专利名称：宽带双向天线及双向天线阵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及天线技术领域，具体地说是指由探针激励金属环构成的一种宽带双向天线。该天线可以安装在长廊、隧道、地铁中作为室内直放站中的双向天线使用；用这种天线单元组成双向天线阵，可以作为公路、铁路沿线的基站天线使用。
背景技术：
随着科学技术的发展，移动通信在人们的日常生活中越来越发挥着重要的作用，基站的数量随着用户的不断增加而增加。为了提高通信质量，使用户在不同的使用环境中都能得到比较满意的通信效果，基站对天线也提出了更高的要求，不仅要求频带宽、电气性能要好、价格低，而且要求能适用于各种环境的天线品种要多。例如，在狭长的街道、走廊、遂道、地铁、公路、铁路沿线都需要使用一种双向天线，以增大服务距离。而传统的双向天线则是把两个定向天线，经功分器背靠背地组合在一起；相距λ/2，且反相馈电的λ/2长二元偶极子天线阵；用平行馈线给窄介质板两面窄贴片天线馈电等办法构成。用这些方法构成的双向天线存在结构和馈电网络复杂、尺寸大、带宽窄，成本高的不足。现有技术中，还有一种采用在共线全向天线阵旁边平行设置寄生金属杆而构成的高增益双向天线，但这种天线仍然存在难以实现阻抗匹配的缺点。
实用新型的内容本实用新型的目的之一是提供一种结构与馈电都是相当简单的探针激励环式双向天线，以克服上述双向天线的不足；目的之二是提供一种用探针激励环式单元组成的双向天线阵。
本实用新型的双向天线主要由激励探针、金属环和同轴插座组成。金属环的中心对称位置设置有连接孔，同轴插座固定在连接孔的下部与金属环相连接，探针的一端位于连接孔之中与同轴插座的内导体相连接，另一端开路；该探针类似λ/4单极子，它的E面(垂直面)方向图呈8字形，在探针激励的情况下，由于Y轴方向存在宽度为W的金属带，使它的H面(水平面)方向图也近似呈8字形，且两个最大辐射方向指向±X轴，即构成双向天线。
本实用新型的高增益双向天线阵主要由多个辐射单元，多段同轴馈线及接线盒，组成，其中每个辐射单元采用上述的探针激励金属坏结构，各段同轴线与各个探针激励环之间通过了T形连接器连接，依次固定在介质板上。
上述宽带双向天线的金属环的形状可以是方形、矩型、园形，或椭园形。
上述宽带双向天线的金属环的宽度W可在0.13～0.16λ；方环的边长A可在0.45～0.53λ，园环的直径Φ1可在0.54～0.63λ；探针的长度L可在0.2～0.25λ，直径Φ2可在0.033～0.038λ范围内调节。
上述高增益双向天线阵的T形连接器是由金属盘和金属套筒组成，金属盘固定在金属环上，同轴线穿过金属套筒，同轴线的外导体与金属套筒相连接，同轴线的内导体与探针相连接。
上述高增益双向天线阵的并联馈电是用同轴线先将所有辐射单元两两并接，再依次将并接后的各点继续两两并接，直到最后再把两个接点并联接到输入或输出同轴线上。
上述高增益双向天线阵接线盒是由一块园形金属块加工而成，内设多个穿线孔和接线点。
本实用新型由于采用探针激励金属环辐射单元，不仅结构与馈电简单，成本低；而且由于本实用新型的基本单元具有宽频带特性，并可根据增益的大小随意并联组阵，因此用这种办法构成的高增益双向天线阵，不仅频带宽，而且不管单元多少，都极容易实现阻抗匹配。实测表明，用本实用新型制作的双向天线，分别在824～960MHz，及1710～1990MHz频段内，驻波比VSWR≤1.5，增益为5-6dB，水平面垂直面方向图均呈双向形；将4个或8个这种双向天线单元并联组成的双向天线阵，在10％的带宽内，VSWR≤1.5，增益分别达到10和13dB，可作为公路或铁路沿线使用的高增益双向基站天线。
图1是本实用新型的方形环天线结构图图2是本实用新型的园形环天线结构图图3是本实用新型并馈构成的四元中增益双向天线阵结构图图4是本实用新型并馈构成的八元高增益双向天线阵结构图图5是本实用新型组阵时基本单元的连接结构图图6是图1的VSWR频率特性曲线。
图7是图2的VSWR频率特性曲线图8是图1的水平面和垂直面方向图图9是图2的水平面和垂直面方向图图10是四元和八元探针激励方环双向天线阵的水平面方向图图11是四单元探针激励方环天线阵的垂直面方向图，图12是八单元探针激励方环天线阵的垂直面方向图，参照图1和图2，双向天线辐射单元1主要由探针2、金属环3和电缆插座4组成。金属环3是用1mm左右厚，宽度为W的金属带弯曲成正方形而成。在金属环的中心，按照同轴插座4的尺寸开一个洞，把同轴插座4的法兰6用螺钉固定在金属环3上。探针2由金属管或金属棒构成，位于金属环左右对称的位置上，一端与同轴插座4的内导体7焊接连接，另一端开路。图2是图1的变形结构，即把方形环变成园形环，在保证图2园环周长不变的情况下，按照长/短轴之比为(1.1～1.2)∶1，就能构成探针激励椭园环双向天线。这些结构形式均在宽频带范围内，不仅仍然具有双向性，而且对使用环境，安装架设、加工制作提供了方便和更大的自由度。在这种天线的结构中，探针类似λ/4单极子，它的E面(垂直面)方向图呈8字形，在探针激励的情况下，在图1所示的坐标系中，由于Y轴方向存在宽度为W的金属带，使它的H面(水平面)方向图也近似呈8字形，且两个最大辐射方向指向±X轴，即构成天线的双向性。
为了得到最佳电气性能，金属带的宽度可在W＝0.13～0.16λ；方环的边长可在A＝(0.45～0.53)λ，园环的直径可在Φ1＝(0.54～0.63)λ；探针的长度可在L＝(0.2～0.25)λ，直径可在Φ2＝(0.033～0.038)λ范围内调节。
参照图3，这是一个由图2所示的园形基本单元并馈构成的中增益四元双向天线阵。各辐射单元11、12、13、14通过螺钉9依次固定在介质板8上，每个单元等幅同相馈电，以得到最大增益。为防止出现栅瓣，各单元间距小于波长且相等，连接每个单元同轴电缆L1、L2、L3、L4的长度也必须相等，以确保实现最大增益。由于每个基本单元的输入阻抗接近50Ω，故连接每个单元所用的同轴电缆的特性阻抗Z0均为50Ω。其连接方式是先将辐射单元11与12，13与14分别并联为两个接点J1和J2，再将该两个接点用等长电缆L9、L10并接为一个接点J3到输出电缆L17。各并联接点的阻抗为50/2Ω。为了达到与特性阻抗为50Ω的输出电缆L17匹配，则必须使用阻抗变换段。
设阻抗变换段同轴线的特性阻抗为ZC。根据阻抗变换理论，阻抗变换段两端的阻抗Z1、Z2与ZC 的关系。假定同轴电缆L9、L10的特性阻抗仍然为50Ω，但长度必须为变换段所要求的λg/4的奇数倍(λg-同轴线中的波长)，经这个变换段把经接点J1和J2输出的50/2Ω阻抗变换到100Ω，再把两个100Ω阻抗经接点J3并联变为50Ω与输出50Ω电缆L17完全匹配。
图4是用八个探针激励环11、12、13、14、15、16、17、18作为基本单元并联馈电构成的高增益双向天线阵结构。该探针激励环可以是图1和图2所示的方形或圆形，也可以是椭圆形。该天线阵同图3所示的双向天线阵一样，连接所有单元用的各段同轴电缆L1～L8的长度必须相等，各单元之间的间距相等，以保证给每个单元等幅同相馈电。为了极容易调整阻抗匹配，全部采用了并联馈电技术，即把八个单元两两并接变成四个并联接点为J1、J2、J5、J4，再将该四个并接点变为两个并联接点J3、J6，最后再把该两个接点并联为一个接点J7到输出电缆L17。同轴线段L9、L10、L11、L12的特性阻抗为50Ω的阻抗变换段，同轴线段L13、L14、为50Ω特性阻抗，经过75Ωλg/4阻抗变换段L15、L16之后，把50Ω阻抗应变为112.5Ω(75×75/50＝112.5)最后再把两个112.5Ω并联变为56Ω，与50Ω输出电缆L17基本匹配。为了加工方便所有接点J1～J7及阻抗匹配段电缆的连接处均设置在接线盒里。该接线盒由一块园形金属块加工而成，内设多个穿线孔和接点(图中未画出)。
参见图5，本实用新型为了节约成本和便于加工，在用图1，图2所示的基本单元组阵时，没有使用同轴插座4，而是采用了T形连接器结构。T形连接器由中间带孔的金属盘19和金属套筒20组成。金属套筒20穿过金属环3上与其套筒外径相等的孔，将金属盘19与金属环3焊接在一起，再把直径与金属套筒内径相等的同轴线穿过金属套筒20，把同轴线的外导体22与金属套筒20焊死，把同轴线的内导体21与探针2焊接，可见连接方法既简单又可靠。
实施例1本实用新型新在GSM和CDMA高频段的1710～1990MHz频段，按照图1和图2所示的结构形式制作了两个室内双向天线。其中方形环的边长为80mm，园环的直径为94mm。经实际测试，两种结构的天线均具有宽频带特性。其中图6给出了探针激励方形环室内双向天线的VSWR频率特性曲线，由图看出，在1710-1990MHz频段内(相对带宽为15％)，VSWR≤1.4。
图7(a)给出了探针激励园形环室内双向天线的VSWR频率特性曲线，由图可看出，在GSM和CDMA的高工作频段(1710-1990MHz)内，VSWR≤1.4，而且它具有更宽的阻抗带宽，如图7(b)所示。在1697-2065MHz频段内(相对带宽19％)，VSWR≤1.5。
图8给出了由探针激励方环构成的双向天线的水平面和垂直面方向图，其半功率波束宽度分别为HPBWH＝69.6°，HPBWE＝46°。
图9给出了由探针激励园环构成的双向天线的水平面和垂直面方向图，其半功率波束宽度分别为HPBWH＝63°，HPBWE＝65.6°。从图8和图9可看出，不管是由探针激励的方环，还是由探针激励的园环构成的双向天线，其水平面方向图均具有双向性。在1710-1990MHz频段内，实测增益5-6dBi。
实施例2本实用新型在1850-1990MHz频段，用探针激励方环作为基本单元，构成了4元和8元双向天线阵，方环的边长为80mm。图10为四元和八元探针激励方环双向天线的水平面方向图，由图看出它与图8所示方环基本单元的水平面方向图基本相同。图11和图12分别为四单元和八单元探针激励方环天线阵的垂直面方向图，半功率波束宽度分别为13°和6.9°，由图可见单元越多，垂直面方向图越窄。实测增益分别为10dBi和13dBi，该天线可广泛用在公路、铁路沿线作为基站天线。
本实用新型不限于本申请所给的实例，金属环的形状也可以是矩形、椭圆形或其它环状。用该探针激励环式辐射单元构成的双向天线阵也可以是六元阵，十元阵或其它多元阵。
权利要求1.一种宽带双向天线，包括辐射单元和同轴插座，其特征在于辐射单元(1)是由激励探针(2)、金属环(3)和同轴插座(4)构成，金属环的中心对称位置设置有连接孔，同轴插座(4)固定在连接孔的下部与金属环(3)相连接，探针(2)的一端位于连接孔之中与同轴插座的内导体(7)相连接，另一端开路；探针(2)的垂直面和水平面方向图均呈8字形，且两个最大辐射方向指向±X轴。
2.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于金属环(3)的形状可以是方形、矩形、园形，或椭园形。
3.根据权利要求1所述的双向天线，其特征在于金属环(3)的宽度W可在0.13～0.16λ；方环的边长A可在0.45～0.53λ，园环的直径Φ1可在0.54～0.63λ；探针的长度L可在0.2～0.25λ，直径Φ2可在0.033～0.038λ范围内调节。
4.一种高增益双向天线阵，包括多个辐射单元和多段同轴馈线及接线盒，辐射单元依次固定在介质板上，其特征在于每个辐射单元采用探针激励金属环(1)构成，各段同轴线与每个辐射单元之间通过T形连接器连接，并采用并联馈电。
5.根据权利要求4所述的双向天线阵，其特征在于T形连接器是由金属盘(19)和金属套筒(20)组成，金属盘(19)固定在金属环(3)上，同轴线穿过金属套筒(20)，同轴线的外导体(22)与金属套筒(20)相连接，同轴线的内导体(21)与探针(2)相连接。
6.根据权利要求4所述的双向天线阵，其特征在于并联馈电是用同轴线先将所有辐射单元两两并接，再依次将并接后的各点继续两两并接，直到最后再把两个接点并联接到输入电缆L17上。
7.根据权利要求4所述的双向天线阵，其特征在于接线盒是由一块园形金属块加工而成，内设多个穿线孔和接线点便于把两根以上同轴线连在一起。
专利摘要本实用新型公开了一种双向天线单元及双向天线阵。该双向天线主要由激励探针，金属环和同轴插座组成。探针2位于金属环3的中心对称位置，同轴插座4的内导体7与探针2相连接，同轴插座4的外导体6与金属环3相连接。该双向天线的E面和H面方向图均呈8字形，且两个最大辐射方向指向±X轴。将每个探针激励环式的天线辐射单元并联馈电，且采用T形连接器连接，依次等间距的固定在介质板上，可组成双向天线阵。该天线具有结构与馈电网络简单，阻抗匹配容易调整及成本低的优点，在15％的宽频带范围内VSWR≤1.5，双向增益高达5－6dBi。可用于走廊、地铁、隧道作室内直放站中的双向天线，该双向天线阵在移动通信中可作为公路、铁路沿线的基站天线使用。
文档编号H01Q7/00GK2561107SQ0226204
公开日2003年7月16日 申请日期2002年8月12日 优先权日2002年8月12日
发明者俱新德, 王小龙, 张培团, 任辉, 刘军州, 段文虎 申请人:西安海天天线科技股份有限公司