CN101714701A - 双频双极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双频双极化阵列天线，包括馈电单元、金属反射板和两个双极化的辐射阵列，馈电单元对两个辐射阵列进行馈电，每个辐射阵列用于处理一个频段的信号，且每个辐射阵列均包括n个辐射单元，n≥2，第一辐射阵列中，n个辐射单元沿第一轴线等间距装设在所述金属反射板上；第二辐射阵列中，有n个辐射单元一一对应装设在第一辐射阵列的n个辐射单元上方，而另n个辐射单元则沿第二轴线与本辐射阵列的所有辐射单元轴向等间距装设在所述金属反射板上。本发明双频双极化阵列天线，使用于两个频段的多个双极化辐射单元被布局在同一阵列天线中，不仅在结构上具有紧凑合理的优点，而且在电气上，在隔离度、前后比、频宽等方面均获得较好的性能。

Description

双频双极化阵列天线

【技术领域】

本发明涉及移动通信基站天线领域，尤其涉及一种双频双极化阵列天线。

【技术背景】

随着移动通信的迅猛发展，电磁环境日益复杂，运营商希望无线通讯系统网络能与一些新的通讯系统兼容。例如在北美运营商对新一代系统LTE和原用的DCS1800系统兼容的需求，天线电气性能上要求双频带以减少基站天线的数量、高异频隔离度减少子系统之间的影响，高增益，主轴交叉极化鉴别率要求大于20dB，在交叉极化鉴别率大于10dB，良好的方向性，波束收敛性好。以及要求体积少，重量轻，外形美观。而且成本低才能满足市场竞争需求。

市场需求一种频率为LTE和DCS1800的双频天线，要求全频段驻波比小于1.4，两端口隔离度要求大于30。天线的驻波比要求也极为严格，在设计难度上提出了很高的挑战。

双频阵列天线多项性能，如增益，电压驻波比带宽，波束宽度，波束收敛性和交叉极化等，都比单频难度大。在双频基站天线的设计中，在同时满足高低频段的波束宽度，辐射增益。高低频单元的排布对天线的波束收敛性、隔离度有着决定性的作用。双频双极化辐射振子还要求在不同频段良好的交叉极化性能，两个极化和两个频段之间的隔离度也提出了很高的要求。

所以，在设计出高性能辐射单元的前提下，高低频排布对天线指标的影响也是一个重要课题。

【发明内容】

本发明的目的就是要提供一种结构紧凑，频段间相互耦合影响较小的双频双极化阵列天线。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的双频双极化阵列天线，包括馈电单元、金属反射板和两个双极化的辐射阵列，馈电单元对两个辐射阵列进行馈电，每个辐射阵列用于处理一个频段的信号，且每个辐射阵列均包括n个辐射单元，n≥2，其中：

第一辐射阵列中，n个辐射单元沿第一轴线等间距装设在所述金属反射板上；第二辐射阵列中，有n个辐射单元一一对应装设在第一辐射阵列的n个辐射单元上方，而另n个辐射单元则沿第二轴线与本辐射阵列的所有辐射单元轴向等间距装设在所述金属反射板上。

所述第一轴线可与第二轴线完全重合，如此即保证第一辐射阵列与第二辐射阵列均处于同一轴线上，第一轴线也可与第二轴线相平行，也即第二辐射阵列中部分辐射单元所形成的轴线偏离第一辐射阵列中各辐射单元所形成的轴线。

在本发明的一种应用中，所述第一辐射阵列为低频双极化辐射阵列，第二辐射阵列为高频双极化辐射阵列。

具体而言，第一辐射阵列中，其辐射单元包括用介质支撑杆支撑于金属反射板上的双面印刷金属片的介质基板和用介质支撑杆支撑于该介质基板之上的金属辐射片，所述第二辐射阵列的辐射单元固装在所述辐射片中部并以之为反射板，介质基板中部设有供馈电线缆穿过以对第二辐射阵列的辐射单元进行馈电的通孔，介质基板还设有供馈电线缆对自身所属辐射单元进行馈电的馈电点。第一辐射阵列中的每个辐射单元中，两个极化所采用的连接所述介质基板的馈电点的馈电线缆，相互之间具有180度相位差。第二辐射阵列中的每个辐射单元均采用梅花状振子。

此外，所述第二辐射阵列中，装设在金属反射板上的n个辐射单元的外周，均设有环状金属反射墙，该反射墙固设并竖立在金属反射板上。所述反射墙呈圆环状、多边形状、正方形状中任意一种。所述金属反射板纵长方向两侧设有竖立其上的边墙。

与现有技术相比，本发明具备如下优点：

首先，由于双频双极化天线组件多，空间局限，通过采用高低频错位上下排布的方式在有限的空间内相对容易实现整体布局，除了结构上的优势，在电气上，高低错位的方式，使得高频辐射单元的耦合量降低，可以提高同频两极化的隔离性能，还可使高频辐射单元的前后比性能提高；

其次，通过采用不同形式的辐射单元，降低了高低频之间的辐射耦合，增加异频隔离的效果，使得高低频之间的隔离性能良好；

再者，在高频辐射单元与反射板之间架设辅助反射的方式及在高频辐射单元基本同一平面内四周加导电环状金属反射墙的方式，可以实现对波束宽度的限制调节，从而可以顺利获得需要的波束水平面角度；

此外，作为在上述优点的基础上的综合概括，本发明的天线可以实现宽频带通信，在不增加外形体积的情况下，紧凑安装在天线罩内，无论从结构布局还是各种电气性能的角度，都能达到较为理想的程度，并有良好的一致性。

【附图说明】

图1为本发明双频双极化阵列天线的整体结构示意图；

图2为本发明双频双极化阵列天线的局部侧视图；

图3为本发明两辐射阵列的辐射单元重叠时的组装结构图；

图4为本发明第一辐射阵列中介质基板的详解图，其中图4a为介质基板的第一侧面示意图，图4b为介质基板的第二侧面示意图。

【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，本发明双频双极化阵列天线的较佳实施例的整体结构图中，该天线包括一金属反射板3、由线性排布装设在金属反射板3上的6个低频辐射单元1构成的第一辐射阵列1、以及由线性排布装设在金属反射板3和低频辐射单元1上的12个高频辐射单元21’，22’构成的第二辐射阵列2。其中，作为边界条件，在金属反射板3纵长方向的两侧设有一对边墙31，竖立在金属反射板3之上。

本实施例中，高频辐射单元21’，22’采用公知的梅花状振子。阵列天线内部应设置有馈电网络及相应连接端口30等，其中馈电网络部分未图示，该类电气相关技术特征均已公知，本领域内普通技术人员均已知晓，故不图示且不行赘述。

第一辐射阵列1与第二辐射阵列2的安装关系为本发明的重要技术特征。

如图1和图2所示，第一辐射阵列1的6个辐射单元1沿金属反射板3的同一轴线等间距排布固装，馈电网络在金属反射板3上对其进行并联馈电。本实施例所示出的第一辐射阵列1的辐射单元1均为双极化的低频辐射单元1，该辐射单元1包括介质基板12和金属辐射片14，介质基板12及金属辐射片14均设有安装孔位129，149，介质基板12通过介质支撑杆101与金属反射板3平行固装，而金属辐射片14则进一步采用介质支撑杆102与介质基板12平行固装，形成板状叠装结构。

介质基板12双面附铜，形成双面金属片，而且，在图3未示出的底面上，即图4b所示的面上，除为必要的安装通孔保留位置和四个点124b外，为规则完整的金属片12b；而在如图3所示的顶面上，也即图4a所示的面上，该介质基板12a在此处的金属片被电腐蚀加工成四个馈电点124，用于供馈电线缆18连接其上以便对本低频辐射单元1进行馈电。图4b所示的面上四个被电腐蚀掉的点124b，直径比馈电点的直径为小，以确保同轴芯线穿到介质板面上的馈电片焊接时又跟介质板底部的贴片没有电气连接，从而达到偶合馈电的效果。

如前所述，介质基板12上的四个安装孔位129，使用介质支撑杆101与金属反射板3相隔离固定，通过全柱形螺栓103穿过介质基板12与相应的介质支撑杆101相螺锁后，在介质基板12的顶面保留全柱形螺栓103的局部，进而便可与金属辐射片14相螺锁。

同理，金属辐射片14上预留的安装孔位149，进一步通过相应地螺锁在前述全柱形螺栓103上的介质支撑杆102对位后，用螺钉104螺锁，便可实现低频辐射单元1的整体固装。

需要指出的是，本实施例中，用于连接低频辐射单元1两个极化的馈电点124的两对馈电线缆18，彼此间长度具有180度相位差。

请综合图1至图3，所述第二辐射阵列2的12个高频辐射单元21’，22’被均分为两组进行安装，第一组辐射单元21共6个辐射单元与第一辐射阵列1的低频辐射单元1一样，被装设在金属反射板3上，且在本实施例中，该组辐射单元21线性排列所形成的轴线与第一辐射阵列1的各辐射单元1所形成的轴线完全重合，而且，第二辐射阵列2的第一组辐射单元21与第一辐射阵列1的各辐射单元1等间距相间错位组装，即高频辐射单元21’紧邻低频辐射单元1，而低频辐射单元1接着又紧邻另一高频辐射单元21’，以此类推。对第一组辐射单元21而言，可按公知方式利用馈电线缆对其进行馈电。

第二辐射阵列2的第二组辐射单元22共6个辐射单元，则被一一对应地安装在第一辐射阵列1的6个低频辐射单元1的上方。其具体安装方式请参阅图2和图3所示。

图3中，所述高频辐射单元22’被固设在低频辐射单元1的金属辐射片14中部，而所述介质基板12中部也预留有通孔120，馈电线缆28穿过介质基板12的通孔120，在金属辐射片14的底部与高频辐射单元22’的底部电连接以实现对该高频辐射单元22’的馈电。如此，低频辐射单元1的金属辐射片14，对于其上的高频辐射单元22’而言，起到了辅助反射的作用，使低频辐射单元1与高频辐射单元22’不但在结构上相组装，而且在电气上也相融合。

显然，第二辐射阵列2的所有辐射单元22’在纵长方向上必须是等间距排列的。如此，在本实施例中，实际上第一辐射阵列1的各辐射单元是等间距线性排列在某轴线上，而第二辐射阵列2的各辐射单元包括21’和22’也是等间距线性排列在该同一轴线上，设第一辐射阵列1的相邻辐射单元间距为n，则第二辐射阵列2的相邻辐射单元间距则为n/2，而第一辐射阵列1与第二辐射阵列2重叠部分，则以后者的辐射单元装设在前者的辐射单元顶部实现固装。从如图2所示的侧面视觉看，则第二辐射阵列2中的相邻两个辐射单元是高低错位的。

在电气上，本领域内普通技术人员均应知晓，第一组辐射单元21与第二组辐射单元22的相位差，可透过馈电网络上的电缆长度进行补偿。

为控制波束宽度，尤其是其水平面角度，在第二辐射阵列2的第一组辐射单元21外周，也即固装在金属反射板3上的每一高频辐射单元21’外围，装设一反射墙210，如图1所示，该反射墙210呈圆环状，竖立在金属反射板3表面，形成圆形的导电窗体。

据实测，由上述实施例所形成的阵列天线样品，全频段具有良好的方向图。双频段中，电压驻波比小于1.3，隔离度大于33dB，6单元低频和12单元高频实测增益在15.5dBi和18dBi。高低频段水平面3dB波束宽度佳为60度到71度，主轴交叉极化比大于20dB，在交叉极化比大于10dB。环境试验合格，能够很好地满足移动通信系统的要求。

以上为本发明的优先的实施例，在本发明未图示的其它实施例中，可做出适当的变更，例如：

所述第二辐射阵列2中，第一组辐射单元21所形成的轴线可与第二组辐射单元22所形成的轴线呈平行安装关系，也即两条轴线相互错开一定距离，当然，其它边界条件需做适当的改变，本领域内普通技术人员通读本发明后，应可举一反三。

又如，所述环状金属反射墙210的形状，并不受上一实施例局限，其还可以为正方形、多边形等，具体也可通过调试灵活设置。

再如，所述两个频段所采用的第一辐射阵列1和第二辐射阵列2，不受其辐射单元个数、具体形状、具体频段范围所限制，本发明所称高频及低频等词，虽为本领域内普通技术人员所明确理解，但其目的在于说明的便利，而不应被引申为对本发明的限定。

综上所述，本发明双频双极化阵列天线，使用于两个频段的多个双极化辐射单元被布局在同一阵列天线中，不仅在结构上具有紧凑合理的优点，而且在电气上，在隔离度、前后比、频宽等方面均获得较好的性能。

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 (10)

1.一种双频双极化阵列天线，包括馈电单元、金属反射板和两个双极化的辐射阵列，馈电单元对两个辐射阵列进行馈电，每个辐射阵列用于处理一个频段的信号，且每个辐射阵列均包括n个辐射单元，n≥2，其特征在于：

第一辐射阵列中，n个辐射单元沿第一轴线等间距装设在所述金属反射板上；第二辐射阵列中，有n个辐射单元一一对应装设在第一辐射阵列的n个辐射单元上方，而另n个辐射单元则沿第二轴线与本辐射阵列的所有辐射单元轴向等间距装设在所述金属反射板上。

2.根据权利要求1所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述第一轴线与第二轴线完全重合。

3.根据权利要求1所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述第一轴线与第二轴线相平行。

4.根据权利要求1所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述第一辐射阵列为低频双极化辐射阵列，第二辐射阵列为高频双极化辐射阵列。

5.根据权利要求1所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：第一辐射阵列中，其辐射单元包括用介质支撑杆支撑于金属反射板上的双面印刷金属片的介质基板和用介质支撑杆支撑于该介质基板之上的金属辐射片，所述第二辐射阵列的辐射单元固装在所述辐射片中部并以之为反射板，介质基板中部设有供馈电线缆穿过以对第二辐射阵列的辐射单元进行馈电的通孔，介质基板还设有供馈电线缆对自身所属辐射单元进行馈电的馈电点。

6.根据权利要求5所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：第一辐射阵列中的每个辐射单元中，两个极化所采用的连接所述介质基板的馈电点的馈电线缆，相互之间具有180度相位差。

7.根据权利要求6所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：第二辐射阵列中的每个辐射单元均采用梅花状振子。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述第二辐射阵列中，装设在金属反射板上的n个辐射单元的外周，均设有环状金属反射墙，该反射墙固设并竖立在金属反射板上。

9.根据权利要求8所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述反射墙呈圆环状、多边形状、正方形状中任意一种。

10.根据权利要求1至7中任意一项所述的双频双极化阵列天线，其特征在于：所述金属反射板纵长方向两侧设有竖立其上的边墙。

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