CN101834345A - 超宽频带天线及其单、双极化辐射单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽频带天线及其单、双极化辐射单元，双极化辐射单元基于两副单极化辐射单元正交组成，该单极化辐射单元用于发射和接收单个极化的信号，包括：反射板，构成辐射单元的反射器；一对单元臂，构成半波对称振子；馈电件，固定在反射板上，制有对该对单元臂进行馈电的电路；每个单元臂与反射板之间由至少两个支撑件连接以维持相对位置关系，且各支撑件之间形成以非导电介质分离的容性耦合。本发明的辐射单元及其超宽频带天线结构简单、造价低廉，能获得良好的宽频特性。

Description

超宽频带天线及其单、双极化辐射单元

【技术领域】

本发明涉及移动通信天线领域，具体涉及一种超宽频带天线及其单、双极化辐射单元。

【技术背景】

近年来，随着第三代移动通信网络的建设和运营，以及WLAN、WiMax等宽带无线网络广泛应用，市场对宽频带通信基站天线提出了巨大需求。比如1.7GHz～2.7GHz频段的天线覆盖以下通信标准：GSM1800、CDMA 1900、IMT-2000、TD-CDMA、WLAN、WiMax等。通信技术的发展和互补，客户需求的差异化致使多系统共存、频段范围增加的局面不断强化。

由于公众对电磁辐射于自我健康影响认识的深入，对天线架设有抵触情绪，由此造成天线安装的选址困难；同时通信系统的制式多样化，网络建设不断扩大，网络建设成本也越来越高。上述因素迫切要求天线高度集成化，不同制式的系统天线实现共体或共用。

现行解决方式之一就是将不同制式天线通过物理方式集成在一起，实现天线的系统共体。这种物理实现的共体方式或天线面积过大，风载荷大，安全性能低；或多种制式天线辐射单元物理集成，成本高，结构复杂。CN201126857号专利公告中所述的多系统共体天线就是这种类型的典型方式。

解决方法之二就是在同一天线上实现多种系统制式功能的共用。但现行的解决方案或受应用领域限制，如US 4184163、US4510501两份专利公告所描述的宽带环形天线仅应用于广播通信领域；或限于当时通信系统的发展，带宽偏窄，例如CN2702458号专利公告所介绍的一种双极化宽频带天线辐射单元。

另一方面，天线的核心在于其辐射单元本身及其周边结构，其电气特性也自然受这些因素的影响。公知的天线的辐射单元中，其单元臂相对于反射板的支撑结构及其由结构所引起的辐射单元的电气特性的变化被本领域内普通技术人员所忽略。公知的天线辐射单元的支撑结构，一般采用通体柱件作为整体馈电平衡装置，既对辐射单元起结构上的支撑作用，又对辐射单元起馈电作用，而辐射单元与反射板之间的区域的电磁特性未被重视和利用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种辐射单元，包括单极化辐射单元和双极化辐射单元，通过改进其支撑结构使得其频带得以展宽。

本发明的另一目的在于提供一种超宽频带天线，通过使用前一目的辐射单元而使自身获得良好的宽频带特性。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的单极化辐射单元，用于发射和接收单个极化的信号，包括：反射板，构成辐射单元的反射器；一对单元臂，构成半波对称振子；馈电件，固定在反射板上，制有对该对单元臂进行馈电的电路；每个单元臂与反射板之间由至少两个支撑件连接以维持相对位置关系，且各支撑件之间形成以非导电介质分离的容性耦合。

所述馈电件呈片状，所述用于馈电的电路印刷在该馈电件表面上，馈电件的底部固定在反射板上，顶部的两侧分别与两个单元臂相对向的馈电角上预设的缺口相卡合以实现各单元臂与所述用于馈电的电路的电性连接。

所述支撑件底部与顶部相对的方向为其纵向，与该纵向正交的方向为其横向，支撑件的横向宽度为该支撑件到其相应单元臂的馈电角的距离的2倍。

同一单元臂的相应多个支撑件，呈以该单元臂的馈电角为角点向外放射的离散排列结构。

所述反射板截面大致呈U型，具有一用于装设支撑件和馈电件的片状部和自片状部两侧边同向延伸的折出部。

所述单元臂为平面几何体，具有底平面，底平面外缘构成其底边沿，其余底平面部分构成其底内面。

每个单元臂中，相应的支撑件彼此独立安装，支撑件的底部固定在反射板上，顶部则与单元臂的底边沿或底内面相固定。

所述单元臂呈圆形、方形、椭圆形或者不规则曲线围成的任意形状。

所述单元臂除其馈电角外还具有至少一个被切角。所述单元臂设有镂空部，镂空部呈方孔、圆孔、十字孔或其它任意形状。

所述单元臂可为一体的金属板件，也可为印刷在介质基板上的平面印刷振子，支撑件穿过介质基板与单元臂相连接。适应于后者，所述单元臂上方加载设置金属部件，金属部件呈盖状，盖设在该单元臂上使单元臂构成立体结构。

本发明的双极化辐射单元，用于接收和发送两个极化的信号，其包括两个前述的单极化辐射单元，两单极化辐射单元共用同一反射板，且基于同一中心轴组成对称正交结构。两个单极化辐射单元的馈电件呈十字形相交叉安装。

本发明的超宽频带天线，其使用前述的至少两个单/双极化辐射单元，多个单/双极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过改进传统的馈电平衡装置的结构，将电气上的馈电部分与物理上的支撑部分相互独立，并且通过设置多个支撑件，使多个支撑件之间形成以非导电介质分离的容性耦合，使得辐射单元能够进一步改善电磁波特性，藉此改良辐射单元的宽频特性，使得由该种辐射单元制作的天线或天线阵列能达到超宽频带的效果，满足当前单天线在更多频段应用的行业需求。

2、进一步通过改良辐射单元的具体构成，如设置单元臂平面几何体及其形状、设置被切角、约束反射板截面形状、设置镂空部及其形状、在印刷振子上加盖盒体等具体改进措施，使得本领域技术人员可以在本发明给出的实施例的基础上对辐射单元做出更细致而不脱离本发明精神实质的优化，能轻而易举地获得性能优异的辐射单元和天线。

3、前述的改进一般既适用于印刷平面振子又适用于具有立体结构的普通金属振子，既适用于单极化辐射单元又可处理为双极化辐射单元，具有普遍适应性；

4、辐射单元结构简单、易于制造和装配，加之良好的宽频特性的既得，能够实现多种制式系统天线的共用和有效集成，由此也降低了天线的制造成本和通信网络的建设成本。

【附图说明】

图1为本发明的单极化辐射单元的结构示意图；

图2为图1的辐射单元的单元臂与支撑件的一种装配关系示意图；

图3为图1的辐射单元的单元臂与支撑件的另一种装配关系示意图；

图4为图1的辐射单元的单元臂、支撑件以及馈电件之间的装配关系示意图；

图5(a)、(b)分别为图4的馈电件的正反两面的馈电电路；

图6为本发明的一种双极化辐射单元的结构示意图，其单元臂为具有立体结构的平面几何体；

图7为图6中的两个馈电件的连接结构示意图；

图8为本发明另一种双极化辐射单元的结构示意图，其单元臂印刷在介质基板上；

图9为由图8改型的本发明的又一种双极化辐射单元的结构示意图，其单元臂具有立体结构；

图10为本发明的超宽频带天线的结构示意图；

图11为本发明的超宽频带天线的经实测而得的驻波曲线图，其中，横轴表示频率，纵轴表示驻波比，VSWR为电压驻波比(Voltage Standing WaveRatio)的英文缩写。

【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：

参阅图1所示，本发明的一种超宽频带天线的辐射单元，为单极化辐射单元，包括一对共两个单元臂21a、21b，两对共四个支撑件31a、31b、31c、31d，一个馈电件41，以及一反射板11。

所述的反射板11，构成辐射单元的反射器，供支撑件31a、31b、31c、31d和馈电件41装设其上，图1示出的反射板11的横截面大致呈U型，其具有一用于装设支撑件31a-31d和馈电件41的片状部11a，和自其片状部11a两侧折出的折出部11b。

该对单元臂21a、21b采用具有空间立体结构的平面几何体，其形状是平面的正方形结构，由一金属板件制作而成，由于两个单元臂21a、21b角对角设置，故其彼此相对的角为单元臂21a、21b的馈电角，其它角则为非馈电角，本实施例的，非馈电角均被做少量切削，形成被切角，本领域技术人员通晓，被切角的设置可以改变单元的电磁特性。而在馈电角处，为便于在后续与馈电件相配合安装，裁设有一矩形缺口210。每单元臂21a或21b均具有一底平面，底平面的外缘即构成其底边沿，底边沿之外的其它底平面区域则构成其底内面。单元臂的形状既可以是本实施例中的正方形，也可以为正圆形、椭圆形以及其它由任意曲线围成的形状，单元臂形状的改变将引起辐射单元电磁特性的适当变化，因此，可以借助本领域的部分公知常识结合单元臂形状的调整对辐射单元的电磁特性进行优化。

所述的支撑件31a、31b、31c、31d，以金属为材质，等高，呈矩形片状，其底部(边)竖立并连接在反射板上，顶部(边)则与单元臂的底平面相抵触连接并构成对单元臂的支撑。如图1和图2所示，每个单元臂21a、21b应配备有两个或两个以上的支撑件31a、31b，以便构成对相应的单元臂的支撑，同时也起到馈电平衡的作用。每个单元臂21a或21b所配备的多个支撑件31a、31b或31c、31d，呈以该相应的单元臂的馈电角为角点向该相应单元臂的其它非馈电角(被切角)放射状离散排列的结构。如图2所示，支撑件31a，31b的顶部(边)刚好装设在单元臂21a底平面的底边沿上。作为一种变通，也可如图3所示，将支撑件31a、31b的顶部与单元臂21a底平面的底内面相抵触连接实现安装。

各支撑件31a、31b、31c、31d彼此独立安装，互不接触，故彼此间存在间隙，如此即在单元臂与反射板之间的多个支撑件两两间构成可供空气等非导电介质存在的自由空间8，而每相邻两个支撑件之间则构成容性耦合关系，空气作为一种介质，有利于电磁波的传播，从而优化了单元臂的电磁特性，对拓宽频带宽度起到关键的调节作用。

由于所述支撑件31a、31b或31c、31d所围成的自由空间8的大小会影响电磁特性，呈现不同的容性耦合效果，故本实施例中，限定一个适当的自由空间8将有助于发挥本实施例最佳的电气特性。具体而言，设图2中，与所示单元臂21a相应的两个支撑31a和31b具有完成对称的结构，以其中任意一个支撑件31a为例，自支撑件31a的底部(反射板)至其顶部(单元臂)的方向为其纵向，该支撑件31a上与该纵向相正交的方向为其横向。设方形单元臂21a和21b的边长为a，支撑件31a和31b的横向宽度为w1，支撑件31a和31b到相应单元臂21a馈电角的最近距离为w2，为了得到良好的宽带匹配，一般选取，w1≥a/4，w2≥a/8，由此可知，支撑件31a、31b的横向宽度与支撑件31a、31b到馈电角的距离间存在一定的比例关系约为w1/w2＝2，将此比例关系作为图2所示结构的优选参数，能实现较优的效果。尽管参数w1和w2的变动范围受单元臂21a的边长a的影响而同步变动，其比例关系变动不大，但是，由于w1、w2均可以大于单元臂边长的若干等分，因此存在w1、w2变化量不一定需要同步的因素，故上述比例关系并不应视为对本发明的保护范围的限定，在本实施例的基础上对该比例关系作出适当的调整以优化宽带匹配，应仍视为不超脱本发明的精神实质。自然，对支撑件大小、距离等参数的限定，也将改变自由空间8的大小及容性耦合的效果，故对上述参数的灵活取值等同于限定该自由空间所引起的容性耦合电气特性。

请参阅图4和图5，所述的馈电件41，对所述单元臂21a，21b通过电容耦合馈电，其在一矩形介质基板上(可用PCB)印制有馈电电路，具有阻抗匹配的作用。馈电件41呈矩形片状，其底部(边)竖立在反射板11上，其顶部(边)两侧则分别与两个单元臂21a，21b的缺口210相连接。馈电件41的厚度应略小于或等于单元臂21a，21b的馈电角处的缺口210的宽度，如此，单元臂21a，21b的缺口便可以与馈电件41顶部的一侧相卡合，从而既能被馈电件41馈电，又能被馈电件起到适当的支撑作用。

以下详述馈电件41的馈电电路部分。图4中，馈电件41的馈电电路的接地段43a与辐射单元臂21a导电连接，构成辐射单元馈电的一极，接地段43b与辐射单元臂21b导电连接，构成辐射单元馈电的另一极，射频信号由馈电件41的馈电网络42流入。馈电件41竖立于反射板11上，安装在支撑件31a，31b之间。

继续参阅图5，更加详细地揭示了馈电件41对所述辐射单元臂进行电磁耦合馈电的方式。馈电件41上的馈电电路包括馈电网络42、接地段43a、接地段43b三个部分，其中馈电网络42位于介质基板的一面，接地段43a、接地段43b位于介质基板的另一面。馈电件的馈电电路的金属线宽度不一，能起到阻抗匹配的作用，也即，技术人员可以通过调节馈电电路的金属线对辐射单元的馈电进行阻抗匹配。接地段43a与接地段43b在顶部互不相连，但分别在自身顶端44a，44b处连接辐射单元的二个单元臂21a，21b，在底端共同连接于反射板11。

可见，馈电件41与支撑件31a-31d的共同配合能综合影响单元臂的馈电效果，而其中多个支撑件间自由空间8的设置能进一步优化辐射单元的频宽特性，本发明的辐射单元整体上的综合优化不是孤立的，而是通过上述自由空间的限定结合单元臂、馈电件、反射板等改进综合获得的。

请参阅图6，其揭示了本发明的双极化辐射单元的具体结构，由两对前述的单极化辐射单元构成，具体而言，两对单极化辐射单元通过将两副共四个单元臂对21，21′在同一中心轴上正交组装形成同一双极化辐射单元。所述辐射单元臂对21、21’相对于所述辐射单元中心轴成对称正交结构，构成+45°和-45°双极化辐射单元。

适应于双极化辐射单元的这种具体形式，其反射板12被适当改型，反射板12大致仍呈U型，构成辐射单元的反射器，用来得到宽频带内良好的辐射指标(如前后比、波束收敛性等)，其片状部12a保持原样，而其折出部12b则设置多处折弯。

参阅图7所示，双极化辐射单元的两个馈电件45、45’十字型相交叉安装，此种安装方式多见于本申请在先公开的专利文献，故不行赘述。

请参阅图8，所述辐射单元，包括单极化辐射单元和双极化辐射单元，其平面几何体的单元臂22还可以印刷电路的形式实现，通过改进前述金属板件的平面几何体单元臂21(参阅图1)为印制在介质基板20上的平面振子结构，可以实现同等效果。需要特别提出的是，由于单元臂22以介质基板20为载体，故支撑件应穿过介质基板与单元臂22的底平面电性连接，同理，馈电件(未图示)也是通过抵触于介质基板20底部再通过穿过介质基板20的连接件与单元臂22实现电性连接，又或者，馈电件直接穿过整个介质基板20直接与各单元臂22电性连接。

作为本发明一种通用优化措施，适用于图8所示的平面振子式的双极化辐射单元上，同理也可适用于前述的单、双极化辐射单元上，具体措施是在单元臂22的中部设置十字形镂空部23，并且在单元臂22的非馈电角上设置少量被切角和/或割槽24。

作为本发明另一种通用改进措施，参阅图9所示，所述单元臂22在既有的单元臂22结构的基础上加载一盖状的金属部件，该盖状金属部件被制作为无底面的方体或长方体金属空盒25，并设置空盒25的垂直投影面积不大于平面的辐射单元臂22，其四个侧面的下边缘和辐射单元臂22金属连接，构成立体结构的辐射单元臂，其目的为进一步提高由此所制备的天线的相对带宽。

由此可见，将本发明的精神实质不仅适用于单极化辐射单元，还可进一步扩展到双极化辐射单元。

需要特别指出的是，为了降低作为馈电平衡装置的支撑件31a、31b、31c、31d对频率的敏感性，支撑件31a、31b、31c、31d的横向宽度应尽量展宽，如前述实施例中W1≥a/4，这样便扩大了自由空间8的大小，增大容性耦合效果。另外，同一单元臂相对应的两个支撑件31a、31b存在容性耦合问题。由于两者之间呈如图1所示的近似直角形状排列，两支撑件31a、31b之间的距离在不同位置也是不相同的，在馈电角临近处两者的距离最近，电容耦合最强，远离馈电角处，两者的距离越远，其电容耦合越弱。这种由强到弱的电容耦合方式也是单极化天线呈现宽频的重要因素。不同单元臂之间的相邻两个支撑件，如图1的31a和31c，同样存在容性耦合，但单极化辐射单元因两支撑件的距离较远近似可以忽略，因此此处重点考虑双极化辐射单元。在双极化辐射单元中，不同辐射单元臂上两两相邻的支撑件构成平行线结构，如此，两个极化之间也形成了容性耦合，能进一步增加辐射单元的带宽。

进一步请参阅图10，其为本发明的一种超宽频带天线，该天线的反射板被多个双极化辐射单元共用，偶数共四个双极化辐射单元依照天线阵列数的要求被矩阵式排列，例如图10中四个双极化辐射单元被一字排开，为单阵列天线，各双极化辐射单元之间实现并联馈电的功率分配之后，即可用于实施。图10所示的双极化辐射单元取之图8所示的具体结构，其经实测而得的驻波曲线图如图11所示，图11中，横轴表示频率，纵轴表示驻波比，VSWR为电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio)的英文缩写，显然，由图11可以看出，本发明的超宽频带天线能在一定的驻波比条件下获得优异的宽频特性。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (19)

1.一种单极化辐射单元，用于发射和接收单个极化的信号，其特征在于，其包括：

反射板，构成辐射单元的反射器；

一对单元臂，构成半波对称振子；

馈电件，固定在反射板上，制有对该对单元臂进行馈电的电路；

每个单元臂与反射板之间由至少两个支撑件连接以维持相对位置关系，且各支撑件之间形成以非导电介质分离的容性耦合。

2.根据权利要求1所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述馈电件呈片状，所述用于馈电的电路印刷在该馈电件表面上，馈电件的底部固定在反射板上，顶部的两侧分别与两个单元臂相对向的馈电角上预设的缺口相卡合以实现各单元臂与所述用于馈电的电路的电性连接。

3.根据权利要求1所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述支撑件底部与顶部相对的方向为其纵向，与该纵向正交的方向为其横向，支撑件的横向宽度为该支撑件到其相应单元臂的馈电角的距离的2倍。

4.根据权利要求1所述的单极化辐射单元，其特征在于：同一单元臂的相应多个支撑件，呈以该单元臂的馈电角为角点向外放射的离散排列结构。

5.根据权利要求1所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述反射板截面大致呈U型，具有一用于装设支撑件和馈电件的片状部和自片状部两侧边同向延伸的折出部。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂为平面几何体，具有底平面，底平面外缘构成其底边沿，其余底平面部分构成其底内面。

7.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于：每个单元臂中，相应的支撑件彼此独立安装，支撑件的底部固定在反射板上，顶部则与单元臂的底边沿或底内面相固定。

8.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于，所述单元臂呈圆形、方形、椭圆形或者不规则曲线围成的任意形状。

9.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂除其馈电角外还具有至少一个被切角。

10.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂设有镂空部。

11.根据权利要求10所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂的镂空部呈方孔、圆孔、十字孔或其它任意形状。

12.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂为一体的金属板件。

13.根据权利要求6所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂为印刷在介质基板上的平面印刷振子，支撑件穿过介质基板与单元臂相连接。

14.根据权利要求13所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述单元臂上方加载设置金属部件。

15.根据权利要求14所述的单极化辐射单元，其特征在于：所述金属部件呈盖状，盖设在该单元臂上使单元臂构成立体结构。

16.一种双极化辐射单元，用于接收和发送两个极化的信号，其特征在于，其包括两套如权利要求1至15中任意一项所述的单极化辐射单元，两单极化辐射单元共用同一反射板，且基于同一中心轴组成对称正交结构。

17.根据权利要求16所述的双极化辐射单元，其特征在于：两个单极化辐射单元的馈电件呈十字形相交叉安装。

18.一种超宽频带天线，其特征在于：其使用如权利要求1至15中任意一项所述的至少两个单极化辐射单元，多个单极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列。

19.一种超宽频带天线，其特征在于：其使用如权利要求16或17所述的至少两个双极化辐射单元，多个双极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列。

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