CN103633422A - 采用非对称振子的天线振子单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用非对称振子的天线振子单元，包括：第一振子臂对，其包括第一振子臂和第二振子臂；第二振子臂对，其包括第三振子臂和第四振子臂；馈电模块，第一、第二振子臂对通过馈电模块连接至射频设备；其中，第一、第二振子臂对相互正交，并且第一和／或第二振子臂对为非对称结构。本发明通过非对称结构的振子天线，进而补偿因馈电方式导致的馈电不平衡，使得非对称振子天线的水平方向图对称，提高了交叉极化鉴别率。另外，因为将振子和其馈电点／片作为一个整体进行设计，避免了对进行天线额外的补偿，从而提供对称的辐射方向。采用本发明的非对称振子天线，可以减少隔离墙的使用，降低了成本。

Description

采用非对称振子的天线振子单元

技术领域

本发明概括而言涉及无线通信领域，更具体而言，涉及一种采用非对称振子的天线振子单元。

背景技术

目前，在通信网络建设和维护工作中，如何解决网络高话务量密度区的容量和干扰问题，提高全网的接通率，降低掉话率和提高通话质量，已经成为近期工作的重点和难点。采用合适的天线技术将是能够有效地控制覆盖范围，降低同频干扰和改善手机信号的接收效果的方法之一。

图1所示为现有的双极化基站天线单元，由其组合成阵列，形成+45°和-45°方向相互正交的双极化天线阵，同时工作在收发双工模式下。基站天线由振子组阵构成，每个振子包括4个振子臂11、12、13和14，其中两个以+45度极化方向工作，另外两个以-45度极化方向工作。通常地，作为基站天线的振子的辐射单元，这四个振子臂的长度相同且形状也相同。当前，在基站天线的设计中，往往要求方向图(Azimuth pattern)尽可能地对称，以得到较好的小区容量和覆盖，并使得从一个小区到另外一个小区的不必要的分散辐射最小化，从而提升小区覆盖的效果。设计与使用方向图对称的天线阵列的另外一个关键原因是交叉极化鉴别率(cross polarization discrimination，简称XPD)会随着对称性的提升而提升。

图1显示了现有技术中的对称的天线振子单元的示例。因为振子馈电的不平衡，由这些对称振子组成的阵列的水平方向图将不对称，进而造成较低的交叉极化鉴别率。

图2a为现有技术中，采用隔离墙和对称的天线振子单元的阵列示意图。虽然采用隔离墙21可以有效实现方向图的对称，但是采用隔离墙21后，天线系统具有以下缺点：(1)隔离墙21影响振子22的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)，如此造成阻抗不匹配，还影响整个天线阵列的VSWR；(2)隔离墙21干扰其附近的振子22的幅度和相位的分布，这将导致垂直面上的旁瓣电平较高，对相邻小区产生干扰；(3)安装隔离墙21，需要增加人力物力，增加了成本；还会导致互调信号的产生，对系统造成干扰；(4)由于隔离墙21的数量较大，加之加工过程中的不确定性，给天线系统的工作带来了不稳定性。

另外，隔离墙21对阵列中单个振子22的阻抗存在影响，如图2b、2c所示。图2b为现有技术中未采用隔离墙对阻抗造成影响的示意图；图2c为现有技术中采用隔离墙对阻抗造成影响的示意图。由图2c可知，采用隔离墙21后，阻抗曲线会比较发散，在应用中难以调试。

因此，亟需一种稳定性高、经济的天线系统。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种采用非对称振子的天线振子单元。

根据本发明的第一个方面，提供了一种第一振子臂对，其包括第一振子臂和第二振子臂；第二振子臂对，其包括第三振子臂和第四振子臂；馈电模块，所述第一、第二振子臂对通过所述馈电模块连接至射频设备；其中，所述第一、第二振子臂对相互正交，并且所述第一和／或第二振子臂对为非对称结构。

根据本发明的一个实施例，从所述馈电模块到所述第一振子臂末端的电长度小于从所述馈电模块到所述第二振子臂末端的电长度，其中，所述第一振子臂的末端处设有第一金属棒，用于增大所述第一振子臂的有效电长度，其中，所述第一振子臂的有效电长度为所述第一金属棒对应的电长度与所述第一振子臂的电长度之和；和／或从所述馈电模块到所述第三振子臂末端的电长度小于从所述馈电模块到所述第四振子臂末端的电长度，其中，所述第三振子臂的末端处设有第二金属棒，用于增大所述第三振子臂的有效电长度，其中，所述第三振子臂的有效电长度为所述第二金属棒对应的电长度与所述第三振子臂的电长度之和。

根据本发明的一个实施例，所述第一振子臂的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长；和／或所述第三振子臂的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一振子臂的电长度等于所述第二振子臂的电长度，其中，所述第一振子臂的臂长比所述第二振子臂长；和／或所述第三振子臂的电长度等于所述第四振子臂的电长度，其中，所述第三振子臂的臂长比所述第四振子臂长。

根据本发明的一个实施例，所述第一、第二振子臂的长度之差小于等于八分之一波长；和／或所述第三、第四振子臂的长度之差小于等于八分之一波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一振子臂的电长度小于所述第二振子臂的电长度，所述第三振子臂的电长度小于所述第四振子臂的电长度，所述馈电模块包括至少两个馈电片，所述第一、第二振子臂对利用馈电片，通过耦合方式进行馈电；其中，所述第一、第三振子臂的末端分别设有第一、第三金属吊角，用于增大所述第一、第三振子臂的有效电长度。

根据本发明的一个实施例，所述第一金属吊角有效电长度与所述第一振子臂的有效电长度之和大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长；以及所述第二金属吊角的馈电有效距离与所述第三振子臂的馈电有效距离之和大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。

根据本发明的一个实施例，所述半波振子天线由金属制成；或者由金属附着在非金属上来实现。

本发明通过设计非对称结构的振子天线，进而补偿因馈电方式导致的馈电不平衡，使得非对称振子天线的水平方向图对称，提高了交叉极化鉴别率。另外，因为将振子和其馈电点／片作为一个整体进行设计，避免了对进行天线额外的补偿，从而提供对称的辐射方向。采用本发明的非对称振子天线，可以减少隔离墙的使用，降低了成本。

附图说明

通过以下参考下列附图所给出的本发明的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1为现有技术中对称的天线振子单元的示意图；

图2a为现有技术中，采用隔离墙和对称的天线振子单元的阵列示意图；

图2b为现有技术未采用隔离墙对阻抗造成影响的示意图；

图2c为现有技术采用隔离墙对阻抗造成影响的示意图；

图3a为依据本发明一个实施例的非对称振子顶端示意图；

图3b为依据本发明一个实施例的非对称振子整体示意图；

图3c为本发明实施例的另一种实现方式；

图3d为本发明实施例的另一种实现方式；

图4a为现有技术中对称振子单元的方向图的仿真图；

图4b为依据本发明一个实施例的非对称振子单元的仿真示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

现有技术中，由于馈电造成天线振子单元的方向图不对称，实质上是每个振子臂在传输电磁波时的电长度不一致。电长度是传输线的物理长度与传输波长(在传输线中)的比值。譬如说，物理长度为1m的传输线，对于波长分别为10cm和1cm的两个电磁波，电长度分别为10和100，也就是说：在一米的传输线上波长为10cm的波变化了10个周期，而波长为1cm的波变化了100个周期。显然，相同物理长度上电磁波变化越频繁，电长度越大。换句话说，在传输同一电磁波的条件下，电长度由振子的臂长以及馈电点至振子臂的距离决定。

图3a为依据本发明一个实施例的非对称天线振子单元的顶端示意图。振子30制作于PCB板上，其包含第一振子臂对和第二振子臂对，该两个振子臂对呈正负45°正交。第一振子臂对包括振子臂31和32，第二振子臂对包括振子臂33和34，振子臂31和32的形状相互对称，同样，振子臂33和34的形状相互对称。

图3b为依据本发明一个实施例的非对称振子整体示意图。本实施例中，采用线缆35a、36a分别向振子30馈电，线缆和振子臂连接处即为馈电点，即馈电点35和馈电点36。第一、第二振子臂对分别通过馈电点35、36连接至射频设备。

在该实施例中，馈电点35离振子臂31的末端较近，馈电点36离振子臂33的末端较近，即馈电点35、36分别被振子臂31、33的轮廓所包围。由上，馈电点35到振子臂31末端的电长度为k*L1，其中，L1为振子臂31的物理长度，k为物理长度与电长度的关联系数。显然，该电长度k*L1小于馈电点35到振子臂32末端的电长度k*L2。同样，馈电点36到振子臂33末端的电长度k*L3小于馈电点35到振子臂34末端的电长度k*L4。因此，第一、第二振子臂对均存在电长度不对称的情形，这将造成天线的水平面方向图不对称。

为了消除因馈电方式造成的方向图的不对称，在本实施例中，在振子臂31和33的末端分别增设长度为L5、L6的金属棒37、38。以振子臂31和金属棒37为例，此时，振子臂31的有效电长度将包括：(1)馈电点35到振子臂31末端的电长度(2)金属棒37所对应的电长度k*L5。因此，金属棒37延长了振子臂31的有效电长度。

显然，当L1+L5≈L2时，振子臂31的有效电长度与振子臂32的电长度相等。同理，振子臂33的有效电长度也因金属棒38而增加，进而与振子臂34的电长度相等。通过调整两个振子臂31、33的有效电长度，使得天线30的方向图对称。振子臂31、33的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。

本领域技术人员可知，在实际应用中，金属棒37(或38)的长度可以根据应用的条件、环境进行适当地调节，进而使得天线的方向图对称。优选的，金属棒37和／或38在振子臂31、33的末端垂直向下或向上，以得到对称性更高的方向图，并且利于加工。

图3c为本发明实施例的另一种实现方式。图3c中的天线的馈电方式与图3b中的天线馈电方式相同，且振子的实现方式也相同，因此其馈电方式和线缆与振子臂的对应关系在此不重复介绍。为了平衡振子臂31与振子臂32有效电长度，图3c中的天线的振子臂32、34的一部分被切除从而来抵消馈电不平衡的影响。被切除的部分可以位于例如振子臂32、34的末端(如虚线所示)，切除后的振子臂32、34的有效电长度分别减少了k*L7、k*L8。如此，如果L1≈L2-L8，则该天线的馈电达到平衡，从而可以使方向图对称。

本领域技术人员可知，在实际应用中，切除部分的大小及形状可以根据应用的条件、环境进行适当地调节，进而使得天线的方向图对称。另外，图3a、3c的振子臂形成在PCB板上，振子臂的形状、大小均可以根据应用的要求进行调整。

图3d为本发明实施例的另一种实现方式。振子40为例如金属压铸天线，其包含第一、第二振子臂对和馈电片组47，相应地，第一振子臂对包括形状对称的振子臂41和42，第二振子臂对包括形状对称的振子臂43和44，馈电片组47由两个馈电片构成，相应地包含两个馈电端47a和耦合端47b。相较于振子臂42、44，馈电端47a更加靠近振子臂41、43，因此每对振子臂的电长度同样存在非对称的问题，这些非对称会造成水平面方向图的非对称。因此，通过在馈电端振子臂，即振子臂41、43的末端向下增设适当长度的例如金属吊角45和46，可以有效弥补非对称馈电引起的方向图畸变。以振子臂41、金属吊角45为例，相较于振子臂42，振子臂41的末端与馈电片组的电长度较小。因此，金属吊角45可以增加振子臂41的有效电长度，此时振子臂41的有效电长度包括振子臂41的末端与馈电片组的电长度和金属吊角45对应的电长度，振子臂41的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。从而，金属吊角45补偿了因馈电方式而造成的振子臂41、42之间的电长度不平衡。根据一个实施例，振子臂末端的金属吊角可以与振子一起压铸成形。

优选的，金属吊角45和／或46在振子臂41、43的末端垂直向下或向上，以得到对称性更高的方向图，并且利于加工。

图4a为现有技术中对称天线振子单元的方向图仿真图；图4b为依据本发明一个实施例的非对称天线振子单元的方向图仿真图。

由从两个仿真图可看出，采用不对称的天线振子单元后，由于非对称振子对振子臂电长度具有调节作用，使得采用非对称的天线振子单元的交叉极化电平下降3dB左右，交叉极化鉴别率提升了3dB，说明天线能够获得的信号正交性变强，两路信号之间的相关性减小，提升了极化效果。

在实际应用中，可以根据应用的需求调节补偿部分(例如，金属吊角、金属棒、切除的部分)的形状、尺寸，以实现振子的馈电平衡。在上述内容中，以两对振子臂均存在馈电不平衡的情况为例，阐述了本发明的内容。实际上，在只有一对振子臂存在馈电不平衡的情况下，也可以采用本发明的结构或思想，即对馈电不平衡的振子臂对进行电长度的补偿或者削减。

本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本发明。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下应用于其它变形。因此，本发明并不限于本文所述的实例和设计，而是与本文公开的原理和新颖性特性的最广范围相一致。

Claims (8)

1.一种采用非对称振子的天线振子单元，其特征在于，包括：

第一振子臂对，其包括第一振子臂和第二振子臂；

第二振子臂对，其包括第三振子臂和第四振子臂；

馈电模块，所述第一、第二振子臂对通过所述馈电模块连接至射频设备；

其中，所述第一、第二振子臂对相互正交，并且所述第一和／或第二振子臂对为非对称结构。

2.如权利要求1所述的天线振子单元，其特征在于，从所述馈电模块到所述第一振子臂末端的电长度小于从所述馈电模块到所述第二振子臂末端的电长度，其中，所述第一振子臂的末端处设有第一金属棒，用于增大所述第一振子臂的有效电长度，其中，所述第一振子臂的有效电长度为所述第一金属棒对应的电长度与所述第一振子臂的电长度之和；和／或

从所述馈电模块到所述第三振子臂末端的电长度小于从所述馈电模块到所述第四振子臂末端的电长度，其中，所述第三振子臂的末端处设有第二金属棒，用于增大所述第三振子臂的有效电长度，其中，所述第三振子臂的有效电长度为所述第二金属棒对应的电长度与所述第三振子臂的电长度之和。

3.如权利要求2所述的天线振子单元，其特征在于，

所述第一振子臂的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长；和／或

所述第三振子臂的有效电长度大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。

4.如权利要求1所述的天线振子单元，其特征在于，所述第一振子臂的电长度等于所述第二振子臂的电长度，其中，所述第一振子臂的臂长比所述第二振子臂长；和／或

所述第三振子臂的电长度等于所述第四振子臂的电长度，其中，所述第三振子臂的臂长比所述第四振子臂长。

5.如权利要求4所述的天线振子单元，其特征在于，所述第一、第二振子臂的长度之差小于等于八分之一波长；和／或

所述第三、第四振子臂的长度之差小于等于八分之一波长。

6.如权利要求1所述的天线振子单元，其特征在于，所述第一振子臂的电长度小于所述第二振子臂的电长度，所述第三振子臂的电长度小于所述第四振子臂的电长度，所述馈电模块包括至少两个馈电片，所述第一、第二振子臂对利用馈电片，通过耦合方式进行馈电；其中，所述第一、第三振子臂的末端分别设有第一、第三金属吊角，用于增大所述第一、第三振子臂的有效电长度。

7.权利要求6所述的天线振子单元，其特征在于，所述第一金属吊角的有效电长度与所述第一振子臂的有效电长度之和大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长；以及所述第二金属吊角的馈电有效距离与所述第三振子臂的馈电有效距离之和大于等于八分之一波长且小于等于二分之一波长。

8.如权利要求1-7任一项所述的天线振子单元，其特征在于，所述半波振子天线由金属制成；或者由金属附着在非金属上来实现。

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