專利名稱：波束下傾寬帶全向中饋共線天線陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種天線，特別是一種波束下傾高增益寬帶全向中饋共線天線陣，可作為移動(dòng)通信的全向天線。
現(xiàn)有技術(shù)情況隨著移動(dòng)通信事業(yè)的發(fā)展，具有不同波束指向的全向天線則成為不同用戶的需求。目前已有的全向天線按其波束指向分為波束最大方向指向0°的全向天線和波束下傾不同角度的全向天線，以覆蓋服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有用戶。天線波束下傾和上翹的角度與單元間距有關(guān)。根據(jù)天線基本理論，一個(gè)均勻直線天線陣的方向函數(shù)為F(θ)＝Fe(θ)·Fa(θ)式中Fe(θ)是單元方向函數(shù)，F(xiàn)a(θ)是陣方向函數(shù)Fa(θ)=sin[nπλdsinθ]/sin(πλdsinθ)---(1)]]>n是單元數(shù)、d是單元間距、θ是波束下傾或上翹的角度。
如果要保證所有單元在θ方向同相疊加，則相鄰單元之間的相位差必須滿足2πλd+2πλdsinθ=2π---(2)]]>當(dāng)θ＝0時(shí)，由(2)式得d＝λ，則波束無(wú)傾斜當(dāng)θ＝θd時(shí)(θd為下傾角度)，則單元間距為 實(shí)用中，θd一般為0～20°可見(jiàn)d下＜λ0即第1單元的相位落后第2單元，第2單元的相位落后第3單元，依次類推，落后方向偏，波束下傾，其波束方向指向饋電點(diǎn)，這就是底饋天線的波束下傾，如圖2所示。
當(dāng)θ＝θu時(shí)(θu為上翹角度)，由于θd與θu位于法線兩側(cè)，故θd取正，θu就為負(fù)，由(2)式可得單元間距d＝d上 如果0＜θu＜20°則d上＞λ0即第2單元的相位落后第1單元，第3單元的相位落后第2單元，依次類推，落后方向偏，波束上翹，其波束方向離開(kāi)饋電點(diǎn)，這就是底饋天線的波束上翹情況，如圖3所示。
對(duì)于中饋全向天線陣來(lái)說(shuō)，如果要求波束下傾θ角，就可由公式(3)確定出天線的上半部分單元間距為d下＜λ0，由公式(4)確定出天線的下半部分單元間距為d上＞λ0，就能使中饋共線天線陣波束下傾，如圖4所示。
可見(jiàn)，要讓中饋全向天線實(shí)現(xiàn)波束下傾，只要根據(jù)所要求的下傾角度θ，分別代入(3)、(4)式，就可求出中饋點(diǎn)上半部分和下半部分偶極子之間的距離d下和d上。現(xiàn)有技術(shù)中是根據(jù)所算的距離，采用加工許多不同長(zhǎng)度兩端帶有λ0/4長(zhǎng)套筒的金屬管進(jìn)行調(diào)試。這種方法的最大缺陷是加工量大、成本高、拆裝調(diào)試很麻煩。
實(shí)用新型的內(nèi)容本實(shí)用新型主要解決現(xiàn)有波束下傾寬帶全向中饋共線天線陣所帶來(lái)的天線部件加工量大、成本高、不易調(diào)整的問(wèn)題。采用縮短中饋共線天線陣上半部分夾在分饋同軸線中的介質(zhì)套長(zhǎng)度，及加長(zhǎng)中饋共線天線陣下半部分夾在分饋同軸線中介質(zhì)套的長(zhǎng)度。來(lái)分別達(dá)到縮短中饋點(diǎn)上半部分偶極子之間的距離，和加長(zhǎng)中饋點(diǎn)下半部分偶極子之間距離的目的，以實(shí)現(xiàn)中饋共線天線陣的波束下傾。整個(gè)裝置由空氣介質(zhì)主饋同軸線1和分饋同軸線2、3及多個(gè)偶極子8組成。偶極子8采用多個(gè)共線排列而成，每個(gè)偶極子都由兩個(gè)背靠背套筒20和21及兩套筒之間的環(huán)狀縫隙19組成；在相鄰偶極子的分饋同軸線2、3中及中饋點(diǎn)5處的同軸饋線中，分別設(shè)有環(huán)狀介質(zhì)套9，該介質(zhì)套相對(duì)中饋點(diǎn)，設(shè)在上半部分同軸線中的長(zhǎng)度L3相等，設(shè)在下半部分同軸線中的長(zhǎng)度L4也相等，無(wú)波束下傾時(shí)環(huán)狀介質(zhì)套的長(zhǎng)度L0與波束下傾時(shí)環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度的關(guān)系為L(zhǎng)3＜L0＜L4，設(shè)在中饋點(diǎn)5上下的環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度L1與L2不相等，且L1＞L2。主饋同軸線1和分饋同軸線2、3均采用空氣介質(zhì)，其中主饋同軸線1由內(nèi)導(dǎo)體13和外導(dǎo)體14組成，主饋同軸線1的外導(dǎo)體14及外導(dǎo)體的外延部分15、17作為分饋同軸線2、3的內(nèi)導(dǎo)體，金屬管子16、18構(gòu)成分饋同軸線2、3的外導(dǎo)體。電臺(tái)輸出的射頻信號(hào)經(jīng)主饋同軸線1再分別經(jīng)同軸線2，3向下和向上等幅同相耦合到各個(gè)套筒偶極子8上。為了實(shí)現(xiàn)中饋，在輻射體的中間位置設(shè)有短路器5，把主饋同軸線1的內(nèi)導(dǎo)體13和外導(dǎo)體14短路變?yōu)橹叙仯褂芍黟佂S線1傳輸進(jìn)來(lái)的射頻電流經(jīng)短路器5，再經(jīng)分饋同軸線2、3向上和向下傳輸。分饋同軸線2、3的末端設(shè)有短路器6、7，使傳輸?shù)蕉搪诽幍纳漕l電流被全部返回。由于在分饋同軸線2、3的外導(dǎo)體16、18上等間距設(shè)有多個(gè)寬度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的環(huán)狀縫隙19，返回的射頻電流就經(jīng)這些縫隙耦合到套筒偶極子8上。套筒20、21的臂長(zhǎng)為λ0/4，由套筒的開(kāi)口處看λ的阻抗無(wú)限大，扼制了分饋同軸線外導(dǎo)體外表面上的電流，使電流的波腹點(diǎn)正好位于間隙19處，使傳輸線與天線的能量耦合在低阻抗區(qū)完成。由于套筒偶極子之間的饋線長(zhǎng)度相等，中饋點(diǎn)到相鄰套筒中心的距離分別為3λ0/4和λ0/4，所以每個(gè)套筒偶極子8均等幅同相饋電，各套筒偶極子相距(0.8～0.9)λ0，即縫隙19之間的間距d0為(0.8～0.9)λ0。
本實(shí)用新型由于采用通過(guò)改變環(huán)狀介質(zhì)套的長(zhǎng)度來(lái)改變偶極子之間饋電同軸線的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)中饋共線陣的波束下傾，因而不僅經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，且容易實(shí)施；同時(shí)由于通過(guò)調(diào)整短路器6、7的位置和阻抗匹配段的位置及長(zhǎng)度，故使天線在10％的帶寬內(nèi)阻抗匹配，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，電壓駐波比VSWR≤1.4；此外由于采用了空氣介質(zhì)同軸線，所以極大的提高了天線的傳輸效率。實(shí)測(cè)表明，本實(shí)用新型不僅很容易實(shí)現(xiàn)底饋及中饋共線陣的波束下傾，而且實(shí)際下傾角度與理論計(jì)算值相吻合。


圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖圖2是底饋共線陣天線波束下傾原理圖圖3是底饋共線陣天線波束上翹原理圖圖4是中饋共線陣天線波束下傾原理圖圖5是本實(shí)用新型波束下傾3°中饋共線天線陣的實(shí)測(cè)垂直面方向圖圖6是本實(shí)用新型波束下傾5°中饋共線天線陣的實(shí)測(cè)垂直面方向圖圖7是無(wú)波束下傾寬帶中饋共線天線陣的實(shí)測(cè)垂直面方向圖具體實(shí)施方式
圖1給出了本實(shí)用新型的最佳實(shí)施方式。圖1中的1、2、3是同軸線，5是短路器，6和7是設(shè)在同軸線2、3末端的可調(diào)短路器，8是偶極子，9是環(huán)狀介質(zhì)套，其中9I表示中饋點(diǎn)上半部分同軸線中的介質(zhì)套，9II表示中饋點(diǎn)下半部分同軸線中的介質(zhì)套，10是主饋同軸線1的內(nèi)導(dǎo)體13上所加的阻抗匹配段，11是微帶阻抗變換段，12是設(shè)在同軸線1的內(nèi)導(dǎo)體13和外導(dǎo)體14之間的絕緣支撐套。15和17是同軸線2和3的內(nèi)導(dǎo)體，16和18是同軸線2和3的外導(dǎo)體。同軸線1的內(nèi)導(dǎo)體13是直徑為3～4mm的銅線，同軸線1的外導(dǎo)體14是臂厚為1mm的銅管，14、15、17為同一個(gè)金屬管子，16、18也為同一個(gè)金屬管子，兩個(gè)金屬管子同心共軸。19是環(huán)狀縫隙，20和21是偶極子的兩個(gè)臂，即兩個(gè)背靠背套筒20、21和環(huán)狀縫隙19組成偶極子8。偶極子8共有十個(gè)，L1、L2表示中饋點(diǎn)5上下的環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度，L3表示中饋點(diǎn)上半部分同軸線中的介質(zhì)套9I的長(zhǎng)度，L4表示中饋點(diǎn)下半部分同軸線中的介質(zhì)套9II的長(zhǎng)度。L3、L4的長(zhǎng)度根據(jù)給定的下傾角θ及環(huán)狀介質(zhì)套的相對(duì)介電常數(shù)εγ而確定，L1、L2的長(zhǎng)度先經(jīng)初算，再用實(shí)驗(yàn)調(diào)整而確定。
本實(shí)用新型提供兩個(gè)具體實(shí)施例。一個(gè)是下傾角3°的寬帶中饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣，另一個(gè)是下傾角5°的寬帶中饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣。它們都是在工作頻段為870～960MHz無(wú)波束下傾寬帶中饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣的基礎(chǔ)上，通過(guò)套在分饋同軸線中的介質(zhì)套的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。已知無(wú)波束下傾寬帶中饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣的單元之間距d0＝0.8λ0(λ0為中心工作波長(zhǎng))，介質(zhì)套長(zhǎng)度L0＝60mm，介質(zhì)套的相對(duì)介電常數(shù)εγ＝4.76，經(jīng)計(jì)算下傾角為3°和5°的中饋共線天線陣，套在中饋點(diǎn)上半部和下半部分饋同軸線中的介質(zhì)套長(zhǎng)度L3、L4如表1所示表1

由圖5、圖6、圖7比較可知，圖7波束最大方向指向水平面，即圖中的0°和180°平面，但圖5波束最大方向并不指向0°和180°方向，而是指向3°和185°，也就是說(shuō)相對(duì)水平面波束下傾了3°。同樣從圖6也可以看出，波束最大方向指向5°和175°，也就是說(shuō)相對(duì)水平面波束下傾了5°。
權(quán)利要求1.一種波束下傾寬帶全向中饋共線天線陣，包括中饋點(diǎn)、同軸線和偶極子輻射體，其特征在于同軸線主要由主饋同軸線(1)和分饋同軸線(2)、(3)組成；偶極子(8)采用多個(gè)共線排列而成，每個(gè)偶極子由兩個(gè)背靠背套筒(20)和(21)及兩套筒之間的環(huán)狀縫隙(19)組成；在相鄰偶極子中心的分饋同軸線(2)、(3)中及中饋點(diǎn)(5)處的同軸線中分別設(shè)有環(huán)狀介質(zhì)套(9)，該介質(zhì)套相對(duì)中饋點(diǎn)，在上半部分同軸線中的長(zhǎng)度L3相等，在下半部分同軸線中的長(zhǎng)度L4也相等，無(wú)波束下傾時(shí)環(huán)狀介質(zhì)套的長(zhǎng)度L0與有波束下傾時(shí)環(huán)狀介質(zhì)套的長(zhǎng)度關(guān)系為L(zhǎng)3＜L0＜L4，在中饋點(diǎn)5上下的環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度L1與L2不等，且L1＞L2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中饋共線天線陣，其特征在于在給定天線陣單元間距d0和無(wú)波束下傾的介質(zhì)套長(zhǎng)度L0的條件下，中饋點(diǎn)上半部分與下半部分同軸線中的環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度L3、L4及中饋點(diǎn)(5)上下的環(huán)狀介質(zhì)套長(zhǎng)度L1、L2均由下傾角θ及環(huán)狀介質(zhì)套的相對(duì)介電常數(shù)εr確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中饋共線天線陣，其特征在于套筒(20)、(21)的長(zhǎng)度為λ0/4，縫隙(19)之間的間距d0為(0.8～0.9)λ0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線陣，其特征在于主饋同軸線由內(nèi)導(dǎo)體(13)和外導(dǎo)體(14)組成，主饋同軸線的外導(dǎo)體延伸部分(15)、(17)構(gòu)成分饋同軸線(2)、(3)的內(nèi)導(dǎo)體，分饋同軸線(2)、(3)的外導(dǎo)體分別由金屬管子(16)、(18)構(gòu)成；金屬管(14)、(15)、(17)與金屬管(16)、(18)同心共軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中饋共線天線陣，其特征在于中饋點(diǎn)(5)是通過(guò)在輻射體的中間位置設(shè)置短路器，把主饋同軸線(1)的內(nèi)導(dǎo)體(13)和外導(dǎo)體(14)短路而獲得，使主饋同軸線(1)傳輸進(jìn)來(lái)的射頻電流經(jīng)短路器(5)，再經(jīng)分饋同軸線(2)、(3)向上和向下傳輸；分饋同軸線(2)、(3)的末端設(shè)有短路器(6)和(7)，使傳輸?shù)蕉搪诽幍纳漕l電流被全部返回。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的中饋共線天線陣，其特征在于短路器(5)所在的位置與相鄰偶極子的中心距分別為λ0/4和3λ0/4。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種波束下傾寬帶全向中饋共線天線陣。主要解決現(xiàn)有同類天線陣用改變套筒偶極子之間金屬管長(zhǎng)度調(diào)試天線波束下傾時(shí)所遇到的加工、調(diào)整不便問(wèn)題。整個(gè)裝置由同軸線1、2、3和多個(gè)偶極子8及環(huán)狀介質(zhì)套9組成,相對(duì)中饋點(diǎn),夾在上半部同軸線中每個(gè)介質(zhì)套的長(zhǎng)度L
文檔編號(hào)H01Q21/00GK2508503SQ01247008
公開(kāi)日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月5日
發(fā)明者劉軍州, 王小龍, 段文虎, 張培團(tuán), 李樹(shù)林, 俱新德 申請(qǐng)人:西安海天天線科技股份有限公司