專利名稱：：寬頻多頻全向陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于天線
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及寬頻、多頻帶全向陣列天線，用于作為移動通信中的基站天線。
背景技術(shù)：
：移動通信技術(shù)給人類帶來了快捷的信息溝通。同時需求的增加亦推動了移動通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展。移動通信技術(shù)的發(fā)展亦日新月異，第一代的模擬移動通信系統(tǒng)逐漸淡出我們的視野，到第二代的數(shù)字移動通信系統(tǒng)方興未艾，再到第三代的寬帶移動通信系統(tǒng)全世界范圍內(nèi)建設(shè)，第四代技術(shù)的研究、標(biāo)準(zhǔn)制定也如火如荼。然而技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展并非一撮而就，老的技術(shù)與新技術(shù)往往有個融合并存期。目前各國紛紛開始建設(shè)第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)。同樣第二代、第三代移動通信系統(tǒng)仍有很長一段共存時期。第二代、第三代移動通信系統(tǒng)共存問題要求基站天線必須適應(yīng)新的發(fā)展。加之各國家為了鼓勵通信行業(yè)健康有序競爭，同一個地區(qū)往往有23家移動通信運(yùn)營商，這就意味著同一個地區(qū)架設(shè)多個網(wǎng)絡(luò)，同一個鐵塔或者小區(qū)上要架設(shè)23個甚至更多的基站天線。這就對基站天線提出新的需求，一面天線能夠?qū)崿F(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)共用，即天線能實(shí)現(xiàn)寬頻、多頻帶工作。用于MT-Advanced系統(tǒng)的有源天線技術(shù)是近期興起的一項技術(shù)，有源天線就是將有源器件直接與天線結(jié)合，在天線接口或是天線內(nèi)部加上有源器件如功率放大器等，比較適合像智能天線這樣的多單元、多陣列的天線。有源天線主要優(yōu)點(diǎn)是減少了包括天線外部和內(nèi)部的饋線損耗，提高系統(tǒng)增益，擴(kuò)大了覆蓋范圍，提高了系統(tǒng)的指標(biāo)余量，同時使得系統(tǒng)集成度大大提高。由于有源天線集成化的提高，使系統(tǒng)省去了許多如饋線、接頭等器件，在提高系統(tǒng)性能的同時，還節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。有源天線的應(yīng)用不僅可以提高系統(tǒng)的性能，而且一體化天線，還可使TD-SCDMA系統(tǒng)省去現(xiàn)有的塔放單元。小型化、集成化不僅使得系統(tǒng)在性能、價格、應(yīng)用等方面更具競爭力，同時由于小型化還減少了視覺污染，再加上系統(tǒng)的低輻射，TD-SCDMA系統(tǒng)將成為真正意義的綠色環(huán)保的系統(tǒng)?，F(xiàn)有TD-SCDMA全向智能天線的饋電方式主要包含串饋和并饋兩種方式。串饋的饋電方式是將陣列天線單元直接串聯(lián)在饋電線上，由于饋電線電長度隨頻率變化較大，易造成對各單元饋電點(diǎn)相位的影響，因而很難在寬的頻帶內(nèi)保持各單元饋電點(diǎn)相位穩(wěn)定。并饋的饋電方式是將陣列天線單元并聯(lián)在饋電線上，由于頻率變化對各單元的饋電點(diǎn)的相位影響基本相同，因而可以在較寬的頻帶內(nèi)保持各單元饋電點(diǎn)相位穩(wěn)定。與并饋的饋電結(jié)構(gòu)相比串饋的饋電結(jié)構(gòu)雖然省略了部分饋電網(wǎng)絡(luò)，但是這是以犧牲工作帶寬為代價的，其天線的方向圖相對帶寬約10%左右，這就限制了天線和系統(tǒng)性能的提升，對寬帶通信非常不利。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述已有全向陣列天線頻帶窄、全向性易受影響的缺點(diǎn)，提出一種新型的寬頻、多頻全向陣列天線，以實(shí)現(xiàn)陣列天線頻帶的拓寬，提高陣列天線和系統(tǒng)性能，便于實(shí)現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)共用。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的1.技術(shù)原理微帶半波振子結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種通信天線設(shè)計中，一般采用微帶線直接激勵或者耦合激勵，全向微帶天線一般采用串聯(lián)激勵的微帶印刷單元，現(xiàn)有的種種天線結(jié)構(gòu)在工作帶寬上有限。采用曲線結(jié)構(gòu)的振子形式在超寬帶天線中有所應(yīng)用，本發(fā)明將曲線結(jié)構(gòu)引入到微帶振子設(shè)計中，以拓寬振子單元的帶寬，激勵方式采用扇形巴侖結(jié)合并饋的饋電方式，從饋電網(wǎng)絡(luò)上展寬帶寬，這樣整體陣列天線的帶寬就可進(jìn)行展寬，相對于現(xiàn)有串饋微帶陣列天線10%的帶寬，本發(fā)明設(shè)計的陣列天線結(jié)構(gòu)帶寬可達(dá)到85%。全向陣列天線單元在實(shí)際使用中全向的方向圖特性會受到很多因素的影響，如臨近單元的耦合、安裝中連接電纜的影響，實(shí)際天線方向圖已經(jīng)不再具備良好的全向特性。本發(fā)明一改傳統(tǒng)的全向陣列天線設(shè)計方案，輻射單元采用正向和反向交叉放置的方式或者按照順序一半為正向放置，另一半為反向的方式放置，使天線在受到同樣干擾條件下，相比傳統(tǒng)的全向陣列天線，在整個寬頻帶內(nèi)仍然可實(shí)現(xiàn)較好的全向特性。2.天線結(jié)構(gòu)根據(jù)上述原理本發(fā)明采用超寬帶的振子單元，通過并饋的饋電方式設(shè)計陣列天線結(jié)構(gòu)。整個陣列天線包括n個輻射單元、輻射地板和饋電網(wǎng)絡(luò)，其中n>2，所有輻射單元和輻射地板印制在介質(zhì)材料板的一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)位于介質(zhì)的另一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)位于介質(zhì)的另一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)采用扇形巴侖與圓孔縫隙進(jìn)行耦合，其中每個輻射單元均為由指數(shù)曲線和折線曲線構(gòu)成臂形對稱振子結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)采用并饋饋電方式，各輻射單元通過并饋饋電網(wǎng)絡(luò)上的巴倫分別進(jìn)行耦合激勵。所述的所有輻射單元按照正向和反向交叉放置或者按照順序一半為正向放置，另一半為反向放置。所述的每個振子的外曲線采用折線結(jié)構(gòu)，每個振子的內(nèi)曲線采用指數(shù)曲線aebx結(jié)構(gòu)，其中x為函數(shù)自變量，a和b為控制指數(shù)曲線形狀的系數(shù)，a和b的數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要的曲線形狀設(shè)置，取值范圍為-50《a《50，0《b《1。所述的每個振子外部折線由水平邊，外部長邊，寬邊，內(nèi)部短邊，傾斜邊(206)及垂直邊構(gòu)成，且該內(nèi)部短邊與傾斜邊之間的夾角為45《e《55度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于利用指數(shù)曲線結(jié)構(gòu)來構(gòu)造半波振子的形狀，相比于現(xiàn)有的天線陣子形式，展寬了輻射單元的帶寬，實(shí)現(xiàn)了輻射單元的多頻工作特性；2.由于采用扇形巴倫和并饋網(wǎng)絡(luò)饋電，相對于串饋的饋電方式，展寬了饋電網(wǎng)絡(luò)的帶寬；3.由于將上述兩種技術(shù)結(jié)合起來，使陣列天線的整體帶寬得到了展寬。4.由于振子采用正向和反向交叉放置的方式或者按照順序一半為正向放置，另一半為反向的方式放置，大大減少振子單元受周邊環(huán)境的影響從而導(dǎo)致的全向方向圖特性惡化程度，從而保證了陣列天線較好的全向輻射特性。5.由于將陣列天線的輻射單元、輻射地板和饋電網(wǎng)絡(luò)分別印制在介質(zhì)材料板的上下表面，實(shí)現(xiàn)了天線的平面化，利于天線共形放置。4理論計算結(jié)果表明，本發(fā)明陣列天線低頻可覆蓋800MHz和900MHz工作范圍，高頻可實(shí)現(xiàn)1.0GHz2.5GHz的工作頻帶。圖1是本發(fā)明的陣列天線整體結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明陣列天線輻射單元和輻射地板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明陣列天線的工作頻率_電壓駐波比曲線圖；圖5是本發(fā)明的陣列天線在各個頻率點(diǎn)的水平面遠(yuǎn)場方向圖。具體實(shí)施例方式參照圖l，本發(fā)明主要由介質(zhì)材料板1、n個輻射單元2、輻射地板3和饋電網(wǎng)絡(luò)4組成。其中輻射單元的個數(shù)根據(jù)陣列天線增益的需要，可選擇n>2的偶數(shù)或奇數(shù)，介質(zhì)材料板1選用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板，n個輻射單元2和輻射地板3印制在材料板的正面如圖2所示，饋電網(wǎng)絡(luò)4印制在材料板的反面如圖3所示。參照圖2，本發(fā)明陣列天線的輻射單元根據(jù)曲線的形狀而設(shè)計，它由指數(shù)曲線和折線構(gòu)成臂形對稱振子結(jié)構(gòu)，其中振子的內(nèi)部形狀為指數(shù)曲線201形狀，該指數(shù)函數(shù)形式為aebx，其中x為函數(shù)自變量，a和b為控制指數(shù)曲線形狀的系數(shù)，a和b的數(shù)值不固定，根據(jù)實(shí)際需要的曲線形狀設(shè)置，取值范圍為-50《a《50，0《b《1。振子外部形狀為折線形狀，該折線由水平邊202，外部長邊203，寬邊204，內(nèi)部短邊205，傾斜邊206及垂直邊207構(gòu)成，其中外部長邊203的長度大于寬邊204和水平邊202，外部長邊203與內(nèi)部短邊205長度之比約為3:1，且傾斜邊206與內(nèi)部短邊205之間的夾角為45《e《55度。振子的總高度為設(shè)計頻率的四分之一波長。陣列天線輻射單元的排布方式根據(jù)實(shí)際使用的需要，采用正向和反向交叉放置的方式或者按照順序一半為正向放置，另一半為反向的方式放置。輻射單元的個數(shù)n根據(jù)陣列天線不同的增益需要選擇為奇數(shù)或偶數(shù)，當(dāng)n為奇數(shù)時，正向放置的輻射單元與反向放置的輻射單元數(shù)目相差1個，當(dāng)n為偶數(shù)時，正向放置的輻射單元與反向放置的輻射單元數(shù)目相同。本發(fā)明天線的輻射地板3為矩形結(jié)構(gòu)，該矩形地板的寬度為20毫米，長度根據(jù)單元數(shù)目來延伸。地板與振子的總高度之和與介質(zhì)材料板的寬度相同。參照圖3，本發(fā)明陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)4印制在介質(zhì)材料版的反面，它由扇形巴侖401和并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)402構(gòu)成。該扇形巴侖對應(yīng)角度為60度，對于不同頻率和不同結(jié)構(gòu)，此角度可相應(yīng)在一定范圍內(nèi)調(diào)整。該聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一分二的功率分配與阻抗匹配所需要的阻抗變換功能。整個并饋饋電網(wǎng)絡(luò)位于地板空間內(nèi)，通過并饋饋電網(wǎng)絡(luò)上的巴倫401與圓孔縫隙對各輻射單元分別進(jìn)行耦合激勵，根據(jù)不同單元數(shù)目實(shí)現(xiàn)不同的激勵，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的方向圖形狀，例如對于3個單元的陣列天線采用并饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)2階功率分配，對3個單元進(jìn)行不均勻的激勵。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)本發(fā)明給出單元數(shù)目n=3時的陣列天線實(shí)施例如下介質(zhì)1選擇長為540毫米，寬為100毫米，厚度為1毫米，介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板。輻射單元2由指數(shù)曲線構(gòu)成的內(nèi)部形狀201和折線構(gòu)成的外部形狀所組成的臂形振子構(gòu)成。指數(shù)曲線選擇a為O.15，b為0.07，構(gòu)成指數(shù)函數(shù)形式為0.15e°°7x。外部長邊203為70毫米，寬邊204為20毫米，內(nèi)部短邊205為25毫米，角度e為52度，傾斜邊206為26.9毫米，振子底部邊長為25毫米。振子單元之間間距為110毫米。3個輻射單元采用按照順序1個單元反向放置，2個單元正向放置的方式排布。輻射地板3選擇寬度為為20毫米，總長度為540毫米。振子高度和地板寬度之和等于介質(zhì)板的寬度。饋電網(wǎng)絡(luò)4實(shí)現(xiàn)2階的功率分配，對三個單元進(jìn)行不均勻的激勵。在并饋的饋電網(wǎng)絡(luò)上分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的阻抗變換402，三個輻射單元通過扇形巴侖401與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耦合激勵。巴侖選擇角度為60度。輻射地板采用常規(guī)矩形輻射結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)采用扇形巴侖與圓孔縫隙進(jìn)行耦合，扇形巴侖后面通過并饋的方式組成饋電網(wǎng)絡(luò)。在介質(zhì)材料板1的正反面分別印制完輻射單元，輻射地板和饋電網(wǎng)絡(luò)后，用腐蝕劑三氯化鐵腐蝕掉表面多余的金屬部分，再對其表面進(jìn)行電鍍，最后對整體進(jìn)行裁剪修整，可得到天線。該發(fā)明天線采用一次加工成形，具有較好的一致性，饋電電纜只需將內(nèi)芯焊接到饋電網(wǎng)絡(luò)終端，外芯焊接到接地板，天線即可實(shí)現(xiàn)正常工作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過以下仿真進(jìn)一步說明1、仿真內(nèi)容利用仿真軟件對上述實(shí)施例陣列天線的電壓駐波比、遠(yuǎn)場輻射方向圖進(jìn)行仿真計算。2、仿真結(jié)果圖4為陣列天線的工作頻率_電壓駐波比曲線。通過圖4可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明陣列天線在電壓駐波比小于2條件下的工作頻帶可覆蓋800MHz，900MHz，1800MHz，1900MHz，2GHz，2.4GHz這些是移動通信所經(jīng)常需要的工作頻段，特別較好的覆蓋了MT-Advanced系統(tǒng)所需要的工作頻段和更高頻的工作頻段，這說明本發(fā)明陣列天線具有良好的寬頻和多頻特性。圖5為陣列天線的2.5倍頻內(nèi)的水平面遠(yuǎn)場增益方向圖，其中圖5a為陣列天線工作在lGHz時的遠(yuǎn)場方向圖，圖5b為陣列天線工作在2.5GHz時的遠(yuǎn)場方向圖。從圖5可看出，在2.5倍頻內(nèi)，陣列天線的最大輻射方向保持穩(wěn)定。所以說本發(fā)明陣列天線具有良好的全向方向圖特性。表1總結(jié)了本發(fā)明陣列天線在高頻工作頻帶內(nèi)的增益和水平瓣寬的特性。表1本發(fā)明寬頻全向陣列天線指標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表1可以看出，在1GHz2.5GHz的頻帶內(nèi)，本發(fā)明陣列天線的增益均大于4.5dBi，具有較高的增益，水平瓣寬均達(dá)到360度，具有較好的全向特性。以上僅為本發(fā)明的一個實(shí)例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，可以對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而得到本發(fā)明陣列天線的寬頻、多頻及全向特性，但這些均在本發(fā)明的保護(hù)之列。權(quán)利要求一種寬頻、多頻的全向陣列天線，包括n個輻射單元、輻射地板和饋電網(wǎng)絡(luò)，其中n≥2，所有輻射單元和輻射地板(3)印制在介質(zhì)材料板(1)的一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)位于介質(zhì)的另一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)采用扇形巴侖與圓孔縫隙進(jìn)行耦合，其特征在于每個輻射單元(2)均為由指數(shù)曲線和折線曲線構(gòu)成臂形對稱振子結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)(4)采用并饋饋電方式，各輻射單元通過并饋饋電網(wǎng)絡(luò)上的巴倫(401)分別進(jìn)行耦合激勵。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于輻射單元的個數(shù)根據(jù)增益需要設(shè)為偶數(shù)個或奇數(shù)個。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于每個輻射單元按照正向和反向交叉放置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于輻射單元按照順序一半為正向放置，另一半為反向放置。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于對于奇數(shù)個輻射單元正向放置與反向放置的輻射單元個數(shù)相差為1。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于每個振子的外曲線采用折線結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于每個振子的內(nèi)曲線采用指數(shù)曲線結(jié)構(gòu)(201)，該指數(shù)函數(shù)形式為aebx，其中x為函數(shù)自變量，a和b為控制指數(shù)曲線形狀的系數(shù)，a和b的數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要的曲線形狀設(shè)置，取值范圍為-50《a《50，0《b《1。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于振子外部長邊(203)與內(nèi)部短邊(205)長度之比為3:1。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于每個振子外部折線由水平邊(202)，外部長邊(203)，寬邊(204)，內(nèi)部短邊(205)，傾斜邊(206)及垂直邊(207)構(gòu)成，且該內(nèi)部短邊(205)與傾斜邊(206)之間的夾角為45《e《55度。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻、多頻全向陣列天線，其特征在于每個振子的總高度為設(shè)計頻率的四分之一波長。全文摘要本發(fā)明公開了一種寬頻、多頻全向陣列天線，主要解決現(xiàn)有全向陣列天線頻帶窄、全向特性易受周邊環(huán)境影響的問題。該寬頻、多頻全向陣列天線包括介質(zhì)材料板(1)、輻射單元(2)、輻射地板(3)和饋電網(wǎng)絡(luò)(4)，陣列天線輻射單元和陣列天線輻射地板印制在介質(zhì)材料板(1)的一側(cè)，饋電網(wǎng)絡(luò)位于介質(zhì)材料板(1)的另一側(cè)，輻射單元(2)由指數(shù)曲線aebx與折線構(gòu)成臂形對稱振子結(jié)構(gòu)，各輻射單元采用正向和反向交叉放置的方式或者按照順序一半為正向放置，另一半為反向的方式放置，饋電網(wǎng)絡(luò)采用并饋饋電方式，各輻射單元通過并饋饋電網(wǎng)絡(luò)上的巴倫分別進(jìn)行耦合激勵。本發(fā)明具有寬頻、多頻、全向性能好的優(yōu)點(diǎn)，可作為移動通信領(lǐng)域，如IMT-Advanced系統(tǒng)中全向陣列天線使用。文檔編號H01Q13/00GK101719593SQ201010013539公開日2010年6月2日申請日期2010年1月4日優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日發(fā)明者劉英,姜文,李延平,李超,洪濤,龔書喜申請人:西安電子科技大學(xué)