CN105356053B - 改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，包括反射板、十字形馈电结构、四个辐射单元以及四根同轴线，所述四根同轴线的上端穿过反射板后，四根同轴线上端的外导体与四个辐射单元一一对应连接，每根同轴线上端的内导体在穿过其对应的辐射单元后与十字形馈电结构连接；所述四根同轴线的下端均与SMA头连接；所述四根同轴线构成两对差分馈电端口，所述四个辐射单元构成两对偶极子，所述两对差分馈电端口对两对偶极子进行馈电。本发明具有宽频带、高交叉极化比、高隔离度的特点，实现了稳定的辐射方向图、稳定的半功率波束宽度和稳定的增益，而且结构简单、性能良好，采用铸件结构，可延长使用寿命。

Description

改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线

技术领域

本发明涉及一种差分宽频带双极化基站天线，尤其是一种改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，属于无线移动通信技术领域。

背景技术

近20年来，移动通信产业取得了迅猛的发展。截止2012年初，全球手机用户数量达到60亿，根据中国工信部统计数据，截至2013年3月底，中国共有11.46亿移动通信服务用户。国际电信联盟数据显示，在2014年初，全球手机用户超过70亿。未来移动通信产业的发展将不可估量，其将对国民经济和人们生活带来重大的影响。在中国，2013年12月4日，工信部向中国移动通信集团公司、中国电信集团公司、中国联合网络通信集团有限公司颁布了“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TD-LTE)”经营许可。中国移动获得130MHz频谱资源，分别为1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中国联通获得40MHz频谱资源，分别为2300-2320MHz、2555-2575MHz；中国电信获得40MHz频谱资源，分别为2370-2390MHz、2635-2655MHz。这标志着我国已经进入了4G时代。因此对于基站天线的研究也随着移到通信系统的发展而进入了一个“宽频”和“多频”的时代。一方面，移动通信系统的演进是一个长期漫长、循序渐进的过程，可以预料在今后相当长的时间内将维持2G、3G和4G系统共存的局面，多系统共基站和多系统共天线是行之有效的解决办法；另一方面，随着人们越来越重视视觉污染和电磁辐射污染，加之基站天线的维护成本高，迫切需要减少数量。宽频/多频天线可以一幅天线为多个系统提供服务，有效减少天线的数量和占用空间，具有十分广阔的应用空间和实用价值。

日益增长的通信需求，要求通信系统不断扩容，利用电磁波的正交极化特性设计通信系统，可使双极化系统获得更高的系统容量。为了增加系统容量，减少多径衰落的影响，在系统的接收端一般都采用±45双极化基站天线来接收信号，其分集增益提高了系统性能。

目前，射频电路通常采用差分技术传输信号，很多射频前端器件能够直接集成到收发器芯片上。但是作为射频前端电路的重要器件，天线大多数被设计为单端口器件，不能直接与差分电路集成，通常需要采用巴伦把差分信号转换为单端口信号然后馈入天线。巴伦的使用会造成损耗，使系统效率降低，也增加了独立器件的数量，不利于系统高度集成和小型化。

据调查与了解，目前公开的现有技术如下：

1)2013年，Ying Liu，Hao Yi，Fu-Wei Wang和Shu-Xi Gong等人在“IEEE ANTENNASAND WIRELESS PROPAGATION LETTERS”发表题为“A Novel Miniaturized BroadbandDual-Polarized Dipole Antenna for Base Station”的文章中，使用传统的单端口天线设计方法，基本满足基站天线的参数要求，在天线中引入方环和方盘分别作为寄生辐射环和引向器，使得天线具有较小的电尺寸。但是半功率波束宽度偏大，也没有讨论天线的交叉极化比。另一方面，引入寄生辐射环和引向器会使得天线结构过于复杂，加工难度加大。

2)2012年，Zengdi Bao，Zaiping Nie和Xianzheng Zong等人在“IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“A Novel Broadband Dual-Polarization Antenna Utilizing Strong Mutual Coupling”的文章中，采用传统单端口设计方式，利用偶极子自身产生的模式和两对偶极子之间的耦合产生另一模式达到比较宽的带宽。但是该天线的反射板形状过于复杂，尺寸较大，没有达到合适的半功率波束宽度，也没有讨论水平面60度范围内的交叉极化比。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，该天线实现了稳定的辐射方向图、稳定的半功率波束宽度和稳定的增益，具有结构简单、性能良好的优点。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，包括反射板、十字形馈电结构、四个辐射单元以及四根同轴线，所述四根同轴线的上端穿过反射板后，四根同轴线上端的外导体与四个辐射单元一一对应连接，每根同轴线上端的内导体在穿过其对应的辐射单元后与十字形馈电结构连接；所述四根同轴线的下端与四个SMA头一一对应连接；所述四根同轴线构成两对差分馈电端口，所述四个辐射单元构成两对偶极子，所述两对差分馈电端口对两对偶极子进行馈电。

作为一种优选方案，所述四个辐射单元分别为第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，所述第一辐射单元和第三辐射单元呈-45度方向放置，所述第二辐射单元和第四辐射单元呈+45度方向放置；所述四根同轴线分别为第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线，所述第一同轴线对应第一辐射单元，所述第二同轴线对应第二辐射单元，所述第三同轴线对应第三辐射单元，所述第四同轴线对应第四辐射单元；所述第一同轴线和第三同轴线构成的一对差分馈电端口对第一辐射单元和第三辐射单元构成的一对偶极子进行馈电，所述第二同轴线和第四同轴线构成的一对差分馈电端口对第二辐射单元和第四辐射单元构成的一对偶极子进行馈电。

作为一种优选方案，还包括支撑结构，所述支撑结构设置在反射板与四个辐射单元之间，用于支撑四个辐射单元；所述四根同轴线的上端依次穿过反射板、支撑结构后，四根同轴线上端的外导体与四个辐射单元一一对应连接，每根同轴线上端的内导体在穿过其对应的辐射单元后与十字形馈电结构连接；所述四根同轴线的下端与四个SMA头一一对应连接。

作为一种优选方案，所述反射板为方形盒状结构，该反射板内具有翻边，所述翻边在反射板内围成一个方形盒状结构，所述支撑结构位于该翻边所围成方形盒状结构的中心。

作为一种优选方案，所述支撑结构的形状为圆柱体。

作为一种优选方案，所述支撑结构采用聚四氟乙烯塑料制成。

作为一种优选方案，所述反射板和翻边均采用铝合金材料制成。

作为一种优选方案，所述四个辐射单元的形状均为方形；或所述四个辐射单元的形状均为经切角处理的方形。

作为一种优选方案，所述十字形馈电结构和四个辐射单元均采用铜材料制成。

作为一种优选方案，所述四根同轴线均为50Ω的同轴线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的差分宽频带双极化基站天线中，将四根同轴线的外导体与四个辐射单元连接，内导体穿过辐射单元后与十字形馈电结构连接，即采用四根同轴线构成的两对差分馈电端口对四个辐射单元构成的两对偶极子进行差分馈电，天线在SWR(Standing WaveRatio，驻波比)＜1.5的情况下阻抗带宽为1.65-2.77GHz，并且十字形馈电结构使得天线的两对差分馈电端口之间有很高的差分信号隔离度，由于差分馈电的引入，可使天线直接与差分电路连接而不需要另外设计巴伦，也能够对共模噪声信号进行有效的抑制。

2、本发明的差分宽频带双极化基站天线采用的差分馈电，可以形成有两个谐振模式组成的较宽的阻抗带宽，阻抗带宽中的两个模式分别可以通过控制辐射单元的大小和辐射单元之间的间距来控制，以实现所需的阻抗带宽。

3、本发明的差分宽频带双极化基站天线中，反射板与辐射单元之间设置支撑结构，优化参数反射板和支撑结构参数，可使天线在整个频带内保持稳定的水平面和竖直面辐射方向图，并且半功率波束宽度(HBPW)满足基站天线的要求，具有较高而且稳定的增益。

4、本发明的差分宽频带双极化基站天线中，反射板内引入翻边，使得本天线的交叉极化比(XPD)得到了较好的改善，在轴向XPD＞50dB，水平面±60度范围内XPD＞10dB，完全满足基站天线对交叉极化比的要求。

5、本发明的差分宽频带双极化基站天线具有宽频带、高交叉极化比、高隔离度的特点，实现了稳定的辐射方向图、稳定的半功率波束宽度和稳定的增益，而且结构简单、性能良好，采用铸件结构，可延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1的差分宽频带双极化基站天线结构图。

图2为本发明实施例1的十字形馈电结构、支撑结构、四根同轴线和四个辐射单元的相互关系结构图。

图3为本发明实施例1的差分馈电端口Port1和Port2的驻波比曲线图。

图4为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时十字形馈电结构上的电流分布图。

图5为本发明实施例1的差分馈电端口Port1和Port2的差模信号隔离度曲线图。

图6为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时水平面辐射方向图。

图7为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时竖直面辐射方向图。

图8为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时水平面和竖直面的半功率波束宽度曲线对比图。

图9为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时天线的增益曲线图。

图10为本发明实施例1的差分馈电端口Port1激励时天线+45度方向在1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz时的交叉极化比曲线对比图。

图11为本发明实施例2的四个辐射单元结构图。

其中，1-反射板，2-十字形馈电结构，3-支撑结构，4-翻边，5-第一辐射单元，6-第二辐射单元，7-第三辐射单元，8-第四辐射单元，9-第一同轴线，10-第二同轴线，11-第三同轴线，12-第四同轴线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的差分宽频带双极化基站天线包括反射板1、十字形馈电结构2、支撑结构3、四个辐射单元以及四根同轴线；

所述反射板1为方形盒状结构，该反射板1内具有翻边4，所述翻边4在反射板1内围成一个方形盒状结构，反射板1的边长分别为Lg1，高度为H1，翻边4的边长为Lg2，高度为H2，反射板1用来形成整个带宽内较好的稳定的辐射方向图、增益和半功率波束宽度，翻边4的加入则对交叉极化比有较大的改善；

所述支撑结构3的形状为圆柱体，其设置在反射板1与四个辐射单元之间，并位于翻边4所围成方形盒状结构的中心，用于支撑四个辐射单元；

所述反射板1和支撑结构3上都挖掉一部分供同轴线穿过，每个辐射单元挖掉一部分供同轴线内导体穿过；

所述四个辐射单元的形状均为方形，分别为第一辐射单元5、第二辐射单元6、第三辐射单元7和第四辐射单元8，所述第一辐射单元5和第三辐射单元7呈-45度方向放置，形成-45度方向线极化，即构成一对偶极子，所述第二辐射单元6和第四辐射单元8呈+45度方向放置，形成+45度方向线极化，整体就可形成±45度双极化天线，同样构成一对偶极子；

所述四根同轴线均为50Ω的同轴线，分别为第一同轴线9、第二同轴线10、第三同轴线11和第四同轴线12；所述第一同轴线9、第二同轴线10、第三同轴线11和第四同轴线12的上端依次穿过反射板1、支撑结构3后，第一同轴线9上端的外导体与第一辐射单元5连接，第二同轴线10上端的外导体与第二辐射单元6连接，第三同轴线11上端的外导体与第三辐射单元7连接，第四同轴线12上端的外导体与第四辐射单元8连接，第一同轴线9、第二同轴线10、第三同轴线11和第四同轴线12上端的内导体在穿过它们分别对应的第一辐射单元5、第二辐射单元6、第三辐射单元7、第四辐射单元8后与十字形馈电结构2连接；所述第一同轴线9、第二同轴线10、第三同轴线11和第四同轴线12的下端与四个SMA头一一对应连接；所述第二同轴线10和第四同轴线12构成一对差分馈电端口Port1(Port1-，Port1+)，差分馈电端口Port1对第二辐射单元6和第四辐射单元8构成的一对偶极子进行馈电，所述第一同轴线9和第三同轴线11构成一对差分馈电端口Port2(Port2-，Port2+)，差分馈电端口Port2对第一辐射单元5和第三辐射单元7构成的一对偶极子进行馈电，形成有两个谐振模式组成的较宽的阻抗带宽和很高的隔离度；与一般单端口馈电不同的是，本实施例中的差分馈电端口Port1和差分馈电端口Port2馈入的是幅度相等、相位相反的差分信号。

本实施例的天线两45度方向线极化是完全对称的，两对差分馈电端口Port1和Port2的驻波比如图3所示，曲线基本完全重合，由于差分馈电端口Port1和Port2完全对称，后面的电磁仿真曲线(图6～图10)都是以差分馈电端口Port1作为激励的曲线，差分馈电端口Port2激励时类似；每个辐射单元的边长L只影响低频模式，低频模式会随着边长L的增大而向低频移动，而各个辐射单元之间的间距g会同时影响两个模式，当间距g增大，两个模式会远离，阻抗带宽增大，但匹配变差。

所述十字形馈电结构2包括两个垂直的馈电部分，当端口Port1-和端口Port1+馈电差分信号时，图4中的黑线相当于等效地，理论上其上面只有垂直于黑线方向的电流，电流到Port2-和Port2+时已经很弱了，端口Port1-和端口Port1+上的电流理论上是无穷小，所以天线有很高的隔离度，在整个频带范围差分信号隔离度都大于60dB，如图5所示。

反射板1距辐射单元的高度，也就是支撑结构3的高度H3，以及反射板1自身的参数(Lg1、Lg2、H1、H2)对天线的辐射方向图有很大影响，高度H3一般取阻抗带宽中心频率2.2GHz对应自由空间波长的1/4，优化参数H3、Lg1、Lg2、H1和H2，可使天线在整个频带内有较好且稳定的辐射方向图，如图6和图7所示；半功率波束宽度控制在66°±3.5°范围内，如图8所示；增益控制在9.1±0.2dB较高的范围内，如图9所示；轴向交叉极化比远大于15dB，水平面内交叉极化比大于10dB的Theta(θ)最小为65度，图10是差分馈电端口Port1激励时+45度方向在1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz时的交叉极化比，满足基站天线对水平面±60度范围大于10dB的要求，最关键的是反射板1内的翻边4，极大的改善了天线的交叉极化比。

因此，本实施例的天线利用差分馈电偶极子产生两个谐振模式，实现1.65-2.77GHz(SWR＜1.5)的工作宽带；两个差分线极化天线组合成的双极化天线结构完全对称，差分馈电端口Port1和Port2分别激励时天线的特性完全一样，差分馈电也保证了天线具有较好的辐射方向图；特殊的十字形馈电结构2使得天线的差分馈电端口Port1与Port2之间有很高的差分信号隔离度；反射板1加上反射板1与辐射单元之间适当的距离可使天线得到稳定的半功率波束宽度和稳定的增益，反射板1内的翻边4则能让天线在±45度平面上都满足轴向交叉极化比远大于15dB和平面内±60度范围大于10dB的要求；通过调整辐射单元的长度可控制低频模式的移动，调整辐射单元之间的距离可同时控制两个模式的移动，以便得到所需的带宽。

实施例2：

如图11所示，本实施例的主要特点是：所述四个辐射单元(第一辐射单元5、第二辐射单元6、第三辐射单元7和第四辐射单元8)的形状均为经切角处理的方形，其它部分同实施例1，也能实现目标特性，满足基站天线对各个参数的要求。

上述实施例中，所述反射板1和翻边4均采用铝合金材料制成，所述支撑结构3采用聚四氟乙烯塑料(塑料王“Teflon”)制成，所述十字形馈电结构2和四个辐射单元均采用铜材料制成。

综上所述，本发明的差分宽频带双极化基站天线具有宽频带、高交叉极化比、高隔离度的特点，实现了稳定的辐射方向图、稳定的半功率波束宽度和稳定的增益，而且结构简单、性能良好，采用铸件结构，可延长使用寿命。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，包括反射板，其特征在于：还包括十字形馈电结构、支撑结构、四个辐射单元以及四根同轴线，所述十字形馈电结构的四个端部进行圆切角处理；所述支撑结构的形状为圆柱体，其采用聚四氟乙烯塑料制成，支撑结构设置在反射板与四个辐射单元之间，用于支撑四个辐射单元；所述四根同轴线的上端依次穿过反射板、支撑结构后，四根同轴线上端的外导体与四个辐射单元一一对应连接，每根同轴线上端的内导体在穿过其对应的辐射单元后与十字形馈电结构连接；所述四根同轴线的下端与四个SMA头一一对应连接；所述四根同轴线构成两对差分馈电端口，所述四个辐射单元构成两对偶极子，所述两对差分馈电端口对两对偶极子进行馈电。

2.根据权利要求1所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述四个辐射单元分别为第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，所述第一辐射单元和第三辐射单元呈-45度方向放置，所述第二辐射单元和第四辐射单元呈+45度方向放置；所述四根同轴线分别为第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线，所述第一同轴线对应第一辐射单元，所述第二同轴线对应第二辐射单元，所述第三同轴线对应第三辐射单元，所述第四同轴线对应第四辐射单元；所述第一同轴线和第三同轴线构成的一对差分馈电端口对第一辐射单元和第三辐射单元构成的一对偶极子进行馈电，所述第二同轴线和第四同轴线构成的一对差分馈电端口对第二辐射单元和第四辐射单元构成的一对偶极子进行馈电。

3.根据权利要求1所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述反射板为方形盒状结构，该反射板内具有翻边，所述翻边在反射板内围成一个方形盒状结构，所述支撑结构位于该翻边所围成方形盒状结构的中心。

4.根据权利要求3所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述反射板和翻边均采用铝合金材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述四个辐射单元的形状均为方形；或所述四个辐射单元的形状均为经切角处理的方形。

6.根据权利要求1或2所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述十字形馈电结构和四个辐射单元均采用铜材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线，其特征在于：所述四根同轴线均为50Ω的同轴线。