元，所述第一双极化天线单元与所述第二双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第三双极化天线单元与所述第四双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第二双极化天线单元与所述第三双极化天线单元的极化方向相同。本发明所公开的应用于隧道覆盖的天线阵列，能够增强天线双向辐射增益，并适应于狭小隧道环境，提高隧道环境的信号覆盖质量。

Description

一种应用于隧道覆盖的天线阵列

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种应用于隧道覆盖的天线阵列。

背景技术

近年来，我国轨道交通建设取得了空前发展。由于我国地域辽阔、地形地貌复杂，且多山地、多丘陵，铁路隧道数量呈现出井喷式增长。与此同时，现代化铁路建设对沿线移动通信系统的稳定性、时效性提出了更高的要求。

目前，广泛应用的铁路专用通信网GSM-R及下一代铁路移动通信系统LTE-R均采用无线传输方式与列车进行实时通信与调度。可靠的无线通信是列车稳定、安全运行的重要保障。随着铁路业务的扩展，还需要及时、有效传输大量视频、图片信息。同时，移动互联网的普及与应用也对列车高速率、高质量的个人网络服务提出了新的要求，如视频通话、高速率下载等。

在传统的工程应用中，铁路隧道普遍采用漏泄同轴电缆(LCX)实现无线通信。这种通信方式的系统性能受环境影响较大、极化单一且不适应于高频段，还存在安装、维护困难、造价高昂、易于偷盗等工程实际问题。因此，安装简单方便、造价低廉的分布式天线覆盖方案得到了广泛关注。

在现有技术中，部分采用天线方案的隧道中普遍使用小面积的板状天线，但是其增益小，传输距离短，需要建立大量直放站，投资增大。面积较大的板状天线虽然能提高增益，但安装于隧道内引起的风阻很大，易脱落，不安全，所以很少使用。还有些天线方案在隧道内采用高增益的螺旋天线，虽然单个天线的信号传输距离远，适合于隧道内信号传输，但螺旋天线底盘太大，安装于隧道内也会引起较大的风阻，也不利于在隧道内使用。而八木天线虽然能够做到高增益，且由于采用架状结构，横截面积小，也不会引起风阻，但天线反射单元与引向单元的尺寸较大，不适用于空间受限的隧道。

因此，如何增强天线增益，并适应于狭小隧道环境，提高隧道环境的信号覆盖质量，是本领域技术人员面临的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于隧道覆盖的天线阵列，能够增强天线双向辐射增益，并适应于狭小隧道环境，提高隧道环境的信号覆盖质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于隧道覆盖的天线阵列，包括反射板、设置于所述反射板的表面上并沿其长度方向依次分布的第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元、第四双极化天线单元，所述第一双极化天线单元与所述第二双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第三双极化天线单元与所述第四双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第二双极化天线单元与所述第三双极化天线单元的极化方向相同。

优选地，所述第一双极化天线单元与所述第二双极化天线单元之间的中轴线间距为1.5个工作波长。

优选地，所述第三双极化天线单元与所述第四双极化天线单元之间的中轴线间距为1.5个工作波长。

优选地，所述第二双极化天线单元与所述第三双极化天线单元之间的中轴线间距为2个工作波长。

优选地，所述第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元、第四双极化天线单元均包括设置于所述反射板表面的底座、立设于所述底座表面的巴伦装置、设置于所述巴伦装置顶部并与其电性连接的辐射体、设置于所述巴伦装置上的馈电装置。

优选地，所述辐射体包括呈矩形的介质基板，以及沿所述介质基板的四条半长对角线分布的四条辐射臂，且各条所述辐射臂的端部互不相连。

优选地，所述巴伦装置包括立设于所述底座表面且与各条所述辐射臂的分布形式相同的四块绝缘立板，以及立设于所述底座表面且分别贴附于各块所述绝缘立板的一侧侧面上的四块导体立板，且各块所述导体立板的顶端端面均设置有用于与对应的各条所述辐射臂上的信号块电性连接的导体连接块。

优选地，所述馈电装置包括分别贴附于互相正对的两块所述绝缘立板的另一侧侧面上且呈十字交叉分布的两块馈电导体板。

优选地，所述介质基板的两条对角线长度均为1.8～2.2个工作波长。

优选地，所述巴伦装置的高度为0.4～0.6个工作波长。

本发明所提供的应用于隧道覆盖的天线阵列，主要包括反射板、第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元和第四双极化天线单元。其中，反射板为天线阵列的主反射面，主要用于安装和承载其余相关零部件。第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元和第四双极化天线单元均设置在反射板的表面上，并且四者沿着反射板的长度方向依次分布。同时，第一双极化天线单元与第二双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，且第三双极化天线单元与第四双极化天线单元的中轴线互相平行且极化方向相反，而第二双极化天线单元与第三双极化天线单元的极化方向相同。如此，将本发明所提供的应用于隧道覆盖的天线阵列安装于隧道内时，其中的第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元和第四双极化天线单元均产生沿隧道水平方向的双向天线信号辐射，且四者均处于运行状态时，第一双极化天线单元与第二双极化天线单元的极化方向相反且间隔预设距离，两者信号辐射叠加达到理论上的双向辐射；同理，第三双极化天线单元与第四双极化天线单元的极化方向相反且间隔预设距离，两者信号辐射叠加达到理论上的双向辐射，从而能够增强天线双向辐射增益。相比于现有技术，本发明无需特意增大反射板的面积，并且第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元和第四双极化天线单元四者沿反射板的长度方向分布，能够避免过多增大反射板的截面积和整体体积，从而适应于狭小隧道环境；并且，经试验结果绘制辐射方向图后可以明显看出，本发明所提供的应用于隧道覆盖的天线阵列有利于实现沿着隧道内的水平方向进行双极化辐射，从而提高隧道环境的信号覆盖质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元或第四双极化天线单元的极化方式示意图。

图4为天线阵列的辐射方向图。

图5为第一双极化天线单元、第二双极化天线单元、第三双极化天线单元或第四双极化天线单元的具体结构示意图。

图6为图5的局部结构放大图。

图7为辐射体的具体结构示意图。

其中，图1—图7中：

反射板—1，第一双极化天线单元—2，第二双极化天线单元—3，第三双极化天线单元—4，第四双极化天线单元—5，底座—6，巴伦装置—7，辐射体—8，馈电装置—9；

绝缘立板—71，导体立板—72，导体连接块—73，介质基板—81，辐射臂—82，信号块—83。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1、图2，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图，图2为图1的俯视图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，应用于隧道覆盖的天线阵列主要包括反射板1、第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5。

其中，反射板1为天线阵列的主反射面，主要用于安装和承载其余相关零部件。一般的，该反射板1呈矩形形状。

第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5均设置在反射板1的表面上，并且四者沿着反射板1的长度方向依次分布。

同时，第一双极化天线单元2与第二双极化天线单元3的中轴线互相平行且极化方向相反，且第三双极化天线单元4与第四双极化天线单元5的中轴线互相平行且极化方向相反，而第二双极化天线单元3与第三双极化天线单元4的极化方向相同。

如此，将本实施例所提供的应用于隧道覆盖的天线阵列安装于隧道内时，其中的第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5均产生沿隧道水平方向的双向天线信号辐射，且四者均处于运行状态时，第一双极化天线单元2与第二双极化天线单元3的极化方向相反且间隔预设距离，两者信号辐射叠加达到理论上的双向辐射，同理，第三双极化天线单元4与第四双极化天线单元5的极化方向相反且间隔预设距离，两者信号辐射叠加达到理论上的双向辐射，从而能够增强天线双向辐射增益，

如图3所示，图3为第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4或第四双极化天线单元5的极化方式示意图。

相比于现有技术，本实施例无需特意增大反射板1的面积，并且第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5四者沿反射板1的长度方向分布，能够避免过多增大反射板1的截面积和整体体积，从而适应于狭小隧道环境。

并且，如图4所示，图4为天线阵列的辐射方向图，经试验结果绘制辐射方向图后可以明显看出，本实施例所提供的应用于隧道覆盖的天线阵列有利于实现沿着隧道内的水平方向进行前后双向极化辐射，从而提高隧道环境的信号覆盖质量。

需要说明的是，本实施例中的第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5的极化方式均为±45°双向极化，且均沿隧道的长度方向辐射。当然，若有必要，第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5的极化方式也可以采用垂直极化与水平极化的双向极化。

为更精确、更容易地实现天线阵列的信号辐射叠加增益效果，在本实施例中，第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5在反射板1上的长度方向的具体设置位置具有特定关系。

其中，第一双极化天线单元2与第二双极化天线单元3之间的中轴线间距为1.5个工作波长。同理，第三双极化天线单元4与第四双极化天线单元5之间的中轴线间距也为1.5个工作波长。同时，第二双极化天线单元3与第三双极化天线单元4之间的中轴线间距为2个工作波长，或者第一双极化天线单元2与第三双极化天线单元4之间的中轴线间距为3.5个工作波长。

一般的，相邻两个双极化天线单元之间的中轴线间距即为两者的辐射体8的几何中心的水平距离。

如图5所示，图5为第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4或第四双极化天线单元5的具体结构示意图。

在关于第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5的一种可选实施例中，该第一双极化天线单元2、第二双极化天线单元3、第三双极化天线单元4和第四双极化天线单元5的具体结构均一致，且均包括底座6、巴伦装置7、辐射体8和馈电装置9。

其中，底座6设置在反射板1的表面上，一般为绝缘体材质，通常呈矩形形状。巴伦装置7立设在底座6的表面上，并沿垂向方向向上延伸，具有一定高度，主要用于实现辐射体8与馈电装置9之间的间接连接，从而实现阻抗变换和平衡线路与非平衡线路之间的匹配连接。辐射体8设置在巴伦装置7的顶部位置，主要用于通过辐射方式收发天线信号，并可振幅增益，且与巴伦装置7形成电性连接。馈电装置9设置在巴伦装置7上，主要用于辐射体8与收发信机之间的电信号能量传输和反馈。

如图7所示，图7为辐射体8的具体结构示意图。

在关于辐射体8的一种可选实施例中，该辐射体8具体包括介质基板81、辐射臂82、信号块83。其中，介质基板81为辐射体8的主体结构，一般呈矩形形状，具有特定长宽尺寸。辐射臂82设置在介质基板81的表面上，共设置有4条，且各条辐射臂82的具体分布位置分别为介质基板81的4条半长的对角线，从而在介质基板81的表面上沿对角线方向同时形成两组互相正对的辐射臂组。并且，各条辐射臂82的端部互不相连，即互相正对的两个辐射臂82并不相连，4条辐射臂82各自独立。信号块83设置在各条辐射臂82的表面上，并与各条辐射臂82保持信号连接，通常设置在各条辐射臂82的靠近介质基板81的几何中心的端部区域内。

此外，介质基板81的两条对角线的全长长度均为1.8～2.2个工作波长，比如1.8个、1.9个、2.0个、2.1个、2.2个工作波长等。

如图6所示，图6为图5的局部结构放大图。

在关于巴伦装置7的一种可选实施例中，该巴伦装置7主要包括绝缘立板71、导体立板72和导体连接块73。

其中，绝缘立板71立设在底座6的表面上，共设置有4块，且各块绝缘立板71在底座6上的分布形式与各条辐射臂82在介质基板81上的分布形式相同，即呈十字交叉分布，且同样互不相连、互相独立。

导体立板72也立设在底座6的表面上，同样设置有4块，每块导体立板72分别贴附在与各自对应的绝缘立板71的其中一侧侧面上，且导体立板72的厚度一般大于绝缘立板71。同时，4块导体立板72的分布位置与4条辐射臂82的分布位置分别对应，以便分别与4条辐射臂82形成信号连接。

导体连接块73同时设置有4块，分别设置在各块导体立板72的顶端端面上，主要用于与介质基板81的底面连接，且各个导体连接块73的分布位置与各条辐射臂82上的信号块83的分布位置互相对应，从而与对应的信号块83形成电性连接，进而实现巴伦装置7与辐射体8之间的电性连接。

此外，巴伦装置7的高度具体为0.4～0.6个工作波长，比如0.4个、0.5个、0.6个工作波长等。

在关于馈电装置9的一种可选实施例中，该馈电装置9主要包括两块馈电导体板。具体的，该两块馈电导体板分别贴附在互相正对的两块绝缘立板71的另一侧侧面上，并且同样呈十字交叉分布形式。由于同一块馈电导体板同时连接了两块绝缘立板71，因此，馈电装置9实为耦合馈电装置。如此设置，馈电装置9与导体立板72分别贴附在绝缘立板71的两侧侧面，形成镜像分布；并且，通过两块馈电导体板将4块导体立板72、4条辐射臂82按对角线方向划分为两组。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，包括反射板(1)、设置于所述反射板(1)的表面上并沿其长度方向依次分布的第一双极化天线单元(2)、第二双极化天线单元(3)、第三双极化天线单元(4)、第四双极化天线单元(5)，所述第一双极化天线单元(2)与所述第二双极化天线单元(3)的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第三双极化天线单元(4)与所述第四双极化天线单元(5)的中轴线互相平行且极化方向相反，所述第二双极化天线单元(3)与所述第三双极化天线单元(4)的极化方向相同。

2.根据权利要求1所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述第一双极化天线单元(2)与所述第二双极化天线单元(3)之间的中轴线间距为1.5个工作波长。

3.根据权利要求1所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述第三双极化天线单元(4)与所述第四双极化天线单元(5)之间的中轴线间距为1.5个工作波长。

4.根据权利要求1所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述第二双极化天线单元(3)与所述第三双极化天线单元(4)之间的中轴线间距为2个工作波长。

5.根据权利要求1-4任一项所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述第一双极化天线单元(2)、第二双极化天线单元(3)、第三双极化天线单元(4)、第四双极化天线单元(5)均包括设置于所述反射板(1)表面的底座(6)、立设于所述底座(6)表面的巴伦装置(7)、设置于所述巴伦装置(7)顶部并与其电性连接的辐射体(8)、设置于所述巴伦装置(7)上的馈电装置(9)。

6.根据权利要求5所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述辐射体(8)包括呈矩形的介质基板(81)，以及沿所述介质基板(81)的四条半长对角线分布的四条辐射臂(82)，且各条所述辐射臂(82)的端部互不相连。

7.根据权利要求6所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述巴伦装置(7)包括立设于所述底座(6)表面且与各条所述辐射臂(82)的分布形式相同的四块绝缘立板(71)，以及立设于所述底座(6)表面且分别贴附于各块所述绝缘立板(71)的一侧侧面上的四块导体立板(72)，且各块所述导体立板(72)的顶端端面均设置有用于与对应的各条所述辐射臂(82)上的信号块(83)电性连接的导体连接块(73)。

8.根据权利要求7所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述馈电装置(9)包括分别贴附于互相正对的两块所述绝缘立板(71)的另一侧侧面上且呈十字交叉分布的两块馈电导体板。

9.根据权利要求6所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述介质基板(81)的两条对角线长度均为1.8～2.2个工作波长。

10.根据权利要求5所述的应用于隧道覆盖的天线阵列，其特征在于，所述巴伦装置(7)的高度为0.4～0.6个工作波长。

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