CN101051706B - 移动通信基站天线使用的宽带天馈单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动通信基站天线的宽带天馈单元。其特点是具有辐射功能的对称振子、具有扼制不对称传输线外皮电流的巴伦和向对称振子馈电的带状传输线，三功能于一体合成一个基本天馈单元。该单元包括左、右辐射臂和左、右支撑板，左、右支撑板(17、18)之间设有馈电金属导带(19)，该金属导带与左右辐射臂的任意一臂相连完成馈电。该天馈单元与位于接地板下的主传输线相连，相对于对称振子中心，辐射臂与支撑板及接地板几何结构对称，可实现对称振子两臂电流的完全平衡，达到阻抗和方向图宽频带性能。本发明结构简单、成本低，在23.7％的相对带宽内，VSWR≤1.4，G＝9dBi左右；用两种尺寸组阵制作的宽带基站天线，可覆盖806-960MHz及1710-2170MHz的CDMA/GSM及3G的全部国际标准。

Description

移动通信基站天线使用的宽带天馈单元

技术领域

本发明涉及天线技术，具体说是一种用于移动通信基站天线使用的宽频低成本基本天馈单元。

背景技术

随着移动通信技术的迅速发展，对移动通信设备的重要组成部分—基站天线的性能和带宽提出了更高的要求，特别是随着3G的到来，市场不仅需要3G频段的天线，而且仍然需要2G、2.5G频段的天线。在我国和周边许多国家，在今后相当长的时间，都有可能是3G、2G、2.5G频段共存。为了降低成本，3G、2G和2.5G基站天线必须共站架设，这就给天线的宽频带提出了更高的要求，使其既适用于CDMA，又适用于GSM，可覆盖包括806-960MHz和1710-2180MHz，即806-896、820-896、870-960MHz和1710-1880、1850-1990、1920-2180MHz两个频段的CDMA/GSM及3G。为了更好地为用户服务，运营商不仅要给用户提供价廉物美的通信设备，而且要提供优质宽带业务服务。为此，企业在激烈的市场竞争中，就必须要考虑既要提供性能优良的宽频基站天线，又要降低天线的生产成本问题。

现有基站天线的基本天馈单元多用由同轴线直接给由紫铜制成的U型振子馈电，如图1所示。该U型振子1由两个对称辐射臂2、3和支撑结构4组成，用同轴线5馈电，且同轴线5的外导体6与对称振子的右辐射臂3在焊接点9处焊接，并与支撑结构4在焊接点8处焊接，同轴线5的内导体7穿过对称振子右辐射臂3上的小孔30与连接片10焊接，连接片10与对称振子的左辐射臂2在焊接点11处相连。整个U型振子1用铆钉12固定在铝制接地板13上。这种结构的天馈单元存在有明显的不足：一是由于该支撑结构4不能全部抑制电缆外皮电流，且对称振子的左右臂对地不对称，因而导致对称振子左右臂的电流不平衡，从而限制了对称振子的阻抗和方向图带宽；二是由于U型对称振子及同轴馈线均用铜材制造，不仅成本高，而且加工工艺复杂，焊点多；三是由于采用铜材制作的U型对称振子与铝制接地板相连接，这两种不同金属相互接触，易产生无源三阶互调；四是由于缺少有效调整天线阻抗匹配的措施，难以实现宽带阻抗匹配。虽然有的基站天线使用了串馈补偿微带耦合馈电的对称振子，以避免对称振子与馈线的焊接连接，但缺点是结构复杂，且由于结构的不对称性仍然存在，因而仍然不能很好的解决对称振子的阻抗和方向图带宽问题。

发明的内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、电气性能好、馈电阻抗可调的移动通信基站天线使用的宽带天馈单元，克服现有基站天线所用对称振子及用同轴线馈电带来的结构复杂、成本高、不易实现宽频带的问题。

实现本发明目的的技术方案是，提供包括左右辐射臂和左右支撑板的对称振子，其中在左、右支撑板之间设有馈电金属导带，该金属导带与左右辐射臂的任意一臂相连完成馈电。

所述的金属导带位于左、右支撑板的中心，且左右辐射臂与左右支撑板结构对称，形成辐射、巴伦、传输线，三位一体的天馈单元结构，即将用作辐射功能的辐射臂、用作扼制不对称传输线外皮电流的巴伦、用作向辐射臂馈电的带状传输线，三功能于一体，按对称结构合成为一个基本天馈单元。

所述的左右支撑板与接地板垂直连接，馈电金属导带的下端与同轴线或微带线相连，该左右支撑板与馈电金属导带既构成带状线，完成向对称振子馈电，又与接地板构成板式巴伦，实现对称振子两臂电流的完全平衡。该馈电金属导带与同轴线的连接，是将该馈电金属导带的下端与同轴线的内导体连接，形成“同轴线-带状线-对称振子”天馈结构。该馈电金属导带与微带线连接，采用将该微带线折弯延伸，在支撑板之间平行延长，再弯折直接拉铆与辐射臂相连，或与微带线端头铆接连接，形成“微带线-带状线-对称振子”天馈结构。

所述的对称振子每个辐射臂的宽度W1和每个支撑板的宽度W2及金属导带的宽度W3均为可调；左右两个辐射臂之间的间隔也可调节，以实现宽带阻抗匹配。该三者的调节关系为：

W1＝W2＝W3或W1＝W2≠W3或W1≠W2＝W3或W1≠W2≠W3。

所述的辐射臂、支撑板、金属导带、接地板，均采用重量轻的低成本铝材制作，以利于减小无源三阶互调。

本发明由于构建了传输线——带状线——对称振子的馈电结构，真正实现了振子两臂电流平衡；同时由于本发明采用位于对称振子支撑结构中心与对称振子一臂拉铆连接的铝金属导带馈电，且所有部件均用铝金属带制作，不仅结构简单，成本低，而且有利于降低无源三阶互调；此外由于具有调节宽带阻抗匹配的措施，实现了宽频带。

实测表明：本发明的天馈单元宽带电气性能好，其VSWR≤1.4的相对带宽达到23.7％。在阻抗带宽内，水平面半功率波束宽度为65°±6°，增益达到9dB。如果再调整反射板的尺寸，也可得到90°±8°，105°±10°，120°±10°等水平面半功率波束宽度。用本发明作为宽带基站天线的基本天馈单元组阵，不仅宽带电气性能好、成本低，而且无源三阶互调小于-107dBm的国际标准。

本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。

附图说明

图1是现有基站天线使用的基本天馈单元及馈电结构侧视图；

图2是本发明对称振子及用同轴线馈电的结构示意图；

图3是本发明对称振子及用微带线馈电的结构示意图；

图4是用本发明对称振子制作三频天线的实测VSWR—f特性曲线图；

图5是用本发明对称振子制作三频天线的实测H面方向图；

其中：图5(a)是在f＝1710MHz的实测H面方向图；

      图5(b)是在f＝1880的实测H面方向图；

      图5(c)是在f＝2170MHz的实测H面方向图；

图6是用本发明组成的8单元阵基站天线的VSWR—f特性曲线图。

具体实施方式

参见图2，本发明用同轴线给对称振子馈电的结构，是将用作辐射功能的对称振子、用作扼制不对称传输线外皮电流的巴伦、用作向对称振子馈电的带状传输线，三功能于一体，按对称结构合成为一个基本天馈单元。该天馈单元包括：对称振子14和同轴线22及接地板26，其中对称振子14由左辐射臂15、右辐射臂16、左支撑板17、右支撑板18组成。左支撑板17与右支撑板18之间设有金属导带19，这两个支撑板与接地板26垂直连接，对称振子的辐射臂15、16与支撑板17、18及接地板26几何结构对称，即左辐射臂15、支撑板17、接地板26的分布电容与右辐射臂16、支撑板18、接地板26的分布电容相同。该左右两个支撑板17、18与馈电金属导带19一起既构成板式巴伦，以抑制电缆外皮电流，同时又构成带状线，完成向对称振子馈电；该馈电导带19的上端与对称振子14的左边或右边任意一个辐射臂相连馈电，下端21与同轴线22的内导体23连接，构成“同轴线——带状线——对称振子”的对称馈电结构。该馈电的几何结构相对对称振子中线完全对称，从而完成同轴线给对称天线馈电所要求的“不平衡—平衡”变换，实现对称振子两臂电流的完全平衡，以达到阻抗和方向图宽频带性能。同轴线22的外导体管24用线卡25固定在接地板26上。位于左右支撑板中心位置的馈电金属导带19的上端折弯与对称振子的右辐射臂16拉铆固定，也可以与左辐射臂15拉铆固定，下端用铜铆钉与位于接地板之上或之下的同轴线内导体焊接连接。

参见图3，本发明用微带线给对称振子馈电的结构，同样也是将用作辐射功能的对称振子、用作扼制不对称传输线外皮电流的巴伦、用作向对称振子馈电的带状传输线，三功能于一体，按对称结构合成为一个基本天馈单元。该单元包括：对称振子14和微带线29及接地板26，其中对称振子14由左辐射臂15、右辐射臂16、左支撑板17、右支撑板18组成。左支撑板17与右支撑板18的中间固定有馈电金属导带19。该左右支撑板与接地板26垂直连接；该左右支撑板与馈电金属导带19一起既构成板式巴伦，以抑制电缆外皮电流，同时又构成带状线，完成向对称振子馈电。该馈电金属导带19的上端与对称振子14的左边或右边任意一个辐射臂相连馈电，下端与位于接地板26下面的微带线29连接，具体连接结构是：馈电金属导带19的下端21穿过接地板上的长方形槽31用铆钉拉铆与微带线连接，此时接地板就是微带线的地。微带线也可以直向上弯折与辐射臂拉铆相连，形成“微带线-带状线-对称振子”的对称馈电结构。该馈电的几何结构相对对称振子中线完全对称，从而完成微带线给对称天线馈电所要求的“不平衡—平衡”变换，实现对称振子两臂电流的完全平衡，以达到阻抗和方向图宽频带性能。

图3和图4实施例中对称振子14的左辐射臂15、右辐射臂16、左支撑板17、右支撑板18、馈电金属导带19、接地板26均采用低成本的铝材制造。对称振子的辐射臂通过支撑板与接地板采用铆钉拉铆相连，即将左支撑板17通过左铆钉27、右支撑板18通过右铆钉28固定在接地板上。由于是同一种金属紧接触，有利于减小无源三阶互调，同时由于对称振子的两个辐射臂与支撑板为一体结构，用窄的铝板极容易加工，拉铆固定后，也不容易变形。该对称振子14的两臂长度2L接近0.5λ₀，离地板的高度H接近0.25λ₀，λ₀为中心频率所对应的波长。为了实现宽带阻抗匹配，本发明将对称振子的每个辐射臂的宽度W1和每个支撑板的宽度W2及馈电导带的宽度W3，以及对称振子的左辐射臂15与右辐射臂16之间的间隔均设为可以调整结构。该三者的调节关系可以有几种不同的情况：

第一种调节关系是：W1＝W2＝W3；第二种调节关系是：W1＝W2≠W3；

第三种调节关系是W1≠W2＝W3；第四种调节关系是W1≠W2≠W3；

一般为：W1＝W2＝0.06—0.08λ₀，W3≤W2。

两个辐射臂对地及对两个支撑板对称，左辐射臂15与左支撑板17垂直，右辐射臂16与右支撑板18垂直，也可以使辐射臂与支撑板不垂直。所述的带状线也可用同轴线或其他传输线代替，只要能实现宽度匹配即可。

用本发明的天馈单元可以组成不同阵列的单极化和双极化基站天线，具有明显优于现有同类天线的电气性能和带宽。

图4是用本发明制作的三频板状天线基本天馈单元的实测VSWR——f特性曲线，同时还实测了三频天线在1710-2180MHz频段内的增益E面和H面方向图，主要实测电性能如表一。由图4和表一可看出，在1710—2170MHz频段内，VSWR≤1.4的相对带宽达到23.7％，在1710MHz、1990MHz、2170MHz频点，增益分别为9.51dBi、9.46dBi、8.74dBi。

表一

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是f＝1710、1880、2170MHz的实测H面方向图。

由图5(a)可见，在频率f＝1710MHz，水平面波束宽度为73.00°

由图5(b)可见，在频率f＝1880MHz，水平面波束宽度为66.24°

由图5(c)可见，在频率f＝2170MHz，水平面波束宽度为60.46°。

图6是用本发明宽带天馈单元组成的8单元阵基站天线的VSWR—f特性曲线图。由曲线可以看出，在806-960MHz频段，VSWR≤1.4。实测的无源三阶互调达到-120dBm，优于国际标准小于-107dBm的要求。

可见，用本发明的基本天馈单元可构造全频段的宽带基站天线，即只要根据天线设计的缩比原理，只需用两种尺寸的天馈单元就可覆盖包括806-960MHz和1710-2180MHz两个频段，即分别覆盖806-896、820-896、870-960MHz和1710-1880、1850-1990、1920-2180MHz两个频段的CDMA/GSM及3G的全部国际标准。

Claims (10)

1.一种移动通信基站天线使用的宽带天馈单元，包括左、右辐射臂和左、右支撑板，其特征在于左支撑板(17)与右支撑板(18)之间设有馈电金属导带(19)，该馈电金属导带与左右辐射臂的任意一臂相连完成馈电。

2.根据权利要求1所述的天馈单元，其特征在于馈电金属导带(19)位于左、右支撑板的中心，且左、右辐射臂与左、右支撑板结构对称，形成辐射、巴伦、传输线，三位一体的天馈单元结构。

3.根据权利要求1所述的天馈单元，其特征在于左、右支撑板(17、18)与接地板(26)垂直连接；馈电金属导带(19)的上端与左辐射臂(15)或右辐射臂(16)连接，下端与同轴线或微带线相连；左、右支撑板(17、18)既与馈电金属导带(19)构成带状线馈电，又与接地板(26)构成板式巴伦，实现对称振子两臂电流的完全平衡。

4.根据权利要求3所述的天馈单元，其特征在于左、右支撑板(17、18)与接地板(26)通过铆接连接，该左右支撑板之间的接地板上开有槽(31)，馈电金属导带(19)从该槽中穿下与接地板背面的同轴线内导体或微带线相连。

5.根据权利要求3所述的天馈单元，其特征在于馈电金属导带(19)的下端与同轴线(22)连接，是将该馈电金属导带的下端与同轴线的内导体(23)连接，形成“同轴线-带状线-对称振子”天馈结构。

6.根据权利要求3所述的天馈单元，其特征在于馈电金属导带(19)的下端与微带线(29)连接，采用将该微带线折弯延伸，通过接地板上的槽(31)在支撑板之间平行延长，再弯折直接拉铆与辐射臂相连，或用馈电金属导带(19)与微带线(29)端头铆接连接，形成“微带线-带状线-对称振子”天馈结构。

7.根据权利要求1所述的天馈单元，其特征在于每个辐射臂的宽度W1和每个支撑板的宽度W2及馈电金属导带的宽度W3均为可调；左右两个辐射臂之间的间隔也可调节，以实现宽带阻抗匹配。

8.根据权利要求7所述的天馈单元，其特征在于所述的辐射臂宽度W1、支撑板宽度W2、馈电金属导带宽度W3，三者的调节关系为：W1＝W2＝W3或W1＝W2≠W3或W1≠W2＝W3或W1≠W2≠W3。

9.根据权利要求3所述的天馈单元，其特征在于所述辐射臂、支撑板、金属导带、接地板，均采用重量轻的低成本铝材制作，以利于减小无源三阶互调。

10.根据权利要求3或5所述的天馈单元，其特征在于馈电金属导带(19)的上端与对称振子任意一个辐射臂采用铆钉拉铆连接，馈电金属导带(19)的下端采用铜空心铆钉与同轴线的内导体(23)连接。

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