四极化六扇区阵列全向天线.pdf

本发明涉及一种小灵通基站的极化阵列全向天线。主要解决现有三扇区极化分集全向天线在小灵通基站信号差，覆盖小的问题。其技术手段是将三面±45°双极化板状定向天线和三面0°/90°双极化板状定向天线，交错对称排列在一个六边形的基线上，构成六扇区十二阵列±45°和0°/90°四极化分集天线结构；将每面相同度数的定向天线再进行三路功率合成连接，在六扇区天线端口分别输出+45°、－45°、0°和90°四根电缆线，直接连接到基站上，以实现使用不同的极化方式接收和发射信号。该天线在水平面内具有全向辐射方向图，与常用水平全向天线比较，每个极化端口的增益高于12.5dB，任何两端口之间的隔离度低于－25dB，极大的改善了全向基站的覆盖功能，提高了基站的覆盖距离。

1.  一种四极化六扇区阵列全向天线，其特征在于采用三面±45°双极化板状定向天线和三面0°/90°双极化板状定向天线，交错对称排列在一个六边形的基线上，形成六扇区十二阵列四极化结构；每面相同度数的定向天线再进行三路功率合成连接，分别输出+45°、-45°、0°和90°四个端口与基站连接。

2.  根据权利要求1所述的阵列全向天线，其特证在于每个+45°双极化板状定向天线，是由轴向固定在梯形反射板(A)上的多个+45°双极化振子(X)及馈电网络构成；每个0°/90°双极化板状定向天线，是由轴向固定在梯形反射板B上的多个水平极化振子和多个垂直极化振子(S)及馈电网络构成，所述的每个水平极化振子的馈电点位置沿梯形反射板(B)轴向方向的左右位置交替排列，每个垂直极化振子的馈电点沿轴向方向依次排列。

3.  根据权利要求1或2所述的阵列全向天线，其特证在于三面±45°双极化板状定向天线和三面0°/90°双极化板状定向天线，交错对称排列在一个六边形的基线上，是将三面0°/90°双极化板状定向天线和三面±45°双极化板状定向天线的梯形反射板交错排列固定，形成六边形板状定向天线腔体，即0°/90°双极化板状定向天线排列在该腔体的第一、第三、第五这三个奇数位置上，±45°双极化板状定向天线排列在该腔体的第二、第四、第六这三个偶数位置上，通过连接件(9)固定为一体。

4.  根据权利要求2所述的阵列全向天线，其特证在于固定0°/90°双极化振子的每个梯形反射板B的底边宽度L₁及底边与侧边夹角θ₁，与固定±45°极化振子的每个偶数梯形反射板A的底边宽度L₂及底边与侧边夹角θ₂不等，即L₁＜L₂，θ₁＞θ₂。

5.  根据权利要求2所述的阵列全向天线，其特证在于0°水平极化振子的馈线长度在馈电点位于反射板左边的一组与馈电点位于反射板右边的一组相差半个工作波长，以实现水平极化水平面方向图的对称性。

6.  根据权利要求2所述的阵列全向天线，其特证在于0°水平极化振子采用两个对称的Π形结构，以展宽水平极化振子的水平面辐射波瓣宽度。

四极化六扇区阵列全向天线
技术领域
本发明属于通信天线领域，具体地说是一种四极化六扇区阵列全向天线，可作为小灵通基站的极化分集全向天线和移动通信中的全向天线。
背景技术
随着通信事业的发展，人们对移动通信，特别是PHS小灵通通信系统的质量提出了更高的要求，而通信质量的提高，即信号强度增加的重要手段之一就是增加基站密度。但基站数量的增加，不仅会占据空间，影响美化环境，而且增加投入。因此，如何利用现有的基站而提高天线本身的性能，就成了解决移动通信质量问题的重要手段。为了克服在移动通信系统和PHS小灵通通信系统中由于多径传输造成的接收信号衰落，通常可采用空间分集或极化分集接收技术。然而，由于建筑物和地形起伏等因素的存在，除了多径传输造成的接收信号衰落外，还存在传播信号极化矢量的不确定性。当接收和发射天线极化相同时，传输效率最高。若两者极化具有一定的夹角时，则存在极化损失。例如，一个垂直极化天线只能接收垂直极化波，不能接收水平极化波；又如：用一个45°极化天线接收垂直极化波时，接收功率损失3分贝。为了克服这些损失，需要具有几种不同极化的多极化天线来接收，并选择最大的接收信号，获得最佳的接收效果。目前，主要采用扇区覆盖的双极化定向基站天线，实现每个扇区的极化分集，或采用两面单极化的定向基站天线，实现每个扇区的空间分集。而对于全向覆盖的全向基站天线而言，在实际工程应用中，主要是采用多付单极化全向天线实现空间分集的结构。为了实现全向覆盖基站系统的极化分集，在现有技术中已经出现了三扇区±45°双极化定向天线一体化组合结构，如西安海天天线科技股份有限公司研制的“极化分集的小灵通PHS通信系统全向智能天线”，这种天线就是一体化三扇区±45°双极化分集全向天线。该天线通过把低噪声前置放大器直接与天线输出端相连，使组合全向天线增益远高于一般全向天线的增益，但是这种天线由于受±45°双极化天线本身固有特性的限制，在扇区交接区域，即单个天线振子波束覆盖扇区边缘交叉极化鉴别率，即交叉极化比较低，通常为10dB左右，因此，使用这种天线时，其全向极化分集效果会受到一定影响。并且由于在三扇区组合的各交接区域合成增益较低，达不到一般全向天线为11dB的增益值，使在这些区域的全向覆盖效果较差，影响了基站的全向覆盖和全方位的极化分集性能，造成小灵通信号差的不足。
发明的内容
本发明的目的在于解决现有一体化三扇区组合±45°双极化全向天线的不足，提供一种能够增大基站全向覆盖面和可改善全向性能的四极化六扇区阵列全向天线。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明采用三面±45°双极化板状定向天线和三面0°/90°双极化板状定向天线，交错对称排列在一个六边形的基线上，构成六扇区十二阵列±45°和0°/90°四极化分集天线结构，再将每面相同度数的定向天线进行三路功率合成连接，在天线端口分别输出+45°、-45°、0°和90°四根电缆线，连接到基站上，以实现使用不同的极化方式接收和发射信号。其中，每一面±45°双极化板状定向天线，是由轴向固定在梯形反射板上的多个±45°双极化振子及馈电网络构成；每个0°/90°双极化板状定向天线，是由轴向固定在梯形反射板上的多个垂直/水平双极化振子及馈电网络构成。组阵时，为了保证每种极化方式的水平全向辐射，要求每个单面板状天线的辐射方向图要满足90度。由于极化方式不同，板状天线水平面宽度控制方式也有所不同。为此，本发明对±45度极化和90°垂直极化采用调整梯形反射板底板宽窄和两侧边的高度及底板与侧边的夹角来控制波束宽度，且每个±45°双极化振子和90°垂直极化振子的馈电点沿梯形反射板轴向方向依次排列，每个馈电点的馈线长度相同；对于0°水平极化定向天线而言，由于受其梯形反射板底板的影响较小，不能简单的通过反射板底板宽窄和两侧边的高度及底板与侧边的夹角来控制波束宽度。为此，本发明又通过改变组成0°水平极化定向天线的各振子结构、排列位置及馈线长度的技术手段，来达到展宽0°水平极化定向天线的波束宽度并修正水平方向性能。其方案是：将0°水平振子设计为两个对称的∏形结构，并将每个水平极化振子的馈电点位置沿梯形反射板轴向方向的左右位置交替排列，且馈电点位于反射板左边的一组馈线长度与馈电点位于反射板右边的一组馈线长度相差半个工作波长，以改变馈电点在反射板左侧的一组水平极化振子的电流反向，使每个振子臂上电流方向一致，保证水平面整体方向图沿中心轴对称。
所述的六边形基线是将每一面0°/90°双极化板状定向天线地梯形反射板与每一面±45°双极化板状定向天线的梯形反射板交错排列固定，形成六边形基线板状定向天线腔体，即0°/90°双极化板状定向天线排列在六边形板状定向天线腔体的第一、第三、第五这三个奇数基线上，而±45°双极化板状定向天排列在六边形板状定向天线的第二、第四、第六这三个偶数基线上。
本发明由于采用了四极化六扇区阵列天线结构，将空间分集接收转变为极化分集接收，因此，在水平面内具有全向辐射方向图，与常用水平全向天线比较，最大增益明显提高，且改善了基站的覆盖效果，适用于城区内人口密集区，建筑物较多的地方，电磁波易产生多径传播效应和极化旋转的区域；同时由于本发明的扇区阵天线部件可以分开组装，所以容易生产调试，批量制作电性能一致性好，且在360度水平面的覆盖范围内，极大的改善了蜂窝通信系统天线的利用率；此外由于本发明可以与有源功率放大器配合使用，所以可大大增高天线辐射增益，更适用于农村远距离覆盖，居民小区，十字街道等360度覆盖分布区域架设安装，在GSM、CDMA移动通信频段及集群、扩频通信系统中都有广阔的应用前景。
实测表明，本发明同时具备垂直，水平，正45度，负45度四种极化特性，该四种极化方式在天线竖直架设的情况下，均具有在水平面内全向辐射的方向图，且每个极化端口的增益高于12.5dB，任何两端口之间的隔离度低于-25dB。当四个极化端口同时工作时，最大增益为13dB，比原来的天线提高了3dB，覆盖距离增大到原来的1.41倍。从天线的结构本身提高了小灵通1C7T普通型500mW基站的覆盖距离和信号强度。使用中，具有外形简单、美观、体积小、架设方便、占地面积小之优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，其中1、2、3、4、5、6分别代表天线阵的六个扇区，7为+45°极化振子，8为-45°极化振子，9为垂直极化振子，10为水平极化振子，A为±45°扇区天线反射板，B为0°/90°扇区天线反射板，X为±45°极化振子，S为0°/90°极化振子。
图2是本发明的横截面图，其中L₁₁为±45°扇区天线反射板的底板，L₁₂为±45°扇区天线反射板的侧边，L₂₁为0°/90°扇区天线反射板的底板，L₂₂为0°/90°扇区天线反射板的侧边，12为反射板连接器，θ₁为±45°扇区天线反射板的侧边与底板之间的夹角，θ₂为0°/90°扇区天线反射板的侧边与底板之间的夹角。
图3是本发明的水平极化振子结构示意图。
图4是本发明的六扇区一体化组合馈电网络示意图。
图5是本发明的0°/90°极化输出端口实测电压驻波比曲线图，其中复合线表示0°极化端口的实测电压驻波比曲线，单线—表示90°极化端口的实测电压驻波比曲线。
图6是本发明的±45°极化输出端口实测电压驻波比曲线图，其中复合线表示-45°极化端口的实测电压驻波比曲线，单线—表示+45°极化端口的实测电压驻波比曲线。
图7是本发明的0°极化输出端口的水平面远场实测方向图。
图8是本发明的90°极化输出端口的水平面远场实测方向图。
图9是本发明的+45°极化输出端口的水平面远场实测方向图。
图10是本发明的-45°极化输出端口的水平面远场实测方向图。
图11是本发明四个极化输出端口的合成水平面远场实测方向图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明的结构与效果。
参照图1和图2，本发明的天线由三面六阵列±45°双极化板状定向天线和三面六阵列0°/90°双极化板状定向天线组成。其中，每一面±45°双极化板状定向天线是由梯形反射板A和八个±45°双极化振子X组成，该梯形反射板的底边L₁₁与其侧边L₁₂之间设有夹角θ₁；每一面0°/90°双极化板状定向天线是由梯形反射板B和八个0°/90°双极化振子S组成，该梯形反射板的底边L₂₁与其侧边L₂₂之间设有夹角θ₂。将每一面±45°双极化板状定向天线和每一面0°/90°双极化板状定向天线交错对称排列放置，通过连接件9固定，则可形成六边形基线的反射板腔体结构。具体地说就是将三面±45°双极化板状定向天线分别排列在六边形反射板腔体结构的1、3、5这三个奇数扇区的基线位置，而将三面0°/90°双极化板状定向天线分别排列在六边形反射板腔体结构的2、4、6这三个偶数扇区基线位置。由于每一面定向天线是两个阵列，即每一面±45°双极化板状定向天线是+45°和-45°两个阵列，每一面0°/90°双极化板状定向天线是0°和90°两个阵列，因此，可构成四极化六面或六扇区十二阵列天线。
所述的每一面±45°双极化板状定向天线A的底边宽度L₁₁、侧边宽度L₁₂、倾角θ₁，与每一面0°/90°双极化板状定向天线的梯形反射板B的底边宽度L₂₁、侧边L₂₂、倾角θ₂不相等，即L₁＜L₂，θ₁＞θ₂，因而，在该天线腔体六个棱的连接处形成固定的缝隙。
所述的每个+45°极化振子7和-45°极化振子8均设有馈电点，这些馈电点均沿梯形反射板A的轴向方向依次排列而固定，每个馈电点的馈线长度相同。
所述的每一个90°的垂直极化振子9和0°的水平极化振子10也设有馈电点，其中，90°的垂直极化振子9的馈电点沿梯形反射板B的轴向方向依次排列而固定，且各馈电点的馈线长度相同；而对于每个0°的水平极化振子10而言，由于要保证天线水平方向图的对称性，故采用将馈电点11沿梯形反射板B轴向方向的左右位置交替排列，且馈电点11位于反射板B左边一组的馈线长度与馈电点11位于反射板B右边一组的馈线长度相差半个工作波长，以改变由于馈电点交错分布在反射板B左右两边而引起的其中一组电流产生反向的问题，保证每个水平极化振子臂上的电流方向一致。
所述的六边形反射板腔体的上、下两端分别固定有六边形金属板，该上、下板之间通过导线连接。上板的中间固定有避雷针(图中未画出)，使天线自身带有避雷设施，避免了由于没有自身带有避雷设备，而要另外架设避雷设备的不便问题。不但解决了安装上的工程问题，减少了人工费用，而且节约了空间，美化了环境。六边形反射板腔体的外面套有外套，下端引出四根分别为0°水平极化、90°垂直极化、+45°斜极化、-45°斜极化的电缆线，安装时，只要将所述的四根电缆线与基站连接即可。
参照图3，本发明为了展宽0°水平极化定向天线的波束宽度，将水平极化振子的振子臂10设计成两个对称的∏形结构，该振子臂的横臂上设有馈电点11，该馈电点连接有同轴馈线，该∏形振子的内竖臂与底座13加工为一体。
参照图4，本发明的馈电网络是将每一面悌形反射板上固定的两个阵列的各自八个振子馈线，在六边形反射板腔体内均进行三次两两连接，即先将第一个振子与第二个振子、第三个振子与第四个振子、第五个振子与第六个振子、第七个振子与第八个振子分别连接，引出四根馈线，再将该四根馈线分别两两连接，引出两根馈线，最后将该两根馈线再进行连接引出一根馈线，这样就可从腔体端口共引出六个面的十二根定向阵列天线的馈线，即在每面定向阵列天线的端口引出两根馈线。将该十二根馈线按同类的极化方式再进行三路功率合成器合成，即分别将排列在六边形反射板腔体结构的1、3、5三个奇数扇区的三路+45°极化板状定向天线的馈线和三路-45°极化板状定向天线的馈线分别通过两个三路功率合成器合成，分别得到+45°极化天线的输出和-45°极化天线的输出；再分别将排列在六边形反射板腔体结构的2、4、6三个偶数扇区的三路0°极化板状定向天线的馈线和三路90°极化板状定向天线的馈线分别通过另两个三路功率合成器合成，再得到0°极化天线的输出和90°极化天线的输出。将该四种极化方式输出的四个电缆头直接连接到基站，可进行不同的极化方式接收和发射信号，完成在无源条件下一般500mW基站天线的上行和下行工作。
如果要将本发明天线架设在远距离覆盖的农村，或居民小区，或十字街道等360度覆盖分布区域，可以与有源功率放大器配合使用，即将四个三路功率合成器的输出端分别连接到四个有源功率放大器，可大大增高天线的辐射增益。
参照图5，本发明的0°/90°极化输出端口实测电压驻波比曲线图中，0°极化的电压驻波比曲线和90°极化端口的电压驻波比曲线在1880MHz～1920MHz内均小于1.4。
参照图6，本发明的±45°极化输出端口实测电压驻波比曲线中，-45°极化的电压驻波比曲线和+45°极化端口的电压驻波比曲线在1880MHz～1920MHz内均小于1.4。
参照图7和图8，本发明的0°极化的水平面远场实测方向图和90°极化的水平面远场实测方向图中，均有三个最大波瓣和三个次大波瓣，其中三个最大波瓣的方向对应图1中2、4、6三个扇区的方向；三个次大波瓣方向对应图1中1、3、5三个扇区的方向，两个方向图的曲线起伏均不大于±4dB，近似形成一个全向辐射的圆形。
参照图9和图10，本发明的+45°极化的水平面远场实测方向图和-45°极化的水平面远场实测方向图中，同样也都有三个最大波瓣和三个次大波瓣，三个最大波瓣的方向对应图1中1、3、5三个扇区的方向；三个次大波瓣方向对应图1中2、4、6三个扇区的方向，两个方向图的曲线起伏不大于±4dB，近似形成一个全向辐射的圆形。
参照图11，本发明四个极化的合成水平面远场实测方向图起伏小于±1.5dB，完全满足全向天线的指标要求。
通常小灵通1C7T普通型500mW基站的工作模式是时分多址的方式，即发射信号和接收信号是在不同的时隙。基站共有八个发射/接收端口，当基站进行信号接受时，八个端口同时工作，基站系统将接收的八路信号进行选择处理，同时判断出哪一个端口接收的信号最强，然后将最强的这一路作为下一时隙的发射端口。例如，接收端口在2扇区接收的信号最强，对应天线就是垂直/水平扇区天线最大波瓣覆盖方向，经过判断后，基站就会选用垂直或水平端口进行发射下行信号。
当四个极化端口同时工作时，就形成了图11的包络线内的区域，区域的最大增益为13dB，包络线的不圆度小于±1dB，增益比原来的天线要提高了3dB，覆盖距离增大到原来的1.41倍。本发明从天线角度增加了小灵通1C7T普通型500mW基站的覆盖距离，在一定程度上解决小灵通基站信号差，覆盖小的问题。