垂直极化全波振子阵列天线以及定向辐射天线制造技术

垂直极化全波振子阵列天线以及定向辐射天线，多个全波振子共轴组成后再从阵列中心馈电时，中心两侧的振子相当于并联，故阻抗可以大大降低，再调节印制馈线阻抗便可使之匹配至50Ω。定向辐射天线，包括所述的垂直极化全波振子阵列天线，以及设置在所述的垂直极化全波振子阵列天线任一侧的金属反射板。使得全波振子这种高增益全向单元天线，突破了之前因高阻抗而无法实现工程应用的技术瓶颈。

【技术实现步骤摘要】
垂直极化全波振子阵列天线以及定向辐射天线
本专利技术涉及无线通信天线设备与技术，特别涉及垂直极化全波振子阵列天线才及定向辐射天线。
技术介绍
偶极子天线或对称振子（dipoleantennas），是天线家族中最基本、最简单和最原始的天线类型。由于具有全向性、易匹配、设计简单、低成本等特点，偶极子天线同时也是工程应用最广泛的天线类型。根据两臂长度L与工作波长λ的关系，偶极子可有若干种类型。然而，迄今已专利技术的、可实用的偶极子天线仅两种类型，即短振子（L≤0.1·λ）和半波振子（L≈0.5·λ），以及基于它们的若干种变体。短振子难匹配、带宽窄、增益低、效率低，常用于便携式或移动终端设备，如寻呼机、车载AM/FM广播天线等；半波阵子则易匹配、带宽宽、中等增益（G=2.15dBi）、效率高，是应用最最广泛的偶极子天线类型，故有偶极子天线就是半波振子的说法。然而，单个半波振子2.15dBi的增益，相对于绝大多数场合来说还是太低，这时需要多个半波振子共轴组阵以获得更高的全向增益。但是，当增益要求较高，如大于10dBi时，半波振子单元数量至少8个。此后，每当增益增加3dBi时，单元数量将增加一倍，如13dBi增益理论上至少需要16个单元。这么多的振子单元，阵列阻抗匹配设计将变得极具挑战性。若采用中心印制馈线馈电，将使得带宽显著变窄、馈线损耗增大。相反，若采用同轴电缆馈电，带宽变窄和馈线损耗问题将得到有效的改善，但需要多种不同型号电缆连接，馈电网络设计变得极其复杂，可靠性和可生产性也将大大降低。因此，高增益全向天线采用半波振子组阵的方案并不理想。相反地，若振子单元增益提高3dBi的话，那么阵元数将减半，馈电网络设计将大大简化、损耗将显著降低。显然，上述问题解决的关键是设计一种更高增益的振子单元。众所周知，若要提高振子单元增益，则需要增加振子本身的电尺寸，比如从半波长增加至1个波长，即所谓的全波振子（full-wavelengthdipole，L≈1.0·λ），它的增益可达G≈4dBi，而且效率更高。然而，它的输入阻抗高达几kΩ，极难实现阻抗匹配，故学术界和工程界尚没有相应的研究成果。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种垂直极化全波振子阵列天线以及定向辐射天线，多个全波振子共轴组成后再从阵列中心馈电时，中心两侧的振子相当于并联，故阻抗可以大大降低，再调节印制馈线阻抗便可使之匹配至50Ω。使得全波振子这种高增益全向单元天线，突破了之前因高阻抗而无法实现工程应用的技术瓶颈。为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：垂直极化全波振子阵列天线，包括N元均匀直线阵列、对N元均匀直线阵列进行馈电的印制平衡双线、以及与印制平衡双线电连接的50Ω同轴电缆，其中N≥3；N元均匀直线阵列由N个均匀间隔直线排列的全波振子单元组成，全波振子单元由按N个全波振子单元排列方向设置在PCB板正面的振子上臂和设置在PCB板反面的振子下臂组成，振子上臂下移距离T后与振子下臂镜像对称，N元均匀直线阵列的中心设有馈电孔，N元均匀直线阵列的两端分别设有使印制平衡双线的上下馈线短路的短路过孔，印制平衡双线由两条分别设置在PCB板正反两侧的上馈线和下馈线组成，印制平衡双线的上、下馈线分别连接各侧的全波振子单元的振子上、下臂，同轴电缆的内导体通过馈电孔与印制平衡双线一条馈线电连接，同轴电缆的外导体与印制平衡双线的另一条馈线电连接。本专利技术所述的振子上臂和振子下臂均为U形振子，振子上臂和振子下臂的开口相向设置，振子上臂或振子下臂由中部的横臂和对称设置在横臂上下两侧的翼臂组成，横臂的外侧两端角向内侧方向倒内角θ，横臂的内侧中心设有向外侧方向凹陷的凹口。本专利技术所述的相临的两个全波振子单元的阵元间距为d=1.0L~2.0L，L为全波振子单元的长度。本专利技术所述的全波振子长度L为0.75λc~1.0λc。本专利技术所述的全波振子宽度与长度比为0.10~0.25。本专利技术所述的倒内角θ=15o~60o。本专利技术所述的上馈线和下馈线均由多节不等长宽的导体段级联而成。本专利技术所述的PCB板的介电常数εr=1~20，PCB板为包括空气在内的各种介质基板。本专利技术所述的同轴电缆的一端连接馈电孔，其另一端与射频接头连接；同轴电缆贴着印制平衡双线同一侧的馈线中心线朝N元均匀直线阵列一端顺延，使其外导体与该侧馈线多点焊接。定向辐射天线，包括所述的垂直极化全波振子阵列天线，以及设置在所述的垂直极化全波振子阵列天线任一侧的金属反射板。本专利技术的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）构造宽带全波振子单元；2）至少三个宽带全波振子组成均匀线阵，采用平衡双导线馈电，输入阻抗调谐至50Ω；3）用50Ω电缆直接馈电，降低损耗、提高效率。通过采用上述措施，本专利技术的N元全波振子阵列天线，实现了LTE频段内超宽带（1.71~2.17GHz，VSWR≤1.87，BW=460MHz，23.7%）、高增益（G=6.44~9.12dBi）、理想全向性（峰峰值不圆度<2.0dB）、较低旁瓣（SLL=-3~-11dB）、以及高效率（ηA≥90%）工作。相比之下，等物理口径的半波振子阵列有8个单元，但带宽仅为13%左右，增益为8.5dBi，效率为85%~90%。另外，该方案还具有尺寸小（长-3.571×λc，宽-0.233×λc）、馈电简单、装配方便、低互调和低成本等特点，是一种适用于蜂窝基站的理想全向天线方案。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，是取代常规宽带高增益全向基站天线的优选方案，而且对于低增益、宽带或窄频带的终端全向天线的设计和改进也是适用和有效的。附图说明图1为本专利技术天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。图2为本专利技术的全波振子单元的正视结构示意图。图3为本专利技术的全波振子单元的立体结构示意图。图4为本专利技术的四元均匀直线阵列的正视结构示意图。图5为本专利技术的四元均匀直线阵列的侧视结构示意图。图6为本专利技术的馈电孔的局部放大示意图。图7为本专利技术的短路过孔的局部放大示意图。图8为本专利技术的四元均匀直线阵列采用50Ω同轴电缆馈电的结构示意图。图9为本专利技术的八元均匀直线阵列采用50Ω同轴电缆馈电的结构示意图。图10为本专利技术的四元均匀直线阵列的输入阻抗Zin的频率特性曲线。图11为本专利技术的四元均匀直线阵列的驻波比VSWR曲线。图12为本专利技术的四元均匀直线阵列的反射系数|S11|曲线。图13为本专利技术的四元均匀直线阵列在f1=1.71GHz的增益方向图。图14为本专利技术的四元均匀直线阵列在f2=1.96GHz的增益方向图。图15为本专利技术的四元均匀直线阵列在f3=2.17GHz的增益方向图。图16为本专利技术的四元均匀直线阵列的增益G随频率f变化特性。图17为本专利技术的四元均匀直线阵列的H面不圆度随频率f变化曲线。图18为本专利技术的四元均匀直线阵列的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。图19为本专利技术的四元均匀直线阵列的效率ηA随频率f变化曲线。图中：1、N元均匀直线阵列，10、全波振子单元，101、振子上臂，101-1横臂，101-2翼臂，101-3、凹口，101-4、内角，102、振子下臂，11、馈电孔，12、短路过孔，2、印制平衡双线，21、上馈线，22、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.垂直极化全波振子阵列天线，其特征在于：包括N元均匀直线阵列（1）、对N元均匀直线阵列（1）进行馈电的印制平衡双线（2）、以及与印制平衡双线（2）电连接的50Ω同轴电缆（3），其中N≥3；N元均匀直线阵列（1）由N个均匀间隔直线排列的全波振子单元（10）组成，全波振子单元（10）由按N个全波振子单元（10）排列方向设置在PCB板正面的振子上臂（101）和设置在PCB板反面的振子下臂（102）组成，振子上臂（101）下移距离T后与振子下臂（102）镜像对称，N元均匀直线阵列（1）的中心设有馈电孔（11），N元均匀直线阵列（1）的两端分别设有使印制平衡双线（2）的上下馈线短路的短路过孔（12），印制平衡双线（2）由两条分别设置在PCB板正反两侧的上馈线（21）和下馈线（22）组成，印制平衡双线（2）的上、下馈线分别连接各侧的全波振子单元（10）的振子上、下臂，同轴电缆（3）的内导体通过馈电孔（11）与印制平衡双线（2）一条馈线电连接，同轴电缆的外导体与印制平衡双线（2）的另一条馈线电连接。

【技术特征摘要】
1.垂直极化全波振子阵列天线，其特征在于：包括N元均匀直线阵列（1）、对N元均匀直线阵列（1）进行馈电的印制平衡双线（2）、以及与印制平衡双线（2）电连接的50Ω同轴电缆（3），其中N≥3；N元均匀直线阵列（1）由N个均匀间隔直线排列的全波振子单元（10）组成，全波振子单元（10）由按N个全波振子单元（10）排列方向设置在PCB板正面的振子上臂（101）和设置在PCB板反面的振子下臂（102）组成，振子上臂（101）下移距离T后与振子下臂（102）镜像对称，N元均匀直线阵列（1）的中心设有馈电孔（11），N元均匀直线阵列（1）的两端分别设有使印制平衡双线（2）的上下馈线短路的短路过孔（12），印制平衡双线（2）由两条分别设置在PCB板正反两侧的上馈线（21）和下馈线（22）组成，印制平衡双线（2）的上、下馈线分别连接各侧的全波振子单元（10）的振子上、下臂，同轴电缆（3）的内导体通过馈电孔（11）与印制平衡双线（2）一条馈线电连接，同轴电缆的外导体与印制平衡双线（2）的另一条馈线电连接。2.如权利要求1所述的垂直极化全波振子阵列天线，其特征在于：所述的振子上臂和振子下臂均为U形振子，振子上臂（101）和振子下臂（102）的开口相向设置，振子上臂（101）或振子下臂（102）由中部的横臂（101-1）和对称设置在横臂（101-1）上下两侧的翼臂（101-2）组成，横臂（101-1）的外侧两端角向内侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道铁，吴中林，刘木林，
申请(专利权)人：广东通宇通讯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44