CN104167611A

CN104167611A - 一种双向双极化天线

Info

Publication number: CN104167611A
Application number: CN201310185673.4A
Authority: CN
Inventors: 李秀萍; 贾天宇; 马蒂亚斯·兰珀; 西格弗里德·里希特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN104167611B

Abstract

本发明公开了一种双向双极化天线，包括：用于实现天线的双极化辐射特性的正交偶极子；和对称布置在所述正交偶极子两侧以实现天线的双向辐射特性的金属引向器阵列。本发明中的技术方案能够满足天线双极化辐射和双向覆盖的应用要求。

Description

一种双向双极化天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统，特别是一种应用于无线通信系统中的双向双极化天线。

背景技术

随着近几年无线通信业务和用户的快速增长，对于无线通信系统中天线的设计要求也越来越严格，既希望目标天线小型化、易集成，又希望天线多频段、高增益等。双极化天线是当前通信领域最受关注的天线类型之一，它能同时形成一对极化正交、频率相同的工作模。双极化天线可以用来为一个频带提供两条通信通道，因此常常被应用于拓展信道容量的通信中，如MIMO通信、基站通信等。近几年来，双极化天线被广泛应用于基站、发射机等多种通信设备中，但目前双极化天线的辐射方向主要为全向辐射和单向辐射。

在道路、铁路、走廊等需要信号直线覆盖的特殊地理情况中，双向天线具有特殊的优势。由于双向天线可以将发射、接受能量集中于两个固定的方向，因此天线也能够在这两个方向上实现较大的增益，从而使该方向附近的信号覆盖情况良好。由于应用环境的特殊性，目前双向天线的研究设计并不多，且多为单一极化辐射方式。

因此，鉴于无线通信系统天线的双极化设计趋势，以及双向天线在直线覆盖等特殊情况中应用的优势，双向双极化天线的研究和设计具有实际意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种双向双极化天线，用以满足天线双极化辐射和双向覆盖的应用要求。

本发明中提出的双向双极化天线，包括：

用于实现天线的双极化辐射特性的正交偶极子；和

对称布置在所述正交偶极子两侧以实现天线的双向辐射特性的金属引向器阵列。

在本发明的一个实施方式中，所述正交偶极子包括：一对垂直偶极子和一对水平偶极子；或者包括：一对+45°偶极子和一对-45°偶极子。

在本发明的一个实施方式中，构成所述正交偶极子的两对偶极子分别印制于一第一基板的两侧，且两对偶极子具有相同的中点。

在本发明的一个实施方式中，所述第一基板在每对偶极子的中心垂直线对应的边缘位置分别设置有一馈电点；

每对偶极子中的每个偶极子通过一微带传输线连接至自身所对应的馈电点上，且每对偶极子的两个偶极子分别通过所述第一基板的两面连接至所述馈电点的源端和地端。

在本发明的一个实施方式中，所述正交偶极子中的每对偶极子约为1/4波长。

在本发明的一个实施方式中，所述金属引向器阵列中的每个金属引向器印制于一第二基板的一个面上，且印制有所述金属引向器的一面背离所述正交偶极子布置；所述金属引向器阵列中的每个金属引向器与所述正交偶极子具有相同的中点。

在本发明的一个实施方式中，布置在所述正交偶极子任一侧的金属引向器阵列中的金属引向器均匀或非均匀布置。

在本发明的一个实施方式中，所述布置在所述正交偶极子任一侧的金属引向器阵列中的金属引向器的数量为2、3、4、5、6、7或8个。

在本发明的一个实施方式中，所述金属引向器阵列中的每个金属引向器的形状为方形、圆形或环形。

在本发明的一个实施方式中，所述金属引向器阵列中的每个金属引向器的形状为正方形，且边长约为1/3波长所述金属引向器阵列中与正交偶极子相邻的金属引向器与正交偶极子之间的间隔约为1/10波长，相邻的金属引向器之间的间隔约为1/5波长。

从上述方案中可以看出，由于本发明中通过设置一正交偶极子实现天线的双极化辐射特性，并通过在所述正交偶极子的两侧对称布置金属引向器阵列来实现天线的双向辐射特性，从而使得本发明中的天线同时满足双极化辐射和双向覆盖的应用要求。并且由于天线的辐射集中在正交偶极子两侧的方向上，因此可以使得这两个方向上的最大增益值较高，增益的方向性较强。

此外，由于天线的所有部件均可印制于基板上，因此易于大规模的加工生产，进而可降低天线的成本。

此外，本发明实施例中的天线的设计简单、测试性能良好。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为本发明实施例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的示例性结构图。

图2为图1所示双向双极化天线中正交偶极子组件的主视图。

图3为本发明一个示例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的S参数性能图。

图4为本发明一个示例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的增益性能图。

其中，附图说明如下：

标号	含义
		1	正交偶极子组件
2	位于正交偶极子组件左侧的金属引向器阵列
		3	位于正交偶极子组件右侧的金属引向器阵列
11	第一基板
		12	垂直偶极子
13	垂直偶极子的微带传输线
		14	连接垂直偶极子至地面的覆铜通孔
15	垂直偶极子的馈电点位置
		16	水平偶极子
17	水平偶极子的微带传输线
		18	连接水平偶极子至地面的覆铜通孔
19	水平偶极子的馈电点位置
		21、31	第二基板
22、32	金属引向器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的示例性结构图。图2为图1所示双向双极化天线中正交偶极子组件的主视图。本说明书中将主要基于图1所示方位对本发明实施例中的双向双极化天线进行详细描述，除非特殊说明，本说明书中为描述方便所涉及的上、下、左、右、前、后、竖直以及水平等方位均相对于图1所示视角而言。图1和图2中，黑色代表位于基板左侧的部分，灰色代表位于基板右侧的部分。实线表示在图1所示视角中可见的部分，虚线表示在图1所示视角中不可见的部分。

结合图1和图2，可以看出，本实施例中的双向双极化天线包括：一正交偶极子组件1和对称布置在所述正交偶极子组件1两侧的金属引向器阵列2、3。

其中，正交偶极子组件1用于实现天线的双极化辐射特性。本实施例中，正交偶极子组件1可包括第一基板11、正交偶极子12、16、微带传输线13、17和馈电点15、19。

其中，第一基板11可以为PCB板，也可以为其它形式的基板。具体可根据实际需要确定。

正交偶极子12、16可以包括如图1和图2所示的一对垂直偶极子12和一对水平偶极子16。当然，实际应用中，也可以由一对+45°偶极子和一对-45°偶极子（图中未示出）构成等，具体可根据实际需要确定。本实施例中，以一对垂直偶极子12和一对水平偶极子16构成正交偶极子12、16的情况为例进行说明，本实施例中，构成正交偶极子12、16的两对偶极子12、16分别印制于一第一基板11的两侧，且两对偶极子12、16具有相同的中点O。

馈电点通常设置在基板的边缘位置。本实施例中，馈电点15、19设置在每对偶极子12、16的中心垂直线对应的第一基板11的边缘位置，即第一馈电点15设置在一对垂直偶极子12的中心垂直线对应的第一基板11的边缘位置，第二馈电点19设置在一对水平偶极子12的中心垂直线对应的第一基板11的边缘位置。这样一来，两个馈电点15、19的位置通常垂直分布。

每对偶极子12、16中的每个偶极子通过一微带传输线13、17连接至自身所对应的馈电点15、19上，且每对偶极子12、16的两个偶极子分别通过所述第一基板11的两面连接至所述馈电点15、19的源端和地端。本实施例中，一对垂直偶极子12中的每个偶极子通过一微带传输线13连接至自身所对应的第一馈电点15上，且该对垂直偶极子12的两个偶极子分别通过所述第一基板11的两面连接至第一馈电点15的源端和地端。一对水平偶极子16中的每个偶极子通过一微带传输线17连接至自身所对应的第二馈电点19上，且该对水平偶极子16的两个偶极子分别通过所述第一基板11的两面连接至第二馈电点19的源端和地端。具体实现时，连接一对垂直偶极子12中的一个偶极子的微带传输线13连接至第一基板11的边缘后，通过第一覆铜通孔14连接至第一基板11的另一面，并在另一面上连接至第一馈电点15的地端，连接该对垂直偶极子12中的另一个偶极子的微带传输线13连接至第一基板11的边缘后，沿边缘弯折，并在该面上连接至第一馈电点15的源端。连接一对水平偶极子16中的一个偶极子的微带传输线17连接至第一基板11的边缘后，通过第二覆铜通孔18连接至第一基板11的另一面，并在另一面上连接至第二馈电点19的地端，连接该对水平偶极子16中的另一个偶极子的微带传输线17连接至第一基板11的边缘后，沿边缘弯折，并在该面上连接至第二馈电点19的源端。

本实施例中，在两个馈电点15、19处可以进行同轴馈电，从而实现平衡馈电。

对称布置在所述正交偶极子组件1两侧的金属引向器阵列2、3用于实现天线的双向辐射特性。其中，金属引向器阵列包括位于正交偶极子组件1一侧的第一金属引向器阵列和位于正交偶极子组件1另一侧与所述第一金属引向器阵列对称布置的第二金属引向器阵列。如图1所示，本实施例中的金属引向器阵列包括位于正交偶极子组件1左侧的由4个金属引向器构成的第一金属引向器阵列2和位于正交偶极子组件1右侧的由4个金属引向器构成的第二金属引向器阵列3。具体实现时，金属引向器阵列2、3中金属引向器的数量可以根据实际需要进行确定，例如，较佳地可以每侧为2～8个，或者也可以为其它个数等。本实施例中，以每侧4个的情况为例进行说明，当然还可以为每侧5个、6个等。

本实施例中，金属引向器阵列2、3中的每个金属引向器22、32印制于一第二基板21、31的一个面上，且印制有所述金属引向器22、32的一面背离所述正交偶极子12、16布置；所述金属引向器阵列2、3中的每个金属引向器22、32与所述正交偶极子12、16具有相同的中点O。本实施例中，第二基板21、31也可以为PCB板或其它形式的基板。

本实施例中，第一金属引向器阵列2和第二金属引向器阵列3对称布置在正交偶极子12、16的两侧，在每一侧的金属引向器阵列2、3中的金属引向器可均匀布置，也可非均匀布置，具体可根据实际需求确定。

此外，金属引向器的具体形状可根据实际需要确定，例如可以为如图1和图2中所示的方形，也可以为其它形状，如圆形或环形等。本实施例中，以方形的金属引向器为例进行说明。

本实施例中，正交偶极子12、16中的每对偶极子可以为1/4波长左右，且第一基板11的宽度和高度可均为1/2波长左右。

此外，本实施例中的方形金属引向器的边长可以为1/3波长左右。当然，具体尺寸也可根据目标频段的实际情况进行调整。

本实施例中，金属引向器阵列2、3中与正交偶极子12、16相邻的金属引向器与正交偶极子之间的间隔可约为1/10波长，相邻的金属引向器之间的间隔可约为1/5波长。

实际应用中，金属引向器阵列2、3中的金属引向器的个数和间距均可以根据实际情况进行确定。

本实施例中所提到的尺寸值中的“约为”指定值、以及指定值“左右”等概念，可以理解为相应尺寸值“等于”指定值，或“在所述指定值左右的一个预设的允许范围内变动”得到的值。

图3为本发明一个示例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的S参数性能图。如图3所示，对应两个馈电点15、19的两个天线端口的输入特性（S₁₁，S₂₂）良好，在S₁₁<-10dB的情况下，天线的带宽由2.32GHz至2.54GHz；在S₂₂<-10dB的情况下，天线的带宽由2.32GHz至2.58GHz，两端口均可以完全覆盖IEEE802.11WLAN的频段范围2.4-2.4835GHz。

图4为本发明一个示例中2.4GHz WLAN频段双向双极化天线的增益性能图。如图4所示，在图1所示的三维坐标系中的XZ平面和YZ平面内，天线的辐射均集中于正交偶极子12、16左右的Z轴正负两个方向上，且最大增益约为9.7dB。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双向双极化天线，其特征在于，包括：

用于实现天线的双极化辐射特性的正交偶极子（12，16）；和

对称布置在所述正交偶极子两侧以实现天线的双向辐射特性的金属引向器阵列（2，3）。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述正交偶极子（12，16）包括：一对垂直偶极子（12）和一对水平偶极子（16）；或者包括：一对+45°偶极子和一对-45°偶极子。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，构成所述正交偶极子（12，16）的两对偶极子（12，16）分别印制于一第一基板（11）的两侧，且两对偶极子（12，16）具有相同的中点。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一基板（11）在每对偶极子的中心垂直线对应的边缘位置分别设置有一馈电点（15，19）；

每对偶极子（12，16）中的每个偶极子通过一微带传输线（13，17）连接至自身所对应的馈电点（15，19）上，且每对偶极子（12，16）的两个偶极子分别通过所述第一基板（11）的两面连接至所述馈电点（15，19）的源端和地端。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述正交偶极子（12，16）中的每对偶极子约为1/4波长。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述金属引向器阵列（2，3）中的每个金属引向器（22，32）印制于一第二基板（21，31）的一个面上，且印制有所述金属引向器（22，32）的一面背离所述正交偶极子（12，16）布置；所述金属引向器阵列（2，3）中的每个金属引向器（22，32）与所述正交偶极子（12，16）具有相同的中点。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，布置在所述正交偶极子（12，16）任一侧的金属引向器阵列（2，3）中的金属引向器（22，32）均匀或非均匀布置。

8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述布置在所述正交偶极子（12，16）任一侧的金属引向器阵列（2，3）中的金属引向器（22，32）的数量为2、3、4、5、6、7或8个。

9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述金属引向器阵列（2，3）中的每个金属引向器（22，32）的形状为方形、圆形或环形。

10.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述金属引向器阵列（2，3）中的每个金属引向器（22，32）的形状为正方形，且边长约为1/3波长所述金属引向器阵列（2，3）中与正交偶极子（12，16）相邻的金属引向器（22，32）与正交偶极子（12，16）之间的间隔约为1/10波长，相邻的金属引向器（22，32）之间的间隔约为1/5波长。