CN104852150A - 一种平行双线馈电的双频双极化基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行双线馈电的双频双极化基站天线，从上向下依次为辐射贴片层，垂直于辐射贴片层且彼此正交的四条Г型金属条带和馈电层；所述辐射贴片层包括第一金属覆盖层和第一介质层，其中第一金属覆盖层呈正方形，且每个角均切去相同大小的等腰直角三角形；所述四条Г型金属条带作为所述馈电层的延伸，对辐射贴片层进行耦合馈电，馈电层从上向下依次为第一金属馈线层、第二介质层、金属地板层、第三介质层、第二金属馈线层。本发明的优点和有益效果是基站天线体积小、馈电网络结构简单且带宽更宽。

Description

一种平行双线馈电的双频双极化基站天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种平行双线馈电的双频双极化基站天线。
背景技术
随着移动通讯设备的普及，对于移动基站的设计产生了更高的要求，如兼容多种通信协议，节省建设多个基站的资源以及体积小隐蔽性强等。天线作为其中占用体积较大的一部分，对其设计提出了更高的要求，通常包括兼容多个通信频段、在同一个天线上实现收发信号的极化隔离、体积更加小型化等。
基于这样的目的，基站天线的设计需要具有一定的工作带宽、±45°双线极化、较宽的波束、较好的前后比和交叉极化的抑制，同时，为了降低收发信号之间的干扰，要求天线的两个正交极化的端口之间具有足够高的隔离度。由于偶极子天线具有全向性的方向图以及较宽的带宽，在过去常常采用两个正交放置的偶极子进行基站天线的设计。然而，偶极子天线与金属反射板之间需要具有四分之一波长的距离才能正常工作，这一要求不仅限制了天线的工作带宽，同时也是天线体积难以缩小，不利于小型化设计。另一方面，也有部分基站天线是采用贴片天线进行设计，相比于偶极子天线，其剖面更低，能够适应小型化的系统要求。为了提高双极化馈电的端口隔离度，这类贴片天线需采用平衡馈电方式，然而这种馈电方式需要在馈电网络中设计复杂的宽带180°移相器，增加了实际应用的难度和成本。因此，传统的基站天线设计有诸多缺点，亟需改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平行双线馈电的双频双极化基站天线，解决了现有基站天线体积大、馈电网络复杂、带宽有限的缺点问题。
本发明所采用的技术方案是从上向下依次为辐射贴片层，垂直于辐射贴片层且彼此正交的四条Г型金属条带和馈电层；所述辐射贴片层包括第一金属覆盖层和第一介质层，其中第一金属覆盖层呈正方形，且每个角均切去相同大小的等腰直角三角形；所述四条Г型金属条带作为所述馈电层的延伸，对辐射贴片层进行耦合馈电，馈电层从上向下依次为第一金属馈线层、第二介质层、金属地板层、第三介质层、第二金属馈线层。
进一步，所述四条Г型金属条带中，第一Г型金属条带、第二Г型金属条带、第三Г型金属条带、第四Г型金属条带分别通过第一圆柱金属探针、第二圆柱金属探针、第三圆柱金属探针、第四圆柱金属探针与馈电层相连；其中第一Г型金属条带和第三Г型金属条带位于同一平面，第二Г型金属条带与第四Г型金属条带位于同一平面，且上述两平面相互垂直；Г型金属条带与所述金属地板层平行的边与辐射贴片层之间具有一定的距离。
进一步，所述第二介质层中央为大正方形、在大正方形两相邻边中央分别伸出一个小正方形；
所述第三介质层与第二介质层的形状相同且上下对应放置；
所述金属地板层为正方形、面积与第二介质层的中央大正方形相同；
所述第一金属馈线层包括第一馈电线和第二馈电线，第一馈电线和第二馈电线的长度相等且起始端分别位于第二介质层的两个小正方形区域内；所述第二金属馈线层包括第三馈电线和第四馈电线，第三馈电线和第四馈电线的长度相等且起始端分别位于第三介质层的两个小正方形区域内；
第三馈电线与第一馈电线的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分呈中心对称；第四馈电线与第二馈电线的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分呈中心对称；
第一馈电线与第一圆柱金属探针相连，进而与第一Г型金属条带相连，第三馈电线与第一圆柱金属探针相连，进而与第三Г型金属条带相连；
第二馈电线与第二圆柱金属探针相连，进而与第二Г型金属条带相连，第四馈电线与第四圆柱金属探针相连，进而与第四Г型金属条带相连。
本发明的优点和有益效果是基站天线体积小、馈电网络结构简单且带宽更宽。
附图说明
图1是本发明天线总体结构展开示意图；
图2是贴片示意图；
图3是Г型金属条结构图；
图4是为馈电线示意图。
图中，1.第一金属覆盖层，2.第一介质层，6.第二介质层，7.金属地板层，8.第三介质层，31.第一Г型金属条带，32.第二Г型金属条带，33.第三Г型金属条带，34.第四Г型金属条带，41.第一圆柱金属探针，42.第二圆柱金属探针，43.第三圆柱金属探针，44.第四圆柱金属探针，51.第一馈电线，52.第二馈电线，53.第三馈电线，54.第四馈电线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的平行双线馈电的双频双极化基站天线如图1至图4所示，从上向下依次为辐射贴片层，垂直于辐射贴片层且彼此正交的四条Г型金属条带和馈电层；辐射贴片层包括第一金属覆盖层1和第一介质层2，其中第一金属覆盖层1呈正方形，且每个角均切去相同大小的等腰直角三角形；所述四条Г型金属条带作为所述馈电层的延伸，对辐射贴片层进行耦合馈电，馈电层从上向下依次为第一金属馈线层、第二介质层6、金属地板层7、第三介质层8、第二金属馈线层。四条Г型金属条带中，第一Г型金属条带31、第二Г型金属条带32、第三Г型金属条带33、第四Г型金属条带34分别通过第一圆柱金属探针41、第二圆柱金属探针42、第三圆柱金属探针43、第四圆柱金属探针44与馈电层相连；其中第一Г型金属条带31和第三Г型金属条带33位于同一平面，第二Г型金属条带32与第四Г型金属条带34位于同一平面，且上述两平面相互垂直；Г型金属条带与所述金属地板层7平行的边与辐射贴片层之间具有一定的距离。第二介质层6中央为大正方形、在大正方形两相邻边中央分别伸出一个小正方形；第三介质层8与第二介质层6的形状相同且上下对应放置；金属地板层7为正方形、面积与第二介质层6的中央大正方形相同；第一金属馈线层包括第一馈电线51和第二馈电线52，第一馈电线51和第二馈电线52的长度相等且起始端分别位于第二介质层6的两个小正方形区域内；所述第二金属馈线层包括第三馈电线53和第四馈电线54，第三馈电线53和第四馈电线54的长度相等且起始端分别位于第三介质层8的两个小正方形区域内；第三馈电线53与第一馈电线51的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分对称；第四馈电线54与第二馈电线52的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分呈中心对称；第一馈电线51与第一圆柱金属探针41相连，进而与第一Г型金属条带31相连，第三馈电线53与第一圆柱金属探针43相连，进而与第三Г型金属条带33相连；第二馈电线52与第二圆柱金属探针42相连，进而与第二Г型金属条带32相连，第四馈电线54与第四圆柱金属探针44相连，进而与第四Г型金属条带34相连；
上述第一馈电线51与第三馈电线53在小正方形区域上下相对构成平行双线，为天线的第一馈电端口；上述第二馈电线52与第四馈电线54同样构成平行双线，为天线的第二馈电端口；上述四条馈电线在进入中央大正方形区域后，由于金属地板层7的存在而从平行双线过渡到微带线；上述四条馈电线分别与四个金属圆柱探针相连，进一步与Г型金属条带相连，从而实现对辐射贴片进行馈电；上述第三金属圆柱探针43和第四金属圆柱探针44自下而上贯穿第三介质层8、金属地板层7、第二介质层6，并且与金属地板层7不接触。
第一馈电线51和第三馈电线53经过第二介质层和第三介质层的小正方形区域的部分上下相对，构成了平行双线,当过渡到中间有金属地板的大正方形区域后，第一馈电线51和第三馈电线53分别与金属地板7构成两条微带传输线，且他们的电流相位在一个极宽的频带上相差180°。由于第一馈电线51与第一圆柱金属探针41相连，进而与第一Г型金属条带31相连，第三馈电线53与第一圆柱金属探针43相连，进而与第三Г型金属条带33相连，从而第一Г型金属条带31和第三Г型金属条带33对辐射贴片1具有反相的馈电，同理，第二Г型金属条带32和第四Г型金属条带34对辐射贴片1也具有反相的馈电。第一、三Г型金属条与第二、四Г型金属条具有正交的极化，从而实现了天线的双极化工作。同时，由于第一、三Г型金属条在第二、四Г型金属条的电磁耦合均呈反向的相位，在第二馈电端口来自第一、三Г型金属条的交叉极化干扰相互抵消，同理，在第一馈电端口来自第二、四Г型金属条的交叉极化干扰相互抵消，从而天线具有非常低的交叉极化干扰。同时，辐射贴片1的切角处理、Г型金属条的耦合馈电使得天线在两个频段上能获得良好的匹配和较宽的带宽。
为进一步说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体设计实例，一个平行双线馈电的双频双极化基站天线，如图2至图3所示，设计的低频通道工作在TD-LTE Band 39(1.88-1.92GHz)，高频通道工作在TD-LTE Band 41(2.469-2.69GHz)。介质基片均使用厚度为0.8mm，介电常数为2.55的F4B基片。对应的天线的几何参数取值如下：a＝49mm,b＝25mm,c＝7mm,l＝100mm,l1＝32mm,l2＝35.5mm,l3＝49.75mm,l4＝26mm,w＝4.5mm,g1＝10.8mm,g2＝13mm,g3＝8.014mm,s＝1.5mm。仿真结果表明，该天线两个工作频段分别为1.87-2.01GHz和2.47-2.7GHz，对应带宽为140MHz和230MHz，在通带内的隔离度大于25dB，交叉极化小于-15dB，中心频率1.94GHz和2.59GHz的实际增益分别为8.12dB和9.62dB。
本发明可用于基于TD-LTE的移动通信基站，其优点是适用于系统的双频、宽带、双极化、低交叉极化、高隔离度，同时结构紧凑、成本低、易于加工。
本发明的优点还在于：
(1)相比于传统的基站天线，本发明具有双频工作的优点。一方面，通过对贴片进行切角使得带宽拓宽；另一方面，通过调整Г型金属条带与辐射贴片之间的耦合可以控制两个频段的频率比；
(2)相比于传统的平衡式馈电方法，本发明的馈电结构更简单且带宽更宽。本发明利用平行双线两线之间电流反相的特点，将其过渡到微带线，从而巧妙地在极宽的频带上获得了低相位误差的180°移相馈电网络；
(3)本发明的基站天线剖面更低、体积更小。本发明采用了对安装高度没有要求的贴片天线进行设计，为了获得所需的工作带宽，需要将贴片抬高，而Г型金属条带带来的宽带匹配效果降低了贴片需要抬高的幅度；
(4)本发明的基站由于采用印制电路板技术来生产加工，而传统的基站天线多采用机械加工而成，因此本发明的天线成本更低、重量更轻、加工周期快、易于集成。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种平行双线馈电的双频双极化基站天线，其特征在于：从上向下依次为辐射贴片层，垂直于辐射贴片层且彼此正交的四条Г型金属条带和馈电层；
所述辐射贴片层包括第一金属覆盖层(1)和第一介质层(2)，其中第一金属覆盖层(1)呈正方形，且每个角均切去相同大小的等腰直角三角形；所述四条Г型金属条带作为所述馈电层的延伸，对辐射贴片层进行耦合馈电，馈电层从上向下依次为第一金属馈线层、第二介质层(6)、金属地板层(7)、第三介质层(8)、第二金属馈线层。
2.按照权利要求1所述一种平行双线馈电的双频双极化基站天线，其特征在于：所述四条Г型金属条带中，第一Г型金属条带(31)、第二Г型金属条带(32)、第三Г型金属条带(33)、第四Г型金属条带(34)分别通过第一圆柱金属探针(41)、第二圆柱金属探针(42)、第三圆柱金属探针(43)、第四圆柱金属探针(44)与馈电层相连；其中第一Г型金属条带(31)和第三Г型金属条带(33)位于同一平面，第二Г型金属条带(32)与第四Г型金属条带(34)位于同一平面，且上述两平面相互垂直；Г型金属条带与所述金属地板层(7)平行的边与辐射贴片层之间具有一定的距离。
3.按照权利要求1所述一种平行双线馈电的双频双极化基站天线，其特征在于：所述第二介质层(6)中央为大正方形、在大正方形两相邻边中央分别伸出一个小正方形；
所述第三介质层(8)与第二介质层(6)的形状相同且上下对应放置；
所述金属地板层(7)为正方形、面积与第二介质层(6)的中央大正方形相同；
所述第一金属馈线层包括第一馈电线(51)和第二馈电线(52)，第一馈电线(51)和第二馈电线(52)的长度相等且起始端分别位于第二介质层(6)的两个小正方形区域内；所述第二金属馈线层包括第三馈电线(53)和第四馈电线(54)，第三馈电线(53)和第四馈电线(54)的长度相等且起始端分别位于第三介质层(8)的两个小正方形区域内；
第三馈电线(53)与第一馈电线(51)的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分呈中心对称；第四馈电线(54)与第二馈电线(52)的起始端上下对应、且延伸至大正方形区域的部分呈中心对称；
第一馈电线(51)与第一圆柱金属探针(41)相连，进而与第一Г型金属条带(31)相连，第三馈电线(53)与第一圆柱金属探针(43)相连，进而与第三Г型金属条带(33)相连；
第二馈电线(52)与第二圆柱金属探针(42)相连，进而与第二Г型金属条带(32)相连，第四馈电线(54)与第四圆柱金属探针(44)相连，进而与第四Г型金属条带(34)相连。
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