专利名称：一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构的制作方法
技术领域：
本专利天线涉及一种天线，特别是一种双频段高增益天线及其共轴天线阵结构， 可作为移动通信在社区或马路边路灯中直放站天线中的全向天线，利用天线罩在作为天线的同时可起到美化装饰的作用。
背景技术：
在现代社会，人们对通信的要求越来越高，任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务已经成为未来通信的目标。要实现这个目标，移动通信起到了至关重要的作用。随着电子技术的发展和蜂窝技术的不断完善，移动通信事业在世界范围内得到迅猛发展。天线作为无线通信系统中的一个重要的组成部分，可以说是无线通信系统的咽喉要道，是辐射和接收电磁波的系统部件。天线性能的好坏直接影响了通信系统的性能。一副高性能的天线能放宽系统的要求并且改进整个系统的性能。现代天线设计的核心问题就是使天线满足新系统中更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线形式，满足新的系统要求。 在蜂窝电话、全球定位系统(GPQ、合成孔径雷达(SAI )、卫星通信、个人通信(GSM900/DCS 1800)等领域，都迫切需要重量轻，制造简单，容易共形的宽频带或双频段天线。与此同时， 移动通信用户数量迅速增长，频谱资源变得越来越紧张，迫使通信系统不断更新和扩容，为减小天线间的干扰并降低成本，要求天线能在宽频带范围内工作，同时满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用。研究多个系统共用的天线可以减少天线的数目而降低天线间干扰以及天线成本，因此，对天线提出了双频或多频要求。宽带/多频段并且结构简单紧凑的直放站天线已经成为当前国内外天线领域的重要研究方向。因此，如何借助相对简单的直放站天线结构，来实现无线移动通信天线宽带和多频段的特点，来获取通讯系统获得更大、更有效的通讯频宽，同时，降低天线制作上的困难，有效的增强网络延伸覆盖能力，都是天线设计和应用时更佳的选择。
发明内容
本专利的目的在于提供一种结构简单，工作频带宽，易于调节的双频段天线及其共轴天线阵。主要解决现有无线通信天线频带窄、增益低的问题，同时融合了美化天线的设计思想(可做在路灯杆内，与周围环境完美融合)，提供了一种双频段天线及其共轴天线阵，采用中馈，使两部分天线辐射对称，克服了低馈共线天线阵波束倾斜的缺点。天线单元由两部分组成，该两部分分别为一个半封闭圆筒连接一段圆弧形金属片 (1_1连接1_2、1_4连接1_3)，两部分通过中心金属管固定在一起。天线阵结构由数个天线单元以及功分器(2)组成。天线单元的中心金属管互相连接，同轴馈电线经由中心金属管与功分器(2)输入端相连，功分器(2)输出端分别为各个天线单元馈电。天线单元一部分与同轴线的外导体相连接，作为接地端，另一部分经由同轴线内导体直接馈电，该内导体馈电的长度为两部分之间的间隙距离。天线单元可以在低频和高频部分分别产生一个中心谐振频率，其中低频中心谐振频率为900MHz左右，高频中心谐振频率在2GHz左右。通过调节天线上的不同尺寸调节中心谐振频率的频率值和匹配深度来达到设计要求的性能。几个天线单元在中心金属管上的位置由第一个天线单元距中心金属管顶端距离、 相邻天线单元之间的距离、功分器(2)两侧天线单元的距离和最后一个天线单元距中心金属管底部长度来控制，这些距离可以调节相邻天线单元之间、天线单元和中心金属管之间的耦合。另外，该天线为了能安装在天线罩内，中心金属管突出的两端需要安装非金属的底盘，固定在天线罩上。该底盘可以为圆形，矩形，椭圆形等规则图形，具体形状依据天线罩的形状而定。功分器(2)可以加工在PCB板或者其他的微波传输线结构上，能够被容纳在天线罩中并且具有良好的匹配特性，为各天线单元馈电，不影响整体天线阵的性能。该天线阵可以选择增加一个非金属的天线罩，起到保护天线结构和美化隐藏天线的作用。同时，天线罩的形状是可以变化的，例如圆柱体、长方体、正方体，或者其他能够容纳该天线的形状。
实施例下面结合某一较佳实例及其附图对本专利天线阵结构作进一步说明。作为一较佳实例，如图1 6所示。该天线阵的中心金属管为空心金属管，第二部分两个天线单元固定在中心金属管上。中心金属管壁厚1mm，直径16mm。功分器在整个天线结构的中间位置，天线信号从中心金属管低端以500hm同轴导线进入，在功分器处由功分器分成两个信号，分别传给两个天线单元。作为一较佳实例，如图1 6所示。通过调节上部金属筒(1_1)的高度 45mm，下部金属筒(1_4)的高度tib_l为30mm，确定低频foL和中心谐振频率大约在900MHz， 高频中心谐振频率foH大约在2GHz，同时保证在低频中心谐振频率有较深的匹配深度，达到需要得到带宽；上侧圆弧形金属片(1_2)的展开角度为140° (上侧圆弧形金属片弧长 74mm)，下侧圆弧形金属片(1_3)的角度为230° (下侧圆弧形金属片弧长120mm)，精确调整低频处带宽满足820-960MHZ的要求，加深高频中心谐振频率foH的匹配深度。另外上侧圆弧形金属片的高度ha为13mm，下侧圆弧形金属片的高度lib为10mm，这样可以控制高频段的匹配宽度，保证在高频段有较宽的匹配带宽，同时在低频部分也能有较深的匹配深度。天线单元的实测结果如图7所示，在VSWR< 1.5的要求下，天线工作频带宽达到了低频 150MHz (820-980MHz)，高频 600MHz (1. 7-2. 3GHz)，很好地达到了设计的要求。作为一较佳实例，如图1 6所示。天线单元一部分与同轴线的外导体相连接，作为接地端，另一部分经由同轴线内导体直接馈电，该内导体馈电的长度为两部分之间的间隙距离。作为一较佳实例，如图1 6所示。两个天线单元XY平面朝向相差180°。两单元结构完全相同，保证了整个天线的全向性。作为一较佳实例，如图1 6所示。该天线阵的每个天线单元的两个半封闭金属筒封闭端均固定在中心金属管上。第一个天线单元距中心金属管顶端距离dl = 30mm、功分器两侧天线单元的距离d2 = 80mm、第二个天线单元距中心金属管底部长度d3 = 30mm，这控制了天线单元之间的耦合。使得整个天线的性能达到要求。作为以较佳实例，如图1-5 所示。该天线的功分器加工在PCB板上，为两功分器，具有良好的匹配特性，为天线单元馈电，不影响整体天线阵的性能。图7和图12所示为本专利天线所述较佳实例的测量结果图。由图7可知，在电压驻波比VSWR < 1. 5的条件下，天线的工作带宽为低频段约为150MHz (820-970MHZ)，天线增益为6. 8dB,高频段约为600MHz (1. 7-2. 3GHz)，天线增益为6. 7dB。这一结果能良好的满足当前移动通信系统双频段(820 960MHz以及1. 7 2. 3GHz)的工作要求。图8和9所示为本专利天线所述较佳实例的方向图。由图8、图9、图10、图11可得，天线在低频段(900MHz)和高频段QG)均为全向或近似全向。以上的参考实例描述了本专利，但是仅仅是为理解清楚，给出上述详细描述和例子。不应由此理解不必要的限制。在此所述的所有专利和专利申请在此引入以供参考，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的范围的情况下，可以在所述的实施例中做许多的改变。因此本发明的范围不应当限制到在此所述的具体细节和结构，而是由权利要求书的语言所述的结构以及这些结构的等效来限定。
图1是本专利天线阵较佳实例整体结构立体示意图；图2是本专利天线阵较佳实例整体结构正视图；图3是本专利天线阵较佳实例天线单元正视图；图4是本专利天线阵较佳实例天线单元A、B面剖视图；图5是本专利天线阵较佳实例天线单元立体图；图6是本专利天线阵较佳实例功分器结构图；图7是本专利天线阵较佳实例的实测电压驻波比(VSWR)结果图；图8是本发明较佳实例的频率为900MHz时，E面方向图；图9是本发明较佳实例的频率为900MHz时，H面方向图；图10是本发明较佳实例的频率为2GMHz时，E面方向图；图11是本发明较佳实例的频率为2GMHz时，H面方向图；图12是本发明较佳实例的增益图。
权利要求
1.一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构，其特征主要为天线单元(1)，天线阵结构由数个天线单元以及功分器(2)组成。天线单元的中心金属管互相连接，同轴馈电线经由中心金属管与功分器输入端相连，功分器输出端分别为各个天线单元馈电。
2.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于该天线阵的天线单元可以为相同结构，也可以为不同结构，要求其结构均能牢固地由中心金属管串接在一起上。
3.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于每个单元由两部分组成，两部分结构为半封闭的金属筒连接一段圆弧形金属片(1_1连接1_2、1_4连接1_3)。功分器O)与单元之间通过同轴线连接。天线单元的金属筒的底面可以为圆形，也可以为矩形、正方形、菱形、椭圆形，或者其他规则变化的形状， 视具体应用场景而定。
4.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于天线单元一部分与同轴线的外导体相连接，作为接地端，另一部分经由同轴线内导体直接馈电，该内导体馈电的长度为两部分之间的间隙距离。
5.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于该天线阵的天线单元，其不同的单元的在XY平面上的朝向可以不同，之间的夹角可以为180°、120°或90°等，视单元数量而定。
6.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于该天线阵的天线单元均与中心金属管在同一轴线，但其Z轴朝向可以相同，也可以相反，视系统设计要求而定。
7.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于该天线阵可以选择增加一个非金属的天线罩，起到保护天线结构和美化隐藏天线的作用。同时，天线罩的形状是可以变化的，例如圆柱体、长方体、正方体，或者其他能够容纳该天线的形状。
8.如权利要求1所述的一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构， 其特征在于功分器可以加工在PCB板或者其他的微波传输线结构上，能够被容纳在天线罩中并且具有良好的匹配特性，为各天线单元馈电，不影响整体天线阵的性能。
全文摘要
一种应用于无线通信系统的双频段天线及其共轴天线阵结构，属于天线技术领域。天线单元由两部分组成，该两部分分别为一个半封闭圆筒连接一段圆弧形金属片(1_1连接1_2、1_4连接1_3)组成。两部分通过中心金属管固定在一起。天线阵结构由数个天线单元以及功分器(2)组成。天线单元的中心金属管互相连接，同轴馈电线经由中心金属管与功分器输入端相连，功分器输出端分别为各个天线单元馈电。该天线阵可以选择增加非金属外罩来达到保护结构、美化天线的效果。
文档编号H01Q21/00GK102315516SQ20101022388
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者李秀萍 申请人:北京邮电大学