CN103490174A

CN103490174A - 一种宽带圆极化基站天线

Info

Publication number: CN103490174A
Application number: CN201310440160.3A
Authority: CN
Inventors: 李融林; 崔悦慧; 莫小龙; 全旭林
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化基站天线，包括天线辐射单元、馈电结构和反射板，所述天线辐射单元通过馈电结构固定在反射板上，所述馈电结构垂直放置于天线辐射单元和反射板之间，所述天线辐射单元包括主辐射环、寄生环和辐射单元介质基板。本发明采用环状结构在恰当位置开槽实现了圆极化，用寄生环增强圆极化带宽，用微带-缝隙耦合馈电获取宽阻抗带宽，同时该圆极化天线的辐射方向图稳定、增益达9dBi，适用于移动通信基站天线。

Description

一种宽带圆极化基站天线

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种宽带圆极化基站天线。

背景技术

在无线系统中，基站可看作一个无线调制解调器，作为收发台负责移动信号的接收、发送处理。基站天线是基站的重要组成部分。传统的基站天线都是线极化天线，包括垂直极化基站天线、垂直水平双极化天线、±45°双极化基站天线。当信号经由线极化天线发送和接收时，需要极化匹配,才能实现较好的接收效果。电磁波在传播时，会发生反射、衍射和散射作用，使其极化发生改变，且移动通信中的接收天线的位置是不确定的，导致发射天线与接收天线因极化失配造成损耗。圆极化天线（Circularly Polarized Antenna）可避免发射天线与接收天线因极化不匹配造成的损耗。电磁波的极化可分为线极化、椭圆极化和圆极化三类，其中圆极化可作为椭圆极化的特殊情况。任意极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，尤其对于线极化波来说，可以分解为两个幅值相等,但旋向相反的圆极化波，因此，任意极化的电磁波均可被圆极化天线接收；反之，圆极化波也可以分解为二个正交的线极化波，圆极化天线发射的电磁波也可被任意极化天线接收，在圆极化基站系统中，通信质量可不受发射天线和接收天线摆放方式的影响，可避免极化失配。

另外，天线若辐射左旋圆极化波,则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波;反之亦然，这称为圆极化天线的旋向正交性，在移动通信的极化分集工作中可以利用圆极化天线的旋向正交性提高通信容量。圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等）时，旋向发生逆转，圆极化天线应用于移动通信中能抑制雨雾干扰和对抗多径反射，实现频率复用，增大系统容量，提高通信质量。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种宽带圆极化基站天线。

本发明采用如下技术方案：

一种宽带圆极化基站天线，包括天线辐射单元、馈电结构和反射板，所述天线辐射单元通过馈电结构固定在反射板上，所述馈电结构垂直放置于天线辐射单元和反射板之间。

所述天线辐射单元包括主辐射环、寄生环和辐射单元介质基板，所述主辐射环和寄生环印刷在辐射单元介质基板上，所述寄生环嵌套于主辐射环的留白空间。

所述馈电结构包括微带线、缝隙、金属地板和馈电结构介质基板，所述微带线印刷于馈电结构介质基板正面，所述金属地板印刷在馈电结构介质基板背面，金属地板开有缝隙，所述缝隙和金属地板形成开槽地板。

所述微带线包括第一匹配段、第二耦合段和第三匹配段，所述第一匹配段和第三匹配段分别垂直于第二耦合段，所述第一匹配段长为0.1λ₀～0.3λ₀，其特性阻抗为50Ω，第三匹配段长为0.02λ₀～0.1λ₀，其特性阻抗为50Ω，λ₀为136.4mm。

所述主辐射环由上长方形环和下长方形环构成，所述上长方形环的下边和下长方形环的上边重合构成焊接横边。

所述上长方形环的右侧边的中下端开有第一槽，所述下长方形环的左侧边的中上端开有第二槽，所述第一槽与第二槽关于主辐射环中心对称。

所述寄生环包括两个长方形寄生环，分别为第一寄生环和第二寄生环，所述第一寄生环在右侧边的中下端开有第三槽，所述第二寄生环在左侧边的中上端开有第四槽，所述第三槽与第四槽关于主辐射环中心对称。

所述馈电结构的高度0.1λ₀～0.5λ₀，λ₀为136.4mm。

所述反射板为带侧边的结构。

所述焊接横边中心开有十字形缝。

所述缝隙末端带有圆孔。

本发明的有益效果：

本发明天线辐射单元采用开槽环，只需要一个馈点就实现了圆极化，结构简单；

采用寄生环，增强了轴比带宽，覆盖1.7-2.7GHz；馈电结构为一印刷宽带巴伦，天线带宽可完全覆盖1.71-2.69GHz，真正意义上实现了宽带化；

在整个工作频带上，水平面0-30°范围内轴比性能保持在3dB内；采用带有侧边反射板，实现了65±5°的水平面半功率波束宽度，增益可达9dBi；

该天线在组成基站天线阵列时，单元间距可用最高频率的一个波长而在高频不出现栅瓣，垂直面方向图稳定。

附图说明

图1是本发明一种宽带圆极化基站天线的结构图；

图2是本发明一种宽带圆极化基站天线的俯视图；

图3是本发明一种宽带圆极化基站天线的前视剖面图；

图4是本发明一种宽带圆极化基站天线的左视剖面图；

图5是本发明一种宽带圆极化基站天线的带宽图；

图6是本发明一种宽带圆极化基站天线的轴比图；

图7是本发明一种宽带圆极化基站天线在1.7GHz辐射方向图；

图8是本发明一种宽带圆极化基站天线在2.2GHz辐射方向图；

图9是本发明一种宽带圆极化基站天线在2.7GHz辐射方向图。

图中示出：

1-天线辐射单元；2-馈电结构；3-反射板；4-主辐射环；5A-上长方形环；5B-下长方形环；6A-第一寄生环；6B-第二寄生环；8-辐射单元介质基板；9-焊接横边；10-微带线；11-缝隙；12-金属地板；13-馈电结构介质基板；14A-第一匹配段；14B-第二耦合段；14C-第三匹配段；15-十字形缝。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图4所示，一种宽带圆极化基站天线，包括天线辐射单元1、馈电结构2和反射板3，所述天线辐射单元1通过馈电结构2固定在反射板3上，所述馈电结构2垂直放置于天线辐射单元1和反射板3之间，具体为：馈电结构上端与天线辐射单元的中心焊接，馈电结构下端与反射板中心焊接。

如图2所示，所述天线辐射单元1包括主辐射环4、寄生环和辐射单元介质基板8，所述主辐射环4和寄生环印刷于辐射单元介质基板8上，所述寄生环嵌套于主辐射环4的留白空间，所述留白空间为主辐射环内的空白区域。

本实施例中辐射单元介质基板8采用高频板材RO4350B，厚度0.76mm，相对介电常数3.48。

所述主辐射环4由上长方形环5A和下长方形环5B构成，上长方形环的下边和下长方形环的上边重合构成焊接横边9，所述寄生环包括第一寄生环6A及第二寄生环6B，所述第一寄生环6A放置于上长方形环5A的留白空间，第二寄生环6B放置于下长方形环5B的留白空间内，所述寄生环的周长为0.3λ₀～0.9λ₀，所述上长方形环5A的右侧边的中下端开有第一槽，所述下长方形环5B的左侧边的中上端开有第二槽，所述第一槽与第二槽关于主辐射环的中心对称。

所述第一寄生环6A在右侧边的中下端开第三槽，所述第二寄生环6B在左侧边的中上端开第四槽，并关于主辐射环的中心对称。

所述上长方形环5A和下长方形环5B的纵横比（长边与短边的比例）范围为0.1-1，所述上长方形环5A和下长方形环5B的周长范围为0.5λ₀～1.5λ₀。

本实施例的长方形环的周长为159mm，约为1.17λ₀，上长方形环5A的右侧开第一槽，与焊接横线9相距6mm，槽线长3mm；下长方形环5B的左侧开第二槽，与焊接横线9相距6mm，槽线长3mm；本实施例的寄生环周长为83mm，第一寄生环6A在右侧边的中下端开槽，槽位距离寄生环6A右侧中点4.05mm，长度1.7mm；第二寄生环6B在左侧边的中下端开槽，槽位距离寄生环6B左侧中点4.05mm，长度1.7mm。

本发明主辐射环和寄生环均有开槽来实现圆极化辐射，由天线理论可知，在环上适当位置开槽，环天线行波天线可在其轴向方向辐射圆极化波。该圆极化天线的极化旋向由环上缝隙的位置决定，当环的环绕方向与波的传播方向满足左手关系时为左旋圆极化天线，同理当环的环绕方向与波的传播方向满足右手关系时为右旋圆极化天线。

如图3所示，所述馈电结构2包括微带线10、缝隙11、金属地板12和馈电结构介质基板13，所述微带线10印刷在馈电结构介质基板13正面，所述金属地板12印刷在馈电结构介质基板13背面，金属地板12开有缝隙11且和金属地板12形成开槽地板。

所述微带线10包括第一匹配段14A、第二耦合段14B和第三匹配段14C，所述第一匹配段14A和第三匹配段14C分别垂直于第二耦合段14B，所述第一匹配段14A长为0.1～0.3λ₀，其特性阻抗为50Ω，第三匹配段14C长为0.02～0.1λ₀，其特性阻抗为50Ω，λ₀为136.4mm。

本实施例中第一匹配段14A的长度为12mm，宽度为1.2mm，第二耦合段14B长度为8mm，宽度为0.8mm，第三匹配段14C长度为8mm，宽度为0.8mm。

所述缝隙11末端带有圆孔，所述缝隙的长度为15mm，宽度为1mm，圆形半径为1.1mm。

所述开槽地板优选上端突起的形状，便于与天线辐射单元1焊接；主辐射环4的焊接横边9中心开有十字形缝15，缝宽度为1mm，金属地板13上端通过十字形缝与主辐射环4焊接，金属地板12的下端焊接与反射板3中间。

本发明用一个开槽环，实现了圆极化，引入寄生环，放置于主辐射环内，当主辐射环被激励时，寄生环通过耦合作用增强天线的轴比带宽，通过调整主辐射环和寄生环之间的间距，可获得良好的轴比带宽，本实施例中主辐射环和寄生环的间距为6mm。

反射板采用带侧边的结构，本实施例中反射板3长度为160mm，总宽度为140.6mm。反射板3可采用铝板、铜板等板材。反射板3的底板保留平板的宽度为98mm，二侧边向上弯折二次，第一次弯折角度为145°，弯折部分的长度为26mm，第二次弯折角度为125°，弯折部分的长度为3mm。

宽带圆极化基站天线组阵时，单元间距可用115mm（1.04λ_2.7GHz，λ_2.7GHz为110mm），在高频不出现栅瓣，垂直面方向图稳定。

如图5、图6、图7、图8及图9所示，本发明的天线辐射单元采用开槽环，只需要一个馈点就实现了圆极化；采用寄生环，增强了轴比带宽，其轴比带宽可覆盖1.7-2.7GHz；馈电结构为一印刷宽带巴伦，天线带宽可完全覆盖1.71-2.69GHz，真正意义上实现了宽带化；在整个工作频带上，水平面0-30°范围内轴比性能保持在3dB内；采用带有侧边反射板，实现了65±5°的水平面半功率波束宽度，高增益可达9dBi。在组成基站天线阵列时，辐射单元之间的间距可达到110mm(～λ_2.7GHz)，八单元阵列增益可达17dBi。

将圆极化天线推广至移动通信天线领域，可有效解决当前移动通信系统中因天线极化失配导致通信质量降低的问题，有效抵抗多径效应，同时可采用极化分集技术提高系统容量。该圆极化基站天线具有全平面结构，体积小、制作简单、带宽大、辐射方向图稳定、增益高，十分合适用作移动通信基站天线。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，包括天线辐射单元、馈电结构和反射板，所述天线辐射单元通过馈电结构固定在反射板上，所述馈电结构垂直放置于天线辐射单元和反射板之间。

2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述天线辐射单元包括主辐射环、寄生环和辐射单元介质基板，所述主辐射环和寄生环印刷在辐射单元介质基板上，所述寄生环嵌套于主辐射环的留白空间。

3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述馈电结构包括微带线、缝隙、金属地板和馈电结构介质基板，所述微带线印刷在馈电结构介质基板正面，所述金属地板印刷在馈电结构介质基板背面，金属地板开有缝隙，所述缝隙和金属地板形成开槽地板。

4.根据权利要求3所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述微带线包括第一匹配段、第二耦合段和第三匹配段，所述第一匹配段和第三匹配段分别垂直于第二耦合段，所述第一匹配段长为0.1λ₀～0.3λ₀，其特性阻抗为50Ω，第三匹配段长为0.02λ₀～0.1λ₀，其特性阻抗为50Ω，λ₀为136.4mm。

5.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述主辐射环由上长方形环和下长方形环构成，所述上长方形环的下边和下长方形环的上边重合构成焊接横边；

6.根据权利要求2所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述寄生环包括两个长方形寄生环，分别为第一寄生环和第二寄生环，所述第一寄生环在右侧边的中下端开有第三槽，所述第二寄生环在左侧边的中上端开有第四槽，所述第三槽与第四槽关于主辐射环中心对称。

7.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述馈电结构的高度0.1λ₀～0.5λ₀，所述λ₀为136.4mm。

8.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述反射板为带侧边的结构。

9.根据权利要求5所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述焊接横边中心开有十字形缝。

10.根据权利要求3所述的一种宽带圆极化基站天线，其特征在于，所述缝隙末端带有圆孔。