超寬帶高增益全向天線及其超寬帶振子單元的製作方法

2023-06-06 08:46:16

【技術領域】

本發明涉及一種無線通信天線設備與技術，特別是涉及超寬帶高增益全向天線及其技術。

背景技術：

全向天線，通常指在方位面具有均勻輻射特性的一類天線，它在無線通信領域中具有廣泛而重要的用途，典型場景如通信基站、廣播電視塔，或車輛、飛行器、無線網關等終端設備。首先，由於用戶設備相對於基站臺的位置和方位是任意的，使用全向天線不僅能保證良好的通信效果，還可以減少設備尺寸與成本。另外，考慮到基站的覆蓋範圍和系統容量，全向天線必須是高增益、高功率和寬帶寬。再者，全向天線需要大量部署，還必須具有低互調、低成本、適合量產等特點。綜上所述，在工程領域中寬帶寬、高增益、高效率、低成本、低互調、易生產的全向天線具有強烈的應用需求。迄今為止，人們所發明的各種高增益全向天線幾乎都是採用半波振子共線或共軸組陣方式來實現。受制於應用需求、設計難度、尺寸限制等因素，高增益全向天線的常見增益為5-12dbi。而且，隨著增益增加，帶寬將逐漸減小，即增益與帶寬是一對矛盾。常規高增益寬帶振子陣列，通常選用直徑較粗的金屬管為輻射元，採用同軸電纜來構建饋電網絡。這種方案可克服增益和帶寬的矛盾，且功率容量大，但焊點多、互調差、尺寸大、成本高、量產困難。相比之下，pcb印製方案則具有低互調、高可靠性、低成本、適合批產等優點，但功率容量較低、阻抗帶寬較窄，增益帶寬更窄。鑑於上述優點，印製振子陣列已在無線領域尤其是終端設備上獲得了廣泛應用。如果解決大功率和帶寬較窄的問題，印製振子陣列將成為全向基站的理想設計方案。綜上所述，高增益寬帶全向天線具有廣闊的應用前景，但仍需突破諸多工程技術瓶頸，因此仍是天線研究的重要方向。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種超寬帶、高增益、全向性、垂直極化、低旁瓣、高交叉極化比、高效率的超寬帶高增益全向天線及其超寬帶振子單元。

為實現本發明目的，提供以下技術方案：

本發明旨在為無線通信提供一種超寬帶、高增益、全向性、垂直極化、低旁瓣、高交叉極化比、高效率，以及低互調、高可靠、結構簡單、低成本、易生產的全向基站天線，並為低增益、窄頻帶的終端全向天線的設計和改進提供有益的參考方法。

本發明提供一種超寬帶振子單元，其包括上臂和下臂，該上臂和下臂為鏡像對稱的u形臂，分別排布在介質板的頂底兩面，上臂和下臂之間有窄的間隙，在該上臂和下臂外側平行地附加一對寄生枝節。

優選的，該u形臂的寬度在頂部開口處向外拓寬。

優選的，該u形臂的底端兩側拐角處設置倒內角，倒角值範圍為15°～60°。

優選的，該u形臂的底端內側中央有一朝下的矩形凹陷。

優選的，該寄生枝節為上下對稱的長條形，位於介質基板的頂面或底面，或通過中間過孔排布於介質板的頂底兩面，該寄生枝節緊挨u形臂左右兩側與之平行放置，該寄生枝節的內邊和兩端均與上臂和下臂之間存在間隔距離。

優選的，該寄生枝節中間部分朝內凸入u形臂底端兩側切角位置，而外邊則與上臂和下臂的最外邊平齊。

優選的，該上臂和下臂的長度為0.20～0.25個中心波長，內外寬度與長度比例分別為0.25～0.35、0.45～0.75，該寄生枝節的寬長比約為0.01～0.20。

本發明還提供一種超寬帶高增益全向天線，其包括至少一個如上所述的超寬帶振子單元，該至少一個超寬帶振子單元沿軸線排列，各振子上下臂通過平行雙導體饋線連接為一體。

優選的，各超寬帶振子單元的上臂朝向基板一側，下臂則朝向基板另一側；陣列關於中心鏡像對稱。

優選的，平行雙導體饋線與陣列中心軸線重合，由不等長寬的多節變換段級聯而成，包括上下導線，且在兩末端上下短路，中心點開有通孔作為饋電孔，同軸電纜內導體穿過通孔後焊接在上導線上，外導體則焊接在下導線上；通孔環周為焊盤，同軸電纜焊接在焊盤上。

優選的，各超寬帶振子單元的間距d＝(0.55～0.85)×λc，其中λc為中心波長，基板材料的介電常數εr＝1～20，即為包括空氣在內的各種常見介質材料。

優選的，介質板長寬大於等於陣列尺寸，以對陣列起到支撐和阻抗匹配作用。

優選的，同軸電纜順著平行雙導體饋線或陣列軸線方向延伸至陣列一端，並於平行雙導體饋線的一側導線焊接。

對比現有技術，本發明具有以下優點：

本發明的積極進步效果在於，通過採取下列措施：1)設計超寬帶振子單元，即為u形振子設置合適的長寬值、兩臂寬度、底端切角和凹陷尺寸，為寄生枝節選擇合理參數和位置；2)單元排布組陣，n個陣元等間隔排成均勻直線陣，各振子上臂朝向陣列一側、下臂則朝向另一側；3)設置平行雙導體饋線，其與陣列中心軸線重合，由不等長寬的多節變換段級聯而成，且在兩末端上下短路；4)填充介質層，在平行雙導體饋間填充介質材料，使各振子上下兩臂分別位於介質板的頂底兩面；5)設置中心饋點，在平行導體中心點設置焊盤，以便饋電電纜焊接，獲得了較常規方案顯著的性能提升：一、帶寬顯著增加，完全覆蓋gsm900頻段(698-960mhz，bw＝262mhz，31.6％)；二、增益明顯提升，達到7.34～8.52dbi；方向圖帶內一致性好，增益帶寬與阻抗帶寬幾乎相等；二、不圓度大大改善，h面不均勻度小於1.5db；三、低旁瓣，sll31.6％)、高增益(g＝7.34-8.52dbi)、理想不圓度(<1.5db)、低旁瓣(sll50db，說明垂直極化純度很高。

圖16為超寬帶高增益全向天線各頻點h面增益方向圖；其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為mhz；縱軸(y軸)是增益，單位是度dbi；實線表示fl＝698mhz，虛線表示fc＝830mhz，點線表示fh＝960mhz。由圖知，h面高中低頻的增益g＝6.80～8.35dbi，不圓度小於1.5db，全向性很理想。

圖17為超寬帶水平極化水平全向天h面不圓度隨頻率f變化曲線；其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為mhz；縱軸(y軸)是不圓度，單位是度db。由圖知，整個頻帶內，水平面(h面)方向圖不圓度(全向性或均勻性)小於1.5db，水平全向性十分理想。

圖18為超寬帶高增益全向天線各頻點的e-面(豎直面)半功率波束寬度hbpw隨頻率f變化特性；其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為mhz；縱軸(y軸)是波束寬度，單位是度(deg)。由圖知，帶內半功率波寬hpbw＝15°～20°，豎直面(e面)波寬較窄，且頻率一致性很好。

圖19為超寬帶高增益全向天線的的最大增益隨頻率f變化特性；其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為mhz；縱軸(y軸)是增益，單位是dbi。由圖知，帶內增益變化範圍為g＝7.34～8.52dbi，增益很高，且帶內波動很小。

圖20為超寬帶高增益全向天線的效率ηa隨頻率f變化曲線；其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為mhz；縱軸(y軸)是效率，由圖知，整個帶內，天線效率ηa≥94％，非常理想。

除此，該方案還具有饋電設計簡單、裝配簡便和低成本等特點，是一種適用於全向基站的理想天線方案。另外，該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、實現簡單、低成本、適合批量生產等特點，是取代常規全向天線的優選方案，而且對於低增益、窄頻帶的終端全向天線的設計和改進也是適用和有效的。

以上僅為本發明的優選實例而已，並不用於限制或限定本發明。對於本領域的研究或技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明所聲明的保護範圍之內。