CN104103900B - 一种低剖面宽带双极化全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带双极化全向天线，该天线由垂直极化单极子天线和水平极化环天线平排组成，其中环天线由四个旋转对称的弧形偶极子构成。通过在单极子馈电探针外包裹一个金属圆柱体的方法拓展单极子带宽，通过在偶极子臂外加载寄生单元和引向器的方法拓展环天线的阻抗带宽并减小了其在方位面的增益不圆度。其基本结构包括上层介质板(1)、下层介质板(2)、塑料螺钉(3)、圆形贴片(4)、环形贴片(5)、馈电探针(6)、金属圆柱体(7)、金属地板(8)、金属短路柱(9)、弧形印刷偶极子(10)、Γ形馈电巴伦(11)、寄生单元(12)、引向器(13)、同轴线(14)、100欧姆微带线(15)、金属小圆片(16)。

Description

一种低剖面宽带双极化全向天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种宽带全向天线，具体来说是一种可用于无线通信领域的低剖面宽带高隔离度双极化全向天线。
背景技术
随着现代移动通信的发展，微基站因为具有一体化、小型化、低成本、安装维护方便等优点而受到越来越多的关注。设计微基站天线的难点之一在于在满足天线性能同时要求尽可能的降低天线的剖面高度和成本。通常微基站天线要求双极化、高端口隔离度、宽带、低剖面等特点。适用于安装在室内屋顶的微基站中，还要求天线具有水平全向方向图的特性，以实现360度均匀全覆盖。为了满足4G通信LTE的1710-2690MHZ频带要求，天线的带宽要达到45％。为了实现极化分集，要求天线能同时实现垂直极化和水平极化。
单极子天线能够很好的实现垂直极化全向方向图，K.Lau等人在IEEE Trans.AntennasPropag.(vol.53,no.3,pp.1004–1010,Mar.2005)上发表的题为“A monopolar patch antenna withvery wide impedance bandwidth”中介绍了一种低剖面超宽单极子天线，该天线在138％的带宽内驻波比小于2，该天线由4个梯形正交连接在一起，上端放置一个圆形贴片，圆形贴片通过4个短路探针连接在地板上。J.Zhao等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.60,no.12,pp.5578–5586,Dec.2012.)上发表了题为“Design optimization of a low-profile UWB body-of-revolution monopole antenna”的文章，系统的研究了body-of-revolution(BoR)形式的单极子天线设计过程，不过这种BoR单极子依赖于进化算法，造型特别，不易加工。美国D.W.Aten等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.60,no.10,pp.4485–4491,Oct.2012)发表了“A wideband,low profile,shorted top hat monocone antenna”一文，该天线内导体采用倒锥形结构，倒锥形结构上面加一个金属帽沿，通过短路探针连接到地板上。
环天线能够实现水平极化全向方向图，不过环天线的带宽一般很窄，不超过10％。清华大学K.Wei等人在IEEE Antennas Wireless Propag(vol.11,pp.49–52,2012.)发表了“Designof a wideband horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna”一文，该文章通过周期性的电容加载，实现了31％的带宽。华南理工大学的李荣林教授在Progr.Electromagn.Res.,(vol.128,pp.441–456,2012.)上发表了“Development of a broadband horizontally polarizedomnidirectional planar antenna and its array for base stations”一文，该文章采用4个印刷偶极子天线围成一个圆环，形成一个近似环天线，天线带宽达到了25％。
将单极子天线和环天线结合在一起可以实现双极化全向天线。例如李荣林教授发表在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.61,pp.943–947,Feb.2013.)上“A broadband dual-polarizedomnidirectional antenna for base stations,”一文中将一个单极子天线和一个环天线纵向叠加在一起形成一个双极化天线，并进行组阵。这种叠层方式明显增加了天线的厚度，不适合于微基站天线中，因为微基站天线的厚度一般要求限制在30mm以下。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景，目的在于解决现有技术存在双极化全向天线剖面高、带宽不足的问题，提出了一种低剖面高隔离度宽带双极化全向天线。该天线单元在1.7GHz-2.7GHz频段内回波损耗大于14dB(对应驻波比小于1.5)，并且在工作频带内天线单元的不同极化端口隔离度达到45dB，剖面高度为20mm，适合于微基站天线的要求。该天线通过底馈的方式馈电，两个极化单元集成在两块厚度为1mm的FR4介质板上，易于批量生产和低成本化。
该天线适用于第四代无线移动通信系统，特别适合于微基站天线，请一并参考图1至图4，它的基本结构包括上层介质板、下层介质板、六个塑料螺钉、单极子天线的中心位置圆形贴片、环形贴片、单极子天线的馈电探针以及包裹探针的金属圆柱体、金属地板、连接环形贴片和金属地板的4根金属短路柱、4个旋转对称的弧形印刷偶极子及其Γ形馈电巴伦、4对弧形寄生单元、3对弧形引向器、连接偶极子和金属地板的同轴线、连接4个Γ形馈电巴伦的100欧姆微带线、用于焊接同轴线内导体的金属小圆片。
本发明的创新主要有以下四点：1)为了拓展垂直极化天线的阻抗带宽，在单极子馈电探针四周包裹了一个金属圆柱体；2)为了拓展水平极化天线的阻抗带宽，在四个旋转对称的弧形印刷偶极子臂外2.5mm处加载了四对弧形寄生单元；3)为了减小环天线在方位面的方向图不圆度，分别在上边、右边、下边三个方向图的弧形印刷偶极子臂外15mm处加载了三对弧形引向器；4)为了减小剖面高度，将单极子天线和环天线并排放置。
本发明的特点是单极子天线和环天线并排放置，印制在两块FR4介质板上，其中在单极子馈电探针四周包裹了一个金属圆柱体，环天线由四个旋转对称的弧形印刷偶极子天线构成，在偶极子臂外2.5mm处有四对弧形寄生单云，在偶极子臂外15mm处有三对弧形引向器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式提供的一种宽带低剖面双极化全向天线透视示意图；
图2是图1所示的上层介质板的俯视图；
图3是图1所示的下层介质板的仰视图；
图4是图1所示三维结构的正视图；
图5是双极化全向天线两个端口的回波损耗以及隔离度仿真结果示意图；
图6是双极化全向天线两个端口的回波损耗以及隔离度测试结果示意图；
图7是图1所示的双极化全向天线的左边单极子天线(垂直极化)在方位面的主极化和交叉极化仿真结果示意图；
图8是图1所示的双极化全向天线的右边环天线(水平极化)在方位面的主极化和交叉极化仿真结果示意图；
图9是左边单极子天线在有无金属圆柱体时回波损耗仿真结果对比示意图；
图10是右边环天线在有无寄生单元和引向器时回波损耗仿真结果对比示意图；
图11是右边环天线在有无引向器时方位面方向图仿真结果对比示意图；
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请一并参考图1至图4，为本发明实施方式提供的宽带低剖面双极化全向天线。所述双极化天线依图1至图4所示描述主要包括：上层介质板1、下层介质板2、六个塑料螺钉3、单极子天线的中心位置圆形贴片4、环形贴片5、单极子天线的馈电探针6以及包裹探针的金属圆柱体7、金属地板8、连接环形贴片5和金属地板8的4根金属短路柱9、4个旋转对称的弧形印刷偶极子10及其Γ形馈电巴伦11、4对弧形寄生单元12、3对弧形引向器13、连接偶极子10和金属地板8的同轴线14、连接4个Γ形馈电巴伦的100欧姆微带线15、用于焊接同轴线内导体的金属小圆片16。
上层介质板1和下层介质板2通过六个塑料螺钉3支撑，高度为20mm。单极子天线的中心位置的圆形贴片4和环形贴片5印制在上层介质板1的上表面，金属地板8由两个圆片组成，中间通过一个条状线连接，印制在下层介质板2的下表面，单极子天线的微波接头外导体和金属地板8相连接，内导体馈电探针6直接和单极子天线中心位置的圆形贴片4连接，在馈电探针6的外面包裹着一个实心的金属圆柱体7，馈电探针6外壁有外螺纹，金属圆柱体7中心有一个小孔，小孔内壁有内螺纹，馈电探针6和金属圆柱体7通过类似于螺丝与螺帽的形式连接在一起，金属圆柱体高度14mm，紧贴着上层介质板1的下表面，和下层介质板2的上表面距离4mm。在圆形贴片4外有一个环形贴片5，环形贴片5通过四根金属短路柱9连接到金属地板8上。
在单极子天线的右侧是环天线，环天线由四个旋转对称的弧形印刷偶极子10构成，每个偶极子10由一个Γ形馈电巴伦11馈电，四个Γ形馈电巴伦11通过100欧姆的微带线15连接在环天线中心位置的一个金属小圆片16上，在每个偶极子臂外2.5mm处各有一对弧形的寄生单元12，在上边、右边、下边三个方向的偶极子臂外15mm处各有一对弧形的引向器13，其中馈电巴伦11、100欧姆微带线15、金属小圆片16印制在上层介质板的上表面，四个偶极子10、四对寄生单元12、三对引向器13印制在上层介质板的下表面，环天线通过同轴线14)馈电，其中同轴线的内导体焊接在环天线中心位置的金属小圆片16上，外导体同时连接偶极子10和金属地板8。
该天线结构为双极化天线，左边单极子天线工作于垂直极化状态，右边环天线工作于水平极化状态。对于工作于垂直极化的左侧单极子天线来说，馈电探针和包裹探针的金属圆柱体通过螺纹的形式连接在一起，因为馈电探针很长很细，馈电端口的输入阻抗在高频呈感性，在探针的上部包裹一个金属圆柱体可以抵消输入阻抗的感性，使得天线的带宽拓宽。对于工作于水平极化的右侧环天线来说，它是由四个旋转对称的弧形印刷偶极子构成，每个偶极子的结构相同，在每个偶极子臂外2.5mm处紧贴着一对寄生单元，用于拓展天线的带宽。由于四个偶极子的馈电幅度相同，旋转对称，偶极子臂上边的表面电流沿着一个方向(顺时针或者逆时针)流动，和传统的环天线上表面电流分布类似，因此四个偶极子天线整体可以看作是一个近似的环天线。在环天线上边、右边、下边三个方向的偶极子各有一对弧形引向器，用于提高这三个方向的天线辐射能力，减小环天线在水平面的方向图不圆度。
图5是图1所示的双极化天线两个端口(左边端口编号为1，右边端口编号为2)的回波损耗和隔离度仿真结果示意图，在1.7GHz至2.7GHz范围内，两个端口的回波损耗都大于14dB(对应电压驻波比小于1.5)，隔离度大于45dB。图6是两个端口的回波损耗和隔离度实测结果。在工作频带1.7GHz～2.7GHz内，实测回波损耗大于12dB，隔离度达到35dB。图7是图1所示的左边单极子天线馈电时，在1.7GHz，2.2GHz，2.7GHz三个频点仿真得到的方位面方向图，三个方向图都很稳定，主极化方向图对应的方向图不圆度为0.5dB，最小辐射方向增益为0dBi。图8是图1所示的右边环天线馈电时，在1.7GHz，2.2GHz，2.7GHz三个频点仿真得到的方位面方向图，三个方向图都很稳定，主极化方向图对应的方向图不圆度为4dB，最小辐射方向增益为-2dBi。
为了和已经公开的天线技术效果作对比，本专利公开了其中三点创新的具体技术效果。图9为单极子天线在有无金属圆柱体时回波损耗仿真结果对比，通过对比可发现通过加载一个金属圆柱体后，单极子天线的阻抗带宽明显提高。图10是环天线在有无寄生单元和引向器时回波损耗仿真结果对比，通过加载寄生单元，天线-10dB带宽由原来的1.75GHz-2.5GHz扩展到1.68GHz-2.74GHz。图11是环天线在有无引向器时方位面主极化方向图的仿真结果对比，通过加载三对引向器，天线在方位面最小辐射方向的增益提高了3个dB，也就是说方向图不圆度减小了3dB。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种低剖面宽带双极化全向天线,由垂直极化的单极子天线和水平极化的环天线并排而成，其特征在于所述天线用塑料螺钉(3)固定上层介质板(1)和下层介质板(2)，单极子天线中心位置的圆形贴片(4)和外围的环形贴片(5)印制在上层介质板(1)上，金属地板(8)印制在下层介质板(2)的下表面上,在馈电探针(6)外包裹一个金属圆柱体(7)，用四根金属短路柱(9)连接环形贴片(5)和金属地板(8)，环天线由四个旋转对称的弧形印刷偶极子(10)及其Γ形馈电巴伦(11)构成，在印刷偶极子臂外有四对弧形寄生单元(12)和三对弧形引向器(13)，四个Γ形馈电巴伦(11)由100欧姆微带线(15)连接并最终与金属小圆片(16)相连，同轴线(14)的内导体焊接在金属小圆片(16)上，外导体连接弧形印刷偶极子(10)和金属地板(8),其中馈电巴伦(11)、100欧姆微带线(15)、金属小圆片(16)印制在上层介质板的上表面，四个偶极子(10)、四对寄生单元(12)、三对引向器(13)印制在上层介质板的下表面；所述天线显著特征是在金属圆柱体(7)和金属地板(8)之间保持5mm间隙，在每个弧形印刷偶极子(10)外各有一对弧形的寄生单元(12)，在环天线的上、右、下三个方向各有一对弧形的引向器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带双极化全向天线,其特征在于其弧形印刷偶极子外上、右、下三个方向加载有三对弧形引向器。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带双极化全向天线,其特征还在于其单极子天线和环天线通过并排的方式印制在两块介质板上。
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