一种适用于隧道环境的双极化高增益天线的制作方法

本实用新型涉及无线通信
技术领域：
，特别涉及一种适用于隧道环境的双极化高增益天线。
背景技术：
：近年来，我国铁路建设取得了空前发展。随着铁路业务的扩展，需要及时、有效传输大量视频、图片信息。同时，移动互联网的普及与应用也对列车高速率、高质量的个人网络服务提出了新的要求，如视频通话、高速率下载等。因此，现代铁路的发展对沿线移动通信系统的稳定性、时效性提出了更高的要求，可靠的无线通信是列车稳定、安全运行的重要保障。由于我国地域广阔，地形较为复杂，尤其是在西部、南部地区，很多山地、丘陵的地理环境，此外还有各大城市的地铁线路建设，因此使得隧道的数量呈现出井喷式的增长。不同于一般的露天无线通信，电磁波在隧道环境中传播时，通常受到非理想隧道壁的多重作用。一方面，隧道壁的吸收、反射及粗糙散射对电磁波造成衰减和相移，影响通信质量；另一方面，隧道受限空间中不同路径的反射分量相互叠加，形成显著的多径效应，使信号出现快衰落现象，严重影响接收端对信号的解调。针对隧道环境电波传播的特殊性，以及我国实现高速率、高质量移动通信的迫切需求，研究适用于隧道环境的天线，具有重要的现实意义。目前，广泛应用的铁路专用通信网gsm-r(globalsystemformobilecommunications-railway,gsm-r)正处于更新换代的关键时期，国际铁路联盟(uic)和中国铁路总公司均已确定采用lte-r(longtermevolution-railway,lte-r)作为下一代铁路移动通信系统。gsm-r与lte-r均采用无线传输方式与列车进行实时通信与调度。相比于传统gsm-r通信系统，lte-r拥有更快的传输速率、更小的时延、更高的可靠性等优点。为了适应下一代lte-r铁路移动通信系统，需要配套设置不同于公共无线网络，适应于隧道通信环境、且成本低廉的lte-r天线。并且由于隧道环境的特殊性，要求所设计的天线增益必须足够高，才可实现长距离的无线覆盖。技术实现要素：本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的需要设计一种适用于隧道环境的高增益低成本的lte-r天线，本实用新型提出了一款适用隧道环境特点的、可工作于900mhz频段的双极化高增益lte-r天线。为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：一种适用于隧道环境的双极化高增益天线，包括：反射器、中心支架、第一线极化天线以及第二线极化天线、天线罩；其中，所述反射器与中心支架相连，并与所述中心支架相互垂直；所述第一线极化天线包括第一天线振子和第一耦合枝节，所述第一天线振子与所述第一耦合枝节相互垂直；所述第二线极化天线包括第二天线振子和第二耦合枝节；所述第二天线振子与所述第二耦合枝节相互垂直；所述第一天线振子、第二天线振子设置在所述中心支架上，所述第一天线振子与所述第二天线振子之间呈90度夹角，分别馈电；所述第一耦合枝节与所述反射器接触，且与所述所述反射器相互垂直；所述第二耦合枝节与所述反射器接触，且与所述所述反射器相互垂直；所述第二耦合枝节长于所述第一耦合枝节；所述中心支架、第一线极化天线、第二线极化天线被封装在所述反射器与天线罩所构成的封闭结构内。本实用新型通过将两个线极化辐射天线正交组合为同一款天线，两个微带天线分别馈电，得到双端口馈电的天线，由此实现了天线的双极化辐射；并通过间隔设置两个线极化辐射天线(两个天线的耦合枝节长度不同)、使两个天线共用一个反射器并能够被密封在一个天线罩中，从而实现低成本高增益的双极化天线。在本实用新型进一步的实施例中，上述适用于隧道环境的双极化高增益天线还包括：设置在所述中心支架上的多个第一线极化天线的引向器，所述多个第一线极化天线的引向器依次设置在所述第一线极化天线后，所述第一线极化天线的引向器与所述第一天线振子平行设置；以及，设置在所述中心支架上的多个第二线极化天线的引向器，所述多个第一线极化天线的引向器依次设置在所述第二线极化天线后，所述第一线极化天线的引向器与所述第二天线振子平行设置；所述多个第一线极化天线的引向器以及多个第二线极化天线的引向器被封装所述反射器与天线罩所构成的封闭结构内。优选的，所述多个第一线极化天线的引向器设置长度不同、且设置间距不同；所述多个第二线极化天线的引向器设置长度不同、且设置间距不同。优选的，所述第一线极化天线的引向器为11个，所述第二线极化天线的引向器为11个。本实用新型通过添加引向器来进一步提高天线的增益，并且引向器采用非等长非等间距的设计方式，通过优化引向振子(引向器)之间的距离和长度、半径，使得天线的能量更集中于端射方向，实现了高增益和窄波束的性能。优选的，所述第一线极化天线、第二线极化天线均采用非对称结构。优选的，所述第一线极化天线、第二线极化天线的两端设置有三个正方形贴片。优选的，所述第一线极化天线以及所述第二线极化天线的微带结构中均设置有耦合贴片。本实用新型通过在第一线极化天线、第二线极化天线中添加耦合贴片、正方形贴片结构拓宽了天线带宽，改善了匹配特性，使天线拥有接近30％的相对带宽，使天线可以更好地工作于900mhz频段。优选的，所述第一线极化天线、第二线极化天线采用rogers5880材料，厚度1.4mm，其相对介电常数εr＝2.2，损耗角正切值为：tanδ＝0.0009。与现有技术相比，本实用新型的有益效果：1、通过将两个线极化辐射天线正交组合为同一款天线，两个微带天线分别馈电，得到双端口馈电的天线，由此实现了天线的双极化辐射；并通过错位排列设置两个线极化辐射天线(两个天线的耦合枝节长度不同)、使两个天线共用一个反射器并能够被密封在一个天线罩中，从而实现低成本高增益的双极化天线。2、本实用新型通过添加引向器来进一步提高天线的增益，并且多个引向器采用非等长和非等间距的排列方式，通过优化引向振子(引向器)之间的距离和长度、半径，使得天线的能量更集中于端射方向，天线获得更高的增益。3、本实用新型通过在第一线极化天线、第二线极化天线中添加耦合贴片、正方形贴片结构拓宽了天线带宽，改善了匹配特性，使天线拥有接近30％的相对带宽，使天线可以更好地工作于900mhz频段。附图说明：图1是本实用新型示例性实施例的一种适用于隧道环境的双极化高增益天线结构示意图1；图2是本实用新型示例性实施例的一种适用于隧道环境的双极化高增益天线结构示意图2；图3(a)是本实用新型示例性实施例的第一线极化天线结构正视图；图3(b)是本实用新型示例性实施例的第一线极化天线结构后视图；图4(a)是本实用新型示例性实施例的反射器结构正视图；图4(b)是本实用新型示例性实施例的反射器结构侧视图；图5(a)是本实用新型示例性实施例的第二线极化天线结构正视图；图5(b)是本实用新型示例性实施例的第二线极化天线结构后视图；图6是本实用新型示例性实施例的高增益天线引向器结构尺寸图；图7是本实用新型示例性实施例的双极化高增益天线s11与s22曲线图；图8(a)是本实用新型示例性实施例的双极化高增益天线900mhz频点的e面增益方向图；图8(b)是本实用新型示例性实施例的双极化高增益天线900mhz频点的h面增益方向图；图9是本实用新型示例性实施例的双极化高增益天线s21隔离度曲线图图10是本实用新型示例性实施例的双极化高增益天线增益随频率变化曲线图；图中标记：1-反射器；2-中心支架；3-第一线极化天线；4-第二线极化天线；5-第一线极化天线的引向器；6-第二线极化天线的引向器；7-天线罩；101-正方形贴片；102-第一线极化天线的耦合枝节；103-耦合贴片；104-第二线极化天线的耦合枝节。具体实施方式下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。实施例1由于隧道环境对信号的干扰问题，同时为节约成本，要求采用单副天线来解决隧道信号的多径衰落问题。同时，根据隧道环境的特点，为了满足长距离铁路沿线无线信号覆盖要求，天线增益必须足够高。为同时满足这两个要求，本实用新型提出适用隧道环境的双极化、高增益天线。图1、图2示出了本实用新型示例性实施例的一种适用于隧道环境的双极化高增益天线，包括：反射器1、中心支架2、第一线极化天线(本实施中采用水平线极化微带八木天线)3以及第二线极化天线(本实施例中采用垂直线极化微带八木天线)4、天线罩7；其中，所述反射器1与中心支架2相连，并与所述中心支架2相互垂直；所述第一线极化天线3包括第一天线振子301和第一耦合枝节302，所述第一天线振子301与所述第一耦合枝节302相互垂直；所述第二线极化天线4包括第二天线振子401和第二耦合枝节402；所述第二天线振子401与所述第二耦合枝节402相互垂直；所述第一天线振子301、第二天线振子401设置在所述中心支架2上，所述第一天线振子301与所述第二天线振子401之间呈90度夹角(±45°正交设置，与图6中示意的y轴方向呈正负45度夹角)，分别馈电；所述第一耦合枝节302与所述反射器1接触，且与所述所述反射器1相互垂直；所述第二耦合枝节402与所述反射器1接触，且与所述所述反射器1相互垂直；所述第二耦合枝节402长于所述第一耦合枝节302；所述中心支架2、第一线极化天线3、第二线极化天线4被封装在所述反射器1与天线罩7所构成的封闭结构内。通过将两个线极化辐射的定向天线±45°正交组合成为同一款天线，两个微带天线分别馈电，得到双端口馈电的天线，由此实现了天线的双极化辐射降低成本，并通过两个线极化辐射天线共用一个反射器1、被封装在一个天线罩7中，使天线保持着较高的增益。由于反射器的存在，两个线极化天线在反射器的反方向几乎没有信号辐射，因此采用端射天线作为将第一线极化天线以及第二线极化天线；因此需要将第一线极化天线、第二线极化天线的信号传输方向进行定向，与所需辐射场所一致，本实施例中，天线应用于隧道，因此第一线极化天线以及第二线极化天线信号传输方向与隧道方向一致。具体的，双极化定向高增益天线的设计模型是由两个线极化辐射的天线的天线振子±45°交叉放置得到的。由于在同一个天线中，而天线中的有源部分结构为微带天线，不可能将这两副线极化天线完全放置在同一高度。所以为了调整结构，在设计中，将两副天线在横向上正交放置，在纵向上有着50mm的位置差。这样使有源结构与引向器交错放置，才能在合理的在同一个反射器、天线罩中容纳两副天线。由于整副天线的频率工作在900mhz，但是反射器使用的是同一个。根据八木天线的相关理论，反射器与有源部分结构的间距在λ/4左右。第一线极化天线尺寸与图3a、图3b所设计的完全相同(具体参数参加表1)，而第二线极化天线由于在纵向上与第一线极化天线有50mm的高度差(第一第一线极化天线的引向器设置于第一线极化天线与第二线极化天线之间)，那么垂直极化的有源结构必然距离反射器较远，从而导致天线的性能受到影响。所以，对垂直极化有源微带结构进行了优化。优化结果是微带结构的垂直耦合枝节部分延长了d＝50mm，并且耦合枝节中的耦合贴片也相应延长了50mm，两个线极化天线除了耦合枝节长度不一致，其余结构-正方形贴片、各部分长度参数一致。具体结构如图4a、图4b所示。表1线极化天线辐射单元各参数值(单位：mm)参数l1l2w1l3w3l4w4gl0尺寸79572085674629.4参数w0l01w01l02w02rl5w5l6尺寸9.49.49.4882651410此外，添加反射器1可提高天线增益，如图5a、图5b所示，反射器采用的是材质为铝的金属圆盘，反射板的结构是双耳型，在保持横向距离尽可能小的条件下，为了方便安装在隧道内壁，在纵向上增加一部分，双耳型结构方便于固定螺钉，整个铝制反射器分为上下两层下层部分要比上层稍微大一点，外径比内径多4mm，方便天线罩的安装。横向尺寸(上层156mm，下层160mm)，纵向尺寸200mm，厚度为20mm(上下各为10mm)，反射器结构如图2所示。天线罩采用的是玻璃纤维材质。整个天线罩呈针筒状，罩壁厚度为2mm，内径78mm，外径80mm，长度为960mm。进一步的，为了使适用于隧道环境的双极化高增益天线具有较高的带宽、能够工作于900mhz频段，并具有更高的增益，对天线单元进行设计：为了适应铁隧道天线高增益特点，通过引向振子组(引向器)来提高天线增益，天线单元结构如图6所示。引向振子组包括：第一线极化天线的引向器组，即设置在所述中心支架2上的多个第一线极化天线的引向器5，所述多个第一线极化天线的引向器5依次设置在所述第一线极化天线3后，所述第一线极化天线的引向器5与所述第一天线振子301平行设置；以及，第二线极化天线的引向器组，即设置在所述中心支架2上的多个第二线极化天线的引向器6，所述多个第一线极化天线的引向器6依次设置在所述第二线极化天线4后，所述第一线极化天线的引向器6与所述第二天线振子401平行设置；所述多个第一线极化天线的引向器5以及多个第二线极化天线的引向器6被封装所述反射器1与天线罩7所构成的封闭结构内。第一线极化天线的引向器组与第二线极化天线的引向器数量、尺寸均相同。以第一线极化天线的引向器组为例，在第一线极化天线3后添加有11个圆柱形理想金属引向器，参数值如表2所示。表2中y1～y11分别代表依次设置在第一线极化天线3后的第一线极化天线的引向器5，表2中的y1～y11的尺寸为每根引向器的长度，d1代表紧挨第一线极化天线3与y1之间的间距，以此类推，d2代表y1与y2的间距，d3代表y1与y2的间距...每个引向器的半径均为3mm，引向器通过半径为10mm的以rogers5880材质的圆柱形中心支架固定。11个引向振子，采用了非等长和非等间距的排列方式，通过优化引向振子之间的距离和长度、半径，使得天线的能量更集中于端射方向，天线获得更高的增益。第二线极化天线的引向器组与第一线极化天线的引向器组数量、尺寸均相同，即依次设置在第二线极化天线4后的第一线极化天线的引向器6长度尺度与表2中y1～y11相同，并且他们之间的间距也与表2相同。表2900mhz高增益天线引向器尺寸值(单位：mm)进一步的，设计了适用于900mhz频段的偶极子天线，但偶极子天线的带宽较窄，通过添加正方形贴片303和耦合贴片(设置于第一线极化天线以及所述第二线极化天线的微带结构中，图4a中第二线极化天线4中间灰度值较高的部分即为设置耦合贴片的位置)结构拓宽了天线带宽，改善了匹配特性，使天线拥有接近30％的相对带宽。偶极子天线的结构如图3a所示。偶极子天线的介质板采用损耗较小的rogers5880材料，厚度1.4mm，其相对介电常数εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009。天线采用非对称结构(天线振子不关于耦合枝节对称)，中心位置同轴馈电，为方便天线的固定安装，在左边振子中心部分，且各打一个直径r＝2mm的圆孔。经过仿真分析，该位置的孔洞对天线的辐射性能影响很小。经过仿真计算，天线的各尺寸数据如表1所示。图7为所设计天线的s11与s22曲线图，1端口的-10db频带宽度为253mhz，2端口的-10db频带宽度为238mhz。该天线的频带范围：742-980mhz，相对带宽为27.6％。图8显示本实用新型所提供的天线在e面的半功率波瓣宽度为40.3°，h面的半功率波瓣宽度为43°。天线前后比大于20db。图9显示了本实用新型的900mhz双极化高增益天线的隔离度，由于天线采用的±45°交叉放置，此种排列方式的天线对两端口耦合影响最小，s21的值小于-26db，两个端口的耦合影响比较小。图10为天线频率随增益的变化曲线图，天线在915mhz处取得最大增益14.67dbi，在885mhz-935mhz频带内，天线的增益范围为14.28-14.67dbi，平均增益为14.42dbi。由此可知，该天线是一款定向性能较好增益较高的双极化辐射天线。以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关
技术领域：
的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页12