CN102299409A - 一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于第四代无线移动通信系统IMT-Advanced的基站天线。该天线单元采用多层微带贴片天线形式，其基本结构包括金属反射板、微带馈电层、两辐射层和多个尼龙隔离柱。本发明最大的创新在于天线的超宽频带特性，采用一种新颖的箭头型的耦合馈电槽和双层辐射贴片，在驻波比小于1.5的情况下可达49.5％的带宽。通过对反射板的合理设计，可使在整个工作频带范围内天线的半功率波瓣宽度为65°±6°，天线的波束收敛度性能优良。本天线采用角馈的方式进行馈电，在避免将辐射贴片旋转45°的情况下实现了±45°双极化，这样有利于减少组阵后天线阵列的整体长度。基于本发明的基本结构，合理改变辐射贴片的大小、开槽地板的形状以及各层之间的间距，即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种微带贴片天线，具体来说是一种用于第四代无线移动通信系统IMT-Advanced的宽带双极化基站天线。

背景技术

国际电联(ITU，International Telecom Union)于2008年2月向各国发出通函，向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案，2009年10月完成了新一代通信系统的空口标准IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication-Advanced)的征集工作。IMT-Advanced是ITU为满足未来10～15年全球移动通信需求而启动的，其定义为：具有超过IMT-2000能力的新能力的移动系统，该系统能够提供广泛的电信业务：由移动和固定网络支持的日益增加的基于包传输的先进的移动业务。IMT-Advanced技术需要实现高的数据率和大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s。作为高新技术的通信行业，因其在当今社会有着举足轻重的地位，已被国家列入重点支持的十大产业之一。为了确保我国在未来的通信标准制定和技术研究中取得领先地位，必须迅速开展对IMT-Advanced相关方面的技术研究工作。研究满足IMT-Advanced系统要求的基站硬件设备则是进行相关通信技术研究的基础。

IMT-Advanced系统具有频带宽，多频段，高容量，高速率等优点，并采用MIMIO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)等技术来大幅提高频谱的利用效率。在保持成本效率的条件下且综合考虑和平衡用户、制造商、运营商等的相关要求，IMT-Advanced系统需支持从低到高的移动性的应用和很宽范围的数据速率，支持广泛灵活的应用服务，实现全世界范围内的漫游能力和高度的通用性。

为了解决传统基站天线的弊端且达到IMT-Advanced系统的要求，有源天线作为首选方案，近年来在无线通信行业受到高度重视。阿郎，诺西等几大设备制造商一直在进行有源天线技术的研究工作。

IMT-Advanced系统中基站天线的工作频带范围为1710MHz-2690MHz，相对频带宽带达到44.5％。在整个频带范围内，要求天线的端口电压驻波比(VSWR)小于1.5，要求天线的水平面半功率波瓣宽带为65°±6°。用于IMT-Advanced的基站天线的驻波比带宽和方向图带宽是传统基站天线的好几倍，GSM900的工作频带范围是885MHz-960MHz，相对频带宽带为8.1％，GSM1800的工作频带范围是1710MHz-1850MHz，相对频带宽带为7.8％，第三代移动通信的TD-SCDMA的工作频带范围是1880MHz-2400MHz，相对频带宽度为24.3％。

微带贴片天线具有剖面低、重量轻，批量生产时造价便宜等优点，在个人无线移动通信中应用广泛，但其同时也有带宽窄、增益低等缺点。国内外众多专家学者对微带贴片天线进行了广泛而深入的研究。Girish Kumar等写的书“Broadband MicrostripAntennas”中，对微带贴片天线的发展过程，工作原理进行了详细的描述，同时在展宽天线带宽方面也进行了深入的研究，提出了很多种展宽带宽的方法，但这些方法绝大多数仅仅适合单极化的微带贴片天线，对于双极化的贴片天线这些方法并不合适。艾利森电话股份有限公司在专利CN1248348中公布了一种基站天线装置，此天线包括许多在第一频带辐射的第一辐射单元和大量在第二频带辐射的第二辐射单元。此天线的优点在于可工作于两个频带，但其贴片数众多，结构复杂，仅仅只能单极化工作且在每个频带内的带宽均不超过10％。西安海天天线科技股份有限公司在专利CN101197470中公布了一种双极化宽带天馈单元，该天线单元将两个用带状线馈电的对称振子组成十字型结构，固定在接地板上，并在与该接地板轴线成±45°的角平分线的位置处固定有隔离金属片。此天线结构复杂且天线全由金属构成以至于天线显得笨重。在驻波比小于1.5的情况下，天线两端口的带宽可达到17.4％。美国专利发明者Ippolito等在专利号6072439公开的题为“Base station antenna for dual polarization”中提出了一种±45°双线极化的基站天线，天线单元采用印刷偶极子的形式，这种天线机构简单，但驻波比带宽仅仅只有15.1％(1710MHz-1990MHz)。GangYi Deng等公开的美国专利号为US7629939B2的题为“Broadband dual polarized base stationantenna”中发明了一种适用于基站的双极化天线，此天线对传统偶极子天线的两臂加以改进，能得到30dB的端口隔离度和大约23％的带宽。Mariano Barba在IEEETransactions on Antennas and Propagation，VOL.56，NO.5，May 2008发表的题为“AHigh-Isolation，Wideband and Dual-Linear Polarization Patch Antenna”中介绍了一种耦合馈电的高隔离度的宽带双极化基站天线，天线在驻波比小于1.5的情况下能达到24％的带宽，采用一种新颖的馈电结构，天线两端口能达到30dB的隔离度。此天线馈电结构复杂，由于两馈电端口在同一平面上，故而必须用到空气桥。Shi-Chang Gao等在IEEE Transactions on Antennas and Propagation，VOL.51，NO.3，March 2003发表的题为“Dual-Polarized Slot-Coupled Planar Antenna With Wide Bandwidth”中介绍了一种槽耦合的宽带双极化天线，此天线也采用双层辐射贴片，在驻波比小于1.5的情况下能达到20.9％的带宽，但由于此天线采用传统的边馈方式，故在实现±45°双极化时必须将天线整体旋转45°，因此组阵后天线阵列的总体长度必然增加。

与上述相关的代表性发明专利和论文相比，本发明采用多层辐射贴片和一种新颖的耦合馈电槽，在驻波比小于1.5的情况下达到了49.5％的实测带宽，在要求的频带范围内，天线的半功率波瓣宽带为65°±6°。通过SATIMO测试系统测得天线在整个频带范围内的增益都高于8dBi，且天线的效率在85％左右。天线采用角馈的方式，在不需要旋转辐射贴片的情况下就可以实现±45°双极化，这种方法可有效的减少组阵后天线阵列的总体长度。此外，与传统金属做成的偶极子天线相比，本天线选用介电常数为2.2的介质板为材料，大大减轻了天线的重量。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种用于IMT-Advanced的宽带双极化基站天线。该装置通过对微带贴片天线进行研究并在馈电方式上进行发明和创新，采用一种新颖的箭头型的耦合馈电槽和大小不等的两个辐射贴片，在驻波比小于1.5的情况下可达到49.5％的实测阻抗带宽。采用角馈的方式在不旋转天线的情况下可实现±45°双极化，这有利于减少组阵后天线阵列的整体长度。

该微带贴片天线适用于第四代无线移动通信系统，它的基本结构包括金属反射板、尼龙隔离柱、馈电介质层和两个辐射介质层。金属反射板主要的作用是减小后向辐射和控制天线的半功率波瓣宽带。尼龙隔离柱用来连接和隔离反射板、馈电介质层和辐射介质层。馈电层通过在地板上开槽来对辐射层进行耦合馈电。两辐射贴片大小不等，目的是为了使其谐振在不同的频段以展宽带宽。

本发明最大的创新在于天线的超宽频带特性，在驻波比小于1.5的情况下可达49.5％的带宽。采用一种新颖的箭头型的耦合馈电槽，并使用大小不等的双辐射贴片达到并超过的IMT-Advanced系统所要求的带宽。

本发明的特点是采用角馈的方式，传统的边馈方式要想实现±45°双极化，需将天线整体旋转45°，这必将增加组阵后天线的整体长度。采用角馈的方式则避免了将天线旋转，这样可减少组阵后天线阵列的长度，或者是在相同的阵列长度下，增加了阵列中天线单元间的间距，有利于提高单元间的隔离度。采用角馈时电流沿对角线方向流动，与传统边馈的方式相比，在贴片大小不变的情况下增加了电长度，有利于天线的小型化设计。

本发明实施方式是电磁波由微带线通过开槽地板对辐射贴片进行耦合馈电。大小不等的两辐射贴片分别谐振在高低两个频段，这样可以显著增加天线的带宽。馈电微带线和耦合槽均±45°放置，在避免辐射贴片的旋转的同时也增加了电长度。通过金属反射板来减小后向辐射和控制波瓣宽带。该天线使用介电常数为2.2的介质板为材料，具有高效率、重量轻、造价便宜和便于批量生产等优点。实测结果表明，在整个频带范围内，天线的效率均在85％左右，半功率波瓣宽带在要求频带内的带内波动不超过6°，波束收敛度性能优良。

附图说明

图1为本发明——一种用于IMT-Advanced的宽带双极化基站天线侧视图；

图2为本发明——一种用于IMT-Advanced的宽带双极化基站天线俯视图；

图3为本发明宽带双极化基站天线的馈电结构图；

图4为本发明宽带双极化基站天线端口1和2的驻波比曲线图；

图5为本发明宽带双极化基站天线在1.7GHz时的实测方向图；

图6为本发明宽带双极化基站天线在2.2GHz时的实测方向图；

图7为本发明宽带双极化基站天线在2.7GHz时的实测方向图；

图8为本发明宽带双极化基站天线在整个频带内的实测增益曲线图；

图9为本发明宽带双极化基站天线在整个频带内的实测效率曲线图。

具体实施方案

图1和图2示例性的描述了以一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线设计装置。依图示描述，此装置主要包括金属反射板、馈电层、两辐射层和尼龙隔离柱。金属反射板1采用1mm厚的铝板，反射板上钻有四个直径为3mm的圆孔，其作用在于方便用塑料螺丝将反射板与隔离柱固定。反射板两边有两垂直的侧边，其作用是对天线的半功率波瓣宽度进行控制，侧边高度为15mm。馈电层2由两片介质板组成，介质板22上的微带线21为端口1，介质板24上的微带线25为端口2，23为开槽地板，21、23、25的具体形状见于图3.馈电层2的两馈电端口位于不同的平面上且被开槽地板隔开，采用这种方式可以有效增加隔离度和避免使用空气桥。辐射层3和4中两贴片的大小不一，两贴可工作在不同的频段，采用这种方法可有效增加带宽。辐射片31和41分别位于介质板32和42的下方，这样介质板可对辐射贴片起到保护的作用。尼龙隔离柱的作用是将反射板、馈电层和两辐射层隔离开来，尼龙隔离柱上端有螺纹，底部有螺孔，这样尼龙隔离柱之间可以相互连接，在天线的最底端用塑料螺丝将反射板和隔离柱连接，在最顶端用螺母将隔离柱和介质板42固定，这样整个天线就连成一体。

图3为开槽地板23和馈电微带线21、25的形状。本发明采用一种新颖的箭头型的槽，与传统十字型槽相比，在改善驻波比方面有显著效果。馈电微带线采用叉子形状，这使得在调整天线匹配方面有了更多的设计自由度。在馈线末端有弯折，通过弯折馈线就能在不用旋转介质板的情况下实现±45°的双极化。

接下来描述的是此实施方案的具体操作。

当微波信号由馈线21进入时，电磁能量通过开槽地板23的耦合，然后再由辐射贴片31、41辐射出去。当微波信号由馈线25进入时，电磁能量直接由馈线25耦合到辐射贴片进行辐射。由以上的描述可以看出，两端口的工作原理不尽一样，但由实测结果可以看出，两端口的电特性和辐射特性均差别不大。天线工作时大部分能量都向前辐射，但会有少部分能量向后辐射，反射板的作用就是将向后辐射的能量发射以减小天线的后瓣。

图4为天线两端口仿真和实测的驻波比。由图可以看出在驻波比小于1.5的情况下，端口1的实测相对带宽为49.5％(1710MHz-2840MHz)，端口2的实测相对带宽为52.3％(1650MHz-2820MHz)。实测结果与仿真结果能较好吻合。

图5为天线端口21馈电，在1.7GHz时的实测主极化和交叉极化方向图。天线半功率波瓣宽度为62°，在主瓣范围内交叉极化电平小于-15dB。端口25的特性与端口21相似，这里不再累述。

图6为天线端口21馈电，在2.2Ghz时的实测主极化和交叉极化方向图。天线半功率波瓣宽度为63°，交叉极化电平在主瓣范围内小于-20dB。

图7为天线端口21馈电，在2.7GHz时的实测主极化和交叉极化方向图。天线半功率波瓣宽度为59°，交叉极化电平在主瓣范围内小于-17dB。

图8为分别在端口21和25馈电时，天线在整个工作频带范围内的增益曲线。由曲线可以看出，在整个工作频带内，天线的增益为8.5dB±0.5dB。

图9为分别在端口21和25馈电时，天线在整个工作频带范围内的辐射效率。在1.7GHz到2.7GHz的范围内，天线的效率在85％左右。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (7)

1.一种可用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线主要包括金属反射板、馈电层以及辐射贴片层。金属反射板用来控制天线的半功率波瓣宽度，反射板、馈电层、辐射层通过尼龙隔离柱隔开。

2.根据权利要求1所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线基于多层耦合馈电微带天线理论，其特征在于至少包括耦合馈电层和辐射贴片层，馈电层和辐射层之间为空气且由尼龙隔离柱隔开。

3.根据权利要求1和2所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线，其特征在于采用双层辐射贴片来达到展宽带宽的目的，两辐射贴片采用在介质板上腐蚀的方法得到，这样有利于保证加工精度和降低批量生产时的成本。

4.根据权利要求1所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线，其特征在于馈电层包括两个馈电端口，两馈电端口位于不同的平面分层上且横向相对位置错开，这样可避免使用空气桥且有利于增加天线的端口隔离度。

5.根据权利要求1所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线，其特征在于采用角馈的方式进行馈电，在避免将辐射贴片旋转45°的情况下实现±45°双极化，这样有利于减少组阵后天线阵列的整体长度。

6.根据权利要求1所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线，其特征在于馈电层中开槽地板采用一种新颖的箭头型的槽，这种箭头型的槽与传统的十字型槽相比可显著改善天线端口驻波比。

7.根据权利要求1所述的一种用于IMT-Advanced系统的宽带双极化基站天线，其特征在于金属反射板可用来减少后向辐射和控制半功率波瓣宽带，通过对反射板的合理设计，可使在整个工作频带范围内天线的半功率波瓣宽度为65°±6°，天线的波束收敛度性能优良。

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