CN2508503Y - 波束下倾宽带全向中馈共线天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波束下倾宽带全向中馈共线天线阵。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。整个装置由同轴线1、2、3和多个偶极子8及环状介质套9组成,相对中馈点,夹在上半部同轴线中每个介质套的长度L₃均相等,夹在下半部同轴线中每个介质套的长度L₄也相等,且L₃<L₄,夹在中馈点处上、下的介质套长度L₁>L₂。通过缩短L₃的长度和加长L₄的长度分别达到改变中馈点上、下半部偶极子之间的距离,以实现宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵的波束下倾。具有加工方便,成本低,容易调整的优点,可作为移动通信的波束下倾宽带全向中馈共线天线阵使用。

Description

波束下倾宽带全向中馈共线天线阵

技术领域

本实用新型涉及一种天线，特别是一种波束下倾高增益宽带全向中馈共线天线阵，可作为移动通信的全向天线。

现有技术情况

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 $F_a\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\sin \left[\frac{\mathrm{n\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\sin \mathrm{\&theta;}\right]/\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\sin \mathrm{\&theta;}\right)---\left(1\right)$

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： $\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}d\sin \mathrm{\&theta;}=2\mathrm{\&pi;}---\left(2\right)$

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2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3所示。

对于中馈全向天线阵来说，如果要求波束下倾θ角，就可由公式(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，就能使中馈共线天线阵波束下倾，如图4所示。

可见，要让中馈全向天线实现波束下倾，只要根据所要求的下倾角度θ，分别代入(3)、(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。

实用新型的内容

本实用新型主要解决现有波束下倾宽带全向中馈共线天线阵所带来的天线部件加工量大、成本高、不易调整的问题。采用缩短中馈共线天线阵上半部分夹在分馈同轴线中的介质套长度，及加长中馈共线天线阵下半部分夹在分馈同轴线中介质套的长度。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的目的，以实现中馈共线天线阵的波束下倾。整个装置由空气介质主馈同轴线1和分馈同轴线2、3及多个偶极子8组成。偶极子8采用多个共线排列而成，每个偶极子都由两个背靠背套筒20和21及两套筒之间的环状缝隙19组成；在相邻偶极子的分馈同轴线2、3中及中馈点5处的同轴馈线中，分别设有环状介质套9，该介质套相对中馈点，设在上半部分同轴线中的长度L₃相等，设在下半部分同轴线中的长度L₄也相等，无波束下倾时环状介质套的长度L₀与波束下倾时环状介质套长度的关系为L₃＜L₀＜L₄，设在中馈点5上下的环状介质套长度L₁与L₂不相等，且L₁＞L₂。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。

本实用新型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，实现中馈共线阵的波束下倾，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，所以极大的提高了天线的传输效率。实测表明，本实用新型不仅很容易实现底馈及中馈共线阵的波束下倾，而且实际下倾角度与理论计算值相吻合。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图

图2是底馈共线阵天线波束下倾原理图

图3是底馈共线阵天线波束上翘原理图

图4是中馈共线阵天线波束下倾原理图

图5是本实用新型波束下倾3°中馈共线天线阵的实测垂直面方向图

图6是本实用新型波束下倾5°中馈共线天线阵的实测垂直面方向图

图7是无波束下倾宽带中馈共线天线阵的实测垂直面方向图

具体实施方式

图1给出了本实用新型的最佳实施方式。图1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表示中馈点上半部分同轴线中的介质套，9^II表示中馈点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，两个金属管子同心共轴。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上下的环状介质套长度，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。L₃、L₄的长度根据给定的下倾角θ及环状介质套的相对介电常数ε_γ而确定，L₁、L₂的长度先经初算，再用实验调整而确定。

本实用新型提供两个具体实施例。一个是下倾角3°的宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵，另一个是下倾角5°的宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵。它们都是在工作频段为870～960MHz无波束下倾宽带中馈缝隙耦合套筒偶极子共线天线阵的基础上，通过套在分馈同轴线中的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天线阵的单元之间距d₀＝0.8λ₀(λ₀为中心工作波长)，介质套长度L₀＝60mm，介质套的相对介电常数ε_γ＝4.76，经计算下倾角为3°和5°的中馈共线天线阵，套在中馈点上半部和下半部分馈同轴线中的介质套长度L₃、L₄如表1所示：

            表1

介质套长度(mm)		L3	L4
				下倾角	3°	50	65.8
5°	45.5	71.9

由图5、图6、图7比较可知，图7波束最大方向指向水平面，即图中的0°和180°平面，但图5波束最大方向并不指向0°和180°方向，而是指向3°和185°，也就是说相对水平面波束下倾了3°。同样从图6也可以看出，波束最大方向指向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中馈共线天线阵，包括中馈点、同轴线和偶极子辐射体，其特征在于同轴线主要由主馈同轴线(1)和分馈同轴线(2)、(3)组成；偶极子(8)采用多个共线排列而成，每个偶极子由两个背靠背套筒(20)和(21)及两套筒之间的环状缝隙(19)组成；在相邻偶极子中心的分馈同轴线(2)、(3)中及中馈点(5)处的同轴线中分别设有环状介质套(9)，该介质套相对中馈点，在上半部分同轴线中的长度L₃相等，在下半部分同轴线中的长度L₄也相等，无波束下倾时环状介质套的长度L₀与有波束下倾时环状介质套的长度关系为L₃＜L₀＜L₄，在中馈点5上下的环状介质套长度L₁与L₂不等，且L₁＞L₂。

2.根据权利要求1所述的中馈共线天线阵，其特征在于在给定天线阵单元间距d₀和无波束下倾的介质套长度L₀的条件下，中馈点上半部分与下半部分同轴线中的环状介质套长度L₃、L₄及中馈点(5)上下的环状介质套长度L₁、L₂均由下倾角θ及环状介质套的相对介电常数ε_r确定。

3.根据权利要求1所述的中馈共线天线阵，其特征在于套筒(20)、(21)的长度为λ₀/4，缝隙(19)之间的间距d₀为(0.8～0.9)λ₀。

4.根据权利要求1所述的天线阵，其特征在于主馈同轴线由内导体(13)和外导体(14)组成，主馈同轴线的外导体延伸部分(15)、(17)构成分馈同轴线(2)、(3)的内导体，分馈同轴线(2)、(3)的外导体分别由金属管子(16)、(18)构成；金属管(14)、(15)、(17)与金属管(16)、(18)同心共轴。

5.根据权利要求1所述的中馈共线天线阵，其特征在于中馈点(5)是通过在辐射体的中间位置设置短路器，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)和(7)，使传输到短路处的射频电流被全部返回。

6.根据权利要求1或4所述的中馈共线天线阵，其特征在于短路器(5)所在的位置与相邻偶极子的中心距分别为λ₀/4和3λ₀/4。

Images