CN206850028U

CN206850028U - 宽带高增益垂直极化全向天线

Info

Publication number: CN206850028U
Application number: CN201720368653.4U
Authority: CN
Inventors: 李道铁; 吴中林; 刘木林; 秦建生
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Tongyu Communication Inc
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2027-04-10

Abstract

本实用新型宽带高增益垂直极化全向天线包括U形振子复合阵，该U形振子复合阵包括至少一个U形振子两元子阵沿轴线方向排列，该U形振子两元子阵包括两个共轴排列的U形振子单元，该U形振子单元包括对称设置的U形的上臂和下臂，分布在介质基板的两面，该介质基板的两面还设有平行双导线，平行双导线的两导体分别连接该U形振子单元的上、下臂。本实用新型获得了较常规方案显著的性能提升，实现了UHF频段内宽带宽、高增益、理想不圆度、低旁瓣、高交叉极化比和很高的效率，天馈系统一体化印制，低互调、高可靠性；除此，该方案还具有同轴馈电网络设计简单、装配简便、功率容量大、尺寸小、高风载、功率容量大、适合量产和低成本等特点。

Description

宽带高增益垂直极化全向天线

【技术领域】

本实用新型涉及一种无线通信基站天线设备与技术，特别是涉及宽带高增益垂直极化全向天线及其技术。

【背景技术】

移动蜂窝网络已基本实现了信号广域覆盖，解决了人与人之间自由沟通的问题。然而，物与物之间、人与物之间尚未实现信息联通。信息随心所至、万物互联互通，才是人类的终极目标。建立在信息网基础上的物联网IoT(Internet of Things)是下一代移动通信5G的关键技术及应用。但是，物联网难以共享现有的蜂窝网络，而需要建设专用无线网络才能满足其特殊需要。例如，利用交通专用移动网络，交管部门可以对道路状况进行实时监控，引导整个道路网络的车流均衡，从而减少交通拥堵和阻塞。再如，利用警务专用移动通信网络，公安部门可以对安保重点区域进行全天不间断高清视频监控，并实现视频集群呼叫和海量节点实时、可靠的数据传输等。

交通、警务和政务等专用无线网，跟蜂窝网络一样，需要在广阔区域部署大量站点才能实现广域覆盖。考虑到传播特性、覆盖范围、系统容量、站址选择、建站成本等因素，这些无线专网所规划的频段往往优先考虑UHF频段，如300MHz-600MHz。然而，由于UHF电波波长较长(0.5m-1.0m)，按照与工作波长可比拟的特性，半波辐射单元的尺寸将在0.25m-0.5m量级。这种情况下，若将该单元按照常规基站天线的方式共轴或共面组阵并后置反射板、然后排成圆阵以实现高增益全向覆盖的话，天线总高度和直径将达到数米量级，使得选址非常困难、安装十分不便，而且风载较大，需要设计坚固的安装组件。另外，多扇区配置的阵列天线设计复杂、成本较高。综上所述，专用网基站天线不宜采用蜂窝基站的多扇区阵列设计，而适合用一副高增益水平全向天线，即可覆盖基站周围广阔区域中的众多用户。由于增益高，天线尺寸较大，室外工作时风载也是一个重要问题。由此可见，宽带宽、高增益、全向性、大功率、低互调、小尺寸、高风载、低成本是无线专网基站天线的优选方案。

由于辐射功率均匀分布在水平360°范围，相比定向天线全向天线实现高增益要困难得多(G≥8dBi)，尤其在频率较低的UHF频段。理论上，获得高增益只需阵元数目足够多即可。实际上，阵元数越多时，馈电设计变得越具挑战性。馈电网络的作用是将激励信号从接头馈送至各个阵元。这就要求信号在经网络传输至辐射元时，不仅幅度衰减小，相位色散也要小。当天线带宽较窄时，这不会成为什么问题。然而，当天线带宽较宽或多频工作时，馈电网络的色散效应就会很严重，致使宽带内或各频带无法保持一致的高增益。不仅如此，随着阵元数增多，馈电网络功分级数越多，其工作带宽显著下降，将远低于辐射元自身带宽。可以说，馈线色散是高增益全向天线最大的技术瓶颈。迄今为止，采用半波振子为辐射元的各种高增益全向天线，馈电方式具体可归纳为下面四类：1、天馈一体化印制偶极子阵列；2、同轴电缆+天馈一体的印制偶极子阵列；3、底端串馈内外导体交错连接的同轴偶极子阵列；4、底端串馈带弯折或螺旋反向器的偶极子阵列。上述各方案的优缺点如下：方案1结构紧凑、性能可靠，但带宽较窄，带内增益波动较大；方案2带宽较宽，带内增益一致性较好，但由于引入了同轴电缆，结构不那么紧凑，可靠性也降低；方案3带宽较窄、方向图下倾、带内增益差异大，且焊点多、可生产性差；方案4带宽窄、方向图下倾、增益随频率变化大、尺寸长，但馈电简单、可生产性好。

因此，提供一种(超)宽带、高增益、全向性、垂直极化、低旁瓣、高交叉极化比、高效率，以及小尺寸、高风载、低互调、高可靠、结构简单、易生产、低成本的全向基站天线实为必要。

【发明内容】

本实用新型旨在为UHF无线专网提供一种宽带、高增益、全向性、垂直极化、低旁瓣、高交叉极化比、高效率，以及小尺寸、高风载、低互调、高可靠、结构简单、易生产、低成本的宽带高增益垂直极化全向天线，并为较低增益、较窄带宽的其他全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

为实现本实用新型目的，提供以下技术方案：

本实用新型提供一种宽带高增益垂直极化全向天线，其包括U形振子复合阵，该U形振子复合阵包括至少一个U形振子两元子阵沿轴线方向排列，该U形振子两元子阵包括两个共轴排列的U形振子单元，该U形振子单元包括对称设置的U形的上臂和下臂，分布在介质基板的两面，该介质基板的两面还设有平行双导线，平行双导线的两导体分别连接该U形振子单元上、下臂。

优选的，在两相邻U形振子两元子阵的之间，设有等幅同相的一分二微带功分器。

优选的，该微带功分器中心为输入端，两侧为输出端，三个端口均连接同轴馈线。

优选的，该U形振子单元的上臂和下臂的底部内边缘中间朝下的矩形凹陷。

优选的，该U形振子单元的上臂和下臂的底端的部分区域相互重叠。

优选的，该U形振子单元的振子长度约0.40λ_c～0.50λ_c，其中λ_c为中心波长，内外宽度与长度之比分别为0.025～0.045、0.035～0.085。

优选的，各U形振子两元子阵彼此间隔2·d排列，相邻U形振子单元间隔为d＝0.55·λ_c～0.85·λ_c，其中λ_c为中心波长。

优选的，该平行双导线包括多节长宽不等的变换段，中心点为馈电通孔，两端点则为短路过孔。

优选的，该平行双导线上设置等间隔、等大小的焊盘，该微带功分器三个端口均设有焊盘。

优选的，该U形振子复合阵采用多级一分二的同轴网络馈电，第一级功分用馈电槽连接，第二级功分用该微带功分器连接，同级功分采用同种规格电缆。

对比现有技术，本实用新型具有以下优点：

本实用新型宽带高增益垂直极化全向天线首先构造印制宽带振子单元，再将两对振子单元组成子阵，并用平行双线馈线中心馈电，然后，将多个子阵再共轴组阵，最后将各子阵馈电端口用同轴网络连接为一个端口输出，电缆顺着子阵中心轴线走线，且与印制馈线焊接为一体。通过采用上述措施，本实用新型1)优化U形振子单元设计；2)优化印制馈电两元子阵；3)优化微带功分器设计；4)优化复合阵的馈电网络，

本实用新型获得了较常规方案显著的性能提升：实现了UHF频段内宽带宽(350-390MHz，VSWR≤1.81，BW＝40MHz，>10.82％)、高增益(G＝9.58-10.26dBi)、理想不圆度(H面不圆度<0.25dB)、低旁瓣(SLL<-12dB)、高交叉极化比(XPD≥60dB)和很高的效率(η_A≥89％)，天馈系统一体化印制，低互调(PIM-3，-107dBm@43dBm)、高可靠性；除此，该方案还具有同轴馈电网络设计简单、装配简便、功率容量大、尺寸小、高风载，长度和直径分别小于5·λ_c和0.08·λ_c，功率容量大、适合量产和低成本等特点，是一种适用于UHF全向基站的理想天线方案。比起现有技术相同增益条件下，高度缩减30％，带宽至少展宽50％。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，是取代常规全向天线的优选方案，而且对于较低增益、较窄带宽的其他全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为本实用新型高增益垂直极化全向天线的U形振子单元模型图。

图3为本实用新型高增益垂直极化全向天线的平行双线馈电的两元U形振子子阵模型图。

图4为本实用新型高增益垂直极化全向天线的平行双线馈电的两元U形振子子阵模型的两端局部放大图。

图5为本实用新型高增益垂直极化全向天线的平行双线馈电的两元U形振子子阵模型的中间局部放大图。

图6为本实用新型高增益垂直极化全向天线的平行双线馈电的两元U形振子子阵带微带功分器的模型图。

图7为本实用新型高增益垂直极化全向阵列天线的微带功分器模型图。

图8为本实用新型高增益垂直极化全向天线的两个两元U形振子子阵通过微带功分器组成四元均匀线阵的模型图。

图9为高增益垂直极化全向天线的四个两元U形振子子阵通过两个微带功分器组成八元均匀线阵的同轴馈电网络示意图。

图10为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的输入阻抗Z_in的频率特性曲线。

图11为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的反射系数|S₁₁|曲线。

图12为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的驻波比VSWR曲线。

图13为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的各频点E面增益方向图。

图14为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的H面增益方向图。

图15为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的H面不圆度随频率f变化曲线。

图16为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的的E-面(竖直面)半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。

图17为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的最大增益随频率f变化特性。

图18为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的效率η_A随频率f变化曲线。

本文附图是用来对本实用新型的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的具体实施例一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制或限定。

【具体实施方式】

下面结合附图给出实用新型的较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。这里，将给出相应附图对本实用新型进行详细说明。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实用新型，并不用于限制或限定本实用新型。

请参阅图1～9，本实用新型宽带高增益垂直极化全向天线的设计方法包括如下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造宽带U形振子单元。在XOZ平面，顺+Z轴方向构造一个开口朝上的U形片，U形片两臂左右对称，底部内边缘中间朝下凹陷13。然后，将U形片上下镜像复制并将镜像臂沿Y平移距离T，组成宽带振子的对称上臂10和下臂11，上臂和下臂的底端的部分区域12相互重叠，并在两臂之间填充介质基板20(介电常数为ε_r，损耗角为tanδ)，见图2；

步骤三，构建U形振子两元子阵。将步骤二的U形振子单元，沿Z轴平移复制两次，组成一个间隔为d的两元线阵。然后，沿阵列中轴线方向，设置一对平行双导线30于介质基板20两面，平行双导线的两导体分别连接两振子的上、下臂10、11。平行双导线的导体由多节长宽不等的变换段级联而成，中心处为馈电点31，两端通过金属化过孔32上下短路，并沿两导体方向上下对称设置一组等间隔排列的方形焊盘33，见图3、4和5；

步骤四，构造微带功分器。在步骤三的U形振子两元子阵的介质基板20底端位置，设计一微带功分器40，见图6虚线框中的部分40。微带功分器为一分二，中心为输入端，设置输入端焊盘23，两侧为输出端，设置输出端焊盘26，三个端口均通过信号线馈电孔25连接同轴馈线，输入端与输出端之间为输出支路22，见图7，图中21为微带功分器地平面，24为地平面馈电孔。

步骤五，U形振子两元子阵组成U形振子复合阵。将步骤三的两元子阵再共轴组阵，并在相邻子阵间设置步骤四的微带功分器40，功分器靠近第二个子阵的底端，见图8的虚线框内的部分的两个U形振子两元子阵1和2；

步骤六，构建同轴馈电网络。将两个步骤8的U形振子复合阵，其中包括四个U形振子两元子阵，用一分二、二分四的同轴馈电网络连接。馈电信号从端口60输入后，沿干路电缆50到达第一个馈电槽61，然后分成上下两路，沿着电缆51到达两个微带功分器40，之后分成四路、经电缆52分别馈入U形振子两元子阵1、2的各中心馈电31；

步骤七，固定同轴电缆。将步骤六的将同走向的各级同轴电缆合并为一股，沿U形振子两元子阵中心馈线方向往U形振子复合阵的两端走线，并将这股电缆焊接于子阵同一侧的各焊盘33上，见图9的各部分。

本实用新型所述宽带高增益垂直极化全向天线选用两元印制子阵、微带功分器和同轴馈电的总体设计方案，本实施例中，该宽带高增益垂直极化全向天线包括U形振子复合阵，该U形振子复合阵包括两个U形振子两元子阵1、2沿轴线方向共轴排列，该U形振子两元子阵包括两个共轴排列的U形振子单元，该U形振子单元包括对称设置的U形的上臂10和下臂11，分布在介质基板20的两面，该介质基板的两面还设有平行双导线30，平行双导线的两导体分别连接该U形振子单元的上、下臂。在两相邻U形振子两元子阵的之间，设有等幅同相的一分二微带功分器40。

各U形振子单元的上臂朝向子阵一端，下臂则朝向子阵另一端；复合阵列关于其几何中心左右、上下对称；介质基板20可物理分开，亦可连接为一体。

该U形振子单元的上臂和下臂的底端的部分区域12相互重叠，上臂和下臂的底部内边缘中间朝下的矩形凹陷13。该U形振子单元的振子长度约0.40λ_c～0.50λ_c，其中λ_c为中心波长，内外宽度与长度之比分别为0.025～0.045、0.035～0.085。

各U形振子两元子阵彼此间隔2·d排列，相邻两个U形振子单元间隔距离d＝0.55·λ_c～0.85·λ_c，其中λ_c为中心波长。

该平行双导线30包括多节长宽不等的变换段，中心点为馈电通孔31，两端点则为短路过孔32。该平行双导线上设置等间隔、等大小的方形焊盘33。

该微带功分器呈中心对称形式，中心为输入端，两侧为输出端，三个端口均连接同轴馈线。该微带功分器三个端口均设有焊盘。

该U形振子复合阵采用多级一分二的同轴网络馈电，第一级功分用馈电槽连接，第二级功分用该微带功分器连接，同级功分采用同种规格电缆。

该同轴馈电网络，将同走向的各级同轴电缆合并为一股，沿着子阵中心馈线方向往复合阵的两端走线，并将这股电缆焊接于子阵同一侧的各焊盘上。

该U形振子两元子阵所有焊盘形状和尺寸可相同或不同，大部分焊盘在双线馈线上，少数则在馈线的两端延伸处。

本实用新型通过采取下列措施：1)设计宽带U形振子单元，即为U形振子设置合适的长宽值、两臂宽度、底端重叠和凹陷尺寸，选用合适的基板材料，包括介电常数ε_r、损耗角正切tanδ和厚度T；2)构造两元印制子阵，将U形振子沿轴线平移复制两次，为平行馈线设置合适的几何参数，如双线间距、各变换段长宽、焊盘位置、形状及尺寸；3)设计微带功分器，在两相邻子阵间设置一个等幅同相的一分二微带功分器；4)复合阵同轴馈电，将两元子阵再共轴组阵，并用同轴电缆馈电，获得了较常规方案显著的性能提升：一、带宽较宽，覆盖350-390频段(BW＝40MHz，>10.82％)；二、高增益，达到9.58～10.26dBi；方向图带内一致性好，增益带宽与阻抗带宽几乎相等；二、理想不圆度，H面非全向性小于0.25dB；三、低旁瓣，SLL<-12dB；四、高交叉极化比，XPD大于60dB；五、高效率，η_A≥89％；六、天馈系统一体化印制，低互调(PIM-3，-107dBm@43dBm)、高可靠性；七、小尺寸，高风载，长度和直径分别小于5·λ_c和0.08·λ_c。

具体参数请参阅图10～18。

图10表示宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的输入阻抗Z_in的频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。由图知，在350-390MHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+31～+50Ω和-25～+5Ω，具有明显的宽带阻抗特性。

图11为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的反射系数|S₁₁|曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是S₁₁的幅度|S₁₁|，单位为dB。由图知，由图知，天线在GSM900频段(350-390MHz，BW＝40MHz)，实现了良好的阻抗匹配，反射系数|S₁₁|≤-10.83，最低可达-33.70dB，相对带宽大于10.82％，实现了较宽宽带。

图12为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的驻波比VSWR曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是VSWR。由图知，天线在UHF频段(350-390MHz，BW＝40MHz)，实现了良好的阻抗匹配，驻波比VSWR≤1.81，最小达到1.04，相对带宽大于10.82％，宽带较宽带宽。

图13为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的各频点E面增益方向图。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是dBi；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化；实线表示f_L＝350MHz，虚线表示f_C＝370MHz，点线表示f_H＝390MHz。由图知，E面高中低频的旁边电平SLL低于-12dB，交叉极化比XPD>60dB，说明垂直极化纯度极高。

图14为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的H面增益方向图。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是度dBi；实线表示f_L＝350MHz，虚线表示f_C＝370MHz，点线表示f_H＝390MHz。由图知，频带内的H面增益G＝9.58～10.26dBi，不圆度小于0.25dB，全向性非常理想。

图15为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的H面不圆度随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是不圆度，单位是度dB。由图知，整个频带内，水平面(H面)方向图不圆度(全向性或均匀性)小于0.25dB，水平全向性十分理想。

图16为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的的E-面(竖直面)半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是波束宽度，单位是度(deg)。由图知，带内半功率波宽HPBW＝9.5°～10.75°，竖直面(E面)波宽较窄，且频率一致性很好。

图17为宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的最大增益随频率f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是dBi。由图知，带内增益变化范围为G＝9.58～10.26，增益很高，且带内波动很小。

图18为超宽带高增益垂直极化全向天线的印制导线与同轴电缆混合馈电的八元均匀线阵的效率η_A随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是效率。由图知，整个带内，天线效率η_A≥89％，效率较高。

以上仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制或限定本实用新型。对于本领域的研究或技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型所声明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，其包括U形振子复合阵，该U形振子复合阵包括至少一个U形振子两元子阵沿轴线方向排列，该U形振子两元子阵包括两个共轴排列的U形振子单元，该U形振子单元包括对称设置的U形的上臂和下臂，分布在介质基板的两面，该介质基板的两面还设有平行双导线，平行双导线的两导体分别连接该U形振子单元上、下臂。

2.如权利要求1所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，在两相邻U形振子两元子阵的之间，设有等幅同相的一分二微带功分器。

3.如权利要求2所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该微带功分器中心为输入端，两侧为输出端，三个端口均连接同轴馈线。

4.如权利要求1～3任一项所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该U形振子单元的上臂和下臂的底部内边缘中间朝下的矩形凹陷。

5.如权利要求1～3任一项所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该U形振子单元的上臂和下臂的底端的部分区域相互重叠。

6.如权利要求1～3任一项所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该U形振子单元的振子长度约0.40λ_c～0.50λ_c，其中λ_c为中心波长，内外宽度与长度之比分别为0.025～0.045、0.035～0.085。

7.如权利要求1～3任一项所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，各U形振子两元子阵彼此间隔2·d排列，相邻U形振子单元间隔为d＝0.55·λ_c～0.85·λ_c，其中λ_c为中心波长。

8.如权利要求1～3任一项所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该平行双导线包括多节长宽不等的变换段，中心点为馈电通孔，两端点则为短路过孔。

9.如权利要求2或3所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该平行双导线上设置等间隔、等大小的焊盘，该微带功分器三个端口均设有焊盘。

10.如权利要求2或3所述的宽带高增益垂直极化全向天线，其特征在于，该U形振子复合阵采用多级一分二的同轴网络馈电，第一级功分用馈电槽连接，第二级功分用该微带功分器连接。