CN105609921A - 小型高低频共轴双极化基站天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型宽带高低频共轴双极化基站天线单元，在保证高频振子具有良好的辐射特性的前提下，有效解决现有共轴基站天线单元体积较大的问题；包括低频振子(1)、高频振子(2)和反射板(4)，所述低频振子(1)和高频振子(2)共轴，垂直安装在反射板(4)上，该两个振子(1、2)的轴线垂直于反射板(4)，且与其中心位置相交；在反射板(4)上以其中心位置为圆心，设置有由多个隔离片(3)组成的隔离圈，用于减小低频振子(1)与高频振子(2)之间的耦合，同时调节高频振子(2)的方向图。本发明具有尺寸小，频带宽，辐射性能好的优点，可用于新一代通信系统中的基站天线组阵。

Description

小型高低频共轴双极化基站天线单元

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种具有优良辐射性能的小型高低频共轴双极化基站天线单元，可用于移动通信基站天线组阵中。

背景技术

基站即公用移动通信基站，是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。而信息传递是通过架设在基站上的天线进行的，因此，基站天线的性能优劣决定了能否满足用户的需求。基站天线根据极化方式可分为单极化和双极化基站天线。传统的单极化天线，当天线数量增加时，由于天线之间的隔离度和空间分集技术要求天线之间有水平和垂直间隔距离，这时必须扩大安装天线的平台，增加了基建投资。而采用双极化技术时，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度要求≥30dB，双极化天线之间的空间间隔仅需20～30cm，因此移动基站可以不必兴建铁塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可。

自天线被发明以来，小型化就是天线理论的重要研究方向之一，基站天线小型化有着重要的意义，比如可以减小风阻，降低建设成本、便于实现多系统共站、利于实现微基站、应急基站等宏基站以外场景的灵活布置和便于进行天线美化。因此如何在保持原有天线性能不变或在性能略有损失的前提下，在更小的空间内实现原有天线的功能是本技术领域的重要课题。此外，随着第四代通信标准和技术的发展，能够同时覆盖2G(GSM900/GSM1800,CDMA,andPCS,operateinthe900MHz(825–960MHz)and1800MHz(1710–1920MHz)bands)、3G(TD-SCDMA,WCDMA,andCDMA2000,operateinthe2GHz(1880–2170MHz)band)和4G(LTE700MHz690-960MHz,2.3GHz(2300–2400MHz)and2.6GHz(2570–2690MHz)bands)网络的基站天线越来越受到青睐。基站天线是由若干个基站天线单元通过不同形式的周期性排布而成，目前能覆盖上述频率的双极化基站天线单元主要采用高低频单元共轴排布方式，且高频单元放置在由半波振子形成的低频单元的空间内，这种放置方式会不可避免的使低频单元与高频单元相互耦合，造成基站天线高频单元水平面方向图的恶化，影响整体天线的辐射性能。因此如何降低高低频单元之间的影响，改善高频单元的辐射性能成为本技术领域的另一重要课题。

中国专利申请公布号为CN103036073A，名称为“双频双极化天线”的发明，该发明包括反射板、低频振子、高频振子以及合路器，其中低频振子包括四个半波振子，该四个半波振子立放并均匀排布在反射板顶面。每一个半波振子包括两个振子臂，且其顶端设置有一个引向振子，并通过引线与半波振子相连。高频振子立放于反射板上低频振子形成区域的中心位置。为隔离低频振子与高频振子，在它们之间设置一环形挡板。该发明涉及的低频振子为直线型的，带有金属引向的半波振子，这使得天线高度和口径较大，不利于基站天线小型化设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种小型高低频共轴双极化基站天线单元，在保证高频振子具有良好的辐射特性的前提下，有效解决现有高低频共轴基站天线单元体积较大的技术问题。

为实现上述的目的，本发明采取的技术方案为：

一种小型高低频共轴双极化基站天线单元，包括低频振子1、高频振子2和反射板4，所述低频振子1和高频振子2共轴，垂直安装在反射板4上，该两个振子1、2的轴线垂直于反射板4，且与其中心位置相交；所述低频振子1包括相互正交的两对低频半波振子和与振子相连的支撑臂；在反射板4上以其中心位置为圆心，设置有由多个隔离片3组成的隔离圈，用于减小低频振子1与高频振子2之间的耦合，同时调节高频振子2的方向图。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述支撑臂由倾斜支撑臂11和竖直支撑臂12组成，其中，倾斜支撑臂11的下端固定有环形底座13。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述两对低频半波振子中的每对低频半波振子包括中心对称的两个半波振子，每个半波振子设置有两个相对的辐射臂14，辐射臂14固定在相应支撑臂的顶端，每个辐射臂14由水平放置的第一加载段141，与该第一加载段141向下垂直连接的第二加载段142以及第三加载段143，和第四加载段144组成，且第四加载段144位于第一加载段141和第三加载段143的侧端。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述高频振子2包括支撑件21和垂直设置在该支撑件21顶端的辐射体22。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述辐射体22包括相互正交的两对高频半波振子，每对高频半波振子由两个相同的振子组成；所述振子采用良性导电材料，其形状为一个对角设置有圆弧形切角221的正方形，在另一个对角的对角线上，设置有一个扇形缝隙222和椭圆形缝隙223。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述支撑件21采用良性导电材料，其内部竖直方向设置有引导馈线的通孔211。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述隔离片3采用轻质良性导电金属片，由固定段31和隔离段32组成。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述组成隔离圈的多个隔离片3的隔离段32向外倾斜。

上述小型高低频共轴双极化基站天线单元，所述反射板4采用轻质导电材料，其四边设置有垂直向上的凸沿，用于改善天线单元辐射特性。

该高低频共轴双极化基站天线单元通过一体化压铸成型，确保其拥有简单的结构和良好的性能。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明低频振子中的支撑臂，由于其采用由倾斜支撑臂和竖直支撑臂连接的结构，与现有技术采用的直立型支柱相比，在保证低频振子性能不受影响的同时，有效地降低了低频振子的高度，实现了基站天线单元的小型化。

2、本发明的低频振子中的辐射臂由四个加载段组成，由于采用第四加载段设置于第一加载段和第三加载段侧端的结构，与现有技术采用的直条形的振子臂相比，进一步实现了基站天线单元小型化；同时，由于采用第一加载段向下垂直连接第二加载段以及第三加载段的结构，与现有技术采用的引向振子相比，扩展了带宽，实现了从690到1210MHz的频率覆盖。

3、本发明的多个倾斜隔离片由于采用围绕放置在反射板中心位置的结构，减小高低频振子之间的耦合，同时改善了高频振子的辐射特性。

4、本发明低频振子和高频振子分别采用相互垂直的两对低频半波振子和高频半波振子，形成了双极化辐射，并且实现了高隔离度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明低频振子的结构示意图；

图3是本发明低频振子中的辐射臂的结构示意图；

图4是本发明高频振子的结构示意图；

图5是本发明高频振子中的支撑件的结构示意图；

图6是本发明隔离片的结构示意图；

图7是本发明低频振子的端口反射系数图；

图8是本发明低频振子的端口之间隔离度图；

图9是本发明低频振子其中一个端口激励时在不同频点的水平面方向图；

图10是本发明高频振子的端口反射系数图；

图11是本发明高频振子的端口之间隔离度图；

图12是本发明高频振子其中一个端口激励时在不同频点的水平面方向图；

图13是本发明低频振子与高频振子之间不设置隔离圈的水平面仿真方向图。

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：

参照图1，本发明包括低频振子1、高频振子2和反射板4，所述低频振子1和高频振子2共轴，垂直安装在反射板4上，该两个振子1、2的轴线垂直于反射板4，且与其中心位置相交；所述低频振子1包括相互正交的两对低频半波振子和与其相连的支撑臂；在反射板4上以其中心位置为圆心，设置有由多个隔离片3组成的隔离圈，用于减小低频振子1与高频振子2之间的耦合，同时调节高频振子2的方向图；所述反射板4采用方形轻质导电材料，其四边设置有垂直向上的凸沿，用于改善天线单元辐射特性。

参照图2，支撑臂由倾斜支撑臂11和竖直支撑臂12组成，倾斜支撑臂11是为了有效降低低频振子1的高度；为了增加低频振子1结构稳定性，倾斜支撑臂11的下端固定有环形底座13；每对低频半波振子包括中心对称的两个半波振子，每个半波振子设置有两个相对的辐射臂14，辐射臂14固定在相应支撑臂的顶端。

参照图3，每个半波振子的辐射臂14由水平放置的第一加载段141，与该第一加载段141向下垂直连接的第二加载段142和第三加载段143，以及第四加载段144组成，且第四加载段144位于第一加载段141和第三加载段143的侧端。第一加载段141和第四加载段144的总长大约是工作中心频率2.2GHz对应的四分之一波长，本实施例第一加载段141和第四加载段144的总长为89mm。这两个加载段141、144的宽度对带宽也有一定影响，本发明实施例选取14mm；位于第一加载段141和第三加载段143侧端的第四加载段144，垂直反射板4向下弯折，是为了减小天线口径，实现小型化，向下弯折的第四加载段144的长度选为54mm；在辐射臂14的第一加载段141的边缘垂直连接有第二加载段142和第三加载段143，可以延长辐射电流的路径，实现宽频带，本发明实施例第二加载段142和第三加载段143的宽度选取20mm。为了减小馈电同轴线带来的损耗，每个半波振子的其中一个辐射臂14的第二加载段142上设置有L型凸块15，每对半波振子的L型凸块的方向保持一致。本发明采用75欧姆同轴线给每个半波振子馈电，其外芯焊接在L形凸块15上，内芯焊接在另一个辐射臂14上。

参照图4，高频振子2包括支撑件21和垂直设置在该支撑件21顶端的辐射体22。高频振子2大致呈T字形，支撑件21内部沿竖直方向设置有用于同轴电缆穿过的通孔211和用于固定的安装孔212；支撑件21的高度一般选取中心频率对应的四分之一波长，本实施例选取33mm；辐射体22包括相互正交的两对高频半波振子，用于实现双极化；每对高频半波振子由两个相同的振子组成；所述振子采用良性导电材料，其形状为一个对角设置有圆弧形切角221的正方形，在另一个对角的对角线上，设置有一个扇形缝隙222和椭圆形缝隙223。具体地，扇形缝隙222的圆心设置在振子通孔211或安装孔212所在的对角线上且远离该两个孔211、212的一端，其半径分别沿辐射体22的边长所在方向向内延伸，构成半径为14mm的四分之一圆；椭圆形缝隙223设置在靠近扇形缝隙222圆弧的一侧，其长轴为10mm，短轴为4mm；圆弧形切角221分别设置在振子的与扇形缝隙222所在对称轴垂直的另一条对角线上，其原点在振子的顶点，分别向内蚀刻，形成半径为3mm的四分之一圆；此外，为了优化馈电结构，同轴线穿过的对应振子上设置有凹陷。

参照图5，安装孔212的上方设置有为了减小高频振子2的重量的孔，其底端设有5mm高的螺纹，用于与螺钉配合，安装在反射板4上；为了激励任意一对高频半波振子，本发明采用50欧姆同轴电缆穿过支撑件21内部的通孔211，并将其外芯焊接在同轴线穿过的振子上，其内芯焊接在与其中心对称的另一振子上。

参照图1和6，隔离片3采用轻质良性导电金属片，由固定段31和隔离段32组成，固定段31上有三个螺孔用于安装塑料铆钉，隔离段32则向外倾斜，本实施例隔离段高度选为21mm，与反射板垂直方向夹角为11°；由多个隔离片3组成的隔离圈以反射板4的中心位置为圆心，其直径要求小于低频振子的最大处口径；该隔离圈用于减小低频振子1与高频振子2之间的耦合，同时调节高频振子2的方向图。

以下结合仿真结果，对本发明的技术效果作进一步描述：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HighFrequencyStructureSimulatorHFSSver.13)对本发明低频振子1的端口反射系数在0.5-1.5GHz范围内进行仿真计算，结果如图7所示。

1.2对本发明低频振子的端口之间的隔离度在0.5-1.5GHz范围内进行仿真计算，结果如图8所示。

1.3对本发明低频振子1的水平面方向图分别在0.71GHz、0.83GHz和0.96GHz处进行仿真计算，结果如图9所示。

1.4对本发明高频振子2的端口反射系数在1.5-3GHz范围内进行仿真计算，结果如图10所示。

1.5对本发明高频振子2的端口之间的隔离度在1.5-3GHz范围内进行仿真计算，结果如图11所示。

1.6对本发明高频振子2的水平面方向图分别在1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz处进行仿真计算，结果如图12所示。

1.7本发明不设置隔离片3的时候，对其水平面方向图分别在1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz处进行仿真计算，结果如图13所示。

2、仿真结果

参照图7，本发明的低频振子1在700～1200MHz的宽频段范围内，能保持端口反射系数小于等于-15dB，说明本发明的低频振子1具有良好的阻抗带宽特性。

参照图8，本发明的低频振子1的两对低频半波振子由于采用正交馈电方式，具有良好的隔离度，且隔离度小于-29.5dB。

参照图9，本发明的低频振子1的水平面半功率波瓣宽度保持在62.37°±1.91°，交叉极化小于-37dB，满足了基站天线单元的单向性要求。

参照图10，本发明的高频振子2在1700～2720MHz的宽频段范围内，能保持端口反射系数小于等于-15dB，说明本发明的高频振子2具有良好的阻抗带宽特性。

参照图11，本发明的高频振子2的两对高频半波振子由于采用正交馈电方式，具有良好的隔离度，且隔离度小于-36.3dB。

参照图12，本发明的高频振子2的水平面半功率波瓣宽度保持在88.31°±4.21°，交叉极化小于-25dB，满足了基站天线单元的单向性要求。

参照图13，如果没有隔离片3放置在低频振子1与高频振子2之间，高频振子2的方向图会裂开，对应的半功率波瓣宽度会变窄。

以上仿真结果说明本发明在实现小型化的同时，具有宽频带、高隔离度、双极化和辐射性能稳定的优点。

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 (9)

1.一种小型高低频共轴双极化基站天线单元，包括低频振子(1)、高频振子(2)和反射板(4)，所述低频振子(1)和高频振子(2)共轴，垂直安装在反射板(4)上，该两个振子(1、2)的轴线垂直于反射板(4)，且与其中心位置相交；其特征在于，所述低频振子(1)包括相互正交的两对低频半波振子和与振子相连的支撑臂；在反射板(4)上以其中心位置为圆心，设置有由多个隔离片(3)组成的隔离圈，用于减小低频振子(1)与高频振子(2)之间的耦合，同时调节高频振子(2)的方向图。

2.根据权利要求1所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述支撑臂由倾斜支撑臂(11)和竖直支撑臂(12)组成，其中，倾斜支撑臂(11)的下端固定有环形底座(13)。

3.根据权利要求1所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述两对低频半波振子中的每对低频半波振子包括中心对称的两个半波振子，每个半波振子设置有两个相对的辐射臂(14)，辐射臂(14)固定在相应支撑臂的顶端，每个辐射臂(14)由水平放置的第一加载段(141)，与该第一加载段(141)向下垂直连接的第二加载段(142)以及第三加载段(143)，和第四加载段(144)组成，且第四加载段(144)位于第一加载段(141)和第三加载段(143)的侧端。

4.根据权利要求1所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述高频振子(2)包括支撑件(21)和垂直设置在该支撑件(21)顶端的辐射体(22)。

5.根据权利要求4所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述辐射体(22)包括相互正交的两对高频半波振子，每对高频半波振子由两个相同的振子组成；所述振子采用良性导电材料，其形状为一个对角设置有圆弧形切角(221)的正方形，在另一个对角的对角线上，设置有一个扇形缝隙(222)和椭圆形缝隙(223)。

6.根据权利要求4所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述支撑件(21)采用良性导电材料，其内部竖直方向设置有引导馈线的通孔(211)。

7.根据权利要求1所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述隔离片(3)采用轻质良性导电金属片，由固定段(31)和隔离段(32)组成。

8.根据权利要求1或7所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述组成隔离圈的多个隔离片(3)的隔离段(32)向外倾斜。

9.根据权利要求1所述的小型高低频共轴双极化基站天线单元，其特征在于，所述反射板(4)采用轻质导电材料，其四边设置有垂直向上的凸沿，用于改善天线单元辐射特性。