CN210926347U - 一种复合型超宽频引向器及高低频嵌套组阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开公开一种复合型超宽频引向器，其由引向片和磁流环组合而成，其中引向片置于振子辐射面上方，磁流环置于振子辐射面下方且垂直轴线与振子重合；特别地，通过设计双层引向片和螺旋状磁流环使上述复合型引向器实现了超宽带的平面波转换和增益提升。该实用新型将引向片的平面波转换特性与磁流环提升轴向增益特性相结合，提供了一种超宽带、高增益的复合型引向器解决方案，从而更好地满足当前5G超宽带天线的需求。本实用新型还提供一种高低频嵌套组阵。

Description

一种复合型超宽频引向器及高低频嵌套组阵

技术领域

本实用新型专利涉及基站天线领域，特别是涉及一种用于消除边界杂散造成辐射方向图变形的无源平面波变换器及高低频嵌套组阵。

背景技术

高低频嵌套组阵通过空间复用缩小天线尺寸和增加多频阵列集成度，是目前基站天线设计中广泛采用的一种技术方案。典型的高低频嵌套空间复用阵列如图1所示：低频辐射单元排列成等间距的直线阵，高频辐射单元间隔地安装在低频辐射单元中心轴上方的托台以及低频直线阵相邻阵元的中间位置，通过高频阵列复用低频阵列空间的方式，在不增加基站天线物理尺寸的前提下实现高低频阵列的集成。

因此，如何消除高低频辐射单元之间的交互影响就成为嵌套组阵的关键难题之一：对于低频辐射单元来说，在其附近特别是内部中轴线上安装高频辐射单元相当于改变了边界，势必会影响驻波和方向图；而对于高频辐射单元来说，无论是位于低频辐射单元中心托台的嵌套高频振子还是位于相邻低频辐射单元中间位置的外部高频振子，都不可避免地受到来自低频辐射单元的杂散波的影响。尤其是外部高频振子，由于处在低频辐射单元的投影区，低频辐射单元对其辐射的电磁波形成严重的遮挡和散射，反射波、杂散波与入射波叠加，常常造成方向图畸变和增益下降。如果不能找到有效的技术手段对抗上述复杂的电磁边界造成的杂散，嵌套组阵和天线的小型化将难以实施！

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种能对抗复杂边界散射的复合型超宽频引向器。

本实用新型的另一个目的在于提供一种具有上述复合型超宽频引向器的高低频嵌套组阵。

为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种复合型超宽频引向器，其特征在于，由位于振子辐射面上方的引向片和位于振子辐射面正下方且垂直于辐射面中心轴线的磁流环组成。

更为优选的是，所述引向片具有双层或多层结构，且上层引向片比下层引向片具有更大的面积。

更为优选的是，所述引向片为双层金属片，该双层金属片中距离振子顶部较远的上层金属片由四片金属片组成，距离振子顶部较近的下层金属片由一片金属片组成。

更为优选的是，所述引向片为双层印制电路板，上层印制电路板及覆铜图案组成上层引向片，下层印制电路板及覆铜图案组成下层引向片，上、下层印制电路板及覆铜图案完全相同。

更为优选的是，所述上层印制电路板和所述下层印制电路板通过上下插接的两块侧板连接成为一个整体，两块侧板之间通过榫卯结构组合在一起。

更为优选的是，所述磁流环为闭合圆环或螺旋状结构。

更为优选的是，所述螺旋状结构随着螺旋上升半径增加。

一种高低频嵌套阵列，包括：反射板，设置在所述反射板上的若干高频辐射单元和若干低频辐射单元，所述高频辐射单元间隔地安装在所述低频辐射单元中心轴上方的托台以及相邻两所述低频辐射单元的中间位置；其特征在于，在所述高频辐射单元上设有如上所述的复合型超宽频引向器。

更为优选的是，各所述低频辐射单元组成直线阵列，所述复合型超宽频引向器设置在位于相邻两所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元上。

更为优选的是，所述高低频嵌套阵列的工作频段为1710MHz-2690MHz。

本实用新型公开的一种复合型超宽频引向器，由振子正上方的引向片和垂直轴线与振子重合、置于振子辐射面下方的磁流环组成，具有对抗复杂边界散射的功能。其工作原理是：辐射面上方的引向片和辐射面下方的磁流环共同组成平面波转换器，将振子辐射产生的球面波转化为波束向上方汇聚的平面波，从而减少了低频振子和边界杂散造成的高频振子辐射方向图畸变和增益下降。上述平面波转化过程中，引向片和磁流环具有不同功能：一方面，振子辐射产生的电磁波在正上方的引向片上感生出电流，上述电流辐射产生的电磁波与入射波叠加后改变了电磁场的相位分布，通过优化引向片的形状、尺寸和高度(与高频辐射面之间的垂直距离)，就能使振子辐射产生的球面波转换为波矢垂直于振子辐射面的平面波；另一方面，优化磁流环的尺寸和高度，振子垂直轴线下方的磁流环产生的散射场对正上方的电场有增强作用，使振子辐射场向上方聚焦，波束宽度变窄，从而减少了边界和低频振子遮挡、杂散对高频辐射场的影响。

与现有的引向器技术相比，本实用新型所述之复合型超宽频引向器具有以下特点：

1)将引向片和磁流环相结合，使得平面波转换效率更高，辐射波束更收敛，对抗边界杂散的效果优异，特别适用于高低频嵌套阵列中对高频振子的引向。

2)采用双层引向片和螺旋状磁流环，使得具有更大的带宽，更好地满足5G超宽带天线的需求。

3)工艺简单，无论是引向片还是磁流环只需简单钣金、冲压工艺即可批量生产，成本优势明显。

附图说明

图1所示为现有的高低频嵌套阵列示意图。

图2所示为本实用新型所述之复合型超宽频引向器结构示意图。

图3所示为本实用新型所述之复合型超宽频引向器另一结构示意图。

图4所示为本实用新型所述之复合型高频引向器在高低频嵌套阵列中应用示意图。

图5所示为未使用引向器的外部高频振子方向图测试结果。

图6所示为使用引向器之后的外部高频振子方向图测试结果。

附图标记说明：

1：高频振子，2：引向片，3：磁流环，4：印制电路板。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。

在本实用新型中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

图1是本实用新型所述之复合型超宽频引向器主要应用场景之一-高低频嵌套阵列示意图。该阵列中，高频辐射单元间隔地安装在低频辐射单元中心轴上方的托台以及低频直线阵相邻阵元的中间位置，通过高频阵列复用低频阵列空间的方式，在不增加基站天线物理尺寸的前提下实现高低频阵列的集成。如图1所示，为阐述方便，将位于低频辐射单元中心轴上方托台的高频辐射单元称为嵌套高频振子，而将位于低频直线阵相邻阵元中间位置的高频辐射单元称为外部高频振子。上述组阵方式的一个突出问题是：外部高频振子的辐射电磁波由于受到两侧低频振子的遮挡和散射造成方向图发生严重畸变，增益显著下降。在不改变组阵方式和天线内部空间的前提下，要消除外部高频振子辐射方向图畸变和提升增益，常用的方法之一是通过引向器改变辐射电磁场空间相位分布，使发散的球面波转化为向辐射面法线方向汇聚的平面波，从而减少低频振子和边界杂散对高频辐射方向图的影响。然而，已公开的引向器往往存在以下局限性：1)带宽不够，只能解决窄带问题，而无法解决超宽带问题；2)虽能一定程度消除方向图畸变，但会使增益下降。本实用新型所述之复合型引向器致力于打破上述局限，提供一种超宽带、高增益的复合型引向器解决方案。

图2是本实用新型所述之复合型超宽频引向器及其在高低频嵌套阵列中的应用示意图。本实用新型所述之复合型高频引向器由位于高频振子1上方的引向片2和位于高频振子1正下方且垂直于辐射面中心轴线的磁流环3组成。引向片2是一种平面波转换器，通过改变辐射电磁波空间相位分布，将分散的球面波转化为向辐射面法线方向(垂直中轴线朝上)汇聚的平面波，由于辐射功率向振子正上方自由空间集中，边界和低频辐射单元的杂散波的影响自然减少，辐射方向图变形问题获得改善。

本实施例中，优选所述引向片2为双层金属片组成，该双层金属片中距离高频振子顶部较远的上层金属片由四片金属片组成，比距离高频振子顶部较近的下层金属片面积更大，从而具备宽频带的平面波转换能力。位于高频振子辐射面下方并与之共轴的磁流环是一种线圈磁偶极子天线，其辐射方向指向高频振子辐射面法线方向，通过优化磁流环的高度使其散射场对高频振子电磁辐射起到最优的增强效果，达到提升增益的目的；另外，在高频振子下方加载磁流环之后，辐射方向图半功率角会有所收窄，从而一定程度上减少杂散波的产生。

优选地，所述磁流环3为螺旋状磁流环，且螺旋状磁流环随着螺旋上升，半径增加，使之在更宽频带提升增益。

如图3所示，在其他实施方式中，所述双层金属片组成的引向片被印制电路板所取代，其中上层印制电路板及其覆铜图案组成上层引向片，下层印制电路板及其覆铜图案组成下层引向片，上下层印制电路板及覆铜图案完全相同；上下层印制电路板通过榫卯和上下插接的侧板连接成为一个整体。

作为上述磁流环的一种变换实施方式，所述螺旋状磁流环采用圆环代替；所述磁流环设置成三层以上；不限于本实施例。

如图4所示，其为本实用新型所述之复合型高频引向器在高低频嵌套阵列中应用示例。实际应用时，在外部高频振子上安装如上所述的复合型高频引向器。当然，根据实际需要，上述复合型高频引向器也应用在其他天线中，与其他频率的振子配合，不限于本实施例。

为充分展示本实用新型所述之复合型高频引向器的效用，图5、图6分别给出了图1和图4所示外部高频振子方向图测试结果的对比。从图5、图6的对比可以看到：未使用上述引向器时，1710MHz和2690MHz方向图发生严重畸变，因顶部坍塌造成增益下降；而使用了本实用新型所述之复合型高频引向器后上述方向图畸变完全消除，增益恢复正常。

与现有的引向器相比，本实用新型所述之复合型高频引向器具有如下特征：1)本实用新型所述之复合型引向器由置于高频振子上方的引向片和置于高频振子下方且垂直轴线与之重合的磁流环组成；2)上述引向片具有双层或多层结构，且上层引向片比下层引向片具有更大的面积；3)为拓展带宽计，上述磁流环除采用闭合圆环外亦可采用螺旋状结构，且该螺旋状结构随着螺旋上升半径增加。

Claims (9)

1.一种复合型超宽频引向器，其特征在于，由位于振子辐射面上方的引向片和位于振子辐射面正下方且垂直于辐射面中心轴线的磁流环组成。

2.根据权利要求1所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述引向片具有双层或多层结构，且上层引向片比下层引向片具有更大的面积。

3.根据权利要求2所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述引向片为双层金属片，该双层金属片中距离振子顶部较远的上层金属片由四片金属片组成，距离振子顶部较近的下层金属片由一片金属片组成。

4.根据权利要求2所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述引向片为双层印制电路板，上层印制电路板及覆铜图案组成上层引向片，下层印制电路板及覆铜图案组成下层引向片，上、下层印制电路板及覆铜图案完全相同。

5.根据权利要求4所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述上层印制电路板和所述下层印制电路板通过上下插接的两块侧板连接成为一个整体，两块侧板之间通过榫卯结构组合在一起。

6.根据权利要求1所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述磁流环为闭合圆环或螺旋状结构。

7.根据权利要求6所述的一种复合型超宽频引向器，其特征在于，所述螺旋状结构随着螺旋上升半径增加。

8.一种高低频嵌套组阵，包括：反射板，设置在所述反射板上的若干高频辐射单元和若干低频辐射单元，所述高频辐射单元间隔地安装在所述低频辐射单元中心轴上方的托台以及相邻两所述低频辐射单元的中间位置；其特征在于，在所述高频辐射单元上设有如权利要求1-7中任意一项所述的复合型超宽频引向器。

9.根据权利要求8所述的一种高低频嵌套组阵，其特征在于，各所述低频辐射单元组成直线阵列，所述复合型超宽频引向器设置在位于相邻两所述低频辐射单元中间位置的所述高频辐射单元上。

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