CN101465475A - 双极化辐射单元及其平面振子 - Google Patents

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CN101465475A CNA2009100365777A CN200910036577A CN101465475A CN 101465475 A CN101465475 A CN 101465475A CN A2009100365777 A CNA2009100365777 A CN A2009100365777A CN 200910036577 A CN200910036577 A CN 200910036577A CN 101465475 A CN101465475 A CN 101465475A
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Abstract

本发明公开一种双极化辐射单元及其平面振子，主要的改进在于其平面振子包括：振子部，由四个振子臂构成二对正交的半波振子，各振子臂均呈正方框状，且以相同行、列距正方形布置；各振子臂在其与另一振子臂相对向的角部处设有馈电点；连接部，连接于各振子臂的构成所述正方框状的外周以使各振子臂之间实现互连；介质基板，供振子部和连接部印刷其上，并设有对应所述馈电点的通孔。首先结构较为简单，尤其表现在平面振子与平衡馈电连接器的连接关系上；其次，至少方形框状振子臂决定了天线具有宽带宽，增益高的特点，振子臂末端通过连接部相连接则改变了辐射片的电流平衡性，提高了天线交叉极化比。

Description

双极化辐射单元及其平面振子
【技术领域】
本发明涉及移动通信基站天线领域，尤其涉一种双极化辐射单元及其平面振子。
【技术背景】
随着移动通信的迅猛发展，电磁环境日益复杂，给移动通信双极化定向天线的设计提出了很高的要求。部分天线电气性能上要求增益高，主轴交叉极化鉴别率要求大于20dB，交叉极化鉴别率大于10dB，良好的方向性，波束收敛性好。以及对周围环境的协调形，要求体积小，重量轻，外形美观。而且成本低才能满足市场竞争需求。
阵列天线的辐射单元很大程度上决定了天线的多项性能，如增益，波束宽度，波束收敛性和交叉极化等。在高增益基站天线的设计中，在满足波束宽度限制的基础上，最大限度提高天线辐射单元增益。双极化辐射振子还要求良好的交叉极化性能。
2008年9月17日公开的中国CN201117803Y号实用新型专利中，公开一种宽频双极化天线振子。在该专利中，在介质基板上印刷金属材料构成本发明所称的平面振子，该平面振子被分解成在物理上相分离互嵌而在电气上改变传统直连方式为耦合的两部分，即其所称的构成该平面振子外围的第一表面辐射结构和构成该平面振子内置的第二表面辐射结构，而后，还在第二表面辐射结构的中部的各个属于振子臂的角点处设置通孔，并通过一个具有多处槽体的支撑座穿过该介质基板上的所述角点处通孔后，利用馈电线缆折弯焊接而成。
这样一个复杂的描述过程令本领域内普通技术人员感受到了该种结构的复杂性，自然地知晓该种结构在加工上的不便利性。
其次，尽管该专利声称改善了上述天线的特性参数，但是，注意到通过耦合而得的信号能量必然较之直连方式衰弱，因而，本申请人抱着精益求精的态度依然对传统技术提出了挑战。
【发明内容】
本发明的首要目的就是要克服上述不足，提供一种结构简单而又能获得性能上的改善的平面振子。
本发明的第二目的在于提供一种双极化辐射单元，以完美地整合上述平面振子。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种平面振子，用于阵列天线的双极化辐射单元中，包括：
振子部，由四个振子臂构成二对正交的半波振子，各振子臂均呈正方框状，且以相同行、列距正方形布置；各振子臂在其与另一振子臂相对向的角部处设有馈电点；
连接部，连接于各振子臂的构成所述正方框状的外周以使各振子臂之间实现互连；
介质基板，供振子部和连接部印刷其上，并设有对应所述馈电点的通孔。
所述振子部与连接部采用同一共面导电板一体成型。
在本发明的一个实施例中，所述连接部为一正方框件，其置于所述振子部外围并与所述振子部外周的四个角部相连接。
在本发明的另一实施例中，所述连接部包括四个扩展框，每个扩展框均包括矩形框和两基于该矩形框一纵长边的中部断点的两端折出的伸出臂，每一扩展框的两个伸出臂分别与每两个相邻振子臂的相邻两边相连接。相邻两个所述扩展框的相邻角部均具有被切除的切口。
本发明一种双极化辐射单元，作为阵列天线的必要构成单元，其特征在于，包括：
前述的平面振子；
平衡馈电连接器，底端固定在阵列天线的金属反射板上，顶端与所述平面振子相固设，供布设对该平面振子进行馈电的连接元件。
在本发明的一个实施例中，所述平衡馈电连接器包括大小相同的两介质板，其各自的中部设有沿纵长方向的槽口，藉此两者相互交叉成十字状交叉连接，各介质板顶部两侧均设有凸块，其一侧面自该凸块至介质板的底端，设有穿过所述平面振子的介质基板上的通孔与该馈电点连接用于接地的微带线，另一侧面则设有用于耦合信号到其中一半波振子的微带线，由该些微带线构成所述连接元件。
在本发明的另一种实施例中，所述平衡馈电连接器为一柱形件，中部设有十字形槽将其区分为四个扇形柱件，每个扇形柱件顶端设有凸台，自该凸台至该柱形件底部设有贯通槽供布设所述连接元件，该连接元件为同轴电缆，其外导体与扇形柱件的内壁接地，而内芯则直达凸台并穿过所述平面振子的介质基板上的通孔与该馈电点连接进行馈电。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：首先结构较为简单，尤其表现在平面振子与平衡馈电连接器的连接关系上；其次，至少方形框状振子臂决定了天线具有宽带宽，增益高的特点，振子臂末端通过连接部相连接则改变了辐射片的电流平衡性，提高了天线交叉极化比。
【附图说明】
图1为本发明的一种平面振子所构成的双极化辐射单元的侧视图；
图2为本发明平面振子的平面示意图；
图3为本发明的一种平衡连接馈电器与连接件结合的结构详解示意图，其中图3a为其第一介质板的第一侧面示意图，图3b为其第一介质板的第二侧面示意图，图3c为第二介质板的第一侧面示意图，图3d为其第二介质板的第二侧面示意图；
图4为本发明的另一种平衡连接馈电器的立体图；
图5为本发明的另一种平面振子的平面示意图；
图6为图5所示平面振子组成的天线阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
请参阅图1，图1示出一种双极化辐射单元9，用于作为双极化阵列天线的组成单元。该辐射单元9由金属反射板1、平衡馈电连接器2、连接元件3和平面振子5共同构成。平衡馈电连接器2固设在金属反射板1上，用于支撑并固定平面振子5，连接元件3则用于对平面振子5进行馈电，一般为同轴电缆和/或微带线，连接元件3经由平衡馈电连接器2布设。
图2示出本发明一个优选实施例的平面振子5，包括PVC材料的介质基板51、印刷在该介质基板51同一表面上的连接部52和振子部53，连接部52和振子部53采用同一共面导电板形成。所述振子部53包括四个呈正方形框状的振子臂531，532，533，534，各振子臂531，532，533，534间阵列式排布，具有尺寸相同的行距和列距，由此，四个振子臂531，532，533，534在整体上组成一个较大的正方形状，沿其两条对角线上，可组成两个半波振子(531和533；532和534)，从几何角度看，每个半波振子(531和533；532和534)由两个小正形方框角对角相向组成。为了实现对每个半波振子(531和533；532和534)进行馈电，需要在每个半波振子(531和533；532和534)的两个小正方形方框振子臂(531和533；532和534)的彼此相向的角部处设置馈电点(5310和5330；5320和5340)，由此，两个半波振子(531和533；532和534)共具有四个馈电点5310，5320，5330，5340。而为了便于所述连接元件3的接入，则需要在所述介质基板51上，对应振子部53的各馈电点5310，5320，5330，5340处，设置供连接元件3穿入的通孔。
所述的连接部52，在本实施例中为一内部边长相对于上述由四个振子臂531，532，533，534共同构成的较大正方形状(也即四个振子臂共同构成的外周)的边长偏大的正方框件。其套设在两个半波振子(5310和5330；5320和5340)的外周之外，并且，在所述四个振子臂531，532，533，534共同构成的较大正方形状的四个角部处，用与连接部52和振子部53相同的材料54将四个振子臂531，532，533，534与该连接部52实现连接，该材料也可理解为连接部52的一部分，由于这种连接仅在角部处实现，因而，在图2中所示的图形中，可看到两处相交叉的“工”字形镂空部61，62。
基于天线的一般常识，振子部53与连接部52一体成形后，需具有如图2所示的对称结构。
图2所示的平面振子5可以与两种平衡馈电连接器2电性连接以助于组成所述的辐射单元9。
图3示出了第一种平衡馈电连接器2的具体结构，它包括两个片状的介质板21和22，两者大小、厚薄均相同，即图3a和图3b所组成的第一介质板21、图3c和图3d所组成的第二介质板22。第一介质板21的中部自底部向上设有纵长的槽口210。而第二介质板22也自上向下设有与前述槽口210相配合的槽口220，藉此两者便可相互交叉成十字状交叉连接。图3中第一介质板21和第二介质板22顶部两侧均分别设有两个凸块211，212，221，222，各个凸块211，212，221，222通过插置于所述平面振子5的介质基板51的所述通孔中，实现平衡馈电连接器2与平面振子5的固设。
图3a为第一介质板21的第一侧面，其设有将信号耦合到所述平面振子5的其中一个半波振子(如531和533)的微带线31，图3b为第一介质板21的第二侧面，其自该凸块211，212至介质板21的底端，随着该凸块211，212的组装关系，设有穿过所述平面振子5的介质基板51上的通孔与该个半波振子(531和533)的馈电点5310，5330连接以用于接地的微带线32，33。
同理，图3c为第二介质板22的第一侧面，其设有将信号耦合到所述平面振子5的其中另一个半波振子(如532和534)的微带线31’，图3d为第二介质板22的第二侧面，其自该凸块221，222至介质板22的底端，随着该凸块221，222的组装关系，设有穿过所述平面振子5的介质基板51上的通孔与该个半波振子(532和534)的馈电点5320，5340连接以用于接地的微带线32’，33’。
由平衡馈电连接器2表面上印刷的这些微带线31，32，33，31’，32’，33’便构成了所述连接元件3。
图4是用于与本发明的平面振子5相连接、支撑的第二种平衡馈电连接器2。
图4中，该平衡馈电连接器2呈一柱形件，其中部设有十字形槽20将其区分为四个扇形柱件281，282，283，284，每个扇形柱件281，282，283，284顶端设有对应所述平面振子5介质基板51的通孔的凸台271，272，273，274，自该凸台271，272，273，274至该柱形件底部一体设有贯通槽291，292，293，294供布设所述连接元件3，在这种平衡馈电连接器2中所述连接元件3为同轴电缆，其外导体与各扇形柱件281，282，283，284的内壁接地，而内芯则直达凸台271，272，273，274并穿过所述平面振子5的介质基板51上的通孔与该馈电点531，532，533，534连接进行馈电以馈入信号给各个半波振子(531和533；532和534)。
所述两种平衡馈电连接器2与金属反射板1之间均应设有相固设的物理结构，且所述金属反射板1上应设置有与所述连接元件3相连接的电路元件，这些均属于本领域内普通技术人员所知晓的知识范围，因而，不行赘述。
为了进一步说明本发明的发明精神，图5进一步揭示本发明的另一实施例，本实施例相对于前一实施例的区别主要在于改进了其连接部52’的设计。在保持四个振子臂531’，532’，533’，534’的布设情况不变的前提下，可以看出，在四个振子臂531’，532’，533’，534’所构成的正方形状的四条边的中部，具有一个“十”字形镂空部610’，620’，在该“十”字镂空部610’，620’的上、下、左、右四个区域上，均具有分属相邻两个振子臂的边。
所述的连接部52在本实施例中包括四个扩展框521’，522’，523’，524’，每个扩展框521’，522’，523’，524’均呈“T”字形状，且中部被以“T”字形镂空，即呈外包围“T”字的框状。具体而言，每个扩展框521’，522’，523’，524’均包括一个纵长的矩形框520’，该矩形框520’的一条纵长边中部被断点，且自该断点两侧被折出并向外延伸形成两个伸出臂526’，527’，该对伸出臂526’，527’之间宽度与相邻两个振子臂531’，534’的宽度也即所述镂空部610’的宽度相同，这样，四个扩展框521’，522’，523’，524’便可分别装设于所述“十”字镂空部的上、下、左、右四个部位末端处，由每个扩展框521’，522’，523’，524’的两个伸出臂(如526’和527’)与每相邻两个振子臂(如531’和533’)的两条相邻边相连接，以实现振子部53与连接部52的连接关系。
由于每个扩展框521’，522’，523’，524’都因为伸出臂(如526’和527’)的设计而具有两个矩形折出直角，因而，当四个扩展框521’，522’，523’，524’完全与四个振子臂531’，532’，533’，534’相连接时，相邻两个扩展框(如521’和522’)将和与之连接的振子臂(如531’)一起形成一个较大的矩形框状，因此，除上述设计外，还在每个所述的扩展框(如521’)的所述矩形框520’的具有伸出臂526’，527’的纵长边的两侧上设计被切除的切口(如528’和529’)。
方形框状振子臂决定了天线具有宽带宽，增益高的特点，振子臂末端通过连接部52相连接则改变了辐射片的电流平衡性，提高了天线交叉极化比。
另外本发明后一实施例中由于相邻两个扩展框的切口具有开口的半包围结构，而内部则为方形框状振子臂，这样可以改变天线阻抗特性，增加天线辐射带宽特性。
通过实测，本发明适合各种频段，包括GSM(806MHz-960MHz)，DCS/UMTS(1710MHz-2170MHz)，WIMAX(2300MHz-2700MHz，3300MHz-3800MHz)等。
由本发明的双极化辐射单元9构成的阵列天线样品，如图6所示。在室内室外不同环境下测试，全频段具有良好的方向图。2300～2700MHz频段，电压驻波比小于1.5，隔离度大于30dB，8单元实测增益在16dBi到17dBi之间。水平面3dB波束宽度为58度到62度，主轴交叉极化比大于20dB，在大于10dB。环境试验合格，能够很好地满足移动通信系统的要求。
容易看出，按照本发明制造的该天线将具有结构简单紧凑和高性能的优点，且易于制造，方便安装使用。而且与当前同类产品的主要形式相比，本发明带宽宽，增益高，交叉极化比和隔离度性能好的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种平面振子，用于阵列天线的双极化辐射单元中，其特征在于，包括：
振子部，由四个振子臂构成二对正交的半波振子，各振子臂均呈正方框状，且以正方形行列布置；各振子臂在其与另一振子臂相对向的角部处设有馈电点；
连接部，连接于各振子臂的构成所述正方框状的外周以使各振子臂之间实现互连；
介质基板，供振子部和连接部印刷其上，并设有对应所述馈电点的通孔。
2、根据权利要求1所述的平面振子，其特征在于，所述连接部为一正方框件，其置于所述振子部外围并与所述振子部外周的四个角部相连接。
3、根据权利要求1所述的平面振子，其特征在于：所述连接部包括四个扩展框，每个扩展框均包括矩形框和两基于该矩形框一纵长边的中部断点的两端折出的伸出臂，每一扩展框的两个伸出臂分别与每两个相邻振子臂的相邻两边相连接。
4、根据权利要求3所述的平面振子，其特征在于：相邻两个所述扩展框的相邻角部均具有被切除的切口。
5、根据权利要求1至4中任意一项所述的平面振子，其特征在于：所述振子部与连接部一体成型。
6、一种双极化辐射单元，作为阵列天线的必要构成单元，其特征在于，包括：
如权利要求1至5中任意一项所述的平面振子；
平衡馈电连接器，底端固定在阵列天线的金属反射板上，顶端与所述平面振子相固设，供布设对该平面振子进行馈电的连接元件。
7、根据权利要求6所述的双极化辐射单元，其特征在于：所述平衡馈电连接器包括大小相同的两介质板，其各自的中部设有沿纵长方向的槽口，藉此两者相互交叉成十字状交叉连接，各介质板顶部两侧均设有凸块，其一侧面自该凸块至介质板的底端，设有穿过所述平面振子的介质基板上的通孔与该馈电点连接用于接地的微带线，另一侧面则设有用于耦合信号到其中一半波振子的微带线，由该些微带线构成所述连接元件。
8、根据权利要求6所述的双极化辐射单元，其特征在于：所述平衡馈电连接器为一柱形件，中部设有十字形槽将其区分为四个扇形柱件，每个扇形柱件顶端设有凸台，自该凸台至该柱形件底部设有贯通槽供布设所述连接元件，该连接元件为同轴电缆，其外导体与扇形柱件的内壁接地，而内芯则直达凸台并穿过所述平面振子的介质基板上的通孔与辐射振子另一臂的馈电点连接进行馈电。
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