超宽带高增益全向天线及其超宽带振子单元的制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种无线通信天线设备与技术，特别是涉及超宽带高增益全向天线及其技术。

背景技术：

全向天线，通常指在方位面具有均匀辐射特性的一类天线，它在无线通信领域中具有广泛而重要的用途，典型场景如通信基站、广播电视塔，或车辆、飞行器、无线网关等终端设备。首先，由于用户设备相对于基站台的位置和方位是任意的，使用全向天线不仅能保证良好的通信效果，还可以减少设备尺寸与成本。另外，考虑到基站的覆盖范围和系统容量，全向天线必须是高增益、高功率和宽带宽。再者，全向天线需要大量部署，还必须具有低互调、低成本、适合量产等特点。综上所述，在工程领域中宽带宽、高增益、高效率、低成本、低互调、易生产的全向天线具有强烈的应用需求。迄今为止，人们所发明的各种高增益全向天线几乎都是采用半波振子共线或共轴组阵方式来实现。受制于应用需求、设计难度、尺寸限制等因素，高增益全向天线的常见增益为5-12dbi。而且，随着增益增加，带宽将逐渐减小，即增益与带宽是一对矛盾。常规高增益宽带振子阵列，通常选用直径较粗的金属管为辐射元，采用同轴电缆来构建馈电网络。这种方案可克服增益和带宽的矛盾，且功率容量大，但焊点多、互调差、尺寸大、成本高、量产困难。相比之下，pcb印制方案则具有低互调、高可靠性、低成本、适合批产等优点，但功率容量较低、阻抗带宽较窄，增益带宽更窄。鉴于上述优点，印制振子阵列已在无线领域尤其是终端设备上获得了广泛应用。如果解决大功率和带宽较窄的问题，印制振子阵列将成为全向基站的理想设计方案。综上所述，高增益宽带全向天线具有广阔的应用前景，但仍需突破诸多工程技术瓶颈，因此仍是天线研究的重要方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超宽带、高增益、全向性、垂直极化、低旁瓣、高交叉极化比、高效率的超宽带高增益全向天线及其超宽带振子单元。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明旨在为无线通信提供一种超宽带、高增益、全向性、垂直极化、低旁瓣、高交叉极化比、高效率，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的全向基站天线，并为低增益、窄频带的终端全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

本发明提供一种超宽带振子单元，其包括上臂和下臂，该上臂和下臂为镜像对称的u形臂，分别排布在介质板的顶底两面，上臂和下臂之间有窄的间隙，在该上臂和下臂外侧平行地附加一对寄生枝节。

优选的，该u形臂的宽度在顶部开口处向外拓宽。

优选的，该u形臂的底端两侧拐角处设置倒内角，倒角值范围为15°～60°。

优选的，该u形臂的底端内侧中央有一朝下的矩形凹陷。

优选的，该寄生枝节为上下对称的长条形，位于介质基板的顶面或底面，或通过中间过孔排布于介质板的顶底两面，该寄生枝节紧挨u形臂左右两侧与之平行放置，该寄生枝节的内边和两端均与上臂和下臂之间存在间隔距离。

优选的，该寄生枝节中间部分朝内凸入u形臂底端两侧切角位置，而外边则与上臂和下臂的最外边平齐。

优选的，该上臂和下臂的长度为0.20～0.25个中心波长，内外宽度与长度比例分别为0.25～0.35、0.45～0.75，该寄生枝节的宽长比约为0.01～0.20。

本发明还提供一种超宽带高增益全向天线，其包括至少一个如上所述的超宽带振子单元，该至少一个超宽带振子单元沿轴线排列，各振子上下臂通过平行双导体馈线连接为一体。

优选的，各超宽带振子单元的上臂朝向基板一侧，下臂则朝向基板另一侧；阵列关于中心镜像对称。

优选的，平行双导体馈线与阵列中心轴线重合，由不等长宽的多节变换段级联而成，包括上下导线，且在两末端上下短路，中心点开有通孔作为馈电孔，同轴电缆内导体穿过通孔后焊接在上导线上，外导体则焊接在下导线上；通孔环周为焊盘，同轴电缆焊接在焊盘上。

优选的，各超宽带振子单元的间距d＝(0.55～0.85)×λc，其中λc为中心波长，基板材料的介电常数εr＝1～20，即为包括空气在内的各种常见介质材料。

优选的，介质板长宽大于等于阵列尺寸，以对阵列起到支撑和阻抗匹配作用。

优选的，同轴电缆顺着平行双导体馈线或阵列轴线方向延伸至阵列一端，并于平行双导体馈线的一侧导线焊接。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1)设计超宽带振子单元，即为u形振子设置合适的长宽值、两臂宽度、底端切角和凹陷尺寸，为寄生枝节选择合理参数和位置；2)单元排布组阵，n个阵元等间隔排成均匀直线阵，各振子上臂朝向阵列一侧、下臂则朝向另一侧；3)设置平行双导体馈线，其与阵列中心轴线重合，由不等长宽的多节变换段级联而成，且在两末端上下短路；4)填充介质层，在平行双导体馈间填充介质材料，使各振子上下两臂分别位于介质板的顶底两面；5)设置中心馈点，在平行导体中心点设置焊盘，以便馈电电缆焊接，获得了较常规方案显著的性能提升：一、带宽显著增加，完全覆盖gsm900频段(698-960mhz，bw＝262mhz，31.6％)；二、增益明显提升，达到7.34～8.52dbi；方向图带内一致性好，增益带宽与阻抗带宽几乎相等；二、不圆度大大改善，h面不均匀度小于1.5db；三、低旁瓣，sll<-10db；四、高交叉极化比，xpd大于50db；五、高效率，ηa≥94％；六、天馈系统一体化印制，低互调(pim-3，-107dbm@43dbm)、高可靠性。

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，是取代常规全向天线的优选方案，而且对于低增益、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为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图；

图2为本发明u形超宽带振子单元一臂模型的正视图；

图3为本发明u形超宽带振子单元两臂模型的正视图；

图4为本发明u形超宽带振子单元两侧加载寄生枝节模型的正视图；

图5为本发明u形超宽带振子单元排布成四元均匀直线阵模型的正视图；

图6为本发明超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型的正视图；

图7为本发明超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型下或左半部分的正视图；

图8为超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型两端的局部正视图；

图9为超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型的下端或左端局部放大图；

图10为超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型的上端或右端局部放大图；

图11为超宽带高增益全向天线的平衡馈电四元均匀直线阵模型的中心局部的放大图；

图12为本发明超宽带高增益全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线；

图13为本发明超宽带高增益全向天线的反射系数|s11|曲线；

图14为本发明超宽带高增益全向天线的驻波比vswr曲线；

图15为本发明超宽带高增益全向天线各频点e面增益方向图；

图16为本发明超宽带高增益全向天线各频点h面增益方向图；

图17为本发明超宽带水平极化水平全向天h面不圆度随频率f变化曲线；

图18为本发明超宽带高增益全向天线各频点的e-面(竖直面)半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性；

图19为本发明超宽带高增益全向天线的的最大增益随频率f变化特性；

图20为本发明超宽带高增益全向天线的效率ηa随频率f变化曲线。

本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。

【具体实施方式】

下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

请参阅图1～11，本发明旨在为无线通信提供一种超宽带、高增益、全向性、垂直极化、低旁瓣、高交叉极化比、高效率，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的全向基站天线，并为低增益、窄频带的终端全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

所述超宽带高增益全向天线的设计方法包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造超宽带振子单元：在xoz平面，顺+z轴方向构建一个开口朝上的u形片1，u形片的两臂15左右对称，两臂宽度在顶部开口处向外拓宽，请参阅图2；然后，将u形片1沿x轴进行镜像，组成宽带偶极子的上下两臂1、2，上下两臂之间有窄的间隙16，请参阅图3；另外，在u形片上下两臂外侧平行地附加一对寄生枝节20，寄生枝节上下对称，其内边和两端均与u形片间隔一定的距离21，而外边则与u形振子两臂的最外边平齐，请参阅图4；

步骤三，阵列排布：将步骤二的超宽带振子单元，沿z轴平移距离d并复制n次，组成一个等间隔的n元均匀直线阵，阵元数为n(n≥1)，阵元间距d＝(0.55～0.85)×λc，请参阅图5；

步骤四，设置平行双导体馈线：将步骤三的阵列中各振子单元的下臂，一起沿y轴方向平移距离t；然后，在xoz平面(y＝0平面)，沿z轴方向构造一条直线导体，其宽度沿长度方向大小变化，再将其复制并朝振子下臂方向平移距离t；此时，两条直线导体构成一对平行双导体馈线40；最后，分别将它们与各振子上下臂连接为一体，请参阅图6。

步骤五，填充介质层：在步骤四的平行双导体馈线及振子上下两臂之间，填充厚度为t的均匀介质板30，其长宽大小不小于阵列尺寸，以对阵列起到支撑和阻抗匹配作用；

步骤六，设置馈中心点：在步骤五的振子阵列中心、平行双导体馈线的上下导体上分别设置一个馈电孔，用于连接馈电同轴电缆，请参阅图7～11；

步骤七，固定电缆：将步骤六的同轴电缆，顺着平行双导体馈线或阵列轴线方向延伸至阵列一端，并于平行双导体馈线的一侧导线焊接。

请参阅图1～11，在本实施例中，所述超宽带高增益全向天线选用u形振子、寄生枝节加中心馈线的印制pcb设计方案。通过上述步骤构建的本发明的超宽带高增益全向天线包括四个沿轴线排列的超宽带振子单元，各振子上下臂1、2通过平行双导体馈线40连接为一体。

该超宽带振子单元的上臂和下臂为镜像对称的u形臂，该u形臂的宽度在顶部开口处向外拓宽，包括基础段12和在顶部开口处的拓宽段11，该超宽带振子单元u形臂的底端两侧拐角处设置倒内角14，倒角值范围为15°～60°。该u形臂的底端内侧中央有一朝下的矩形凹陷13。上臂和下臂分别排布在介质板30的顶底两面，上臂和下臂之间有窄的间隙16。如图2和图3所示。

请参阅图4和5，在该上臂和下臂外侧平行地附加一对寄生枝节20。该寄生枝节为上下对称的长条形，位于介质基板30的顶面或底面，或通过中间过孔排布于介质板的顶底两面，该寄生枝节紧挨u形臂左右两侧与之平行放置，该寄生枝节的内边和两端均与上臂和下臂之间存在间隔距离21。如图4所示，该寄生枝节中间部分朝内凸入u形臂底端两侧切角位置，而外边则与上臂和下臂的最外边平齐。

该上臂和下臂的长度为0.20～0.25个中心波长(λc)，内外宽度与长度比例分别为0.25～0.35、0.45～0.75，该寄生枝节的宽长比约为0.01～0.20。

各超宽带振子单元的上臂1朝向基板一侧，下臂2则朝向基板另一侧；阵列关于中心镜像对称。

请参阅图7～11，平行双导体馈线40与阵列中心轴线重合，由不等长宽的多节变换段级联而成，如图7中的窄导体段43、45和宽导体段44，平行双导体馈线包括上下导线，且在两末端上下短路41，中心点开有通孔作为馈电孔42，同轴电缆内导体穿过通孔后焊接在上导线上，外导体则焊接在下导线上；通孔环周为焊盘，同轴电缆焊接在焊盘上。同轴电缆顺着平行双导体馈线或阵列轴线方向延伸至阵列一端，并于平行双导体馈线的一侧导线焊接。

各超宽带振子单元的间距d＝(0.55～0.85)×λc，其中λc为中心波长，基板材料的介电常数εr＝1～20，即为包括空气在内的各种常见介质材料。介质板30长宽大于等于阵列尺寸，以对阵列起到支撑和阻抗匹配作用。

本发明提出了一种新的印制振子阵列天线设计方案，首先构造一个超宽带振子单元，然后选择合适的单元数目和阵元间距，再优化平衡双导体馈线的长度、线宽及间距等参数。通过采用上述措施，本发明的四单元印制振子阵列天线实现了gsm900频段内超宽带(698-960mhz，vswr≤1.63，bw＝262mhz，>31.6％)、高增益(g＝7.34-8.52dbi)、理想不圆度(<1.5db)、低旁瓣(sll<-10db)、高交叉极化比(xpd≥50db)和很高的效率(ηa≥94％)。如图12～20的曲线参数图所示。

图12超宽带高增益全向天线的输入阻抗zin的频率特性曲线；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是阻抗zin，单位为ω；实线表示实部rin，虚线表示虚部xin。由图知，在698-960mhz频段，实部和虚部变化范围分别为：+40～+80ω和-20～+20ω，具有明显的宽带阻抗特性；

图13为超宽带高增益全向天线的反射系数|s11|曲线；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是s11的幅度|s11|，单位为db。由图知，由图知，天线在gsm900频段(698-960mhz，bw＝262mhz)，实现了良好的阻抗匹配，反射系数|s11|≤-12.46，最低可达-55db，相对带宽大于31.6％，实现了超宽带工作。

图14为超宽带高增益全向天线的驻波比vswr曲线；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是vswr。由图知，天线在gsm900频段(698-960mhz，bw＝262mhz)，实现了良好的阻抗匹配，驻波比vswr≤1.63，最小达到1.05，相对带宽大于31.6％，实现了超宽带工作。

图15为超宽带高增益全向天线各频点e面增益方向图；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是增益，单位是dbi；光滑线表示主极化，点线表示交叉极化；实线表示fl＝698mhz，虚线表示fc＝830mhz，点线表示fh＝960mhz。由图知，e面高中低频的旁边电平sll低于-10db，交叉极化比xpd>50db，说明垂直极化纯度很高。

图16为超宽带高增益全向天线各频点h面增益方向图；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是增益，单位是度dbi；实线表示fl＝698mhz，虚线表示fc＝830mhz，点线表示fh＝960mhz。由图知，h面高中低频的增益g＝6.80～8.35dbi，不圆度小于1.5db，全向性很理想。

图17为超宽带水平极化水平全向天h面不圆度随频率f变化曲线；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是不圆度，单位是度db。由图知，整个频带内，水平面(h面)方向图不圆度(全向性或均匀性)小于1.5db，水平全向性十分理想。

图18为超宽带高增益全向天线各频点的e-面(竖直面)半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是波束宽度，单位是度(deg)。由图知，带内半功率波宽hpbw＝15°～20°，竖直面(e面)波宽较窄，且频率一致性很好。

图19为超宽带高增益全向天线的的最大增益随频率f变化特性；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是增益，单位是dbi。由图知，带内增益变化范围为g＝7.34～8.52dbi，增益很高，且带内波动很小。

图20为超宽带高增益全向天线的效率ηa随频率f变化曲线；其中，横轴(x轴)是频率f，单位为mhz；纵轴(y轴)是效率，由图知，整个带内，天线效率ηa≥94％，非常理想。

除此，该方案还具有馈电设计简单、装配简便和低成本等特点，是一种适用于全向基站的理想天线方案。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，是取代常规全向天线的优选方案，而且对于低增益、窄频带的终端全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。