CN105098377A - 双极化天线单元、双极化天线阵和无线电接入点 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种双极化天线单元、双极化天线阵和无线电接入点。双极化天线单元包括：位于第一基板上的第一偶极子；位于第二基板上的第二偶极子；第一基板和第二基板垂直相交，第一偶极子与第二偶极子的极化方向正交。本发明实施方式通过垂直相交的基板，实现了一种紧凑的双极化天线单元，显著降低了天线体积。本发明实施方式便于现场安装，还能显著降低天线风力载荷以及更好地符合现有的消防规范。另外，本发明实施方式成本低廉，尤其适用于大规模生产使用。还有，本发明实施方式通过双极化机构实现了极化多样性，并可以允许多路MIMO通信，还可以通过双极化天线阵形式便利扩展实现高带宽高增益。

Description

双极化天线单元、双极化天线阵和无线电接入点

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种双极化天线单元、双极化天线阵和无线电接入点。

背景技术

在诸如无线列车控制系统之类的交通工具与路边设备的无线通信系统中，需要具有从接入点沿轨道的双向无线电覆盖范围。通常情况下，无线电接入点应该在两个方向(前向和反向)上覆盖铁轨。

比如，在各种列车控制系统中，通常需要在移动的列车与静止的信号与控制系统之间进行无线电通信。可以沿着铁轨以预定间隔布置无线电接入点(AP)，当列车沿着铁轨行驶时可以在这些无线电接入点的覆盖范围之内漫游。无线电接入点通常连接到骨干网，而骨干网与信号与控制系统连接，因此可以实现列车和信号与控制系统之间的无线电通信。

发明内容

本发明实施方式提出一种双极化天线单元、双极化天线阵列和无线电接入点，以降低占用体积。

本发明实施方式的技术方案如下：

一种双极化天线单元，包括：

位于第一基板上的第一偶极子；

位于第二基板上的第二偶极子；

所述第一基板和所述第二基板垂直相交，所述第一偶极子与所述第二偶极子的极化方向正交。

所述第一基板上具有第一槽，所述第二基板上具有第二槽；所述第一槽的槽口与所述第二槽的槽口相对，所述第一基板和第二基板通过所述第一槽与所述第二槽的插接形成所述垂直相交。

所述第一槽在所述第一偶极子的两臂中间，所述第二槽在所述第二偶极子的两臂中间。

所述第一槽的长度为所述第一偶极子的一半，所述第二槽的长度为所述第二偶极子的一半。

所述第一偶极子和所述第二偶极子为蝶形偶极子。

所述双极化天线单元还包括绝缘底板；

所述垂直相交的第一基板和第二基板，布置在该绝缘底板上。

所述绝缘底板包括接地面及用于为所述双极化天线单元馈电的微带馈电网络；

所述双极化天线单元还包括：

第一平衡不平衡转换器，位于所述第一基板上且与所述微带馈电网络连接；

第二平衡不平衡转换器，位于所述第二基板上且与所述微带馈电网络连接。

一种双极化天线阵，包括：

绝缘底板；

至少两个如上任一项所述的双极化天线单元，布置在该绝缘底板上，各个双极化天线单元的相应极化方向平行。

所述双极化天线阵还包括：

部分或全部包围所述绝缘底板的金属反射壁。

所述至少两个双极化天线单元共享基板。

一种无线电接入点，该无线电接入点包括如上所述的天线阵。

由此可见，应用本发明实施方式之后，通过垂直相交的基板，实现了一种紧凑的双极化天线单元，并显著降低了天线体积。本发明实施方式便于现场安装，还能显著降低风力载荷以及更好地符合现有的消防规范。

另外，由于本发明实施方式的各个元件都印制在基材上，成本低廉，尤其适用于大规模生产使用。还有，本发明实施方式通过双极化机构实现了极化多样性，并可以允许多路MIMO通信。再有，本发明实施方式可以通过天线阵形式便利地扩展，能够实现高带宽高增益。

附图说明

图1为根据本发明实施方式双极化天线单元结构示意图。

图2为根据本发明实施方式偶极子所在基板的顶面俯视示意图。

图3为根据本发明实施方式偶极子所在基板的底面俯视示意图。

图4为本发明实施方式的第一偶极子和第二偶极子的示意图。

图5为根据本发明实施方式双极化天线阵结构示意图。

图6为根据本发明实施方式列车控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

图1为根据本发明实施方式的双极化天线单元结构图。

如图1所示，本发明实施方式的双极化天线单元包括：垂直相交的第一基板1和第二基板2，明显地，第一基板1和第二基板2分别位于不同的平面。

在第一基板1上布置有第一偶极子，在第二基板2布置有第二偶极子。由于第一基板1和第二基板2垂直相交，第一基板1上的第一偶极子与第二基板2上的第二偶极子垂直，因此，第一偶极子与第二偶极子的极化方向相互正交，从而构成一种双极化天线。

具体地，第一基板1可以通过多种方式与第二基板2垂直相交。

比如，第一基板1可以具有第一槽，第二基板2上可以具有第二槽，而且第一槽的槽口与第二槽的槽口相对。这样，通过将第一槽与第二槽插接，可以实现第一基板1和第二基板2垂直相交。

优选地，第一槽布置在第一基板1的第一偶极子的两臂中间，第二槽布置在第二基板2的第二偶极子的两臂中间，而且第一槽的长度大约为第一偶极子的一半，第二槽的长度大约为第二偶极子的一半。这样，第一槽可以与第二槽充分啮合，从而保证第一基板和第二基板牢固垂直相交。

优选地，第一基板1和第二基板的尺寸基本相同，而且第一偶极子和第二偶极子的尺寸也基本相同，从而可以保证第一槽与第二槽啮合之后，双极化天线单元中的各个元件能够基本对齐，比如实现顶部对齐、底部对齐、边缘对齐等，

优选地，第一偶极子和第二偶极子具体为蝶形偶极子。由于蝶形偶极子具有高增益、高带宽的天线属性，因此采用蝶形偶极子的双极化天线单元相应具有高增益和高带宽。

以上示范性描述了第一基板1与第二基板2的垂直相交方式以及第一偶极子和第二偶极子的示范实例，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于对本发明实施方式的保护范围进行限定。

在一个实施方式中，双极化天线单元还包括绝缘底板3。

第一基板1与第二基板2垂直相交地设置后，通过焊接等方式固定在该绝缘底板3上。

绝缘底板3可以由低损耗材料构成，优选采用作为一种高性能介电材料的泰康利(Taconic)。绝缘底板3的上面和底面都具有印制金属结构。

示范性地，绝缘底板3的上面为接地面，而绝缘底板3的底面包括用于给双极化天线单元馈电的微带馈电网络。垂直相交的第一基板1和第二基板2通常固定在绝缘底板3的接地面。而且，与接地面相对的微带馈电网络，通常具有平衡微带线以及馈线。

优选地，在绝缘底板3上可以具有一或多个小孔，以允许分别位于第一基板1和第二基板2上的突出结构穿过小孔焊接固定到微带馈电网络。

在第一基板1上的第一偶极子的相对面上，还可以具有第一平衡不平衡转换器。第一平衡不平衡转换器通过同样位于该相对面上的突出结构，与绝缘底板3的微带馈电网络上的平衡微带线连接。

而且，在第二基板2上的第二偶极子的相对面上，还可以具有第二平衡不平衡转换器。第二平衡不平衡转换器通过同样位于该相对面上的突出结构，与绝缘底板3的微带馈电网络上的平衡微带线连接。

下面以蝶形偶极子为实例，对第一偶极子的结构进行说明。

图2为根据本发明实施方式，第一偶极子所在基板1的顶面的俯视示意图，其中偶极子具体实施为蝶形偶极子。

由图2可见，在基材1上具有槽23，而且在基材1的顶面具有蝶形偶极子，该蝶形偶极子具有臂21和臂22。

图3为根据本发明实施方式，第一偶极子所在基板1的底面的俯视示意图。

由图3可见，在基板1的底面具有平衡不平衡转换器25。在图3中用虚线框表示该平衡不平衡转换器25。而且，基材底面还具有突出结构24。突出结构24可以穿过绝缘底板3上的小孔，以与绝缘底板3的微带馈电网络连接。

第二偶极子具有与第一偶极子类似的结构，此处不再累述。

图4为本发明实施方式的第一偶极子和第二偶极子的示意图，其中左边所示为第一偶极子及其基材，右边所示为第二偶极子及其基材。其中，第一偶极子和第二偶极子都是蝶形偶极子。

在第一偶极子的基材1上具有槽23，而且在基材1的上面具有蝶形偶极子，该蝶形偶极子具有臂21和臂22。

在第二偶极子的基材2上具有槽33，而且在基材2的上面同样具有蝶形偶极子，该蝶形偶极子具有臂31和臂32。

基板1上的槽23与基板2的槽33的槽口方向相对。通过槽23与槽33的插接，基板1与基板2可以垂直相交，从而构成垂直相交整体部件。

当基材1和基材2通过槽23和槽33的插接实现垂直相交后，可以将该垂直相交整体部件固定连接到绝缘底板3上。其中位于基材1上面的第一偶极子的臂21和臂22通过焊接等方式连接到绝缘底板3的接地面，而且位于基材2上面的第二偶极子的臂31和臂32也通过焊接等方式连接到绝缘底板的接地面。

在基材1的底面还具有平衡不平衡转换器25以及突出结构24。突出结构24可以穿过绝缘底板3上的小孔，以与绝缘底板3的微带馈电网络连接，从而可以为第一偶极子馈电以及实现阻抗匹配。

在第二偶极子的基材2的底面同样具有平衡不平衡转换器35以及突出结构34。突出结构34可以穿过绝缘底板3上的小孔，以与绝缘底板3的微带馈电网络连接，从而为第二偶极子馈电以及实现阻抗匹配。

在图4中，图例A表示只在基板的上面具有印迹线，图例B表示只在基板的底面具有印迹线，图例C表示在基板的上面和底面都具有印迹线。

基于槽23和槽33的深度，第一偶极子的对孔(Via)S1与第二偶极子的对孔S2的水平位置可能不同。

另外，基板1和基材2具体可以实施为FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、FR-6、G-10、CEM-1、CEM-2、CEM-3、CEM-4、CEM-5、AlN、SiC，等等。

基于上述详细阐述的双极化天线单元，本发明实施方式还可以实现一种双极化天线阵。

图5为根据本发明实施方式双极化天线阵结构图。

由图5可见，将多个双极化天线单元布置在一个相同的绝缘底板上，而且各个双极化天线单元的相应极化方向平行，可以实现本发明实施方式的双极化天线阵。通过设置天线阵中双极化天线单元的数目，可以提高整个天线结构的增益和带宽。

优选地，进一步包括部分或全部包围绝缘底板的金属反射壁，金属反射壁可以显著提高天线阵的方向性。优选地，金属反射壁从稍低于绝缘底板处开始向上延伸，直到超过绝缘底板上天线单元的高度。金属反射壁可以在空间上完全密封天线阵，也可以不完全密封天线阵，本发明实施方式对此并无限定。

在一个实施方式中，金属反射壁可以与绝缘底板之间可以具有一定距离。可选地，金属反射壁还可以与绝缘底板接触，甚至金属反射壁还可以位于绝缘底板上。

优选地，在金属反射壁上还可以具有用于连接同轴电缆或连接器的通孔，通过该通孔可以提供双极化天线阵到馈电网络的连接。

优选地，在双极化天线阵中，相互临近的多个双极化天线单元可以共享一块基板。比如，图5中的基材1和基材2可以合并成一块共享基材；基材3和基材4可以合并成一块共享基材。

实际上，本发明对天线阵中的双极化天线单元数目并无限定，通过增加双极化天线单元的数目，可以扩展双极化天线阵的增益和带宽。

可以使用通用的无线电信号仿真工具(比如HFSS等)，综合考虑优化目标(比如最大增益、最大旁瓣抑制、最大效率，等等)之后，利用多种方式优化双极化天线单元数目、金属反射壁高度及位置、偶极子的对孔位置等参数。比如，可以使用HFSS工具，精确仿真计算当金属反射壁高度及位置变化时，整个天线的各种性能(包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等)变化，从而确定出最佳的各项参数。

可以将本发明实施方式应用到大量的应用环境中，比如铁路交通、采矿无线通信系统、车辆与路边通信系统、长距离无线多次反射通信等等。

例如，可以将本发明实施方式提出的双极化天线实施到轨道周边的无线电接入点中。然后，可以沿着轨道以预定间隔布置无线电接入点(AP)。当列车沿着铁轨行驶时可以在这些接入点的覆盖范围之内实现无线电通信漫游。

图6为根据本发明实施方式的列车控制系统的结构图。

如图6所示，在铁轨附近具有多个无线电接入点，比如无线电接入点A、无线电接入点B和无线电接入点C，这些无线电接入点都连接到骨干网601，而骨干网601与信号与控制系统602连接。列车603上的车载天线可以与无线电接入点A、无线电接入点B和无线电接入点C实现无线电通信，而无线电接入点A、无线电接入点B和无线电接入点C可以通过骨干网601将无线电信号中继到信号与控制系统，因此可以实现列车603和信号与控制系统602之间的无线电通信。

以上以列车控制系统为应用环境对本发明的双极化天线进行了示范性描述，本领域技术人员可以意识到，本发明实施方式并不局限于此，而是可以适用于任意需要采用双极化天线的应用环境。

综上所述，本发明实施方式中提出的双极化天线单元，包括：位于第一基板上的第一偶极子；位于第二基板上的第二偶极子；所述第一基板和第二基板垂直相交，所述第一偶极子与第二偶极子的极化方向正交。由此可见，应用本发明实施方式之后，通过垂直相交的基板，实现了一种紧凑的双极化天线单元，并显著降低了天线体积。本发明实施方式便于现场安装，还能显著降低风力载荷以及更好地符合现有的消防规范。

另外，由于本发明实施方式的各个元件都印制在基材上，成本低廉，尤其适用于大规模生产使用。还有，本发明实施方式通过双极化机构实现了极化多样性，并可以允许多路MIMO通信。再有，本发明实施方式可以通过双极化天线阵形式便利扩展，能够实现高带宽高增益。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (11)

1.一种双极化天线单元，包括：

位于第一基板上的第一偶极子；

位于第二基板上的第二偶极子；

所述第一基板和所述第二基板垂直相交，所述第一偶极子与所述第二偶极子的极化方向正交。

2.根据权利要求1所述的双极化天线单元，其特征在于，所述第一基板上具有第一槽，所述第二基板上具有第二槽；所述第一槽的槽口与所述第二槽的槽口相对，所述第一基板和所述第二基板通过所述第一槽与所述第二槽的插接形成所述垂直相交。

3.根据权利要求1所述的双极化天线单元，其特征在于，所述第一槽在所述第一偶极子的两臂中间，所述第二槽在所述第二偶极子的两臂中间。

4.根据权利要求3所述的双极化天线单元，其特征在于，所述第一槽的长度为所述第一偶极子的一半，所述第二槽的长度为所述第二偶极子的一半。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的双极化天线单元，其特征在于，所述第一偶极子和所述第二偶极子为蝶形偶极子。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的双极化天线单元，其特征在于，还包括绝缘底板；

所述垂直相交的第一基板和第二基板，布置在该绝缘底板上。

7.根据权利要求6所述的双极化天线单元，其特征在于，所述绝缘底板包括接地面及用于为所述双极化天线单元馈电的微带馈电网络；

所述双极化天线单元还包括：

第一平衡不平衡转换器，位于所述第一基板上且与所述微带馈电网络连接；

第二平衡不平衡转换器，位于所述第二基板上且与所述微带馈电网络连接。

8.一种双极化天线阵，包括：

绝缘底板；

至少两个如权利要求1-5中任一项所述的双极化天线单元，布置在该绝缘底板上，各个双极化天线单元的相应极化方向平行。

9.根据权利要求8所述的双极化天线阵，其特征在于，还包括：

部分或全部包围所述绝缘底板的金属反射壁。

10.根据权利要求8或9所述的双极化天线阵，其特征在于，所述至少两个双极化天线单元共享基板。

11.一种无线电接入点，其特征在于，该无线电接入点包括如权利要求8、9或10所述的双极化天线阵。