波束下傾寬帶全向共線陣列天線及實現方法技術

本發明專利技術涉及一種波束下傾寬帶全向中、底饋共線天線陣及實現方法。主要解決現有同類天線陣用改變套筒偶極子之間金屬管長度調試天線波束下傾時所遇到的加工、調整不便問題。該天線陣主要包括同軸線（１），偶極子輻射體（８）和環狀介質套（９），通過改變環狀介質套（９）的長度來改變偶極子之間饋電同軸線的長度。對于中饋共線天線陣，即采用縮短上半部夾在分饋同軸線中的介質套長度，加長下半部夾在分饋同軸線中的介質套長度，來分別達到改變中饋點上、下半部偶極子之間的距離。各環狀介質套的實際長度按下傾角θ及環狀介質套的相對介電常數確定。具有加工方便，成本低，容易調整的優點，可用作移動通信的波束下傾寬帶全向中、底饋饋共線天線陣。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及天線的結構與方法，具體的說是一種實現波束下傾寬帶全向縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣的結構與實現方法。現有技術情況隨著移動通信事業的發展，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，以覆蓋服務區內的所有用戶。天線波束的下傾和上翹的角度與單元間距有關。根據天線基本理論，一個均勻直線天線陣的方向函數為F(θ)＝Fe(θ)·Fa(θ)式中Fe(θ)是單元方向函數，Fa(θ)是陣方向函數Fa(θ)=sin/sin(πλdsinθ)----(1)]]>n是單元數、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θ＝0時，由(2)式得d＝λ，則波束無傾斜當θ＝θd時(θd為下傾角度)，則單元間距為 實用中，θd一般為0～20°可見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，這就是底饋天線的波束下傾，如圖5所示。當θ＝θu時(θu為上翹角度)，由于θd與θu位于法線兩側，故θd取正，θu就為負，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，其波束方向離開饋電點，這就是底饋天線的波束上翹情況，如圖6所示。對于中饋全向天線陣來說，如果要求波束下傾θ角，則可由公式(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，就能實現中饋共線天線陣的波束下傾，如圖7所示?？梢?，要讓中饋全向天線實現波束下傾，只要將所要求的下傾角度θ分別代入(3)式和(4)式，就可求出中饋點上半部分和下半部分偶極子之間的距離d下和d上。現有技術中是根據所算的距離，采用加工許多不同長度兩端帶有λ0/4長套筒的金屬管進行調試。這種方法的最大缺陷是加工量大、成本高、拆裝調試很麻煩。專利技術的內容本專利技術主要解決現有技術實現波束下傾寬帶底饋和中饋共線天線陣所帶來的天線部件加工量大、成本高、不易調整的問題。通過改變夾在同軸線中的介質套長度的手段，來達到改變偶極子之間距離的目的。對于中饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣而言，采取縮短中饋點上半部夾在輻射單元間分饋同軸線中的介質套長度，加長中饋點下半部夾在輻射單元間分饋同軸線中的介質套長度，就可實現中饋共線天線陣的波束下傾。對于底饋縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣而言，則只要縮短夾在輻射單元間同軸線中的介質套長度，就可實現底饋共線天線陣的波束下傾。中、底饋共線天線陣裝置主要包括空氣介質的同軸線1及許多共線排列的套筒偶極子輻射體8。但中饋共線天線陣除了主饋同軸線1外，還有分饋同軸線2、3及加倍的套筒偶極子。底饋和中饋共線天線陣中的輻射單元均為縫隙耦合套筒偶極子，每個偶極子8都是由兩個背靠背套筒20和21及兩套筒之間的環狀縫隙19組成。在中饋共線天線陣結構中，夾在相鄰偶極子分饋同軸線2、3中的環狀介質套9，相對中饋點，位于上半部分夾在同軸線中的各介質套長度L3均相等，位于下半部分同軸線中的各介質套長度L4也相等，位于中饋點5處同軸線中的介質套長度為L1和L2。在底饋共線天線陣結構中，夾在同軸線1中的環狀介質套9的長度L均相等。無波束下傾時環狀介質套的長度L0與有波束下傾時環狀介質套的長度有如下關系對于底饋，L0＞L對于中饋，L3＜L0＜L4，L1＞L2假定無波束下傾縫隙耦合套筒偶極子共線天線陣的單元間距為d0，夾在各單元同軸線中介質套的長度為L0，介質套的相對介電常數為εr，天線的中心工作波長為λ0，在這些參數已知的情況下，則確定各環狀介質套長度的步驟如下一、確定底饋共線天線陣介質套長度的步驟①將下傾角θ代入(3)式，得出天線下傾后所需要的單元之間距d下，即 ②求出不帶介質套，且與無波束下傾時天線單元間距之差Δd即Δd＝d下-(d0-L0)③用相對介電常數為εr，長度為L的介質套來表示Δd即L=Δdϵr]]>二、確定中饋共線天線陣介質套長度的步驟①根據下傾角θ由(3)式，得出天線下傾后中饋點上半部單元之間距d下，即 由(4)式，得出天線下傾后中饋點下半部單元之間距d上即 ②求出不帶介質套，且與無波束下傾時天線上半部分與下半部分單元間距之差Δd下和Δd上，即Δd下＝d下-(d0-L0) (7)Δd上＝d上-(d0-L0) (8)③用相對介電常數為εr，長度分別為L3和L4的介質套來表示Δd下和Δd上，即 ④按照相同的步驟，求出中饋點處同軸線中所加介質套的長度L1和L2。為了提高天線的傳輸效率，本專利技術的主饋同軸線1和分饋同軸線2、3均采用空氣介質，其中主饋同軸線1由內導體13和外導體14組成，主饋同軸線1的外導體14及外導體的外延部分15、17作為分饋同軸線2、3的內導體，金屬管子16、18構成分饋同軸線2、3的外導體。電臺輸出的射頻信號經主饋同軸線1再分別經同軸線2，3向下和向上等幅同相耦合到各個套筒偶極子8上。為了實現中饋，在輻射體的中間位置設有短路器5，把主饋同軸線1的內導體13和外導體14短路變為中饋，使由主饋同軸線1傳輸進來的射頻電流經短路器5，再經分饋同軸線2、3向上和向下傳輸。分饋同軸線2、3的末端設有短路器6、7，使傳輸到短路處的射頻電流被全部返回。由于在分饋同軸線2、3的外導體16、18上等間距設有多個寬度遠小于波長的環狀縫隙19，返回的射頻電流就經這些縫隙耦合到套筒偶極子8上。套筒20、21的臂長為λ0/4，由套筒的開口處看λ的阻抗無限大，扼制了分饋同軸線外導體外表面上的電流，使電流的波腹點正好位于間隙19處，使傳輸線與天線的能量耦合在低阻抗區完成。由于套筒偶極子之間的饋線長度相等，中饋點到相鄰套筒中心的距離分別為3λ0/4和λ0/4，所以每個套筒偶極子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。本專利技術由于采用通過改變環狀介質套的長度來改變偶極子之間饋電同軸線的長度，來實現底饋和中饋共線天線陣的波束下傾，因而不僅經濟簡便，且容易實施；同時由于通過調整短路器6、7的位置和阻抗匹配段的位置及長度，故可使天線在10％的帶寬內阻抗匹配，在整個工作頻段內，電壓駐波比VSWR≤1.4；此外由于采用了空氣介質同軸線，所以極大的提高了天線的傳輸效率。附圖說明圖1是本專利技術的整體結構示意圖，其中圖1a為中饋式結構，圖1b為底饋式結構圖2是本專利技術下傾3°中饋全向天線實測垂直面方向3是本專利技術下傾5°中饋全向天線實測垂直面方向4是無波束下傾中饋全向天線實測垂直面方向5是已有底饋共線陣天線波束下傾原理6是已有底饋共線陣天線波束上翹原理7是已有中饋共線陣天線波束下傾原理圖具體實施方式圖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種波束下傾寬帶全向共線天線陣，包括中饋結構和底饋結構，兩種結構都包括同軸線（１）和偶極子輻射體（８）及環狀介質套（９），其特征在于： ａ．同軸線均采用空氣介質同軸線（１），同軸線的內導體上設有阻抗匹配段（１０），偶極子輻射體均采用多個共線排列的縫隙耦合套筒偶極子（８），每個偶極子（８）都是由兩個背靠背套筒（２０）和（２１）及兩套筒之間的環狀縫隙（１９）組成； ｂ．中饋共線天線陣的同軸線主要由主饋同軸線（１）和分饋同軸線（２）、（３）組成，環狀介質套（９）夾在相鄰偶極子的分饋同軸線（２）、（３）中，相對中饋點，位于上半部分同軸線中的各介質套長度Ｌ↓［３］均相等，位于下半部分同軸線中的各介質套長度Ｌ↓［４］也相等，位于中饋點５處同軸線中的介質套長度為Ｌ↓［１］和Ｌ↓［２］， ｃ．底饋共線天線陣的環狀介質套（９）設在主饋同軸線（１）中，各介質套的長度Ｌ均相等； ｄ．無波束下傾時各環狀介質套的長度Ｌ↓［０］與有波束下傾時環狀介質套的長度有關系為，底饋：Ｌ↓［０］＞Ｌ，中饋：Ｌ↓［３］＜Ｌ↓［０］＜Ｌ↓［４］，Ｌ↓［１］＞Ｌ↓［２］。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：俱新德，劉軍州，段文虎，王小龍，李樹林，張培團，
申請(專利權)人：西安海天天線科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：87[中國|西安]