CN103682588A

CN103682588A - 高增益和宽频带互补天线

Info

Publication number: CN103682588A
Application number: CN201210501087.1A
Authority: CN
Inventors: 陈志豪; 黄衡; 黎孝华; 苏国勤; 陆贵文; 薛泉
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: US9083086B2; CN103682588B; US20140071006A1

Abstract

高增益和宽频带互补天线。公开了一种天线，该天线包括与至少一个短路贴片天线连接的至少一个偶极子以及至少两个天线馈源。

Description

高增益和宽频带互补天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是一种用于传送和接收无线电频率信号的适配天线，但本发明不限于此。这样的天线也可被用作构造天线阵列的天线元件。

背景技术

在现代无线通信的基站天线的设计中一般有两个重点，也就是操作带宽和增益。有更广泛带宽的基站天线可能覆盖更多频率信道、增加信道容量及提高制造公差。另一方面，构造天线阵列是提高增益最简单和有效的方法。如果阵列元件的增益增加了3db，对于同样的总增益，阵列元件的总数能减少一半，因此减少了阵列天线的大小。所以，提供宽频带和高增益特性的天线元件是重要的。有几个已知的提高带宽和增益的方法。然而，大多这类技术不能同时使用。另外，即使天线元件同时是宽频带的和高增益的，结构也通常是非常复杂或庞大的。

因而本发明的目的是提供一种减少上述缺点或者至少提供一种可用的可供商业和公众选择的天线和天线阵列。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种天线，该天线包括与至少一个短路的贴片天线连接的至少一个偶极子以及至少两个天线馈源。

根据本发明的第二方面，提供了一种由多个天线形成的天线阵列，其中至少一个天线包括与至少一个短路贴片天线连接的至少一个偶极子及至少两个天线馈源。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施方式，其中：

图1A是显示了根据本发明的天线的电偶极子的电流方向的示意图；

图1B是显示了如图1A所示的天线的磁偶极子的电流方向的示意图；

图2A是根据本发明的实施方式在宽带模式中的天线的透视图；

图2B是图2A的天线的俯视图；

图2C是图2A的天线的主视图；

图3显示了针对图2A的天线的频率的测量和模拟的驻波比（SWR）；

图4显示了针对图2A的天线的频率的测量和模拟的增益；

图5A至图5H显示了图2A的天线的测量和模拟的辐射图；

图6A是根据本发明的又一实施方式的在高增益模式的天线的透视图；

图6B是图6A的天线的俯视图；

图6C是图6A的天线的主视图；

图7显示了针对图6A的天线的频率的测量和模拟的SWR；

图8显示了针对图6A的天线的频率的测量和模拟的增益；

图9A至图9F显示了图6A的天线的测量和模拟的辐射图；

图10A和图10B显示了根据本发明的又一实施方式的、具有不同形状的平面偶极子的天线；

图11A和图11B显示了根据本发明的附加实施方式的折叠式天线；

图12A至图12C显示了根据本发明可以在天线中采用的各种形状的馈電探针；

图13A至图13C显示了根据本发明可以在天线中采用的各种形状的接地平面；以及

图14A和图14B显示了仍根据本发明的又一实施方式的双极化天线的配置。

具体实施方式

图1A和图1B显示了根据本发明的实施方式的天线的构造的基本原则。更特别地，图1A和图1B显示了具有电短路的平面偶极子12和贴片天线14的双馈电互补天线，一般标记为10。这类导致了极好的电性能的宽带天线的组合，包括低反向辐射、低交叉极化、对称的辐射模式、在频率带宽上的高增益和稳定的辐射模式。

在这个实施方式中，天线10有两个天线馈源，位于图2A中虚线点标记的位置A和位置B，并且相位为同相。许多平衡－不平衡变压器的设计都能够被用作天线馈源，诸如同轴平衡－不平衡变压器、耦合线平衡－不平衡变压器和Marchand（玛春德巴伦）平衡－不平衡变压器。

如图1A和图1B所示，每个天线馈源生成一个电偶极子（

或

）和一个磁偶极子（或

）。两个天线馈源的幅度是相同的（

且

）。因为在天线10中有两个放到适当位置的馈电源，所以能有效地产生两个电偶极子和两个磁偶极子。他们的辐射将被翻倍并且获得比传统的磁电偶极子天线高3db的增益。

根据本发明的实施方式，图2A至图2C显示了天线的各种视图，该天线一般标记为50。天线50通过将矩形平面偶极子52（具有由金属板形成的偶极子贴片52a，52b）连接至短路贴片天线54（包括接地平面56a，以及一对相互平行并且相互分隔开的金属板56b、56c）的开口端形成，并具有用于减少后瓣（back lobe reduction）位于短路贴片天线54之下的大金属平面58。偶极子52经由所述两个金属板56b、56c与短路贴片天线54连接。短路贴片天线54的接地平面56a与偶极子贴片52a、52b及大金属平面58平行，且与一对金属板56b、56c垂直。

短路贴片天线54的接地平面56a为H形并且电连接或物理连接到大金属平面58。根据短路贴片天线54的接地平面56a与大金属平面58的连接类型，大金属平面58可以是接地平面或反射板。如果大金属平面58和短路贴片天线54的接地平面56a相互电连接，则大金属平面58是接地平面。另一方面，如果大金属平面58和短路贴片天线54的接地平面56a物理连接而不是电连接，则大金属平面58是反射板。H形的接地平面56a在大金属平面58以上并与其分隔开H₂的距离，超小型版本（SubMiniature version）A（SMA)连接器60用于在H形接地平面56a和大金属平面58之间支持和提供电连接。

在本实施方式中，偶极子52的每一侧具有宽度P₁和长度D₁，D₁大约为0.25λ₀，其中λ₀是天线50的中心频率的自由空间波长。短路贴片天线54具有H_t的高度，大约0.18λ₀。对于宽带操作，短路贴片天线54的两个板56b、56c的距离P_s接近0.1λ₀，而偶极子52和短路贴片天线54的宽度P₁应大约是0.64λ₀。如天线的后瓣要小于-20dBi（或者比20dB更大的前后比），大金属平面58的大小能够被调整并且优选地大约为1λ₀乘以1λ₀。

天线50具有两个源且他们位于图2A中的位置A和位置B。在这个天线50中，Marchand平衡－不平衡变压器被用作天线馈源。馈电组件由三个部分组成，即一对L形带62、T形接合微带线64及H形的接地平面56a。所有这三个部分由金属和/或导电材料构成。两个L形带62电连接至T形接合微带线64，并且他们都位于H形的接地平面56a之上。两个L形带62和T形接合微带线64（联合形成馈电网络）以及H形的接地平面56a被基底65分隔开，诸如空气或某些其他介电材料。

接地平面56a具有一对伸长板66，在他们的中部彼此结合并且在伸长板66的每一纵端通过槽68彼此隔开。每一L形带62具有在H形的接地平面56a上与所述槽68重叠的部分，并且这些组合的每一个组合都形成了天线馈源。天线50的馈电位置位于点F。每个源都是一个变压器平衡-不平衡转换器，该一个变压器平衡－不平衡转换器能够在图2B中C₁和C₂的H形槽68的宽度方向以最小的损耗和相等的平衡阻抗提供精确的180°相移。

由两个L形带62和T形接合微带线64组合的馈电网络的形状是一对镜像的Γ形带。天线50的阻抗是典型的50Ω。T形接合微带线64因此被设计有采用50Ω的输入端口和采用100Ω的两个输出端口。在x方向和y方向，两个L形带62的长度能够向天线50提供感抗和容抗（电抗），并且他们最优为100Ω。

以下表1A和1B显示了如图2A至图2C所示的天线50的参数的示例性尺寸（采用mm以及依据λ₀）。

表1A

表1B

图3中显示了天线50设计的测量和模拟的驻波比（SWR）。可以看出天线50具有55%的宽测量阻抗带宽（从2.37GHz到4.18GHz SWR比2小）。图4显示了天线50具有10dBi的平均增益，在9.5dBi到11dBi间变化，该变化仅是轻微的变化。

测量和模拟的辐射模式以及天线50在频率为2.6、3、3.5和4GHz的半功率波束宽度在图5A至5H中和以下的表2中显示：

表2

在E和H切面中，幅射方向图是稳定的并对称于z轴。在3GHz，半功率波束宽度在

切面（E切面）是53.3°，比半功率波束宽度在

切面（H切面）的52°稍高一点。而且，低交叉极化和低反向辐射在整个操作带宽均可观测到。

天线50能够被最优化为具有更高的增益，及在带宽压缩上的权衡。以上部分讨论的配置的天线50为宽带模式，而通常标记为100的图6中显示的配置的天线为高增益模式。

高增益模式中天线100的几何结构类似于宽带模式中天线50的几何结构。第一个改变是将天线100的高度从0.18λ₀减少到0.12λ₀。另一个改变是从馈电位置（即点F’）的旁边伸出的一对短线。

以下表3A和3B显示了图6A至6C中显示的天线100的参数的示例性尺寸（采用mm以及依据λ₀）。

表3A

表3B

图7显示了根据本发明的典型的高增益模式天线100的测量和模拟的驻波比（SWR）。可以看出所述100具有22%宽测量的阻抗带宽（从3.115GHz到3.89GHz SWR比2小）。

图8显示了天线100具有11dBi的平均测量增益。在操作带宽内增益从10.8dBi到11.5dBi之间变化。该变化是非常小的，仅为0.7dB，且比在以上讨论的宽带模式天线50的1.5dB的变化更为好。

图9和以下的表4中显示了测量和模拟的辐射模式以及在频率为3.2、3.5、3.9GHz的天线100的半功率波束宽度：

表4

在E和H切面，幅射方向图是稳定的和对称的。在3.5GHz，半功率波束宽度在切面（E切面）为42°，比半功率波束宽度在

切面（H切面）的52°更窄。在整个操作带宽天线100具有低交叉极化和低后瓣辐射。

为了进一步降低天线的高度，介电材料可以被装载在偶极子52的偶极子贴片52a，52b之下和/或在天线50的短路贴片54的两个垂直壁56a、56c之间的部分。介电材料也可以被装载在偶极子102的偶极子贴片102a，102b之下和/或者在天线100的短路贴片天线104的两个垂直壁106b,106c之间的部分以得到同样的效果。

平面偶极子12、52、102可以具有不同的形状，诸如图10A和10B所示的圆角或者多边形。为了缩减尺寸，偶极子12、52、102可以被如图11A和11B所示的不同折叠方式所代替。

如果L形带62被诸如图12A，12B和12C分别显示的多边形的、向外折叠的或者F形的金属带的其他形状的金属带代替，那么就能获得类似或较佳的性能。

在H形的接地平面56a被其他几何结构的接地平面代替的情况下，天线10、50、100也可以起作用。如图13A至13C所示，接地平面56a的伸长板66可以是多边形、三角形或者T形。

天线10、50、100可以被扩展为双极型天线。图14A和14B显示了两个可能的不同配置的天线150a、150b。在两个配置中，H形接地平面分别被在上面有一些插槽切口的十字形的接地平面156a、156b代替。各自的馈线158a、158b放置在十字形接地平面156a、156b之上；而用于其他极化的另一馈电线160a、160b位于十字形接地平面156a，156b之下。在两个配置150a、150b中，偶极子贴片152a、152b位于各自天线150a、150b的四角。

可以用多个天线构成天线阵列，其中包括至少一个根据本发明的天线10、50、100、150a、150b。

2G、3G、LTE、Wi-Fi和WiMAX需要在操作频率范围中具有低交叉极化、低后瓣辐射、对称辐射方向图、稳定的高增益和宽带的天线。本发明的天线是根据高增益互补带宽天线的方案作为基础，能够满足上述要求，并因此适用于现代无线通信系统。尤其是，由于其宽带特性，根据本发明的天线可以覆盖所有2G、3G和4G的应用。另外，其宽带特性允许更好的制造容差，这能减低调谐成本。同时，由于其宽带特性，根据本发明的天线能够节约成本、空间和能量并且是用于绿色通信的良好候选者。

本发明“高增益互补宽带天线”具有极好的机械和电气特性，包括低轮廓、宽的阻抗带宽、高增益和稳定的辐射模式。根据本发明，更高的增益转化为可用较少的天线单元来组成阵列，因此减少了天线的大小和成本。事实上，这样低轮廓的天线允许在阵列中具有与其他有源和无源的组件的更好的集成。以根据本发明的天线为基础所构造的基站天线能够提供极好的阵列性能。

应当理解的是以上仅阐述了可以执行本发明的示例，并且在不违背本发明的思想的情况下，可以另外做出多种修改和/或变换。

还应当理解的是，为了清楚，在上下文分开的实施方式中描述的本发明的甚些特征可以以单独的实施方式进行组合。相反，为了简洁，在上下文单独的实施方式中描述的本发明的多个特征也可以分别提供或者以任意适当子组合的方式提供。

Claims

1.一种天线，该天线包括与至少一个短路贴片天线连接的至少一个偶极子以及至少两个天线馈源。

2.根据权利要求1所述的天线，其中每个所述天线馈源是一个变压器平衡－不平衡转换器。

3.根据权利要求2所述的天线，其中两个所述变压器平衡－不平衡转换器相互同相。

4.根据权利要求2所述的天线，其中每一个所述变压器平衡－不平衡转换器在操作中被匹配以生成一个电偶极子和一个磁偶极子。

5.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少两个天线馈源具有相同的幅度和相位。

6.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线包括两个金属板和一个接地平面。

7.根据权利要求6所述的天线，其中所述金属板实质上垂直于所述接地平面。

8.根据权利要求6所述的天线，其中所述接地平面实质上平行于所述至少一个偶极子。

9.根据权利要求6所述的天线，其中所述至少一个偶极子经由所述两个金属板与所述至少一个短路贴片天线连接。

10.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线电连接至金属接地平面。

11.根据权利要求10所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线的所述接地平面与所述金属接地平面隔开。

12.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线被物理连接至金属反射板。

13.根据权利要求12所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线的所述接地平面与所述金属反射板隔开。

14.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线的所述接地平面具有两个伸长板，所述两个伸长板通过实质上该两个伸长板的中间部位相互连结并在该两个伸长板的每一纵端或邻近该两个伸长板的每一纵端通过槽彼此隔开。

15.根据权利要求14所述的天线，其中所述至少一个短路贴片天线的所述接地平面为大致H形。

16.根据权利要求14所述的天线，其中每个所述伸长板为大致矩形、三角形、多边形或T形。

17.根据权利要求10所述的天线，其中每个所述天线馈源包括T形接合微带线、一对L形带和所述至少一个短路贴片天线的所述金属接地平面。

18.根据权利要求17所述的天线，其中所述一对L形带连接至所述T形接合微带线。

19.根据权利要求17所述的天线，其中所述一对L形带和所述T形接合微带线与所述至少一个短路贴片天线的所述金属接地平面隔开。

20.根据权利要求17所述的天线，其中所述T形接合微带线和所述L形带通过介电材料层与所述至少一个短路贴片天线的所述金属接地平面隔开。

21.根据权利要求17所述的天线，其中每一个所述L形带的一部分与所述至少一个短路贴片天线的所述接地平面的一个所述槽交叉。

22.根据权利要求1所述的天线，其中所述至少一个偶极子是平面的或者折叠的。

23.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线包括十字形接地平面、四个偶极子贴片、一个在所述十字形接地平面上的馈线、以及一个在所述十字形接地平面之下的馈线。

24.一种由多个天线构成的天线阵列，所述多个天线中的至少一个天线是根据权利要求1所述的天线。