CN1176557C - 波束下倾宽带全向共线阵列天线及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波束下倾宽带全向中、底馈共线阵列天线及实现方法。主要解决现有同类天线阵用改变套筒偶极子之间金属管长度调试天线波束下倾时所遇到的加工、调整不便问题。该阵列天线主要包括同轴线(1)，偶极子辐射体(8)和环状介质套(9)，通过改变环状介质套(9)的长度来改变偶极子之间馈电同轴线的长度。对于中馈共线阵列天线，即采用缩短上半部夹在分馈同轴线中的介质套长度，加长下半部夹在分馈同轴线中的介质套长度，来分别达到改变中馈点上、下半部偶极子之间的距离。各环状介质套的实际长度按下倾角θ及环状介质套的相对介电常数确定。具有加工方便，成本低，容易调整的优点，可用作移动通信的波束下倾宽带全向中、底馈馈共线天线阵。

Description

波束下倾宽带全向共线阵列天线及实现方法

技术领域

本发明涉及天线的结构与方法，具体的说是一种实现波束下倾宽带全向缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线的结构与实现方法。

背景技术

随着移动通信事业的发展，具有不同波束指向的全向天线则成为不同用户的需求。目前已有的全向天线按其波束指向分为波束最大方向指向0°的全向天线和波束下倾不同角度的全向天线，以覆盖服务区内的所有用户。天线波束的下倾和上翘的角度与单元间距有关。根据天线基本理论，一个均匀直线天线阵的方向函数为：

F(θ)＝F_e(θ)·F_a(θ)

式中：F_e(θ)是单元方向函数，F_a(θ)是阵方向函数

$F_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\sin \left[\frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}\right]/\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}\right)--\left(1\right)$

      n是单元数、d是单元间距、θ是波束下倾或上翘的角度

如果要保证所有单元在θ方向同相叠加，则相邻单元之间的相位差必须满足：

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}--\left(2\right)$

当θ＝0时，由(2)式得d＝λ，则波束无倾斜

当θ＝θ_d时(θ_d为下倾角度)，则单元间距为

实用中，θ_d一般为0～20°可见d_下＜λ₀

即第1单元的相位落后第2单元，第2单元的相位落后第3单元，依次类推，落后方向偏，波束下倾，其波束方向指向馈电点，这就是底馈天线的波束下倾，如图5所示。

当θ＝θ_u时(θ_u为上翘角度)，由于θ_d与θ_u位于法线两侧，故θ_d取正，θ_u就为负，由(2)式可得单元间距d＝d_上

如果0＜θ_u＜20°则d_上＞λ₀

即第2单元的相位落后第1单元，第3单元的相位落后第2单元，依次类推，落后方向偏，波束上翘，其波束方向离开馈电点，这就是底馈天线的波束上翘情况，如图6所示。

对于中馈全向阵列天线来说，如果要求波束下倾θ角，则可由公式(3)确定出天线的上半部分单元间距为d_下＜λ₀，由公式(4)确定出天线的下半部分单元间距为d_上＞λ₀，就能实现中馈共线天线阵的波束下倾，如图7所示。

可见，要让中馈全向阵列天线实现波束下倾，只要将所要求的下倾角度θ分别代入(3)式和(4)式，就可求出中馈点上半部分和下半部分偶极子之间的距离d_下和d_上。现有技术中是根据所算的距离，采用加工许多不同长度两端带有λ₀/4长套筒的金属管进行调试。这种方法的最大缺陷是加工量大、成本高、拆装调试很麻烦。

发明的内容

本发明的目的主要解决现有技术实现波束下倾宽带底馈和中馈共线阵列天线所带来的天线部件加工量大、成本高、不易调整的问题，提供一种成本低、容易实现调整的波束下倾宽带全向缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线结构和实现方法。

实现本发明目的的技术方案是通过改变夹在同轴线中的介质套的长度，改变偶极子之间距离，实现共线阵列天线不同的下倾角度。其结构采用中馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线或底馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线两种结构，对于中馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线而言，采取缩短中馈点上半部夹在偶极子单元间分馈同轴线中的介质套长度，加长中馈点下半部夹在偶极子单元间分馈同轴线中的介质套长度，实现中馈共线阵列天线的波束下倾。对于底馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线而言，则只要缩短夹在偶极子单元间同轴线中的介质套长度，就可实现底馈共线阵列天线的波束下倾。该中馈和底馈这两种阵列天线的结构都包括同轴线和偶极子辐射体8及环状介质套9，并且同轴线均采用空气介质同轴线，同轴线的内导体上设有阻抗匹配段10，偶极子辐射体均采用多个共线排列的缝隙耦合套筒偶极子，每个偶极子都是由两个背靠背套筒20和21构成，两套筒之间有环状缝隙19。

当所述全向共线阵列天线采用中馈结构时，同轴线主要由主馈同轴线1和分馈同轴线2和3组成，环状介质套9夹在相邻偶极子的分馈同轴线2和3中，相对中馈点，位于上半部分同轴线中的各介质套长度L₃均相等，位于下半部分同轴线中的各介质套长度L₄也相等，位于中馈点5处同轴线中有两个长度为L₁和L₂的介质套，当无波束下倾时各环状介质套的长度L₀与有波束下倾时环状介质套的长度关系为L₃＜L₀＜L₄，L₁＞L₂；

当所述全向共线阵列天线采用底馈结构时，各环状介质套9设在主馈同轴线1中，各介质套的长度L均相等，当无波束下倾时各环状介质套的长度L₀与有波束下倾时环状介质套的长度关系为L₀＞L。

假定无波束下倾缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵的偶极子单元间距为d₀，夹在各偶极子单元同轴线中介质套的长度为L₀，介质套的相对介电常数为ε_r，天线的中心工作波长为λ₀，在这些参数已知的情况下，则确定各环状介质套长度的步骤如下：

一、确定底馈共线阵列天线介质套长度的步骤

①将下倾角θ代入(3)式，得出阵列天线下倾后所需要的偶极子单元

  之间距d_下，

即

②求出不带介质套，且与无波束下倾时天线偶极子单元间距之差Δd

即Δd＝d_下-(d₀-L₀)

③用相对介电常数为ε_r，长度为L的介质套来表示Δd

即 $L=\frac{\mathrm{\Δd}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

二、确定中馈共线阵列天线介质套长度的步骤

①根据下倾角θ

由(3)式，得出阵列天线下倾后中馈点上半部偶极子单元之间距d_下，

即

由(4)式，得出阵列天线下倾后中馈点下半部偶极子单元之间距d_上即

②求出不带介质套，且与无波束下倾时阵列天线上半部分与下半部分偶极子单元间距之差Δd_下和Δd_上，

即Δd_下＝d_下-(d₀-L₀)        (7)

  Δd_上＝d_上-(d₀-L₀)         (8)

③用相对介电常数为ε_r，长度分别为L₃和L₄的介质套来表示Δd_下和Δd_上，

即

 

④按照相同的步骤，求出中馈点处同轴线中所加介质套的长度L₁和L₂。

为了提高阵列天线的传输效率，本发明的主馈同轴线1和分馈同轴线2、3均采用空气介质，其中主馈同轴线1由内导体13和外导体14组成，主馈同轴线1的外导体14及外导体的外延部分15、17作为分馈同轴线2、3的内导体，金属管子16、18构成分馈同轴线2、3的外导体。电台输出的射频信号经主馈同轴线1再分别经同轴线2，3向下和向上等幅同相耦合到各个套筒偶极子8上。为了实现中馈，在辐射体的中间位置设有短路器5，把主馈同轴线1的内导体13和外导体14短路变为中馈，使由主馈同轴线1传输进来的射频电流经短路器5，再经分馈同轴线2、3向上和向下传输。分馈同轴线2、3的末端设有短路器6、7，使传输到短路处的射频电流被全部返回。由于在分馈同轴线2、3的外导体16、18上等间距设有多个宽度远小于波长的环状缝隙19，返回的射频电流就经这些缝隙耦合到套筒偶极子8上。套筒20、21的臂长为λ₀/4，由套筒的开口处看λ的阻抗无限大，扼制了分馈同轴线外导体外表面上的电流，使电流的波腹点正好位于间隙19处，使传输线与天线的能量耦合在低阻抗区完成。由于套筒偶极子之间的馈线长度相等，中馈点到相邻套筒中心的距离分别为3λ₀/4和λ₀/4，所以每个套筒偶极子8均等幅同相馈电。各套筒偶极子相距(0.8～0.9)λ₀，即缝隙19之间的间距d₀为(0.8～0.9)λ₀。

本发明由于采用通过改变环状介质套的长度来改变偶极子之间馈电同轴线的长度，来实现底馈和中馈共线阵列天线的波束下倾，因而不仅经济简便，且容易实施；同时由于通过调整短路器6、7的位置和阻抗匹配段的位置及长度，故可使天线在10％的带宽内阻抗匹配，在整个工作频段内，电压驻波比VSWR≤1.4；此外由于采用了空气介质同轴线，所以极大的提高了阵列天线的传输效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，其中图1a为中馈式结构，图1b为底馈式结构

图2是本发明下倾3°中馈全向阵列天线实测垂直面方向图

图3是本发明下倾5°中馈全向阵列天线实测垂直面方向图

图4是无波束下倾中馈全向阵列天线实测垂直面方向图

图5是已有底馈共线阵列天线波束下倾原理图

图6是已有底馈共线阵列天线波束上翘原理图

图7是已有中馈共线阵列天线波束下倾原理图

具体实施方式

图1给出了本发明的最佳实施方式。

图1a中的1、2、3是同轴线，5是短路器，6和7是设在同轴线2、3末端的可调短路器，8是偶极子，9是环状介质套，其中9^I表示上半部分同轴线中的介质套，9^II表示下半部分同轴线中的介质套，10是主馈同轴线1的内导体13上所加的阻抗匹配段，11是微带阻抗变换段，12是设在同轴线1的内导体13和外导体14之间的绝缘支撑套。15和17是同轴线2和3的内导体，16和18是同轴线2和3的外导体。同轴线1的内导体13是直径为3～4mm的铜线，同轴线1的外导体14是臂厚为1mm的铜管，14、15、17为同一个金属管子，16、18也为同一个金属管子，这些管子同心共轴。19是环状缝隙，20和21是偶极子的两个臂，即两个背靠背套筒20、21和环状缝隙19组成偶极子8。偶极子8共有十个，L₁、L₂表示中馈点5处的环状介质套长度，L₃表示中馈点上半部分同轴线中的介质套9^I的长度，L₄表示中馈点下半部分同轴线中的介质套9^II的长度。

图1b中的1为同轴线，5是可调短路器，8是由两个背靠背套筒20、21和环状缝隙19组成的偶极子，9是套在同轴线1的内外导体13和14之间的介质套，10是套在同轴线1的内导体13上的阻抗匹配段。L表示底馈同轴线中的介质套长度。

中、底馈共线阵列天线偶极子8的个数均根据天线增益的高低来决定。中馈共线天线阵列同轴线中所夹介质套的长度L₃、L₄、L₁、L₂及底馈共线天线阵列同轴线中所夹介质套的长度L均由给定的下倾角θ及环状介质套的相对介电常数ε_r而确定。改变了夹在同轴线中环状介质套的长度就相当于改变了偶极子与偶极子之间的间距d，从而实现底馈和中馈缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵的波束下倾。

实施例

以下给出本发明在870MHz-960MHz频段内，下倾角度为3°的中馈全向共线阵列天线实例。

该实例是在无波束下倾宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线的基础上，通过改变位于分馈同轴线中环状介质套的长度来实现的。已知无波束下倾宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线单元间距d₀＝0.8λ₀＝262.4mm，介质套的长度L₀＝60mm，介质套的相对介电常数ε_r＝4.76，则求波束下倾3°时同轴线中所夹介质套长度的过程如下：

①将θ＝3代入(5)式，求出中馈点上半部分天线单元间距

    d_下＝311.7mm

  将θ＝3代入(6)式，求出中馈点下半部分天线单元间距

    d_上＝346mm

②由(7)式得Δd_下＝109.3mm

  由(8)式得Δd_上＝143.6

③由(9)式得中馈点上半部同轴线中所夹介质套的长度L₃＝50mm

  由(10)式得中馈点下半部同轴线中所夹介质套的长度L₄＝65.8mm

④用同样的步骤求出中馈点处的环状介质套长度

L₁＝36.9mm    L₂＝13.3mm

本发明的第二、第三实施例是分别实现波束下倾5°和7°的中馈共线阵列天线，用上述的方法可确定出夹在同轴线中不同位置的介质套的长度L₁～L₄的实际尺寸。

本发明实施波束下倾3°和5°的中馈共线阵列天线实测垂直面方向如图2和图3所示。为了便于比较，图4给出了无波束下倾中馈共线阵列天线的实测垂直面方向图。由图4看出，波束最大方向指向水平面，即图中的0°和180°平面，而图2波束最大方向则是指向3°和177°，也就是说相对水平面，波束下倾了3°。同样从图3也可以看出，波束最大方向是指向5°和175°，也就是说相对水平面波束下倾了5°。

Claims (6)

1.一种波束下倾宽带全向共线阵列天线，采用中馈结构或底馈结构，两种结构都包括同轴线和偶极子辐射体(8)及环状介质套(9)，并且同轴线均采用空气介质同轴线，同轴线的内导体上设有阻抗匹配段(10)，偶极子辐射体均采用多个共线排列的缝隙耦合套筒偶极子，每个偶极子都是由两个背靠背套筒(20、21)构成，两套筒之间有环状缝隙(19)，所述环状介质套的长度决定了所述共线阵列天线不同的下倾角度，其特征在于：

当所述全向共线阵列天线采用中馈结构时，同轴线主要由主馈同轴线(1)和分馈同轴线(2、3)组成，环状介质套(9)夹在相邻偶极子的分馈同轴线(2、3)中，相对中馈点，位于上半部分同轴线中的各介质套长度L₃均相等，位于下半部分同轴线中的各介质套长度L₄也相等，位于中馈点(5)处同轴线中有两个长度为L₁和L₂的介质套，当无波束下倾时各环状介质套的长度L₀与有波束下倾时环状介质套的长度关系为L₃＜L₀＜L₄，L₁＞L₂；

当所述全向共线阵列天线采用底馈结构时，各环状介质套(9)设在主馈同轴线(1)中，各介质套的长度L均相等，当无波束下倾时各环状介质套的长度L₀与有波束下倾时环状介质套的长度关系为L₀＞L。

2.根据权利要求1所述的全向共线阵列天线，其特征在于套筒(20、21)的长度均为λ₀/4，所述两套筒之间的环状缝隙(19)的间距d₀为0.8～0.9λ₀，其中λ₀为所述阵列天线的中心工作波长。

3.根据权利要求1所述的全向共线阵列天线，其特征在于主馈同轴线(1)由内导体(13)和外导体(14)组成，主馈同轴线的外导体延伸部分构成分馈同轴线(2、3)的内导体(15、17)，分馈同轴线的内、外导体均由金属管构成，并且所述的金属管同心共轴。

4.根据权利要求1所述的全向共线阵列天线，其特征在于中馈点是通过在辐射体的中间位置设置第一短路器(5)，把主馈同轴线(1)的内导体(13)和外导体(14)短路而获得，使主馈同轴线(1)传输进来的射频电流经第一短路器(5)，再经分馈同轴线(2、3)向上和向下传输；分馈同轴线(2、3)的末端设有第二短路器(6、7)，使传输到短路处的射频电流被全部返回。

5.根据权利要求4所述的全向共线阵列天线，其特征在于第一短路器(5)所在的位置与相邻偶极子的中心距分别为λ₀/4和3λ₀/4，其中λ₀为所述阵列天线的中心工作波长。

6.一种波束下倾宽带全向缝隙耦合套筒偶极子共线阵列天线的实现方法，是采用改变各偶极子辐射体之间的距离来实现天线波束下倾，其特征在于：

a.通过改变环状介质套的长度来改变偶极子之间馈电同轴线的长度，实现底馈或中馈共线阵列天线的波束下倾；

b.对于中馈共线阵列天线，采用缩短上半部分夹在分馈同轴线中的介质套长度，加长下半部分夹在分馈同轴线中的介质套长度，来分别达到缩短中馈点上半部分偶极子之间的距离和加长中馈点下半部分偶极子之间距离，各环状介质套的长度按如下步骤确定：

①根据所给定的下倾角θ及所述天线的中心工作波长λ₀，求出中馈点上半部和下半部套筒偶极子单元之间的间距d_下和d_上；

设无波束下倾中馈共线阵列天线阵套筒偶极子单元间距为d₀，无波束下倾的中馈共线阵列天线设在分馈同轴线中的介质套长度为L₀，介质套的相对介电常数为ε_r，则

得出：阵列天线下倾θ角后中馈点上半部偶极子单元之间距d_下，

阵列天线下倾θ角后中馈点下半部偶极子单元之间距d_上

②求出与不带介质套并且无波束下倾时阵列天线上半部分偶极子单元及下半部分偶极子单元间距之差Δd_下和Δd_上，

    Δd_下＝d_下-(d₀-L₀)

    Δd_上＝d_上-(d₀-L₀)

③根据所述的偶极子单元间距之差Δd_下和Δd_上，求出中馈点上半部同轴线中所夹介质套的长度L₃和中馈点下半部同轴线中所夹介质套的长度L₄，

即

④按照相同的步骤，求出中馈点处同轴线中所加介质套的长度L₁和L₂；

c.对于底馈共线阵列天线，采用缩短夹在偶极子单元间同轴线中的介质套长度L来实现波束下倾，该环状介质套的长度L按如下步骤确定：

①根据下倾角θ，得出天线下倾后所需要的偶极子单元之间距d_下，得

②求出与不带介质套并且无波束下倾时阵列天线偶极子单元间距之差Δd

    即Δd＝d_下-(d₀-L₀)

③根据所述的偶极子单元间距之差Δd，求出同轴线中所夹介质套的长度L，

$L=\frac{\mathrm{\Δd}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}.$

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