CN103050770B - 一种宽带lte组合振子天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带LTE组合振子天线单元，在介电常数为2-20范围内的介质衬底上，分别设计组合振子单元、馈电片和馈电器，其中的组合振子单元由振子单元、扇环形单元和寄生枝节构成，馈电器为共面波导到边缘相切双面带线的转换结构，组合振子单元和馈电器通过馈电片和金属化过孔连接在一起。最终使用时，宽带LTE组合振子天线单元安装在金属反射板上，通过同轴线接头与其他电路部件连接在一起。通过调整振子单元、扇环形单元、寄生枝节、馈电片和馈电器的尺寸参数，实现1.92-3.6GHz频段的宽带定向辐射特性；结构简单且便于制作，馈电器和辐射单元完全集成在一块印刷板上，无需附加其他馈电部件和机械构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带LTE组合振子天线单元，属于无线通信技术领域。
背景技术
LTE(Long Term Evolution，长期演进)是第三代移动通信（3G）的演进技术，也是准第四代移动通信（3.9G）的代表性技术之一。LTE技术的可用频段较多，目前我国将分配给LTE系统的频段可能包括1.92-2.17GHz，2.3-2.4GHz，2.5-2.7GHz和3.4-3.6GHz。常规移动通信基站中的扇区天线单元，通常都是半波振子天线的变形种类，也有少数为贴片天线的变形种类，这些天线的工作带宽一般较窄，不能覆盖如此宽的工作频段。如果分别对这些频段开发相应的天线单元和阵列，LTE系统的收发天线将变得非常复杂，成本也将显著上升，不利于系统实现与运营。因此，必须研制一种能同时覆盖上述频段、具有定向辐射特性的新型宽带天线单元，不仅有助于进一步研制同样频段上的高性能双极化室外/室内扇区天线阵列，还有助于降低天线系统复杂度和制作成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是LTE天线单元的宽带化设计，提出一种具有宽带特性且便于制作实现的组合振子天线单元，该天线在1.92-3.6GHz频段内具有稳定的定向辐射特性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种宽带LTE组合振子天线单元，包括设置在介质衬底上的组合振子单元和馈电器；其中：所述组合振子单元由扇环形单元、一对振子单元和一对寄生枝节组成，其中所述一对振子单元、一对寄生枝节均分别通过一对馈电片与扇环形单元的两端连接成一体，形成组合振子单元（2）的两个端口；
所述馈电器为传输线转换结构，由共面波导段、渐变过渡段和边缘相切双面带线段组成；其中所述共面波导段包括第一屏蔽导体和第一中心导体；所述渐变过渡段包括第二屏蔽导体、第二中心导体、过渡连接段和底层Y型枝节；所述边缘相切双面带线段包括顶层导体和底层导体；
其中，所述第一屏蔽导体与第二屏蔽导体连接，第一中心导体和第二中心导体的一端连接，所述渐变过渡段的过渡连接段将第二中心导体的另一端和所述边缘相切双面带线段的顶层导体的一端连接在一起，所述边缘相切双面带线段的底层导体的一端与渐变过渡段的底层Y型枝节的集结点相连接；所述边缘相切双面带线段的顶层导体的另一端与组合振子单元的一端连接，所述边缘相切双面带线段的底层导体的另一端通过金属化过孔组合振子单元的另一端相连接。
优选的，本发明的一种宽带LTE组合振子天线单元，扇环形单元的张角在90-180度范围之内。
优选的，本发明的一种宽带LTE组合振子天线单元，馈电片水平线与扇环形单元一臂的夹角为120-175度范围，馈电片之间的距离在0.3-1.5毫米范围之内。
优选的，本发明的一种宽带LTE组合振子天线单元，馈电器的边缘相切双面带线段与共面波导段的特性阻抗比在1.8:1-2.2：1范围之内。
优选的，本发明的一种宽带LTE组合振子天线单元，渐变过渡段的Y型枝节与水平线的夹角（15）在15-30度范围之内。
优选的，本发明的一种宽带LTE组合振子天线单元，介质衬底的介电常数范围为2-20。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：能完全覆盖1.92-3.6GHz的LTE频段，具有稳定的定向辐射特性和较高的增益；结构简单且便于制作，馈电器和辐射单元完全集成在一块印刷板上，无需附加其他馈电部件和机械构件。
附图说明
图1是宽带LTE组合振子天线单元的整体结构示意图。
图2是组合振子单元的结构示意图。
图3是馈电器的整体与分层结构示意图。其中图3(a)是馈电器的整体结构示意图；图3(b)和图3(c)分别是馈电器的顶层、底层结构示意图。
图4是宽带LTE组合振子天线单元与金属反射板、同轴线接头的连接示意图。
图5是实测的宽带LTE组合振子天线单元驻波比频率特性曲线。
图6是实测的宽带LTE组合振子天线单元在三个频点上的方向图。其中图6-a、图6-b、图6-c分别为频点1.98GHz、2.3GHz和2.6GHz的H面方向图，图6-d、图6-e、图6-f分别为频点1.98GHz、2.3GHz和2.6GHz的E面方向图。
图中标号：1是介质衬底，2是组合振子单元，3是馈电器，31是金属化过孔，4是扇环形单元，5是振子单元，6是寄生枝节，7是馈电片，8是扇环形单元的张角，9是馈电片之间的距离，10是馈电片水平线与扇环形单元一臂的夹角，11是馈电器的共面波导段，111是共面波导段的屏蔽导体，112是共面波导段的中心导体，12是馈电器的渐变过渡段，121是渐变过渡段的屏蔽导体，122是渐变过渡段的中心导体，123是渐变过渡段的过渡连接段，13是馈电器的边缘相切双面带线段，131是边缘相切双面带线段的顶层导体，132是边缘相切双面带线段的底层导体，14是馈电器的渐变过渡段的Y型枝节，15是渐变过渡段的Y型枝节与水平线的夹角，16是金属反射板，17是同轴线接头的外导体，18是同轴线接头的内导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明的结构是：宽带LTE组合振子天线制作在介质衬底1的顶层和底层上，由组合振子单元2和馈电器3构成。组合振子天线单元最终安装在金属反射板上，通过同轴线接头实现与其他电路部件的互连。
如图2所示，组合振子单元2由扇环形单元4、一对振子单元5和一对寄生枝节6组成，通过一对馈电片7连接成一体。根据电磁场基本理论，振子单元和寄生枝节等效为电偶极子天线单元，扇环形单元等效为磁偶极子天线单元，两者电磁特性的互补组合，将有助于显著增加天线的阻抗带宽；通过控制扇环形单元的张角8、一对馈电片之间的距离9和馈电片水平线与扇环形单元一臂的夹角10，可以实现组合振子单元输入阻抗的调整。
如图3(a)所示，馈电器为共面波导到边缘相切双面带线的转换结构；馈电器3包括馈电器的共面波导段11、馈电器的渐变过渡段12和馈电器的边缘相切双面带线段13。如图3(b)及图3(c)所示，其中馈电器的共面波导段11包括共面波导段的屏蔽导体111和共面波导段的中心导体112，馈电器的渐变过渡段12包括渐变过渡段的屏蔽导体121、渐变过渡段的中心导体122、渐变过渡段的过渡连接段123和馈电器的渐变过渡段的Y型枝节14，馈电器的边缘相切双面带线段13包括边缘相切双面带线段的顶层导体131和边缘相切双面带线段的底层导体132；所述的共面波导段的屏蔽导体111和共面波导段的中心导体112，分别与渐变过渡段的屏蔽导体121和渐变过渡段的中心导体122直接连接，渐变过渡段的过渡连接段123将渐变过渡段的中心导体122和边缘相切双面带线段的顶层导体131连接在一起，馈电器的渐变过渡段的Y型枝节14与边缘相切双面带线段的底层导体132连接在一起，Y型枝节与水平线之间构成渐变过渡段的Y型枝节与水平线的夹角15。结合图1所示，边缘相切双面带线段的顶层导体131与组合振子单元2的一端直接连接，边缘相切双面带线段的底层导体132则通过金属化过孔31与组合振子单元2的另一端连接在一起。
如图4所示，最终的宽带LTE组合振子天线需要安装在金属反射板16上，金属反射板16与馈电器3的共面波导段的屏蔽导体111连接在一起，同时也与同轴线接头的外导体17连接在一起，同轴线接头的内导体18则与馈电器3的共面波导段的中心导体112连接在一起。金属反射板16的形状可以为任意平面或立体形状。
对照附图1-4，附图5给出了介质衬底1按照相对介电常数为3.38、厚度为0.508毫米，扇环形单元的夹角8按照150度，馈电片水平线与扇环形单元一臂的夹角10按照150度，馈电片之间的距离9按照0.6毫米，馈电器3的边缘相切双面带线与共面波导的特性阻抗比为2：1，金属反射板16按照直径为150毫米的圆形实施时，实测所得的天线驻波比频率特性曲线。在1.92GHz-3.6GHz频段上，天线的驻波比低于1.5，表明天线具有良好的匹配特性。
附图6给出了1.98GHz、2.3GHz和2.6GHz三个频点上测得的天线方向图，其中图6-a、图6-b、图6-c分别为1.98GHz、2.3GHz和2.6GHz的H面方向图，图6-d、图6-e、图6-f分别为1.98GHz、2.3GHz和2.6GHz的E面方向图。图中的实线表示主极化分量，虚线表示交叉极化分量。从图6可见，天线具有稳定的定向辐射特性，方向图主瓣内的交叉极化电平低于-10dB。表1给出了对应频点上测得的天线增益，可见平均增益在8dBi以上。
表1
| 频率（GHz） | 1.98 | 2.3 | 2.6 | 3.6 |
| 增益（dBi） | 8.5 | 8.3 | 8.6 | 8.0 |
因此，本发明解决了LTE系统中宽带定向天线单元的设计问题，满足了LTE室内外基站天线单元的设计需要。本发明既可用于实现双极化LTE室外基站扇区天线，又可以用作LTE室内分布系统的定向天线，在LTE系统中有广泛的应用前景。
Claims (6)
1.一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：包括设置在介质衬底（1）上的组合振子单元（2）和馈电器（3）；其中：所述组合振子单元（2）由扇环形单元（4）、一对振子单元（5）和一对寄生枝节（6）组成，其中所述一对振子单元、一对寄生枝节均分别通过一对馈电片（7）与扇环形单元的两端连接成一体，形成组合振子单元（2）的两个端口；
所述馈电器（3）为传输线转换结构，由共面波导段（11）、渐变过渡段（12）和边缘相切双面带线段（13）组成；其中所述共面波导段（11）包括第一屏蔽导体（111）和第一中心导体（112）；所述渐变过渡段（12）包括第二屏蔽导体（121）、第二中心导体（122）、过渡连接段（123）和底层Y型枝节（14）；所述边缘相切双面带线段（13）包括顶层导体（131）和底层导体（132）；
其中，所述第一屏蔽导体（111）与第二屏蔽导体（121）连接，第一中心导体（112）和第二中心导体（122）的一端连接，所述渐变过渡段的过渡连接段（123）将第二中心导体（122）的另一端和所述边缘相切双面带线段的顶层导体（131）的一端连接在一起，所述边缘相切双面带线段的底层导体（132）的一端与渐变过渡段的底层Y型枝节（14）的集结点相连接；所述边缘相切双面带线段的顶层导体（131）的另一端与组合振子单元（2）的一端连接，所述边缘相切双面带线段的底层导体（132）的另一端通过金属化过孔（31）与组合振子单元（2）的另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：所述扇环形单元（4）的张角（8）在90-180度范围之内。
3.根据权利要求1所述的一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：所述一对馈电片之间的距离（9）在0.3-1.5毫米范围之内，馈电片的水平线与扇环形单元一臂的夹角（10）在120-160度范围之内。
4.根据权利要求1所述的一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：所述馈电器（3）中的边缘相切双面带线段与共面波导段的特性阻抗比在1.8:1至2.2：1范围之内。
5.根据权利要求1所述的一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：所述渐变过渡段的Y型枝节与水平线之间构成一个夹角（15），所述夹角（15）在15-30度范围之内。
6.根据权利要求1所述的一种宽带LTE组合振子天线单元，其特征在于：所述介质衬底（1）的相对介电常数范围为2-20。
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