CN104733844A - 平面宽带双极化基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面宽带双极化基站天线，主要解决现有基站天线结构复杂及与其他器件难以集成的问题。包括辐射振子(1)、馈电巴伦(2)、反射板(3)、同轴线(4)、支撑柱(5)和介质材料板(6)；辐射振子(1)采用±45°的双极化平面振子，馈电巴伦(2)采用±45°的平面馈电巴伦；在介质材料板(6)的上表面印制有-45°的辐射振子和+45°的馈电巴伦，下表面印制有+45°的辐射振子和-45°的馈电巴伦；该介质材料板(6)通过支撑柱(5)固定在方形反射板(3)上。本发明实现了辐射振子和馈电巴伦的平面化，同时简化了反射板的结构，可在宽频带内获得稳定的方向图特性，适用于移动通信基站天线领域。

Description

平面宽带双极化基站天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带双极化基站天线，特别涉及一种通过将辐射振子和馈电巴伦分别印制在介质板上的平面宽带双极化基站天线，可应用于移动通信基站天线领域中。

背景技术

移动通信技术给人类带来了快捷的信息沟通，同时需求的增加亦推动了移动通信技术的蓬勃发展。第一代的模拟移动通信系统逐渐淡出我们的视野，到第二代的数字移动通信系统方兴未艾，再到第三代的宽带移动通信系统全世界范围内建设，第四代移动通信技术的试验和建设也如火如荼。然而技术的演进发展并非一撮而就，旧技术与新技术往往有个融合并存期。多网移动通信系统的共存问题要求基站天线能够实现多网共用，即天线能实现宽频带工作。近年来，为了实现频率复用、收发同工、抵抗多径衰落和提高通信系统容量，±45°双极化天线的极化分集技术逐渐代替单极化天线的空间分集技术。与此同时，为了减少天线外部和内部的馈线损耗，提高系统增益与指标余量，扩大覆盖范围，增加系统可集成度，天线被希望与有源器件直接结合，如在天线接口或是天线内部加上有源器件如功率放大器等，以适用于智能天线等多单元、多阵列的天线。这就要求天线在实现宽频带、双极化的同时具有小型化、平面化等特点。

传统的宽带双极化基站天线分为交叉振子基站天线和贴片基站天线两类。为了实现双极化，贴片基站天线多采用多层介质板叠加的结构形式，使得天线损耗大且隔离度低。交叉振子基站天线包括辐射振子、馈电巴伦、反射板三部分，馈电巴伦多采用直立结构，介于反射板和辐射振子之间，起到平衡馈电和支撑辐射振子的作用。如中国专利，授权号CN103904438A名称为“一种宽带双极化基站天线”，该发明公开了一种宽带双极化天线，其结构如图1所示，该天线包括辐射振子、馈电巴伦、反射板。馈电巴伦和辐射对称振子印制在同一个介质板的两侧，通过正交放置的两个线极化辐射单元来实现双极化，通过微带缝隙耦合馈电以获取宽阻抗带宽，通过带有侧边的反射板来满足半功率波瓣宽度、前后比、交叉极化等方向图性能的要求。但由于该基站天线的辐射振子和馈电巴伦采用立体结构，导致了天线整体结构复杂，增加了天线同其他器件的集成难度，同时，天线的反射板添加侧边，使得天线重量、复杂度增加，限制了其在新一代移动通信基站天线领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有基站天线存在的缺陷，提出一种平面宽带双极化基站天线，通过采用辐射振子和馈电巴伦的平面化设计，用于解决现有基站天线结构复杂和同其他器件难以集成的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种平面宽带双极化基站天线，包括辐射振子、馈电巴伦、反射板和介质材料板；所述辐射振子1采用±45°双极化平面振子，所述馈电巴伦2采用±45°平面馈电巴伦，所述反射板3采用方形结构；在介质材料板6的上表面印制有-45°的辐射振子和+45°的馈电巴伦，在其下表面印制有+45°的辐射振子和-45°的馈电巴伦，两个辐射振子和两个馈电巴伦分别在竖直投影方向上正交；该介质材料板6通过四个支撑柱5固定在反射板3上，同轴线4的内芯和外芯分别与馈电巴伦2和辐射振子1相连。

上述平面宽带双极化基站天线，每个辐射振子1是由两个关于介质材料板6中心对称的扇形振子臂组成，该扇形振子臂的圆心处带有切角，四个扇形振子臂排列成一个空间上的圆形结构，圆心处的切角形成一个正方形区域7，相邻振子臂之间形成渐变缝隙结构。

上述的平面宽带双极化基站天线，在扇形振子臂上蚀刻有类似圆形孔12，该类似圆形孔12是由半径为R2和R3的两段圆弧线平滑连接而成，R2的取值范围为19～23mm，R3的取值范围为9～11mm；在扇形振子臂的圆弧两端设置有微带凸起11。

上述的平面宽带双极化基站天线，馈电巴伦2是由扇形微带线21、矩形微带线22和圆环微带线23连接而成；在扇形微带线21上设置有矩形缝隙24，其尺寸为L3×W，L3和W的取值范围分别为3～5mm和0.5～1.5mm；扇形的圆心角为γ,半径为R，其取值范围分别为65°～85°和5～7mm。

上述的平面宽带双极化基站天线，反射板3采用中心设有通孔的正方形金属板材，其边长为L，L的取值范围为130-150mm。

上述的平面宽带双极化基站天线，介质材料板6下表面和反射板3上表面之间的距离为H，H的范围为34～37mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于辐射振子和馈电巴伦分别印刷在介质材料板两面，且在竖直投影方向上正交，馈电巴伦通过同轴线的直接激励，实现了天线的平面化，简化了天线的整体结构，增加了天线的可集成性，同时降低了制造成本。

2)本发明由于通过在辐射振子臂上设置有类似圆形孔从而形成扇形环结构，在同等面积下延长了电流路径，四个扇形振子臂排列成一个空间上的圆形结构，减小了辐射振子所占用的面积，在保证辐射性能的前提下，实现了天线的小型化设计，同时也提高了天线交叉极化比和端口隔离度。

3)本发明由于在相邻辐射振子臂之间设置的渐变缝隙结构，在辐射振子被平衡馈电的情况下，阻抗带宽被极大的改善，克服了传统天线阻抗带宽窄的问题。

4)本发明的反射板由于采用了平面方形结构，在保证天线在整个工作频段内辐射性能稳定的前提下，有效地简化反射板的结构，提高了天线的可集成度。

附图说明

图1是现有天线的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明辐射振子的结构示意图；

图4是本发明馈电巴伦的结构示意图；

图5是本发明实施例1的电压驻波比仿真曲线图；

图6是本发明实施例1的端口隔离度仿真曲线图；

图7是本发明实施例1+45°振子单端口馈电时在不同频点的水平面方向图(xoz)和垂直面方向图(yoz)，包括主极化和交叉极化方向图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图2，本发明包括辐射振子1、馈电巴伦2、反射板3、同轴线4、支撑柱5和介质材料板6；辐射振子1和馈电巴伦2采用金属镀铜，该辐射振子1采用±45°双极化平面振子，馈电巴伦2采用±45°平面馈电巴伦；反射板3采用正方形铝质板材，也可以采用其他金属材料，用于形成单向反射，其边长L为140mm，厚度h为1mm，中心位置设有用于同轴线穿过的通孔；支撑柱5采用塑料材质，也可以采用其他非金属材料，用于避免影响天线辐射性能；介质材料板6采用介电常数为4.4的FR-4材料，表面形状为正方形，其边长L1为52mm，厚度h1为1mm；同轴线4的数量为两条。在该介质材料板6的上表面印制有-45°的辐射振子和+45°的平面馈电巴伦，下表面印制有+45°的辐射振子和-45°的平面馈电巴伦，其中上表面印制的-45°的辐射振子，是通过下表面与其位置相应的-45°平面馈电巴伦耦合馈电，下表面印制的+45°的辐射振子，是通过上表面与其位置相应的+45°平面馈电巴伦耦合馈电；介质材料板6通过四个支撑柱5固定在反射板3正上方上，介质材料板6的四边与反射板四边平行，用于保证辐射方向图的对称性；反射板3的上表面到介质材料板6的下表面距离H为35mm，这个距离也可以根据天线工作带宽进行调整，调整的范围约为中心频率对应波长的四分之一；两条同轴线4穿过反射板3中心设置的通孔，其下端与馈源连接，上端的外芯和内芯分别与辐射振子1及与其对应的馈电巴伦2相连，形成对天线的激励。

参照图3，±45°双极化平面振子在竖直投影方向上呈正交关系，即夹角θ为90°，每个辐射振子1是由两个关于介质材料板6中心对称的扇形振子臂组成，组成辐射振子1的四个扇形环也可采用扇形、正方形以及方形环。四个扇形振子臂排列成一个空间上的圆形结构，用于减小辐射振子所占的面积，在扇形振子臂的圆心处带有切角，切角形成一个正方形区域7，避免振子臂之间的物理重叠，相邻振子臂之间形成渐变缝隙结构，其夹角β为15°，以改善阻抗带宽。扇形振子臂的圆心角α为75°，半径R1为25.5mm，在扇形振子臂上蚀刻有类似圆形孔12，该类似圆形孔12是由半径为R2和R3的两段圆弧线平滑连接而成，R2的取值为22mm，R3的取值为10mm，以在同等面积下延长电流路径，在扇形振子臂的圆弧两端设置有微带凸起11，其外弧长L2为1mm，侧边W2为3mm，用于实现阻抗匹配，±45°双极化振子各自的一个臂的角平分线靠近圆心处上开有半径为1.5mm的馈电通孔，以焊接同轴线。

参照图4，±45°平面馈电巴伦2在竖直投影方向上呈正交关系，每个巴伦由设置有矩形缝隙的扇形短截线21、馈电微带线22和微带环23组成。矩形缝隙的长度L3为4mm，宽度W为1mm，扇形短截线的半径R为6.5mm，圆心角γ为85°，用于天线的平衡馈电；微带环23用于与同轴线4的焊接。

实施例2:

实施例2与实施例1结构相同，仅对以下参数做修改：组成类似圆形孔12的两段圆弧线的半径分别为R2＝19mm，R3＝9mm，反射板3边长L＝130mm，矩形缝隙长度L3＝3mm，宽度W＝0.5mm，扇形短截线21的圆心角γ＝65°，半径R＝5mm。

实施例3：

实施例3与实施例1结构相同，仅对以下参数做修改：组成类似圆形孔12的两段圆弧线的半径分别为R2＝23mm，R3＝11mm，反射板3边长L＝150mm，矩形缝隙长度L3＝5mm，宽带W＝1.5mm，扇形短截线21的圆心角γ＝85°，半径R＝7mm。

本发明的优点可通过实施例1的仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件HFSS对上述实施例1进行仿真。其电压驻波比结果如图5所示；振子端口隔离度结果如图6所示；在+45°振子单端口馈电时，1.8GHz、2.2GHz、2.6GHz三个频点处的远场辐射方向图结果如图7所示；±45°双极化振子在不同频点的3dB水平波束宽度、3dB垂直波束宽度、主方向交叉极化比、单元增益的指标汇总结果如表1所示。

2、仿真结果

参照图5，为本发明实施例1的电压驻波比仿真曲线图。可以看出在电压驻波比小于1.5的工作频带为1.80GHz～2.69GHz，包含大部分的移动通信工作频段。说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。

参照图6，为本发明实施例1的端口隔离度仿真曲线图。可以看出在1.80GHz-2.69GHz工作频带内的端口隔离度大于30dB，满足基站天线的端口隔离度指标。

参照图7，为本发明实施例1在+45°振子单端口馈电时，在1.80GHz、2.20GHz和2.6GHz频点处的水平面方向图(xoz)和垂直面方向图(yoz)，分别对应图7(a)、图7(b)和图7(c)，方向图中包含主极化和交叉极化。可以看出在低频、中频和高频段，主极化方向图稳定。

参照表1，为本发明实施例1的±45°振子在不同频点的3dB水平波束宽度、3dB垂直波束宽度、主方向交叉极化比、单元增益的指标汇总。从表中可以看出，3dB水平波束宽度和3dB垂直波束宽度变化平缓，相对于常归指标要求(1710MHz～1880MHz-75°±5°，1920MHz～2170MHz-70°±5°，2490MHz～2690MHz-65°±5°)，本发明满足整个宽频带内均满足70°±2°，说明天线同样具有良好的方向图带宽稳定性。交叉极化比大于28dB，具有较低的交叉极化。增益稳定且大于8dB，满足基站天线的指标要求。

表1

以上仿真结果说明本天线具有宽带化、高隔离度、辐射性能稳定等优点。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种平面宽带双极化基站天线，包括辐射振子、馈电巴伦、反射板和介质材料板，其特征在于：所述辐射振子(1)采用±45°双极化平面振子，所述馈电巴伦(2)采用±45°平面馈电巴伦，所述反射板(3)采用方形结构；在介质材料板(6)的上表面印制有-45°的辐射振子和+45°的馈电巴伦，在其下表面印制有+45°的辐射振子和-45°的馈电巴伦，两个辐射振子和两个馈电巴伦分别在竖直投影方向上正交；该介质材料板(6)通过四个支撑柱(5)固定在反射板(3)上，同轴线(4)的内芯和外芯分别与馈电巴伦(2)和辐射振子(1)相连。

2.根据权利要求1所述的平面宽带双极化基站天线，其特征在于每个辐射振子(1)是由两个关于介质材料板(6)中心对称的扇形振子臂组成，该扇形振子臂的圆心处带有切角，四个扇形振子臂排列成一个空间上的圆形结构，圆心处的切角形成一个正方形区域(7)，相邻振子臂之间形成渐变缝隙结构。

3.根据权利要求2所述的平面宽带双极化基站天线，其特征在于在扇形振子臂上蚀刻有类似圆形孔(12)，该类似圆形孔(12)是由半径为R2和R3的两段圆弧线平滑连接而成，R2的取值范围为19～23mm，R3的取值范围为9～11mm；在扇形振子臂的圆弧两端设置有微带凸起(11)。

4.据权利要求1所述的平面宽带双极化基站天线，其特征在于馈电巴伦(2)是由扇形微带线(21)、矩形微带线(22)和圆环微带线(23)连接而成；在扇形微带线(21)上设置有矩形缝隙(24)，其尺寸为L3×W，L3和W的取值范围分别为3～5mm和0.5～1.5mm；扇形的圆心角为γ，半径为R，其取值范围分别为65°～85°和5～7mm。

5.根据权利要求1所述的平面宽带双极化基站天线，其特征在于反射板(3)采用中心设有通孔的正方形金属板材，其边长为L，L的取值范围为130-150mm。

6.根据权利要求1所述的平面宽带双极化基站天线，其特征在于所述介质材料板(6)下表面和反射板(3)上表面之间的距离为H，H的范围为34～37mm。