立体式高增益天线射频前端装置的制作方法

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种立体式高增益天线射频前端装置。

背景技术：

天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分，各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。

传统的天线射频前端以单极化天线为主，也有阵列天线，但主要是垂直方向的阵列，这些天线结构均是二维设置，很难实现高增益，使得传统的天线系统对通信性能的提高有限，增益效果差。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统天线增益效果较差的问题，提供一种提高增益的体式高增益天线射频前端装置。

一种立体式高增益天线射频前端装置，包括：高增益天线装置以及射频收发装置；

高增益天线装置包括基板以及两个或两个以上的高增益双极化八木天线；各高增益双极化八木天线均设置于基板，射频收发装置包括滤波器、环形器、接收器和发射器，高增益双极化八木天线连接滤波器，滤波器通过光纤连接环形器，环形器通过光纤分别连接接收器和发射器；射频收发装置的数量为两个或两个以上，且各射频收发装置分别连接对应的高增益双极化八木天线；

其中，高增益双极化八木天线包括透镜、天线轴向杆、双极化反射器、双极化有源振子和双极化引向器；

双极化反射器、双极化有源振子、双极化引向器和透镜依次设置在天线轴向杆上；双极化反射器设置于天线轴向杆的第一端，双极化引向器以及透镜设置在天线轴向杆的第二端；

双极化引向器包括正交设置的第一引向器和第二引向器，第一引向器和第二引向器包括若干根设置在天线轴向杆上的金属件，各金属件与天线轴向杆垂直，垂足与金属件中点重合，每一金属件的长度比与其相邻并靠近双极化有源振子的金属件短，且第一引向器和第二引向器正交组成双极化引向器时，每两根具有相同长度的金属件都保持正交并处于同一平面内；

双极化反射器包括正交设置的第一反射器和第二反射器，第一反射器和第二反射器分别包括一根设置在天线轴向杆两侧的金属件，双极化反射器的金属件与天线轴向杆垂直，垂足与金属件中点重合，且第一反射器与第一引向器处于同一平面内，第二反射器与第二引向器处于同一平面内，双极化反射器的金属件长度长于双极化引向器任意一根金属件的长度；

双极化有源振子包括正交设置的两个单极化有源振子即第一有源振子和第二有源振子，第一有源振子和第二有源振子分别由两根对称设置在天线轴向杆两侧的l型金属件组成，l型金属件的其中一臂为连接臂，贴合在天线轴向杆上，且连接臂的端口与双极化反射器连接，另一臂为功能臂，功能臂的长度长于引向器的长度，短于反射器的长度；同时第一有源振子与第一反射器处于同一平面内，第二有源振子与第二反射器处于同一平面内。

上述立体式高增益天线射频前端装置，首先采用十字交叉结构实现两个单极化天线单元的双极化构成，实现了高增益双极化八木天线，可减少信号极化损失，使高增益天线装置的水平垂直双方向的增益俱佳，同时通过在高增益双极化八木天线的天线轴向杆上设置透镜，使得透镜能够将天线辐射出来的非均匀的球面波进行补偿修正，得到均匀的球面波，从而实现对天线波形的相位补偿，提高高增益双极化八木天线的整体增益，其次通过将高增益双极化八木天线组成天线阵列设置在基板上，将高增益天线装置设计为立体组阵结构，使得高增益天线装置可形成垂直面波束，最后再与对应的射频收发装置连接，通过对应的射频收发装置来对高增益天线装置进行信号收发管理，提高了天线的整体增益。

在其中一个实施例中，不同频段的高增益双极化八木天线交叉设置于基板，且相同频段的高增益双极化八木天线分别与同一个射频收发装置连接。

在其中一个实施例中，透镜为球面透镜，透镜通过连接件固定设置于天线轴向杆的第二端。

在其中一个实施例中，高增益双极化八木天线还包括反射板，反射板设置于双极化反射器远离第二端的一侧。

在其中一个实施例中，高增益双极化八木天线还包括天线罩，天线罩为一端开口、另一端封闭的空腔结构，且开口端固定于反射板上。

在其中一个实施例中，双极化有源振子还包括设置在第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构，各馈电结构包括：

金属凸块，设置于一功能臂上，用于接受馈电；

同轴线，一端端口与金属凸块连接，用于将电流传输至所在的单极化有源振子以驱动天线工作；

支撑件，包覆于同轴线外，用于将同轴线与外界环境隔离；

金属外壳，设置于支撑件外，同时金属外壳的一部分嵌入未设置金属凸块的功能臂内。

在其中一个实施例中，高增益双极化八木天线还包括馈电输入组件，馈电输入组件与第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构连接。

在其中一个实施例中，馈电输入组件包括同轴馈电线，同轴馈电线连接第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构。

在其中一个实施例中，馈电输入组件包括巴伦馈电装置，巴伦馈电装置连接第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构。

在其中一个实施例中，天线轴向杆包括第一馈电集合板、第二馈电集合板、第三馈电集合板以及第四馈电集合板，第一馈电集合板、第二馈电集合板、第三馈电集合板以及第四馈电集合板合围形成腔体，腔体内设置有介质条。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为一实施例中立体式高增益天线射频前端装置的结构框图；

图2为一实施例中高增益天线装置的结构图；

图3为一实施例中高增益双极化八木天线的分布示意图；

图4为另一实施例中高增益双极化八木天线的分布示意图；

图5为一实施例中高增益双极化八木天线的整体结构的主视图；

图6为一实施例中高增益双极化八木天线的整体结构的后视图；

图7为一实施例中高增益双极化八木天线各组件结构示意图；

图8为另一实施例中高增益双极化八木天线各组件结构示意图；

图9为一实施例中有源振子结构示意图；

图10为一实施例中高增益双极化八木天线侧视图；

图11为一实施例中馈电结构一个方向的结构示意图；

图12为一实施例中馈电结构另一个方向的结构示意图；

图13为另一实施例中高增益双极化八木天线的整体结构的主视图；

图14为另一实施例中高增益双极化八木天线的整体结构的后视图；

图15为另一实施例中立体式高增益天线射频前端装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种立体式高增益天线射频前端装置，如图1和图2所示，包括高增益天线装置1以及射频收发装置2；高增益天线装置1包括基板11以及两个或两个以上的高增益双极化八木天线12，各高增益双极化八木天线12均设置于基板11，射频收发装置2包括滤波器21(用于对滤除谐波杂波，减少干扰)、环形器22、发射器23和接收器24，在基板11上的各个高增益双极化八木天线12连接滤波器21(即表示高增益双极化八木天线12是通过与滤波器21连接来实现与对应的射频收发装置2连接的)，滤波器21通过光纤连接环形器22，环形器22通过光纤分别连接接收器24和发射器23；射频收发装置2的数量为两个或两个以上，且各射频收发装置2分别连接对应的高增益双极化八木天线12。具体地，高增益双极化八木天线12垂直设置于基板11，而由于高增益双极化八木天线12和射频收发装置2的数量都是两个或两个以上，所以连接时存在有对应关系，例如可以是一个射频收发装置2只对应连接一个高增益双极化八木天线12，也可以是一个射频收发装置2同时对应连接多个高增益双极化八木天线12，还可以是一个高增益双极化八木天线12同时对应连接多个射频收发装置2，这样能够方便信号的收发管理。进一步的，基板11的材质并不唯一，可以是金属板或塑料板等，本实施例中，基板11为金属基板，并且在基板11的四个边角分别设置有固定件(例如固定螺栓)，基板11通过固定件固定在地面，提高基板11的固定可靠性。各个高增益双极化八木天线12的频段可相同也可不同。本实施例中，不同频段的高增益双极化八木天线12交叉设置于基板11。如图3所示，高增益双极化八木天线12包括频段1天线和频段2天线，且两种不同频段的高增益双极化八木天线12之间交叉设置。不同频段的高增益双极化八木天线12的具体结构尺寸也不相同，如图4所示为不同频段的高增益双极化八木天线12之间的交错型的高增益组阵方式图，频段1天线为低频天线，高度较高，频段2天线为高频天线，高度较低。需要说明的是，在一个实施例中，频段相同的高增益双极化八木天线12是对应连接的同一个射频收发装置2，例如射频收发装置2数量为两个，分别为射频收发装置①和射频收发装置②，频段1的高增益双极化八木天线12的数量为两个，频段2的高增益双极化八木天线12的数量也为两个，那么两个频段1的高增益双极化八木天线12均与射频收发装置①连接，两个频段2的高增益双极化八木天线12均与射频收发装置②连接。把不同频段的高增益双极化八木天线12进行交叉放置，即拉大了两个高增益双极化八木天线12的间距，间接的增大了有效口径面积，提高了天线增益。

进一步，可参考图5，图5中示出了高增益双极化八木天线12的具体结构，其包括透镜400、天线轴向杆140、双极化反射器130、双极化有源振子120和双极化引向器110；其中，天线轴向杆140为金属制支撑杆，形状可以是圆杆形、方杆形、轨道形等，用于搭载天线各组成部件。

双极化反射器130、双极化有源振子120、双极化引向器110和透镜400依次设置在天线轴向杆140上；双极化反射器130设置于天线轴向杆140的第一端，双极化引向器110以及透镜400设置在天线轴向杆140的第二端。

双极化引向器110包括正交设置的第一引向器和第二引向器，第一引向器和第二引向器包括若干根设置在天线轴向杆140上的金属件，各金属件与天线轴向杆140垂直，垂足与金属件中点重合，每一金属件的长度比与其相邻并靠近双极化有源振子120的金属件短，且第一引向器和第二引向器正交组成双极化引向器110时，每两根具有相同长度的金属件都保持正交并处于同一平面内；

双极化反射器130包括正交设置的第一反射器和第二反射器，第一反射器和第二反射器分别包括一根设置在天线轴向杆140两侧的金属件，双极化反射器130的金属件与天线轴向杆140垂直，垂足与金属件中点重合，且第一反射器与第一引向器处于同一平面内，第二反射器与第二引向器处于同一平面内，双极化反射器130的金属件长度长于双极化引向器110任意一根金属件的长度。

双极化有源振子120包括正交设置的两个单极化有源振子即第一有源振子和第二有源振子，第一有源振子和第二有源振子分别由两根对称设置在天线轴向杆140两侧的l型金属件组成，l型金属件的其中一臂为连接臂，贴合在天线轴向杆140上，且连接臂的端口与双极化反射器130连接，另一臂为功能臂，功能臂的长度长于引向器的长度，短于反射器的长度；同时第一有源振子与第一反射器处于同一平面内，第二有源振子与第二反射器处于同一平面内。

可以理解，高增益双极化八木天线12本身是以球面波的形式往外辐射，因此其等相位面为一球面，对于端射阵，其辐射最大方向上也将以球面波形式扩散，通过在天线轴向杆140的顶部设置透镜400，能够将高增益双极化八木天线12向外扩散的非均匀球面波通过透镜400转换为均匀的球面波形式，从而提高天线的整体增益，需要说明的是，提高天线增益的具体的原理是利用等相位梯度实现相位补偿最终达到提高天线增益的目的。进一步的，在一个实施例中，透镜400可以是某一介质材料，如低介电常数有机材料，包括玻璃钢，ptfe(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)等。

需要说明的是，在图5以及图6中虽未示出天线轴向杆140与透镜400之间的具体连接方式，透镜400与天线轴向杆140之间可以通过泡沫连接固定或者直接贴在天线顶部(即天线轴向杆140的第二端)，也可通过柱子固定等等。进一步的，如图5以及图6所示，在一个实施例中，透镜400凸面朝上，相应的在其它实施例中，透镜400的凸面可以根据实际需要朝向其它方向。

在一个实施例中，透镜400可以为球面透镜。球面透镜具有弧形球面，能够更好的对高增益双极化八木天线12的非均匀球面波进行补偿修正，从而将高增益双极化八木天线12的非均匀球面波修正为均匀的球面波，提高天线的增益。进一步的，在一个实施例中，通过设置球面透镜对高增益双极化八木天线12的非均匀球面波进行补偿，使得高增益双极化八木天线12至少能够实现9db的增益。

在一个实施例中，高增益双极化八木天线12还包括连接件，透镜400通过连接件固定设置于天线轴向杆140的第二端。具体的，天线轴向杆140的第二端对应的即为天线的顶部，连接件可以是泡沫材质的连接件。

在一个实施例中，如图5和图6所示，高增益双极化八木天线12还包括反射板300，反射板300设置于双极化反射器130远离第二端的一侧。具体的，反射板300可以是具有矩形、圆形、正多边形等形状的金属平板，设置于双极化反射器130远离第二端的一侧。进一步的，在一个实施例中，反射板300与双极化反射器130连接，即双极化反射器130设置在反射板300上。通过设置反射板300，可以将天线后向波束通过反射板300汇聚反射出去，从而有效地提高天线的前后比，对提高天线增益及定向性也有一定的效果。

进一步的，在一个实施例中，虽未图示，高增益双极化八木天线12还包括天线罩，天线罩为一端开口、另一端封闭的空腔结构，且开口端固定于反射板上300。天线罩能够将整个天线罩设在其中，避免天线受到罩外环境的干扰，例如防止外界因素破坏天线的整体结构。进一步的，在一个实施例中，透镜400可以与天线罩呈一体化设计，这样方便在拆卸天线罩的同时也将透镜拆卸下来，并且也方便了安装。

为了对高增益双极化八木天线12进一步进行详细说明，请参考图7以及图8，需要说明的是，虽然图7以及图8中未示出透镜400的位置，但透镜400是可以通过连接件固定设置于天线轴向杆140的第二端(后续将会代称为a端)。双极化引向器110、双极化有源振子120和双极化反射器130相对独立，依次从上至下设置在天线轴向杆140上，在高增益双极化八木天线12中，双极化引向器110的数量可以是多个，且长度各不相同，

例如图7以及图8中均示出了四个双极化引向器110，并且双极化反射器130的长度是最长的，双极化引向器110则略短于双极化反射器130，而双极化有源振子120的长度则是最短的。为方便描述，不妨将天线轴向杆140的两端分别称作a端和b端，双极化引向器110设置于a端，双极化反射器130设置于b端。

双极化引向器110包括正交设置的第一引向器和第二引向器，第一引向器和第二引向器相同，由若干根设置在天线轴向杆140上的金属件组成，这里的金属件可以是金属棒或金属长条，金属件与天线轴向杆140垂直，且垂足与金属件的中点重合，以使金属件两端对称地设置于天线轴向杆140上。同时若干根金属件之间的长度关系是：金属件的长度都不同，每一金属件的长度比与其相邻的并靠近双极化有源振子的金属件短，即沿着b端至a端的方向，金属件的长度依次变短；或者还可以是沿着b端至a端的方向，金属件分为若干组，每一组内的若干根金属件的长度都相同，但每一组金属件的长度都比与之相邻的靠近b端的那一组金属件长度短。同时，当第一引向器和第二引向器正交组合成双极化引向器时，具有相同长度的金属件之间也保持正交并处于同一平面内，即具有相同长度的金属件组成如图所示的十字形并设置于天线轴向杆上。

双极化反射器130包括正交设置的第一反射器和第二反射器，第一反射器与第二反射器相同，分别由一根设置在天线轴向杆上的金属件组成，金属件与天线轴向杆垂直，且垂足与金属件的中点重合，以使金属件两端对称地设置于天线轴向杆上，第一反射器和第二反射器处于同一平面内。双极化反射器130的金属件的长度长于双极化引向器110任一金属件的长度。

在一个实施例中，如图9所示，双极化有源振子120包括正交设置的两个相同的单极化有源振子，即第一有源振子和第二有源振子，分别由两根对称设置在天线轴向杆两侧的l型金属件组成，l型金属件的其中一臂为连接臂121，贴合在天线轴向杆140上，且连接臂121上的端口122与双极化反射器130的相应金属件连接，即第一有源振子的一根l型金属件与第一反射器的一侧金属件连接，第一有源振子的另一根l型金属件与第一反射器的另一侧金属件连接，第二有源振子亦然，此不赘述，连接臂121的长度可根据实际需求如天线收发的信号波长等进行调整。l型金属件的另一臂为功能臂123，有源振子的设置于天线轴向杆两侧的两个功能臂的长度之和大于双极化引向器101任意一根金属件的长度，小于双极化反射器130的金属件的长度。l型金属件的连接臂121和功能臂123之间的角度可根据实际信号收发需求进行调整，在一个实施例中，l型金属件的连接臂121和功能臂123之间的角度为90°。

参见图10，双极化引向器110、双极化有源振子120和双极化反射器130之间的关系还包括：第一有源振子与第一反射器、第一引向器处于同一平面内，第二有源振子与第二反射器、第二引向器处于同一平面内，整个天线从a端向b端的视图大致呈一个十字形。

参见图11和图12，在一个实施例中，双极化有源振子130的第一有源振子和第二有源振子上都设置有一个馈电结构200，包括：金属凸块201，作为馈电点，设置于单极化有源振子的其中一个功能臂123a上，用于接受馈电；

同轴线202，一端的端口与金属凸块201连接，用于将电流传输至有源振子上以驱动天线工作；

支撑件203，包覆于同轴线202外，用于将同轴线202与外界环境隔离，同时在一个实施例中，支撑件的材料为聚四氟乙烯，进一步起到绝缘作用；

金属外壳204，设置于支撑件203外，同时金属外壳204的一部分嵌入未设置金属凸块201的另一功能臂123b内，用于将金属外壳接地，使同轴线202与金属外壳204形成电位差。

进一步的，在一个实施例中，高增益双极化八木天线12还包括馈电输入组件，馈电输入组件与第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构连接。馈电输入组件用于输入馈电给高增益双极化八木天线，使得天线能够接受馈电正常工作。

进一步的，在一个实施例中，可继续参考图5以及图6，馈电输入组件包括同轴馈电线500，同轴馈电线500连接上文中的第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构。具体的，同轴馈电线500可以为50欧姆同轴线，对应的，此时高增益双极化八木天线的输入阻抗为50欧姆。通过采用同轴馈电线500提供馈电给天线的馈电结构，不需要使用阻抗变换器，节省了馈电成本。

在另外一个实施例中，可参考图13以及图14，图13与图5的区别之处在于馈电输入组件的结构不同，相应的，图14与图6的区别之处也在于馈电输入组件的结构不同，在图13以及图14中，馈电输入组件包括巴伦馈电装置600，巴伦馈电装置600连接上文的第一有源振子上的馈电结构和第二有源振子上的馈电结构。巴伦馈电装置600为平衡-不平衡变换器，通过巴伦馈电装置600能够实现天线振子的平衡馈电。

在一个实施例中，虽未图示，天线轴向杆140包括第一馈电集合板、第二馈电集合板、第三馈电集合板以及第四馈电集合板，第一馈电集合板、第二馈电集合板、第三馈电集合板以及第四馈电集合板合围形成腔体，腔体内设置有介质条。可以理解，上文的双极化反射器、双极化有源振子以及双极化引向器是与上述馈电集合板连接的，从而固定在天线轴向杆上，例如双极化反射器可以与第一馈电集合板、第二馈电集合板、第三馈电集合板以及第四馈电集合板这四块集合板同时连接，也可以只与第一馈电集合板和第三馈电集合板连接，以固定在天线轴向杆上，进一步的，在一个实施例中，介质条的材料可以为无机陶瓷材料或有机介质材料，且介质条的横截面积与腔体的横截面积相等，从而方便介质条固定在腔体中，提高工作稳定性。通过在腔体内设置介质条，可以实现汉森-伍德亚德端射条件，形成强端射阵，每层振子之间的介电常数各不相同，形成强端射阵，以此来实现提高天线本身增益的目的。

在一个实施例中，如图15所示，射频收发装置2还包括功率放大器25和低噪声放大器26，环形器22连接低噪声放大器26，低噪声放大器26连接接收器24；环形器22连接功率放大器25，功率放大器25连接发射器23。具体地，高增益天线装置1与滤波器21连接，滤波器21通过环形器22分别连接功率放大器25和低噪声放大器26，功率放大器25连接发射器23，低噪声放大器26连接接收器24，分别形成信号发射通道和信号接收通道，组成的高增益天线射频前端装置实现最大的发射、接收增益，有效提升空间的利用效率。而由于高增益天线装置1为立体结构，形成的立体组阵，将原来的二维的天线配置成三维的高增益天线射频前端装置，可实现最大增益的单束波配置。

本实施例中，分别在信号发射通道和信号接收通道中增加功率放大器25和低噪声放大器26，对需要发送的信号进行功率放大以提高发射功率，并对接收的信号进行放大以便后续的信号处理，提高了高增益天线射频前端装置的通信可靠性。此外，射频收发装置2中各器件通过光纤传输信号，信号传输速度快、损耗小且抗干扰能力强，还可进一步提高系统的通信可靠性。

此外，在一个实施例中，高增益天线射频前端装置还包括控制装置，控制装置连接接收器24和发射器23。具体地，控制装置可采用mcu(microcontrolunit，微控制单元)。通过控制装置控制高增益天线装置1的信号接收和发送，提高了天线系统的通信可靠性。

上述立体式高增益天线射频前端装置，首先采用十字交叉结构实现两个单极化天线单元的双极化构成，实现了高增益双极化八木天线，可减少信号极化损失，使天线装置的水平垂直双方向的增益俱佳，同时通过在高增益双极化八木天线的天线轴向杆上设置透镜，使得透镜能够将天线辐射出来的非均匀的球面波进行补偿修正，得到均匀的球面波，从而实现对天线波形的相位补偿，提高高增益双极化八木天线的整体增益，其次通过将高增益双极化八木天线组成天线阵列设置在基板上，将高增益天线装置设计为立体组阵结构，使得高增益天线装置可形成垂直面波束，最后再与对应的射频收发装置连接，通过对应的射频收发装置来对高增益天线装置进行信号收发管理，提高了天线的整体增益。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。