CN101546863B - 宽频双极化辐射单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽频双极化辐射单元，包括辐射体，该辐射体包括四个具有相同形状的振子臂，组成两个极化正交的对称振子，由此形成关于辐射体中心点对称的结构，其中，任意个振子臂由外向内间隔包括至少两个导体环，且各导体环在其靠近辐射体中心点的角部处重合为一共同端。与现有技术相比，本发明具备如下优点：本发明采用较简单的结构实现了宽频带的功能，在驻波比小于1.5的情况下，拥有超过45％的相对频带宽度。

Description

宽频双极化辐射单元

【技术领域】

本发明涉及通信天线设计技术，尤其涉及一种宽频双极化辐射单元，主要应用于移动通信领域。

【技术背景】

近年来，移动通信技术得到了快速的发展，各种制式的通信系统共存的场合越来越多，由于各种制式的通信系统有不同的工作频段，且它们的工作频带在不断扩展，这使得移动通信系统对天线的频带要求越来越宽。此外，为了节省建设投资，多种制式合一的通信系统方案受到越来越多的重视并被广泛的采用，这就进一步要求天线能够在很宽的频带内工作。

目前的双极化天线往往只有一个到两个谐振的频率点，所以其驻波比带宽往往有限，很难满足多种制式合一的通信系统对天线具有宽频带工作能力的要求；目前也有能够工作于较宽频带的天线，然而这些天线往往采用了不同的结构形式，这使得天线的结构以及工艺比较复杂，提高了天线的成本和影响了生产的效率。

【发明内容】

本发明的目的是满足移动通信技术的发展需要，提供一种结构简单，成本相对低廉的宽频双极化辐射单元。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

本发明宽频双极化辐射单元，包括辐射体，该辐射体包括四个具有相同形状的振子臂，各振子臂组成两副极化正交的对称振子，由此形成关于辐射体中心点对称的结构，任意一振子臂至少包括两个导体环，且各导体环在其靠近辐射体中心点的角部处闭合为一共同端。

振子臂中各导体环呈方形、菱形、扇形、三角形、椭圆形、钻石形、及具有部分弧段的方形中任意一种。或者，振子臂中各导体环至少有一呈方形、菱形、扇形、三角形、椭圆形、钻石形、及具有部分弧段的方形中任意一种，此外的其它各导体环也可以呈异于前者的其它已列举的几何形状。

进一步，所述振子臂中导体环至少有一可设有间断段形成非闭合结构。而且，所述振子臂中，最内层的导体环在平面上被设计成内部完全填充形状。

该辐射体可被印刷在一电路板上，也可采用金属材料制作成形。

该辐射单元具有一馈电装置，该馈电装置包括固定件和馈电网络，固定件固设在所述反射接地板上用于支撑所述辐射体，馈电网络经该固定件布设以实现对该辐射体各振子臂的馈电。在本发明的一种实施例中，所述固定件包括四个内合同轴电缆的管状支撑导体，还包括一用于完成支撑导体与反射接地板间固定连接的基座，所述支撑导体分别在辐射体底部对四个振子臂的共同端处实施支撑，一对馈电跳线于振子臂上方分别各自连接一对角上的两个振子臂以形成两个对称振子并与所述同轴电缆一起连接形成所述馈电网络。另一实施例中，所述固定件包括交叉装配在接地反射板上的两印刷电路板，两印刷电路板顶部各具两凸块，以穿过所述辐射体与四个振子臂的共同端，印刷电路板上印刷有微带线，一对馈电带线于振子臂上方分别各自连接一对角上的两个振子臂以形成两个对称振子并与所述印刷电路板上的微带线一起连接形成所述馈电网络。

与现有技术相比，本发明具备如下优点：本发明采用较简单的结构实现了宽频带的功能，在驻波比小于1.5的情况下，拥有超过45％的相对频带宽度。

【附图说明】

图1a，1b，1c及图1d示出了本发明的辐射体的顶视图，其中揭示的构成辐射体的导体环为方形：图1a和图1b所示的振子臂由方形的导体环构成，且图1a中最内置的导体环在平面上被设计成内部完全填充形状；图1b中，最内置的导体环属闭合环状结构；图1c中，振子臂由闭合的导体环和开路的导体环混合构成；图1d中振子臂中的多个导体环具有包括方形、具有部分弧段的方形、钻石形、扇形、三角形在内的多种形状。

图2a，2b和图2c示出了本发明的辐射体的顶视图，其中揭示的构成辐射体的导体环为扇形：图2a的每个振子臂都是由四分之一圆形即扇形的导体环构成；图2b与图2a的不同在于其所示的所有相邻的振子臂的外顶点所在的角为直角，而图2a每振子臂仅有一个形成有内顶点的直角；图2c中相邻振子臂的边缘间形成锐角间隙；

图3a，3b是本发明辐射体的顶视图，其中揭示的构成辐射体的导体环为三角形：图3a所示振子臂的导体环外形为等腰直角三角形；图3b与图3a不同之处在于图3b中所示相邻振子臂边缘形成锐角间隙；

图4a，4b是本发明辐射体的顶视图，其中揭示的构成辐射体的导体环为(近似)椭圆型：图4b与图4a不同之处在于图4b所示相邻的振子臂边缘为直线段，它们之间形成锐角间隙；

图5a，5b示出了本发明的辐射体的顶视图，其中揭示的构成辐射体的导体环为菱形，当其直线段增加时又近似于钻石形，其特点是相邻振子臂边缘均形成一锐角间隙，其中图5a所示振子臂外顶点所在的角为锐角，而图5b所示振子臂外顶点所在的角为直角；

图6a，6b分别是本发明宽频双极化辐射单元的顶视图和A视角的侧视图，其馈电装置采用支撑导体；图6c是图6a的一个极化方向上也即B视角的横截面图；

图7a，7b是分别本发明宽频双极化辐射单元的顶视图和侧视图，其馈电装置采用印刷电路板；

图8a和图8b是图7a和图7b中所示的宽频双极化辐射单元的馈电电路板之一的前视图和后视图，图8c和图8d则为印刷电路板之二的前视图和后视图，各图揭示了馈电网络中终端开路馈电的微带线；

图9a和图9b是相对于图8a和图8c的另一中馈电网络形式，其中揭示了馈电网络末端短路馈电的微带线。

【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：

本领域普通技术人员均知晓，对于一个双极化辐射单元的辐射体而言，其应具有四个振子臂，各振子臂关于经过辐射体中心点的两条正交轴对称，而且，对于每一振子臂个体而言，必关于其所在的该辐射体的对角线所成的轴对称，每一辐射体的相对角的两个振子臂通过馈电网络形成一个对称振子，共计两个对称振子，共同组成具有极化正交特性的双极化辐射单元。

图1a，1b，1c和图1d揭示了振子臂1外形为方形的辐射体的顶视图，其由外至内具有五层方形导体环21，23，25，27，29，所谓导体环，在本发明中系指具有环绕边缘的金属导体件，既包括本发明各实施例所示的平面形的印刷电路设计，也包括各种未图示的公知的占据一定立体空间的金属部件。由于同一辐射体的任意振子臂均具有通用性，故本发明对辐射体形状的描述将针对单一振子臂的形状进行。

图1a至图1d中，每个振子臂均具有一个外顶点(标号10所在处)和内顶点(同为标号12所在处)。

图1a中，振子臂1最外层导体环21与最内层导体环29之间有三层导体环23，25，27，且各导体环21，23，25，27，29均在两条边11，13上重合，由此在振子臂1内顶点处形成一个共同端12，该共同端12用于与后述的馈电网络电连接，此外，最内层的导体环29在平面上被设计成一体的完全填充形状。

作为对图1a所示实施方式的改进，图1b在图1a的基础上进行简化，其辐射体的振子臂1仅具有最外和最内两个导体环21，29，而且最内层的导体环29为与最外层导体环21近似的非完全填充形状。

同理，作为对图1a所示实施方式的改进，图1c中，振子臂1最外层导体环21和最内层导体环29之间有三层导体环23，25，27，而其中第二导体环23和第四导体环27的外顶点处设有间断段230，270以形成非闭合结构，所述间断段230，270处于整个辐射体的对角线位置。

图1d作为图1a进一步改进后的实施方式，其中，相较于图1a，振子臂1所具有的六个导体环21，23，25，27，28，29由外向内分别被设计成方形21、外顶点被设计成弧段过渡的方形23、具有五个折线段的钻石形25、扇形27、三角形28和实心方形29。该实施方式表明，此类几何形状可以根据天线电气性能上的需要被择其一或相互组合地应用在辐射体的振子臂1中。

图1a至图1d所揭示的各实施方式中，振子臂以外形为方形为基础进行设计，在方形的基础上对内置的各导体环进行适当的变形，均属于本发明所界定的范围。

图2a，2b和图2c揭示了振子臂1外形为扇形的辐射体的顶视图，其共同的特点是构成振子臂1的导体环20都具有弧形段，最内层导体环在平面上被设计成一体的实心块状。

图2a中所揭示的实施方式中，每个振子臂1外形都是四分之一圆形所形成的扇形，其导体环20也是四分之一圆形所形成的扇形。

图2b是在图2a所示实施方式的基础上的改进，其所示的振子臂1中的每一个导体环20是基于方形和扇形的组合而形成的，也即，保留方形的三个直角，将其外顶点设计为弧形过渡即形成图示的扇形。

同理，图2c在图2a所揭示的实施方式的基础上改进而得，图2c的振子臂区别于图2a振子臂之处在于由振子臂形成的扇形的角度被缩小，以此使每相邻两个振子臂之间形成一个夹角a，该夹角a为锐角。

图2a至图2c所揭示的各实施方式中，振子臂以外形为扇形为基础进行设计，结合图1a至图1d所述的发明精神，在扇形的基础上对内置的各导体环进行适当的变形，均属于本发明所界定的范围。

图3a，3b揭示了振子臂外形为三角形的辐射体的顶视图，振子臂由外到内的若干层三角形的导体环20构成。图3a所示振子臂的导体环20外形为等腰直角三角形，图3b所示辐射体与图3a所示辐射体区别在于导体环的内角被缩小，以此使每两个相邻的振子臂之间形成一夹角a，并使该夹角a为锐角。

图4a，4b揭示了振子臂外形为椭圆形的辐射体的顶视图，振子臂由5层近似椭圆状的导体环20构成，最内一层导体环填为一体的实心块状。图4b所示辐射体与图4a所示辐射体区别在于与辐射体纵、横两条对称轴相邻的振子臂边缘为直线段，且相邻两个振子臂的相邻直线段之间形成一锐角a。

图5a，5b揭示了振子臂外形为钻石形的辐射体的顶视图，钻石形是指在平面上至少具有四条以上直线边的环状非方形图案，菱形或近似菱形为钻石形的特例。所述振子臂由5层近似菱形的导体环20构成，相邻两个振子臂之间形成一锐角a。图5a所示振子臂外顶点31所在的角为锐角，图5b所示振子臂外顶点31′所在的角为直角。

上述辐射体的各种实施方式，应用于辐射单元中时，需要与馈电装置相配合安装。图6a至9b中揭示了几种馈电装置的实施方式，这些馈电装置在宽频双极化辐射单元中起到了不平衡变换器的作用，由两部分组成，分别为用于固定在接地反射板上以支撑辐射体的固定件和用于经固定件布设而对辐射体上的各振子臂实施馈电的馈电网络。

图6a至图6c，揭示了一个宽频双极化辐射单元的结构，其馈电装置的固定件由固定在反射接地板4上的基座51和固定在基座51上的四个支撑导体52，53，54，55组成，支撑导体52，53，54，55是内含馈电电缆的金属导体管，辐射体6是由印刷电路板7制成，振子臂印制在基板7上，金属导体管52至55分别将各个振子臂连接到导体基座51，这些金属导体管可以起到不平衡变换器的作用，基座51通过螺钉固定在反射接地板4上。馈电网络包括金属导体管52，53，54，55内的同轴电缆和馈电电线56，57，馈电电线56，57将各同轴电缆的内导体560，570遵照前述关于对称振子的连接方式连接到振子臂1上。馈电电线56，57，金属导体管52，53，54，55和辐射体6的振子臂1之间是通过焊接的方法连接起来的。

在与馈电装置的上一实施方式略有不同的另一实施方式中，如图7a和7b中所示，辐射体6和固定件都是用印刷电路板制成的，馈电网络则为印制在固定件52′，53′上的微带线。其中一基板7上印制有辐射体6，固定件52′，53′在它们的一面上附有印制导体，这些导体起到不平衡变换器的作用，另一面印有用于形成馈电网络的馈电微带线。

图8a至图8d中揭示了两个固定件52′，53′的两面，第一馈电网络94印制在固定件52′的一面(图8a)上，且该馈电网络含有匹配电路95，电桥96，和终端开路馈电微带线97。在第一馈电网络94中起到不平衡变换作用的导体90，91印制在基板52′的另一面(图8b)。第二馈电网络98印制在固定件53′的一面(图8c)上，且该馈电网络含有匹配电路95′，电桥96′，和终端开路馈电微带线97′。在第二馈电网络98中起到不平衡变换作用的导体90′，91′印制在固定件53′的另一面(图8d)。固定件52′分别含有上突台521，下突台522，固定件53′分别含有上突台531和下突台532，固定件52′和53′正交嵌套，上突台521，531被安装到辐射体基板7上面的十字槽56″中，下突台522和532被安装在反射接地板4的十字槽(未图示)中；固定件52′，53′上的印制导体的上端分别与相嵌套的振子臂用焊锡丝焊接起来，其下端被焊接到反射接地板4上。

图9a和图9b中揭示了另外一种馈电网络的实现形态，其中，电桥96″的末端连接到一微带线961上，电桥97″连接到微带线971上。微带线961和971都朝固定件上端延伸，当固定件和辐射体安装在一起的时候，微带线961，971便分别与特定的振子臂相连，用焊锡将它们焊接起来，可实现末端短路馈电。

由上述的馈电装置与辐射体组装而成的宽频双极化辐射单元，结构简单，频带较宽，能满足多系统高宽频的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式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，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频双极化辐射单元，包括辐射体，该辐射体包括四个具有相同形状的振子臂，组成两个极化正交的对称振子，由此形成关于辐射体中心点对称的结构，其特征在于：任意个振子臂由外向内间隔包括至少两个导体环，且各导体环在其靠近辐射体中心点的角部处重合为一共同端。

2.根据权利要求1所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：振子臂各导体环呈方形、菱形、扇形、三角形、椭圆形、钻石形、及具有部分弧段的方形中任意一种。

3.根据权利要求1所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：振子臂中各导体环至少之一呈方形、菱形、扇形、三角形、椭圆形、钻石形、及具有部分弧段的方形中任意一种。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：所述振子臂中导体环至少之一设有间断段形成开环结构。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：所述振子臂中，最内层的导体环在平面上被设计成一体实心状。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：振子臂在其所述的共同端处形成的夹角为锐角。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：该辐射体被印刷在一电路板上。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：该辐射单元具有一馈电装置，该馈电装置包括固定件和馈电网络，固定件固设在反射接地板上用于支撑所述辐射体，馈电网络经该固定件布设以实施对该辐射体各振子臂的馈电。

9.根据权利要求8所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：所述固定件包括四个内含同轴电缆的管状支撑导体，还包括一用于完成支撑导体与反射接地板间固定连接的基座，所述支撑导体分别在辐射体底部对四个振子臂的共同端处实施支撑，一对馈电电缆于振子臂上方分别各自连接处于对角位置的两个振子臂以形成两个对称振子。

10.根据权利要求8所述的宽频双极化辐射单元，其特征在于：所述固定件包括相互交叉装配的两印刷电路板，两印刷电路板顶部各具两凸块，以穿过所述辐射体与四个振子臂的共同端，印刷电路板上印刷有微带线，一对馈电带线分别连接一对角上的两个振子臂以形成两个对称振子并与所述印刷电路板上的微带线一起连接形成所述馈电网络。

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