CN102800965A - 一种宽带宽波束双极化偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带宽波束双极化偶极子天线，属一种偶极子天线，包括天线罩板、反射板以及呈交叉固定的第一天线介质板与第二天线介质板，所述的第一天线介质板与第二天线介质板安装在反射板上，且所述天线罩板由至少三个支撑柱支撑并置于反射板以及第一天线介质板与第二天线介质板的上方；所述第一天线介质板与第二天线介质板的外部还设有齿状围栏，并且齿状围栏也安装在反射板上。通过在偶极子天线介质板的周围增设齿状围栏，有效的扩展天线运行展宽波束宽度，天线单元在驻波小于1.4的情况下覆盖了1710MHz-2690MHz频段，其通过微带馈电线和反射板上设置的边缘金属化的通孔直接馈电，易于加工，有利于实现组阵后天线与馈电网络的集成，应用范围广阔。

Description

一种宽带宽波束双极化偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种偶极子天线，更具体的说，本发明主要涉及一种宽带宽波束双极化偶极子天线。

背景技术

基站天线在移动通信系统中扮演着承上启下的作用，是电磁波发射和接受的传感器。天线的性能对整个通信系统起着决定性的作用，其成本投入仅占到整个基站总成本的百分之几的天线，然而其性能的优良却可影响基站系统可靠性的30％～50％，因此，一副高性能的天线可放宽系统的设计要求且提高整个系统的性能。随着3G在我国的广泛使用，用于下一代移动通信的IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication–Advanced)通信系统的研究成为现阶段的重中之重。新一代通信系统（IMT-Advanced又称4G）具有宽频带，多频段，高质量，高容量，高速率（要求支持高达1Gbit/S的传输速率）等特点，并采用MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）和OFDMA（正交分频多工存取）等技术来提高频谱的利用效率。此外智能天线、波束形成也被认为是新通信系统的重要技术。IMT-Advanced系统要求基站天线工作在1710MHz～2690MHz频段内，相对带宽为44.5%。电压驻波比(VSWR)小于1.5。在宽波束应用场合下要求天线水平面半功率波瓣宽度在整个工作频带内达到90度至110度范围以内。在移动通信中，印刷偶极子天线因其具有体积小、重量轻，结构简单、易于集成、易于批量生产的优点而被广泛应用。一般的印刷偶极子天线带宽较窄，要在很宽的频带内实现宽波束则更为困难，不适合于宽带宽波束的基站天线应用场合。为此，在实现宽频带宽波束天线方面，广东通宇通讯股份有限公司在专利CN201887149U中公布了一种采用U型辐射臂的宽波束双极化偶极子辐射单元，通过调节U型的宽窄可以调节天线的半功率波瓣宽度。该天线单元在780MHz～987MHz频带范围内的半功率波瓣宽度为86.4度～89.5度，可以满足宽波束基站天线应用要求，但工作带宽较窄。上海大学在专利CN101710649A中公布了一种带条形地板和覆介质反射板的宽波束天线单元，通过寄生贴片和条形地板来展宽天线的波束宽度。该天线回波损耗小于-10dB的带宽为17.8GHz～18.2GHz。在中心频率处E面波束宽度达到225度，H面达到92度。但该天线带宽较窄，且不具有双极化特性。Zhen Qi Kuai在Microwave ConferenceProceedings,2005.APMC 2005.Asia-Pacific Conference Proceedings发表的题为“A wide beam,dual polarization and high gain antenna for WCDMAbase station application”中介绍了一种带有寄生金属柱的宽波束宽带印刷偶极子天线单元，该天线单元工作带宽为1920MHz～2170MHz，半功率波束宽度达到120度。但寄生金属柱的引入会使得天线的阻抗匹配某些频段恶化，不能保证在工作频带内达到电压驻波比小于1.5的要求。

发明内容

本发明的目的之一在于解决上述不足，提供一种宽带宽波束双极化偶极子天线，以期望解决现有技术中因隔离度不够而造成偶极子天线中相邻的单元互耦，且天线运行带宽不够等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种宽带宽波束双极化偶极子天线单元，包括天线罩板、反射板以及呈交叉固定的第一天线介质板与第二天线介质板，所述的第一天线介质板与第二天线介质板安装在反射板上，且所述天线罩板由至少三个支撑柱支撑并置于反射板以及第一天线介质板与第二天线介质板的上方；所述反射板的上部设置有馈电介质层，底部设置有若干微带馈电线，所述第一天线介质板与第二天线介质板的其中一面上均设有偶极子臂，第一天线介质板与第二天线介质板的边缘上还设有谐振装置；所述的偶极子臂均通过馈电巴伦与所述微带馈电线相连接，且馈电巴伦经过设在反射板上与其相配合的通孔，所述的馈电巴伦的其中一段贴附在偶极子臂上；所述第一天线介质板与第二天线介质板的外部还设有齿状围栏，所述齿状围栏与呈交叉固定的第一天线介质板、第二天线介质板之间保持间隙，并且也安装在反射板上。

进一步的技术方案是：所述的第一天线介质板与第二天线介质板呈十字形交叉固定，且第一天线介质板的上方中心处与第二天线介质板的下方中心处设置有相互配合的开口；所述第一天线介质板与第二天线介质板交叉固定后其上端面与下端面齐平。

进一步的技术方案是：所述的第一天线介质板与第二天线介质板的几何大小完全相同；所述馈电巴伦的其中一段呈弯折的贴附在偶极子臂上，且其经过设在反射板上通孔的面积大于馈电巴伦的横截面面积。

更进一步的技术方案是：所述的偶极子臂呈左右对称的T字型；所述的谐振装置是固定在第一天线介质板、第二天线介质板上端与两侧边缘的寄生金属条。

更进一步的技术方案是：所述的第一天线介质板与第二天线介质板其中一面上设置的偶极子臂为正负45度。

更进一步的技术方案是：所述的齿状围栏整体呈矩形状，且其上方还设有多个矩形齿，且每个矩形齿的间距都相等。

更进一步的技术方案是：所述的相互交叉固定的第一天线介质板、第二天线介质板分别与矩形齿状围栏的两条对角线相平行或重合。

更进一步的技术方案是：所述的齿状围栏的下方还设置有呈90度弯折的固定脚，齿状围栏通过该固定脚以焊接或螺钉的方式固定在反射板上。

本发明另一方面提供了一种宽带宽波束双极化偶极子天线，其包括上述的天线单元，所述多个天线单元呈线型排列，且其上方至少设置有两个不同极化的输入端口，每个输入端口通过微带功分器至少接入五个所述天线单元；所述的输入端口用于以微带馈电线通过微带功分器向馈电巴伦输入馈电，微带馈电线与反射板上的通孔相连接，并与反射板上的馈电介质层形成电磁场过度结构，电磁波通过微带馈电线传输至所述通孔，再通过该通孔将电磁波过渡至馈电巴伦，进而通过馈电巴伦向对应极化的偶极子臂馈电。

进一步的技术方案是：所述的微带功分器也设置在反射板的底部，其一端通过反射板底部的微带馈电线接入各个天线单元中反射板上设置的通孔，另一端接入输入端口。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：通过在偶极子天线介质板的周围增设齿状围栏，有效的扩展天线运行展宽波束宽度，天线单元在驻波小于1.4的情况下覆盖了1710MHz-2690MHz频段，并且在工作频带内，天线水平面半功率波瓣宽度达到90度以上，同时齿状围栏在天线中也起到相应的隔离作用，减少相邻天线单元之间互耦，并且本发明天线介质板上的偶极子臂可通过印刷而成，其通过微带馈电线和反射板上设置的边缘金属化的通孔直接馈电，易于加工，有利于实现组阵后天线与馈电网络的集成，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的偶极子天线单元结构的示意图；

图2为用于说明本发明一个实施例中偶极子天线单元中的第一天线介质板的结构示意图；

图3为用于说明本发明一个实施例中偶极子天线单元中的第二天线介质板的结构示意图；

图4为用于说明本发明一个实施例中的齿状围栏的部分结构示意图；

图5为用于说明本发明一个实施例中宽带宽波束印刷偶极子天线单元回波损耗实验的实测结果坐标图；

图6为用于说明本发明一个实施例中宽带宽波束印刷偶极子天线单元隔离度实验实测结果坐标图；

图7为用于说明本发明一个实施例中偶极子天线单元接入馈电时偶极子天线天线单元水平面半功率波瓣宽度实验的实测结果坐标图；

图8为用于说明本发明另一个实施例中的偶极子天线结构示意图；

图9为用于说明本发明另一实施例中的偶极子天线回波损耗仿真实验的实测结果坐标图；

图10为用于说明本发明另一实施例的偶极子天线隔离度仿真实验的实测结构坐标图；

图11为用于说明本发明另一实施例的偶极子天线在+45度极化端口馈电时组阵面方向坐标图；

图12为用于说明本发明另一实施例的偶极子天线在+45度极化端口馈电时水平面方向坐标图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

图1示出了本发明一个实施例的整体结构示意图，参考图1所示，本发明的一个实施例是一种宽带宽波束双极化偶极子天线单元，该天线单元中设有天线罩板1、反射板2以及呈交叉固定的第一天线介质板3与第二天线介质板4，所述的第一天线介质板3与第二天线介质板4安装在反射板2上，且所述天线罩板1由至少三个支撑柱5支撑并置于反射板2以及第一天线介质板3与第二天线介质板4的上方；正如图1所示出的，此处优选的技术方案是将支撑柱设置为四个，并且分布在矩形天线罩板1的四个角附近。

所述反射板2的上部设置有馈电介质层21，底部设置有若干微带馈电线22，所述第一天线介质板3与第二天线介质板4的其中一面上均设有偶极子臂6，第一天线介质板3与第二天线介质板4的边缘上还设有谐振装置；所述的偶极子臂6均通过馈电巴伦7与所述微带馈电线22相连接，且馈电巴伦7经过设在反射板2上与其相配合的通孔8，并且馈电巴伦7的其中的一段贴附在偶极子臂6上；所述第一天线介质板3与第二天线介质板4的外部还设有齿状围栏9，所述齿状围栏9与呈交叉固定的第一天线介质板3、第二天线介质板4之间保持间隙，并且也安装在反射板2上。

基于上述实施例，本发明的关键技术手段之一是在第一天线介质板3与第二天线介质板4的外部设置齿状围栏9，齿状围栏9围栏上的锯齿状的金属条起到了寄生单元的作用，配合天线单元四周的寄生条进一步展宽了天线带宽；并起到阵列中隔离栏的作用，减少阵元间的互耦，提高隔离度。而前述的齿状围栏9的其中一种结构是将其整体设置为矩形状，且其上方还设有多个矩形齿91，且每个矩形齿91的间距都相等。并且为增加其与上固定的第一天线介质板3与第二天线介质板4之间的适应性，在齿状围栏9和第一天线介质板3、第二天线介质板4在反射板2上具体安装时，最好将第一天线介质板3、第二天线介质板4的位置分别与矩形齿状围栏9的两条对角线相平行或重合。

参考图4所示，齿状围栏9在反射板2上的固定方式优选为在齿状围栏9的下方设置呈90度弯折的固定脚92，齿状围栏9通过该固定脚92以焊接或螺钉的方式固定在反射板2上。

再参考图1所示，为保证馈电巴伦7对偶极子臂6的馈电效果，最好将馈电巴伦7的其中一段呈弯折的形式贴附在偶极子臂6上，以增加其与偶极子臂6的接触面，并且其经过设在反射板2上通孔8的面积大于馈电巴伦7的横截面面积。

结合图2与图3所示，本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例是在上述的基础之上，将第一天线介质板3与第二天线介质板4呈十字形相互交叉固定，其目的为使其在安装时更易实现上述的与矩形齿状围栏9的两条对角线相平行或重合；且第一天线介质板3与第二天线介质板4之间固定的方式为在第一天线介质板3的上方中心处与第二天线介质板4的下方中心处设置有相互配合的开口10；所述第一天线介质板3与第二天线介质板4交叉固定后其上端面与下端面齐平，即如图1所示出的形式。基于前述所提到的第一天线介质板3与第二天线介质板4的结构，更加优选的实施方式是将它们的几何大小设置为完全相同。另外，上述所提到的偶极子臂6在本实施例中设置为呈左右对称的T字型；具体的，在本实施例中，使用时可以将第一天线介质板3与第二天线介质板4上的偶极子臂6正负设置，例如将第一天线介质板3与第二天线介质板4其中一面上的偶极子臂6为设置为正负45度；进一步来说偶极子臂6比较简单的方式是直接印制在第一天线介质板3与第二天线介质板4上。

再次参考图2与图3所示，所述谐振装置的作用是在受到来自于微带馈电线22结合馈电巴伦7与偶极子臂6耦合而来的电磁场时，产生高频谐振，与齿状围栏9的低频谐振相配合，通过双谐振效应可进一步展宽天线带宽，其具体的适时方式可采用能产生谐振的各类装置，而发明人在具体实验过程中，认为比较优选的一种谐振装置结构是在第一天线介质板3与第二天线介质板4的上端与两侧的边缘固定寄生金属条11。

图8示出了偶极子天线结构的结构示意图，本发明与上述不同类型的另一个实施例是一种宽带宽波束双极化偶极子天线，其包括多个本发明上述的实施例中所记载的天线单元13，而在本实施例的一种实施方式中，以将天线单元设置为十个为例进行说明，并且将这十个天线单元13呈线型排列，且其上方设置有两组不同极化的输入端口12，例如图5所示出的四个输入端口12，每个输入端口12通过微带功分器接入五个天线单元13；输入端口12用于以微带馈电线22通过微带功分器向馈电巴伦7输入馈电，微带馈电线22与反射板2上的通孔8相连接，并与反射板2上的馈电介质层21形成电磁场过度结构，电磁波通过微带馈电线22传输至所述通孔8，再通过该通孔8将电磁波过渡至馈电巴伦7，进而通过馈电巴伦7向对应极化的偶极子臂6馈电。

基于本发明的上述实施例，优选的技术方案是将微带功分器也设置在反射板2的底部，其一端通过反射板2底部的微带馈电线22接入各个天线单元13中反射板2上设置的通孔8，另一端接入输入端口12。

图5中的其中两个输入端口同时馈电实现正45度极化辐射，另外两个输入单口同时馈电实现负45度极化辐射。天线运行过程为：电磁波从微带功分器输入端口馈入，通过微带功分器的路径后，按比例向每个天线单元13馈电，从而各个单元同时工作，形成阵列波束。对于天线单元，电磁波通过背面的微带馈电线22传输至通孔6处后，又过渡至馈电巴伦7的输入端。在馈电巴伦7上传输至两个偶极子臂的中间开槽处又耦合至偶极子臂。偶极子臂产生谐振（谐振越强，阻抗匹配越好，能量天线结构中反射回去的越小，辐射出去的越多），从而电磁波通过偶极子臂辐射出去。辐射的部分电磁波又耦合至上面的寄生金属横条，再从横条辐射出去。偶极子臂稍长，谐振在低频段，而寄生金属横条谐振在高频段。此双谐振效应展宽了天线工作频带范围。偶极子臂周围的寄生金属纵条用于控制方向图形状，锯齿状金属围栏一方面相当于金属反射板的纵向延伸，进一步拉宽波束。一方面这样的电磁波散射结构有利于进一步改善天线阻抗匹配，增加了工作带宽。

而宽带宽波束双极化偶极子天线工作频段覆盖3G至4G整个频段，主要应用于有宽波束要求的第四代移动通信系统基站的应用场合。基站天线多为正负45度极化，以此系统多提供一个通道，提高系统容量。宽波束主要用于基站天线要求工作覆盖范围广的场合，如郊区那些小区范围较大的地方。基站天线希望将更多的能量辐射至地面，波束需要下倾。但波束下倾时副瓣升高会降低天线增益，副瓣需要抑制。这些功能可通过不等分功率、各端口相位依次递变的微带功分器实现。

本发明的发明人在其实验过程中，基于本发明思想设计出的宽带宽波束双极化偶极子天线单元回波损耗实测结果参考图5所示，在回波损耗小于-15.6dB（对应电压驻波比1.4）的情况下，两个端口的相对带宽均达到51.1%（1.6GHz～2.7GHz）。隔离度实测结果参考图6所示，在工作频带1.71GHz～2.69GHz内，隔离度均达到-30dB以下。当微带馈电线22馈电时，天线的水平面半功率波瓣宽度实测结果图7所示，在工作频带内，波束宽度均达到90度以上。

更进一步的，基于本发明的思想设计出的宽带宽波束双极化偶极子天线的回波损耗仿真曲线图如图9所示，在工作频带1.71GHz～2.69GHz内，电压驻波比均小于1.5。其隔离度仿真曲线图如图10所示，在工作频带1.71GHz～2.69GHz内，同极化端口间隔离度达到-28dB以下，交叉极化端口间隔离度达到-17dB以下。

当宽带宽波束双极化偶极子天线在+45度极化端口馈电时，其组阵面方向如图11所示，而正如图11所示出的，本发明上述实施例中的十个天线单元的宽带宽波束双极化偶极子阵列在波束下倾10度时具有良好的低副瓣特性。当宽带宽波束双极化偶极子天线在+45度极化端口馈电时，其水平面方向图参见图12所示，本发明上述实施例中的十个天线单元宽带宽波束双极化偶极子阵列在波束下倾10度时具有良好的宽波束特性。

还需要说明的是，在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种宽带宽波束双极化偶极子天线单元，包括天线罩板（1）、反射板（2）以及呈交叉固定的第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4），所述的第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）安装在反射板（2）上，且所述天线罩板（1）由至少三个支撑柱（5）支撑并置于反射板（2）以及第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）的上方；其特征在于：所述反射板（2）的上部设置有馈电介质层（21），底部设置有若干微带馈电线（22），所述第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）的其中一面上均设有偶极子臂（6），第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）的边缘上还设有谐振装置；所述的偶极子臂（6）均通过馈电巴伦（7）与所述微带馈电线（22）相连接，且馈电巴伦（7）经过设在反射板（2）上与其相配合的通孔（8），所述的馈电巴伦（7）的其中一段贴附在偶极子臂（6）上；所述第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）的外部还设有齿状围栏（9），所述齿状围栏（9）与呈交叉固定的第一天线介质板（3）、第二天线介质板（4）之间保持间隙，并且也安装在反射板（2）上。

2.根据权利要求1所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）呈十字形交叉固定，且第一天线介质板（3）的上方中心处与第二天线介质板（4）的下方中心处设置有相互配合的开口（10）；所述第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）交叉固定后其上端面与下端面齐平。

3.根据权利要求1所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）的几何大小完全相同；所述馈电巴伦（7）的其中一段呈弯折的贴附在偶极子臂（6）上，且其经过设在反射板（2）上通孔（8）的面积大于馈电巴伦（7）的横截面面积。

4.根据权利要求1所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的偶极子臂（6）呈左右对称的T字型；所述的谐振装置是固定在第一天线介质板（3）、第二天线介质板（4）上端与两侧边缘的寄生金属条（11）。

5.根据权利要求1或4所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的第一天线介质板（3）与第二天线介质板（4）其中一面上设置的偶极子臂（6）为正负45度。

6.根据权利要求1所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的齿状围栏（9）整体呈矩形状，且其上方还设有多个矩形齿（91），且每个矩形齿（91）的间距都相等。

7.根据权利要求6所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的相互交叉固定的第一天线介质板（3）、第二天线介质板（4）分别与矩形齿状围栏（9）的两条对角线相平行或重合。

8.根据权利要求1或6所述的宽带宽波束双极化偶极子天线单元，其特征在于：所述的齿状围栏（9）的下方还设置有呈90度弯折的固定脚（92），齿状围栏（9）通过该固定脚（92）以焊接或螺钉的方式固定在反射板（2）上。

9.一种宽带宽波束双极化偶极子天线，其特征在于：其包括多个权利要求1至8所述的天线单元（11），所述多个天线单元（11）呈线型排列，且其上方至少设置有两个不同极化的输入端口（12），每个输入端口（12）通过微带功分器至少接入五个所述天线单元（13）；所述的输入端口（12）用于以微带馈电线（22）通过微带功分器向馈电巴伦（7）输入馈电，微带馈电线（22）与反射板（2）上的通孔（8）相连接，并与反射板（2）上的馈电介质层（21）形成电磁场过度结构，电磁波通过微带馈电线（22）传输至所述通孔（8），再通过该通孔（8）将电磁波过渡至馈电巴伦（7），进而通过馈电巴伦（7）向对应极化的偶极子臂（6）馈电。

10.根据权利要求9所述的宽带宽波束双极化偶极子天线，其特征在于：所述的微带功分器也设置在反射板（2）的底部，其一端通过反射板（2）底部的微带馈电线（22）接入各个天线单元（13）中反射板（2）上设置的通孔（8），另一端接入输入端口（12）。

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