CN211789450U - 高增益射频前端装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高增益射频前端装置，包括高增益天线装置和射频收发装置，高增益天线装置包括基板以及两个或两个以上的双极化对数周期天线，射频收发装置包括滤波器、环形器、接收器和发射器。上述高增益射频前端装置，首先采用十字交叉结构实现两个单极化天线单元的双极化构成，实现了高增益双极化对数周期天线，可减少信号极化损失，使天线装置的水平垂直双方向的增益俱佳，其次通过将双极化对数周期天线组成天线阵列设置在基板上，将高增益天线装置设计为立体组阵结构，使得高增益天线装置可形成垂直面波束，最后由射频收发装置来实现信号的收发，从而提高了天线整体增益。

Description

高增益射频前端装置

技术领域

本申请涉及天线通信技术领域，特别是涉及一种高增益射频前端装置。

背景技术

天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分，各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。

传统的天线射频前端以单极化天线为主，也有阵列天线，但主要是垂直方向的阵列，这些天线结构均是二维设置，很难实现高增益，使得传统的天线系统对通信性能的提高有限，增益效果差。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的天线系统增益效果差问题，提供一种高增益射频前端装置。

一种高增益射频前端装置，包括高增益天线装置和射频收发装置，高增益天线装置包括基板以及两个或两个以上的双极化对数周期天线，各双极化对数周期天线均设置于基板，射频收发装置包括滤波器、环形器、接收器和发射器，双极化对数周期天线均连接滤波器，滤波器通过光纤连接环形器，环形器通过光纤分别连接接收器和发射器；

双极化对数周期天线，包括：

天线主体，包括围绕一空间轴线依次设置的四根相同的集合线即第一集合线、第二集合线、第三集合线、第四集合线，第一集合线与第三集合线相对设置，第二集合线与第四集合线相对设置，第一集合线的中点与第三集合线的中点之间的连线垂直于第二集合线中点与第四集合线中点之间的连线，且垂足在空间轴线上，第一集合线、第二集合线、第三集合线、第四集合线均包括第一端和第二端；第一集合线上设置有若干个天线振子，天线振子从第一集合线的第一端向第二端的方向依次等间距地交替设置在第一集合线相对于空间轴线方向的两侧，且越靠近第一集合线的第二端的天线振子长度越短，第一集合线上的所有天线振子相互平行且处于同一平面；第二集合线、第三集合线、第四集合线上也分别设置有若干个天线振子，设置方式与第一集合线的天线振子设置方式相同；

透镜，透镜设置在天线主体的第一端，透镜所在平面与空间轴线垂直；

第一同轴线和第二同轴线，分别设置于第一集合线和第二集合线上，包括同轴设置的内导体、绝缘介质层、外导体层，绝缘介质层设于内导体和外导体层之间，第一同轴线和第二同轴线的外导体层分别与第一集合线和第二集合线远离空间轴线的一侧贴合；

第一集合线和第二集合线的第二端还分别设置有第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔的形状和大小分别与第一同轴线和第二同轴线相适应，第一同轴线和第二同轴线的输出端分别连接至第一通孔和第二通孔，且第一同轴线和第二同轴线的内导体分别穿过第一通孔和第二通孔，连接至第三集合线和第四集合线。

上述高增益射频前端装置，首先采用十字交叉结构实现两个单极化天线单元的双极化构成，实现了高增益双极化对数周期天线，可减少信号极化损失，使天线装置的水平垂直双方向的增益俱佳，同时通过在双极化对数周期天线的天线主体上设置透镜，使得透镜能够将天线辐射出来的非均匀的球面波进行补偿修正，得到均匀的球面波，从而实现对天线波形的相位补偿，提高天线装置的整体增益，其次通过将双极化对数周期天线组成天线阵列设置在基板上，将高增益天线装置设计为立体组阵结构，使得高增益天线装置可形成垂直面波束，最后由射频收发装置来实现信号的收发，从而提高了天线整体增益。

在其中一个实施例中，不同频段的立体天线交叉设置于基板。

在其中一个实施例中，透镜为球面透镜，透镜通过连接件固定设置于双极化对数周期天线的第一端。

在其中一个实施例中，双极化对数周期天线还包括介质条，介质条设置于第一集合线、第二集合线、第三集合线与第四集合线围绕形成的区域内。

在其中一个实施例中，双极化对数周期天线还包括两个以上的平衡-不平衡变换器，各平衡-不平衡变换器分别连接第一集合线、第二集合线、第三集合线与第四集合线中的不同集合线。

在其中一个实施例中，各集合线的形状为长方体。

在其中一个实施例中，双极化对数周期天线还包括：

第三同轴线，设置于第三集合线上，与第一同轴线关于空间轴线对称；

第四同轴线，设置于第四集合线上，与第二同轴线关于空间轴线对称。

在其中一个实施例中，第一集合线、第三集合线以及设置于第一集合线、第三集合线上的第一同轴线、第三同轴线、天线振子共同组成的第一天线单极化结构的输入阻抗和第二集合线、第四集合线以及设置于第二集合线、第四集合线上的第二同轴线、第四同轴线、天线振子共同组成的第二天线单极化结构的输入阻抗均为50欧姆。

在其中一个实施例中，第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线的线材为50欧姆同轴线。

在其中一个实施例中，双极化对数周期天线还包括天线罩，天线罩为一端开口、另一端封闭的空腔结构，且开口端固定于基板上。

附图说明

图1为一实施例中高增益射频前端装置的结构框图；

图2为一实施例中高增益天线装置的结构图；

图3为一实施例中双极化对数周期天线的分布示意图；

图4为另一实施例中双极化对数周期天线的分布示意图；

图5为一实施例中双极化对数周期天线的具体结构示意图；

图6为一实施例中双极化对数周期天线中同轴线线材结构的局部示意图；

图7为一实施例中双极化对数周期天线局部一方向的剖视图；

图8为一实施例中双极化对数周期天线上视图；

图9为一实施例中天线单极化结构组成示意图；

图10为另一实施例中双极化对数周期天线结构示意图；

图11为另一实施例中高增益射频前端装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种高增益射频前端装置，如图1和图2所示，包括高增益天线装置1和射频收发装置2，高增益天线装置1包括基板11以及两个或两个以上的双极化对数周期天线12，各双极化对数周期天线12均设置于基板11，射频收发装置2包括滤波器21(用于对滤除谐波杂波，减少干扰)、环形器22、发射器23和接收器24，在基板11上的各个双极化对数周期天线12均连接滤波器21，滤波器21通过光纤连接环形器22，环形器22通过光纤分别连接接收器24和发射器23。具体地，双极化对数周期天线12垂直设置于基板11，基板11的材质并不唯一，可以是金属板或塑料板等，本实施例中，基板11为金属基板，并且在基板11的四个边角分别设置有固定件(例如固定螺栓)，基板11通过固定件固定在地面，提高基板11的固定可靠性。各个双极化对数周期天线12的频段可相同也可不同。本实施例中，不同频段的双极化对数周期天线12交叉设置于基板11。如图3所示，双极化对数周期天线12包括频段1天线和频段2天线，且两种不同频段的双极化对数周期天线12之间交叉设置。不同频段的双极化对数周期天线12的具体结构尺寸也不相同，如图4所示为不同频段的双极化对数周期天线12之间的交错型的高增益组阵方式图，频段1天线为低频天线，高度较高，频段2天线为高频天线，高度较低。把不同频段的双极化对数周期天线12进行交叉放置，即拉大了两个双极化对数周期天线12的间距，间接的增大了有效口径面积，提高了天线增益。

进一步，可参考图5，图5中示出了双极化对数周期天线12的具体结构，其包括天线主体110，天线振子120，第一同轴线130、第二同轴线140和透镜190。

天线主体110包括四根相同集合线，分别为第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113、第四集合线114，四根集合线围绕一空间轴线依次设置，其中第一集合线111与第三集合线113相对设置，第二集合线112与第四集合线114也相对设置。同时第一集合线111的中点与第三集合线113的中点连线垂直于第二集合线112中点与第四集合线114中点之间的连线，且垂足在空间轴线上，即四根集合线并非参差不齐，而是保持长度对齐地设置，以使天线尽可能保持结构相对对称稳定。

第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113、第四集合线114上均分别设置有若干个天线振子120，天线振子120可以是金属长条或金属棒，以及其他形状的金属件，为方便描述，不妨将各集合线的两端分别称为顶端和底端，任一条集合线上的若干个天线振子120均是从该集合线底端向着顶端的方向依次等间距地交替设置在集合线相对于空间轴线的两侧，即一左一右交替着沿着从底端向顶端的方向等间距地设置，且越靠近顶端的天线振子越短，同时同一集合线上的若干天线振子120相互平行且处于同一平面。

透镜190设置在天线主体110的第一端，透镜190所在平面与空间轴线垂直。具体地，天线主体110的第一端为靠近第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113和第四集合线114的第二端的一端。当第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113和第四集合线114的第二端在同一平面上时，第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113和第四集合线114的第二端中的任意一个都可以作为天线主体110的第一端，当第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113和第四集合线114的第二端不在同一平面上时，第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113和第四集合线114的第二端中最高的一端可以作为天线主体110的第一端，透镜190可以直接设置在天线主体110的第一端上，也可以通过连接件设置在天线主体110的第一端，透镜190与天线主体110的第一端之间的距离可根据实际需求调节。透镜190的设置方式并不是唯一的，例如可以在出厂或安装时固定设置在天线主体110的第一端，使透镜190和天线主体110结构一体化，可以避免安装时带来的干扰因素，提高工作性能。

天线本身是以球面波的形式往外辐射，因此其等相位面为一球面，而对于端射阵，其辐射最大方向上也将以球面波形式扩散。通过在天线主体110上设置透镜190，使得透镜190能够将天线的非均匀的球面波进行补偿修正，得到均匀的球面波，从而实现对天线波形的相位补偿，最终提高天线的整体增益。需要说明的是，提高天线增益的具体的原理是利用等相位梯度实现相位补偿最终达到提高天线增益的目的。进一步的，在一个实施例中，透镜190可以是某一介质材料，如低介电常数有机材料，包括玻璃钢，PTFE(Poly tetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)等。

第一同轴线130和第二同轴线140分别设置于第一集合线111和第二集合线112上，如图6所示，第一同轴线130和第二同轴线140均包括同轴设置的内导体131、绝缘介质层132和外导体层133，绝缘介质层132设置在内导体131和外导体层133之间，以保证其互不接触。在设置时，第一同轴线130和第二同轴线140的外导体层133分别与第一集合线111和第二集合线112远离空间轴线的外侧贴合，以产生电位差。

进一步的，参见图7，第一集合线111和第二集合线112的顶端分别设置有第一通孔150和第二通孔160，第一通孔150和第二通孔160的形状大小可以与第一同轴线130和第二同轴线140相适应，也可以大于或小于同轴线的截面，设置在集合线上的同轴线可以将输出端连接其所处集合线上的通孔，进一步的，连接至通孔的集合线的内导体还可以继续延伸，穿过通孔连接至与同轴线所在集合线相对的集合线，以组成馈电结构。例如，第二集合线112上设置的第二同轴线140的输出端连接至第二通孔160，同时第二同轴线140的输出端的内导体进一步延伸穿过第二通孔160连接至第四同轴线114，第一集合线111和第一同轴线130的设置方式亦然，此不赘述。

在一个实施例中，透镜190为球面透镜。透镜190通过连接件固定设置于双极化对数周期天线12的第一端。球面透镜具有弧形球面，能够更好的对天线的非均匀球面波进行补偿修正，从而将天线的非均匀球面波修正为均匀的球面波，提高天线的增益。进一步地，球面透镜包含至少一个凸面，在本实施例中，球面透镜包括一个平面和一个凸面，凸面可以朝向天线主体110设置，平面位于远离天线主体110的一侧，或者也可将平面朝向天线主体110设置，凸面位于远离天线主体110的一侧，具体可根据实际需求调整。连接件可以是泡沫连接件或者是连接柱等，进一步地，透镜190也可以通过连接件可拆卸固定于天线主体110的第一端，需要时安装透镜190，不需要拆卸下来，使用便捷，且当透镜190损坏不能使用时，可以只更换透镜190，避免了双极化对数周期天线12整体替换，节约了维修成本。

在一个实施例中，双极化对数周期天线12还包括介质条，介质条设置于第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113与第四集合线114围绕形成的区域内。介质条的尺寸并不是唯一的，在本实施例中，介质条的横截面积与第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113与第四集合线114围绕形成的区域的横截面积相等，从而使介质条固定好，提高工作稳定性，介质条的长度可以与设置在同一集合线上的两端的天线振子120之间的距离相等，在保证工作效果的前提下，也不会造成材料的浪费。双极化对数周期天线12利用准对周模型，振子不交叉，阵元为每一对振子，四对振子双极化，每层振子长度不同，以此实现更宽的带宽，阵元间距也不一样。通过在馈电集合板中间增加介质条来实现汉森-伍德亚德端射条件，每层振子之间介质条介电常数各不相同，形成强端射阵，以此来实现提高天线本身增益的目的。

在一个实施例中，请参见图10，双极化对数周期天线12还包括两个以上的平衡-不平衡变换器210，各平衡-不平衡变换器210分别连接第一集合线111、第二集合线112、第三集合线113与第四集合线114中的不同集合线。需要说明的是，在图10中虽未示出天线主体110与透镜190之间的具体连接方式，但实际上天线主体110与透镜190之间可以通过连接件连接。具体地，在本实施例中，以双极化对数周期天线12包括第一平衡-不平衡变换器和第二平衡-不平衡变换器为例，第一平衡-不平衡变换器的端口连接第一集合线111，第二平衡-不平衡变换器的端口连接第二集合线112，进一步的，连接至集合线的平衡-不平衡变换器的端口还可以继续延伸，连接至与已连接的集合线相对的集合线，以组成馈电结构。其他平衡-不平衡变换器与集合线的连接关系可依次类推，在此不再赘述。采用两个以上的平衡-不平衡变换器组成馈电结构可以实现天线振子的平衡馈电，提高双极化对数周期天线12的工作性能。

在一个实施例中，组成天线主体110的各集合线的形状为长方体，以方便对天线振子、同轴线等部件的安装。

如图5和图8所示，在一个实施例中，双极化对数周期天线12还包括第三同轴线170和第四同轴线180，分别设置在第三集合线113和第四集合线114上，且第三同轴线170与第一同轴线130关于前述空间轴线对称，第四同轴线180和第二同轴线140关于前述空间轴线对称。在一个实施例中，第三同轴线170还可与第一同轴线130长度相等，第四同轴线180可与第二同轴线140长度相等。在另一个实施例中，第三同轴线170与第一同轴线130相同，第四同轴线180与第二同轴线140相同。通过设置与第一同轴线130和第二同轴线140对称的同轴线，可以保障双极化对数周期天线12在结构上的对称性，从而保障天线辐射特性的对称性，提高天线性能。

如图9所示，在一个实施例中，第一集合线111、第三集合线113以及设置于第一集合线111、第三集合线113上的第一同轴线130、第三同轴线170、天线振子共同组成的第一天线单极化结构的输入阻抗为50欧姆。并且，第二集合线112、第四集合线114以及设置于第二集合线112、第四集合线114上的第二同轴线140、第四同轴线180、天线振子共同组成的第二天线单极化结构的输入阻抗也为50欧姆。双极化对数周期天线12不需要阻抗变换器，可直接采用50欧姆同轴线进行馈电，方便稳定，适配能力强。顶部馈电采用同轴线馈电，同轴馈电与集合线紧贴连在一起。同时，也可以集合线底部进行同轴馈电。进一步的，在一个实施例中，第一同轴线130，第二同轴线140，第三同轴线170，第四同轴线180的线材均为50欧姆同轴线。

在一个实施例中，第一通孔150开设位置相对于第二通孔160更加靠近顶端，以使第一同轴线130和第二同轴线140的内导体分别连接至第三集合线113和第四集合线114时互不交叠，避免干扰。

在一个实施例中，请参见图10，双极化对数周期天线12还可包括设置于天线主体110的第二端的反射板220。具体地，天线主体110的第二端可以为天线主体的近地端，即底端。通过设置反射板220，可以将天线后向波束通过反射板220汇聚反射出去，从而有效地提高天线的前后比，对提高天线增益及定向性也有一定的效果，提高天线性能。

在一个实施例中，双极化对数周期天线12还包括天线罩(未图示)，天线罩为一端开口、另一端封闭的空腔结构，且开口端固定于基板11上。双极化对数周期天线12置于天线罩空腔结构内，使得天线罩能够保护双极化对数周期天线12的各个组件。

在一个实施例中，如图11所示，射频收发装置2还包括功率放大器25和低噪声放大器26，环形器22连接低噪声放大器26，低噪声放大器26连接接收器24；环形器22连接功率放大器25，功率放大器25连接发射器23。具体地，高增益天线装置1与滤波器21连接，滤波器21通过环形器22分别连接功率放大器25和低噪声放大器26，功率放大器25连接发射器23，低噪声放大器26连接接收器24，分别形成信号发射通道和信号接收通道，组成的高增益射频前端装置实现最大的发射、接收增益，有效提升空间的利用效率。而由于高增益天线装置1为立体结构，形成的立体组阵，将原来的二维的天线配置成三维的高增益射频前端装置，可实现最大增益的单束波配置。

本实施例中，分别在信号发射通道和信号接收通道中增加功率放大器25和低噪声放大器26，对需要发送的信号进行功率放大以提高发射功率，并对接收的信号进行放大以便后续的信号处理，提高了高增益射频前端装置的通信可靠性。此外，射频收发装置2中各器件通过光纤传输信号，信号传输速度快、损耗小且抗干扰能力强，还可进一步提高系统的通信可靠性。

此外，在一个实施例中，高增益射频前端装置还包括控制装置，控制装置连接接收器24和发射器23。具体地，控制装置可采用MCU(Micro Control Unit，微控制单元)。通过控制装置控制高增益天线装置1的信号接收和发送，提高了天线系统的通信可靠性。

上述高增益射频前端装置，首先采用十字交叉结构实现两个单极化天线单元的双极化构成，实现了高增益双极化对数周期天线，可减少信号极化损失，使天线装置的水平垂直双方向的增益俱佳，同时通过在双极化对数周期天线的天线主体上设置透镜，使得透镜能够将天线辐射出来的非均匀的球面波进行补偿修正，得到均匀的球面波，从而实现对天线波形的相位补偿，提高天线装置的整体增益，其次通过将双极化对数周期天线组成天线阵列设置在基板上，将高增益天线装置设计为立体组阵结构，使得高增益天线装置可形成垂直面波束，最后由射频收发装置来实现信号的收发，从而提高了天线整体增益。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高增益射频前端装置，其特征在于，包括高增益天线装置和射频收发装置，所述高增益天线装置包括基板以及两个或两个以上的双极化对数周期天线，各所述双极化对数周期天线均设置于所述基板，所述射频收发装置包括滤波器、环形器、接收器和发射器，所述双极化对数周期天线均连接所述滤波器，所述滤波器通过光纤连接所述环形器，所述环形器通过光纤分别连接所述接收器和发射器；

所述双极化对数周期天线，包括：

天线主体，包括围绕一空间轴线依次设置的四根相同的集合线即第一集合线、第二集合线、第三集合线、第四集合线，所述第一集合线与所述第三集合线相对设置，所述第二集合线与所述第四集合线相对设置，所述第一集合线的中点与所述第三集合线的中点之间的连线垂直于所述第二集合线中点与所述第四集合线中点之间的连线，且垂足在所述空间轴线上，所述第一集合线、第二集合线、第三集合线、第四集合线均包括第一端和第二端；所述第一集合线上设置有若干个天线振子，所述天线振子从所述第一集合线的第一端向第二端的方向依次等间距地交替设置在所述第一集合线相对于所述空间轴线方向的两侧，且越靠近所述第一集合线的第二端的天线振子长度越短，所述第一集合线上的所有天线振子相互平行且处于同一平面；所述第二集合线、第三集合线、第四集合线上也分别设置有若干个天线振子，设置方式与所述第一集合线的天线振子设置方式相同；

透镜，所述透镜设置在所述天线主体的第一端，所述透镜所在平面与所述空间轴线垂直；

第一同轴线和第二同轴线，分别设置于所述第一集合线和所述第二集合线上，包括同轴设置的内导体、绝缘介质层、外导体层，所述绝缘介质层设于所述内导体和外导体层之间，所述第一同轴线和所述第二同轴线的外导体层分别与所述第一集合线和所述第二集合线远离所述空间轴线的一侧贴合；

所述第一集合线和所述第二集合线的第二端还分别设置有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔的形状和大小分别与所述第一同轴线和第二同轴线相适应，所述第一同轴线和第二同轴线的输出端分别连接至所述第一通孔和第二通孔，且所述第一同轴线和第二同轴线的内导体分别穿过所述第一通孔和所述第二通孔，连接至所述第三集合线和所述第四集合线。

2.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，不同频段的双极化对数周期天线交叉设置于所述基板。

3.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述透镜为球面透镜，所述透镜通过连接件固定设置于所述双极化对数周期天线的第一端。

4.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述双极化对数周期天线还包括介质条，所述介质条设置于所述第一集合线、所述第二集合线、所述第三集合线与所述第四集合线围绕形成的区域内。

5.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述双极化对数周期天线还包括两个以上的平衡-不平衡变换器，各所述平衡-不平衡变换器分别连接所述第一集合线、所述第二集合线、所述第三集合线与所述第四集合线中的不同集合线。

6.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，各所述集合线的形状为长方体。

7.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述双极化对数周期天线还包括：

第三同轴线，设置于所述第三集合线上，与所述第一同轴线关于所述空间轴线对称；

第四同轴线，设置于所述第四集合线上，与所述第二同轴线关于所述空间轴线对称。

8.根据权利要求7所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述第一集合线、第三集合线以及设置于所述第一集合线、第三集合线上的第一同轴线、第三同轴线、天线振子共同组成的第一天线单极化结构的输入阻抗和所述第二集合线、第四集合线以及设置于所述第二集合线、第四集合线上的第二同轴线、第四同轴线、天线振子共同组成的第二天线单极化结构的输入阻抗均为50欧姆。

9.根据权利要求7所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述第一同轴线、所述第二同轴线、所述第三同轴线和所述第四同轴线的线材为50欧姆同轴线。

10.根据权利要求1所述的高增益射频前端装置，其特征在于，所述双极化对数周期天线还包括天线罩，所述天线罩为一端开口、另一端封闭的空腔结构，且开口端固定于所述基板上。

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