CN103682611B - 宽带双极化天线 - Google Patents

Abstract

一种宽带双极化天线，包括：馈电板、介质板、辐射板、引向器，辐射板包括正交的±45°极化振子，每个极化振子包括两个子辐射板，馈电板包括第一子馈电板和第二子馈电板，介质板通过同轴馈线支撑在反射板上，馈电板和辐射板分别印制在介质板的上层和下层，馈电板的子馈电板分别与同轴馈线的内导体连接，第一子馈电板与+45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，第二子馈电板与‑45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，同轴馈线的外导体分别与另两个子辐射板连接进行馈电，引向器设置在馈电板上方，馈电板和辐射板分别控制高频谐振点和低频谐振点，引向器控制高频辐射方向图。本发明方案提高了宽带匹配性。

Description

宽带双极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种宽带双极化天线。

背景技术

随着移动通信系统的快速发展，人们对移动通信的要求越来越高，大量的增加移动通信设备的数量，如增加了基站天线的数量，这样便增加了设备的安装、维护工程量，同时增加了各大运营商的运营成本。同时2G、3G、LTE以及即将发展起来的4G，工作频率覆盖要求覆盖GSM1710/1800/UMTS/LTE2300/2500(1710～2690MHz)。

为满足当前无线通信发展需要背景下，各种结构的宽带双极化基站天线单元被研究。与此同时，不但对基站天线的阻抗带宽、方向图稳定性、增益稳定性以及隔离度等提出了新的要求，要求单元天线在带宽内的半功率波瓣宽度保持在65±5°内，增益大于8.5dBi；另外，对基站天线的结构，造价，安装难度也提出了一定要求。

传统技术中采用一体化铸件结构的天线单元振子设计，通过主次辐射体带宽达到1.7GHZ-2.7GHZ。采用金属钩馈电，辐射部分由主辐射片和副辐射片组成。在宽带匹配技术上铸件结构天线需通过结构和馈电部件调节，匹配较为麻烦。另一种技术提出了一种十字微带结构辐射单元，用于TD-LTE室内覆盖宽带双极化天线。双极化振子单元采用十字交叉微带结构，该十字交叉微带结构是在双面覆铜板的上下两层都印有垂直正交的+45度和-45度两个极化振子。辐射板采用正方形管状结构，辐射板的四个面板上各平行固定有一个双极化振子单元，构成环形平面阵列结构；馈电网络屏蔽在辐射板的管腔内，馈电网络的输出端口与每个双极化振子单元相连，输入端口通过50欧的同轴电缆头固定在背板上。对于该印刷结构的天线，缺少独立设计的馈电板，匹配也不容易控制。

发明内容

基于此，有必要针对宽带匹配性差的问题，提供一种宽带双极化天线。

一种宽带双极化天线，包括：馈电板、介质板、辐射板、引向器，所述辐射板包括正交的+45°极化振子和-45°极化振子，每个极化振子包括两个子辐射板，所述馈电板包括第一子馈电板和第二子馈电板，

所述介质板通过同轴馈线支撑在反射板上，馈电板印制在介质板的上层，辐射板印制在介质板的下层，馈电板的子馈电板分别与同轴馈线的内导体连接，第一子馈电板与+45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，第二子馈电板与-45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，所述同轴馈线的外导体分别与+45°极化振子的另一个子辐射板和-45°极化振子的另一个子辐射板连接进行馈电，所述引向器设置在馈电板上方，

所述馈电板用于控制高频谐振点，所述辐射板用于控制低频谐振点，所述引向器用于控制高频辐射方向图。

上述宽带双极化天线，包括：馈电板、介质板、辐射板、反射板、引向器，所述辐射板包括正交的+45°极化振子和-45°极化振子，每个极化振子包括两个子辐射板，所述馈电板包括第一子馈电板和第二子馈电板，通过将馈电板印制在介质板的上层，辐射板印制在介质板的下层，上层与同轴馈线内导体相连，即第一子馈电板与+45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，第二子馈电板与-45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，同轴馈线外导体连接另外两个子辐射板，实现巴伦平衡，从而实现馈电板控制高频谐振点，辐射板控制低频谐振点，提高了宽带匹配性。另外，采用引向器，优化控制高频方向图，实现宽带方向图稳定。并且采用介质板印刷结构，成本低廉，质量轻便，加工安装简单。

附图说明

图1为本发明宽带双极化天线实施例一的结构示意图；

图2为本发明宽带双极化天线中辐射板实施例一的结构示意图；

图3为本发明宽带双极化天线中辐射板实施例二的结构示意图；

图4为本发明宽带双极化天线中馈电板实施例的结构示意图；

图5为本发明宽带双极化天线具体运用实例的结构示意图。

具体实施方式

以下针对本发明宽带双极化天线的各实施例进行详细的描述。

如图1所示，为本发明宽带双极化天线实施例一的结构示意图，包括：辐射板120(由于辐射板在介质板下方，所以图1中没有示出具体结构)、介质板130、馈电板140、引向器150，辐射板包括正交的+45°极化振子和-45°极化振子，每个极化振子包括两个子辐射板，馈电板包括第一子馈电板和第二子馈电板。这里正交的+45°极化振子和-45°极化振子是指+45°极化振子和-45°极化振子呈十字型结构，即相邻子辐射板的对称线相互垂直。其中，每个辐射板的图形都可以是关于各自对称线对称的图形。

介质板通过同轴馈线161和162支撑在反射板110上，馈电板印制在介质板的上层，辐射板印制在介质板的下层，馈电板的子馈电板分别与同轴馈线的内导体连接，第一子馈电板与+45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，第二子馈电板与-45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，同轴馈线的外导体分别与+45°极化振子的另一个子辐射板和-45°极化振子的另一个子辐射板连接进行馈电，引向器设置在馈电板上方。

其中，介质板可以是通过同轴馈线支撑在反射板上，也可以是通过支撑架支撑在反射板上。介质板和反射板平行设置。同轴馈线一般包括两条，即第一同轴馈线和第二同轴馈线。每根同轴馈线包括同轴馈线内导体和外导体。同轴线内导体连接上层馈电板，上层馈电板通过耦合馈电实现对两个极化方向馈电，比如可以采用过孔方式与下层金属传输线连接，实现±45°交叉馈电，所以可以将馈电板统一放置于上层，由上耦合到下层。同轴线外导体连接辐射板的另两块子辐射板，进行直接馈电。

馈电板用于控制高频谐振点，辐射板用于控制低频谐振点，引向器用于控制高频辐射方向图。通过设置引向器，可以控制高频方向图，实现宽带方向图稳定。

本实施例采用一种耦合馈电结构，辐射板印于下层，馈电板印于上层，上层与同轴内芯相连，通过耦合馈电给对应下层辐射片；另外，外同轴连接另外辐射片，实现巴伦平衡；采用引向器，优化控制高频方向图，实现宽带方向图稳定。

在其中一个实施例中，还可以包括反射板110。介质板和反射板平行设置。

在其中一个实施例中，如图2所示，+45°极化振子包括第一子辐射板210和第三子辐射板230，-45°极化振子包括第二子辐射板220和第四子辐射板240，每个子辐射板均设有两条斜边，相邻子辐射板的斜边相吻合且相邻斜边存在间隙250，每个子辐射板两条斜边的延长线相互垂直。其中，各个子辐射板印制在介质板260下层。本实施例介绍了一种辐射板，该辐射板由第一子辐射板、第二子辐射板、第三子辐射板和第四子辐射板组成。第一子辐射板和第三子辐射板构成+45°极化振子，第二子辐射板和第四子辐射板构成-45°极化振子。每个子辐射板有两条斜边，比如第一子辐射板的两条斜边211和212。

子辐射板的形状可以为各种形状，由于天线性能的问题，一般设计为对称结构。在一个具体实施例中，如图3所示，辐射板印制在介质板360下层。第一子辐射板310、第二子辐射板320、第三子辐射板330和第四子辐射板340均由一个梯形和中间镂空的矩形组成，比如，第一子辐射板由梯形311和镂空矩形312组成。其中，梯形的两条斜边为子辐射板的两条斜边。中间镂空的形状可以多种形状，比如呈环状。该实施例中，下层辐射板由四块相同形状组成，矩形中间挖空，呈环状。梯形斜边与相邻斜边产生耦合，有一小段耦合距离370。辐射板印制在介质板的下侧，主要参与辐射作用，因此选用矩形+梯形结构的辐射板比传统偶极子具有更宽的带宽，由于辐射电流沿辐射板边缘分布，所以最后下层金属采用矩形镂空结构的辐射板；一对子辐射板(一个极化振子包括两个子辐射板)为一个极化天线，一对子辐射板长度大约为四分之一波长，通过两对相互45°放置的子辐射板构成宽带双极化天线。并且通过两对极化天线之间的耦合，通过适当的耦合距离(相邻斜边的距离)，激励起两个谐振点，实现宽频。

在其中一个实施例中，馈电板包括第一子馈电板、第二子馈电板、第三子馈电板和第四子馈电板，每个子馈电板均设有两条斜边，相邻子馈电板的斜边相吻合并且相邻斜边存在间隙，每个子馈电板的外侧均设有至少两个短枝节。可以通过调节子馈电板上的短枝节很方便的实现宽带内阻抗匹配。同时考虑到上层馈电板有一定的尺寸大小，在一定程度上电流会参与辐射，因此增加了第三子馈电板和第四子馈电板，与第一子辐射板和第二子辐射板设计成对称结构，从而使方向图对称。

子馈电板的形状可以为各种形状，由于天线性能的问题，一般设计为对称结构。在一个具体实施例中，如图4所示，馈电板包括第一子馈电板410、第二子馈电板420、第三子馈电板430和第四子馈电板440，每个子馈电板均设有两条斜边，相邻子馈电板的斜边相吻合并且相邻斜边存在间隙，每个子馈电板的外侧均设有至少两个短枝节。比如第一子馈电板的两个枝节411和412。第一子馈电板410为在U型板的内侧部设有长传输线413的金属板，第二子馈电板420为在U型板的内侧部设有短传输线421的金属板，第三子馈电板430和第四子馈电板440为在U型板的内侧部设有凹槽的金属板，其中，U型板由一个梯形、第一矩形、第二矩形和第三矩形组成，梯形包括长底和短底，U型板的内侧部为梯形的短底部，第一矩形的其中一长边与梯形的长底吻合，第二矩形和第三矩形设于第一矩形的另一长边。第一子馈电板与第一子辐射板对准，第二子馈电板与第二子辐射板对准，第三子馈电板与第三子辐射板对准，第四子馈电板与第四子辐射板对准。如图4，馈电板印制在介质板460的上层。

在其中一个实施例中，可以通过金属过孔的方式实现±45°交叉馈电，具有很高的隔离度，并且提高两个端口一致性。该实施例还包括：第一传输线、第二传输线，参见图4中的450和图3中的350。参见图1，同轴馈线包括第一同轴馈线161和第二同轴馈线162，每个子馈电板均设有内侧部和外侧部，每个子辐射板均设有内侧部和外侧部。子馈电板的内侧是指靠近其他子馈电板的一侧，子馈电板的外侧是指远离其他子馈电板的一侧。比如上述实施例中，梯形为内侧，矩形为外侧。同理，子辐射板的内侧是指靠近其他子辐射板的一侧，子辐射板的外侧是指远离其他子辐射板的一侧。比如上述实施例中，梯形为内侧，镂空矩形末段为外侧。

参见图4，第一子馈电板的内侧部设有长传输线413，长传输线远离第一子馈电板端设有第一金属通孔414，第二子馈电板的内侧部设有短传输线421，短传输线上设有第二金属通孔422，第三子馈电板和第四子馈电板的内侧部均设有凹部，长传输线插入第三子馈电板的凹部内，第一传输线设于第四子馈电板内侧的凹部内，第一传输线450上设有第三金属通孔451和第四金属通孔452，

参见图3，第三子辐射板330的内侧部设有第五金属通孔331，第四子辐射板340的内侧部设有第六金属通孔341，第二传输线350设于第二子辐射板和第四子辐射板之间，第二传输线350可以是矩形，长边与第一子辐射板和第三子辐射板平行，短边与第二子辐射板和第四子辐射板平行。当然第二传输线也可以是其他形状，目的主要是为了将第四金属通孔的电流引入第二金属通孔。

在介质板对应各金属通孔位置上设有金属通孔，其中第一金属通孔和第五金属通孔重合，第三金属通孔与第六金属通孔重合。由于馈电板和辐射板都是印制在介质板上的，因此，介质板上打上通孔，相当于馈电板和辐射板设有通孔。第一金属通孔和第五金属通孔对应的是介质板上的同一通孔，因此，第一金属通孔和第五金属通孔是重合的。第三金属通孔和第六金属通孔对应的是介质板上的同一通孔，因此，第三金属通孔和第六金属通孔是重合的。

参见图1、图3和图4，第一同轴馈线161的外导体通过第五金属通孔331焊接在第三子辐射板330上，第一同轴馈线161的内导体通过第五金属通孔331和第一金属通孔414与第一馈电板410的长传输线413连接，

第二同轴馈线162的外导体通过第六金属通孔341焊接在第四子辐射板340上，第二同轴馈线162的内导体通过第六金属通孔341和第三金属通孔451连接第一传输线450，第一传输线450通过第四金属通孔452连接第二传输线350，第二传输线350通过第二金属通孔422连接第二子馈电板420。

在其中一个实施例中，第一子辐射板、第二子辐射板、第三子辐射板和第四子辐射板的高均为四分之一波长。

在其中一个实施例中，引向器为十字型引向器。十字型引向器与介质板平行，加入十字型引向器，由于±45°宽带双极化天线，其寄生的引向器电流必定为±45°线极化流动，于是引向器采用十字型结构，可以通过调节十字引向器不同长度以及距离控制天线高频的波瓣宽度，有利于宽频带整体优化，有效改善天线高频的辐射方向图。

在其中一个实施例中，介质板的介电常数为4.4。

在其中一个实施例中，十字型引向器与馈电板的间距为18.2mm，介质板与反射板的间距为38mm，反射板设有翻边，反射板的两侧分别为正面和背面，介质板在反射板的正面，翻边沿反射板正面向远离背面方向延伸设置，翻边高度为12mm。

上述各实施例可以自由组合，本发明举其中一个具体运用实例进行说明：

参见图5，包括带翻边的反射板510、矩形环状结构的辐射板520、介质板530、U型结构馈电板540(馈电板设置在介质板上层，图中没有示出)，十字引向器550。下层矩形环状辐射板520、上层U型结构馈电板540分别印制在FR4(介电常数4.4)介质板530下侧和上侧。

参见图4，上层U型结构馈电板540主要是由四个呈U型结构的金属板组成，即第一子馈电板410、第二子馈电板420、第三子馈电板430、第四子馈电板440。U型结构分可为一个梯形结构、一个矩形结构和两个臂组成。每个U型板包括两条斜边和两个直边臂，斜边主要与相邻的子馈电板产生耦合，直边臂作为易调参数。U型结构馈电板主要用于调谐馈电作用，皆印刷在介质板上层，其中两片子馈电板410和420与50欧姆同轴线相连。第一金属通孔414直接连接一端口同轴馈线的内芯，然后通过第一子馈电板410耦合给第一子辐射板310，实现端口1馈电。第一子馈电板410和第二子馈电板420交叉放置，另一端口同轴馈线的内芯首先通过第三金属通孔451焊接到第一传输线450上，再通过第四金属通孔452将馈电电流引到下层的第二传输线350上，最后通过第二金属通孔421与第二子馈电板420连通，实现端口2馈电。两端口实现交叉馈电，有良好的隔离度以及两端口驻波一致性好。可以通过调节上层第一子馈电板410和第二子馈电板420的臂长尺寸可以方便容易实现宽频带内阻抗匹配。考虑到上层U型板有一定的尺寸大小，在一定程度上电流会参与辐射，因此上层U型结构馈电板设计成对称结构，加入第三子馈电板430和第四子馈电板440。

参见图3所示，下层矩形环状辐射板由四块相等矩形组成，包括第一子馈电板310、第二子馈电板320、第三子馈电板330和第四子馈电板340。矩形中间挖空，呈环状，可以称为矩形环状辐射板。矩形后面连接一梯形，斜边与相邻斜边产生耦合，有一小段耦合距离。金属矩形环印制在FR4介质板的下侧，主要参与辐射作用，因此选用矩形辐射板比传统偶极子具有更宽的带宽，由于辐射电流沿辐射板边缘分布，所以最后下层金属采用矩形环状辐射板。一对矩形环状辐射板为一个极化天线，一对矩形环状辐射板长度大约为四分之一波长，通过两对相互45°放置的矩形环状辐射板构成宽带双极化天线。并且通过两对极化天线之间的耦合，通过适当的耦合距离，激励起两个谐振点，实现宽频。同轴馈线外导体通过第五金属通孔331和第六金属通孔341分别焊接在第三子辐射板330和第四子辐射板340上，作为一个巴伦实现平衡。

带有翻边的反射板用来控制天线的波瓣宽度，通过改变反射板的尺寸大小以及翻边高度来控制天线的波瓣宽度。

为获得频带内稳定的方向图，特别是控制高频部分的增益、前后比以及波瓣宽度，加入十字型引向器，由于±45°宽带双极化天线，其寄生的引向器电流必定为±45°线极化流动，于是引向器采用十字型结构，引向器不同长度以及距离可以控制天线高频的波瓣宽度，有利于宽频带整体优化，有效改善天线高频的辐射方向图。

本发明采用介质板印刷结构，成本低廉，质量轻便，加工安装简单；采用矩形环状辐射板作偶极子相比传统偶极子带宽较宽；采用U型结构馈电板，结构新颖，U型结构两臂长度容易调节，可以控制阻抗匹配，同时，U型结构馈电板大小宽度尺寸都可以调节，为带宽匹配提供多个控制维度；通过中间两个金属通孔以及下层传输线，实现±45°双极化交叉馈电，将馈电部分同时安排在上层，主辐射片同时安排在下层，实现良好的隔离以及两个端口一致性好。通过引入十字引向器，客服了宽带天线方向图不稳定的确定，为方向图的优化控制提供了另一方法，引向器距离尺寸容易调节，容易控制天线的方向图。

在具体运用中，反射板为长度为140mm的正方形。反射板的翻边高度为12mm。介质板与反射板平行，介质板与反射板的距离为38mm。十字引向器与介质板平行，十字引向器与介质板的距离为18.2mm。如图3中的辐射板，子辐射板由梯形和矩形组成，其中矩形包括长边和短边，短边长度为16mm。第一子辐射板矩形的长边与第三子辐射板矩形的长边的垂直距离为57.4。子辐射板相邻斜边的距离为0.8mm。如图4中的馈电板，馈电板中第一子馈电板与第三子馈电板的长度为27.2mm。子馈电板由矩形和梯形组成，梯形的长底长度为18mm。

采用该尺寸设计的宽带双极化天线具有更好的阻抗匹配、更宽的带宽、稳定的方向图。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种宽带双极化天线，其特征在于，包括：馈电板、介质板、辐射板、引向器，所述辐射板包括正交的+45°极化振子和-45°极化振子，每个极化振子包括两个子辐射板，其中，所述+45°极化振子包括第一子辐射板和第三子辐射板，所述-45°极化振子包括第二子辐射板和第四子辐射板；所述馈电板包括第一子馈电板、第二子馈电板、第三子馈电板和第四子馈电板，

所述介质板通过同轴馈线支撑在反射板上，馈电板印制在介质板的上层，辐射板印制在介质板的下层，馈电板的子馈电板分别与同轴馈线的内导体连接，第一子馈电板与+45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，第二子馈电板与-45°极化振子中的一个子辐射板对准并进行耦合馈电，所述同轴馈线的外导体分别与+45°极化振子的另一个子辐射板和-45°极化振子的另一个子辐射板连接进行馈电，所述引向器设置在馈电板上方，

所述馈电板用于控制高频谐振点，所述辐射板用于控制低频谐振点，所述引向器用于控制高频辐射方向图，

还包括第一传输线、第二传输线，同轴馈线包括第一同轴馈线和第二同轴馈线，每个子馈电板均设有内侧部和外侧部，每个子辐射板均设有内侧部和外侧部，

第一子馈电板的内侧部设有长传输线，长传输线远离第一子馈电板端设有第一金属通孔，第二子馈电板的内侧部设有短传输线，短传输线上设有第二金属通孔，第三子馈电板和第四子馈电板的内侧部均设有凹部，长传输线插入第三子馈电板的凹部内，第一传输线设于第四子馈电板内侧的凹部内，第一传输线上设有第三金属通孔和第四金属通孔，

第三子辐射板的内侧部设有第五金属通孔，第四子辐射板的内侧部设有第六金属通孔，所述第二传输线设于第二子辐射板和第四子辐射板之间，

在介质板对应各金属通孔位置上设有金属通孔，其中第一金属通孔和第五金属通孔重合，第三金属通孔与第六金属通孔重合，

所述第一同轴馈线的外导体通过第五金属通孔焊接在第三子辐射板上，第一同轴馈线的内导体通过第五金属通孔和第一金属通孔与第一馈电板的长传输线连接，

第二同轴馈线的外导体通过第六金属通孔焊接在第四子辐射板上，第二同轴馈线的内导体通过第六金属通孔和第三金属通孔连接第一传输线，第一传输线通过第四金属通孔连接第二传输线，第二传输线通过第二金属通孔连接第二馈电板；

所述引向器为十字型引向器；所述十字型引向器与所述馈电板的间距为18.2mm，所述介质板与所述反射板的间距为38mm，所述反射板设有翻边，反射板的两侧分别为正面和背面，所述介质板在所述反射板的正面，翻边沿反射板正面向远离背面方向延伸设置，翻边高度为12mm。

2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，每个子辐射板均设有两条斜边，相邻子辐射板的斜边相吻合且相邻斜边存在间隙，每个子辐射板两条斜边的延长线相互垂直。

3.根据权利要求2所述的宽带双极化天线，其特征在于，每个子馈电板均设有两条斜边，相邻子馈电板的斜边相吻合并且相邻斜边存在间隙，每个子馈电板的外侧均设有至少两个短枝节。

4.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述第一子馈电板为在U型板的内侧部设有长传输线的金属板，所述第二子馈电板为在U型板的内侧部设有短传输线的金属板，所述第三子馈电板和第四子馈电板为在U型板的内侧部设有凹槽的金属板，其中，U型板由一个梯形、第一矩形、第二矩形和第三矩形组成，梯形包括长底和短底，U型板的内侧部为梯形的短底部，所述第一矩形的其中一长边与梯形的长底吻合，第二矩形和第三矩形设于第一矩形的另一长边。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述第一子辐射板、第二子辐射板、第三子辐射板和第四子辐射板均由一个梯形和中间镂空的矩形组成，其中，梯形的两条斜边为子辐射板的两条斜边。

6.根据权利要求5所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述第一子辐射板、第二子辐射板、第三子辐射板和第四子辐射板的高均为四分之一波长。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述介质板的介电常数为4.4。