CN106099333B - 双极化介质谐振器天线单元及基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极化介质谐振器天线单元，包括由下而上依次连接的基板、介质谐振器和引向器；所述基板的上表面设有接地面，并且所述接地面内蚀刻有缝隙，下表面蚀刻有与所述缝隙相匹配并用于馈电的微带馈线；所述介质谐振器及所述引向器在所述基板上的投影覆盖所述缝隙。本发明的实施，达到了双极化介质谐振器天线单元低剖面且高增益的要求，且其馈电结构对称，易于装配。此外，本发明还提供了一种包括上述双极化介质谐振器天线单元的基站天线。

Description

双极化介质谐振器天线单元及基站天线

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种双极化介质谐振器天线单元及基站天线。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，以及移动通信市场的不断扩大，人们迫切需求更加小型化的基站天线，同时也希望基站天线的损耗越来越小，以减小耗能。

介质谐振器天线正是基站天线小型化和节能要求的技术发展方向之一。一方面，使用高介电常数材料能大大缩短电磁波在空间中的等效波长，利用这一基本原理设计的介质谐振器天线单元，较常规基站天线单元要小许多；另一方面，在高频段，介质谐振器天线的损耗要比常规的金属半波振子单元在毫米波段的损耗要小20％到30％，符合节能的要求。

然而，介质谐振器天线单元的设计面临着不少困难，例如，工作频段较窄、增益较低、某些形式的介质谐振器单元的馈电结构较难用于工程实践等。

目前关于介质谐振器天线发明的研究虽然较多，但是都仅局限于某一方面或某些方面，例如，局限在单极化或圆极化等只有一个或几个单元的小型天线上，或局限在X波段、Ku波段等尚未应用于民用通信领域的超高频、极高频的毫米波波段，等等。

存在相关的研究双极化介质谐振器天线单元的学术论文，提出了利用介质谐振器的高阶模式，不仅扩展了介质谐振器天线的带宽，而且提高了相应频段的增益，但同时也存在明显的缺陷，即介质谐振器单元剖面高度大于四分之一个波长，相比同频段的常规天线单元剖面高度要高二分之一以上。

此外，双极化天线对极化之间的隔离度和交叉极化有比较严格的要求，为实现介质谐振器天线的双极化目的，就必须设计能够对称馈电且隔离度较好的馈电结构。

因此，提供一种低剖面且高增益的、馈电结构对称的双极化介质谐振器天线单元及相应的基站天线是非常有必要的。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的首要目的旨在提供一种低剖面且高增益的、馈电结构对称的、且在移动通信频段内自由设计的双频或宽频的双极化介质谐振器天线单元。

本发明的另一目的旨在提供一种采用上述的双极化介质谐振器天线单元的基站天线。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供的一种双极化介质谐振器天线单元，包括由下而上依次连接的基板、介质谐振器和引向器，所述基板的上表面设有接地面，并且接地面内蚀刻有缝隙，基板下表面蚀刻有与所述缝隙相匹配并用于馈电的微带馈线；所述介质谐振器及所述引向器在所述基板上的投影覆盖所述缝隙。

优选地，所述介质谐振器的几何中心在所述基板上的投影与所述缝隙的中心重合。

优选地，所述引向器在所述介质谐振器上的投影位于所述介质谐振器端面的中部，并且引向器的中心在基板上的投影与所述缝隙的中心重合。

较佳地，所述介质谐振器的高度小于六分之一个波长。

可选地，所述缝隙包括与两个极化相对应的第一缝隙和第二缝隙，所述微带馈线包括对应为所述第一、第二缝隙馈电的第一、第二馈线。

进一步地，所述第一缝隙和第二缝隙相互垂直且平分。

进一步地，所述第一、第二缝隙的长度均为双频或宽频带中的低频中心频率所对应的等效波长。

进一步地，所述第一馈线和第二馈线均构成一分二功分器，各自对应为一个极化的缝隙两端等幅同相馈电。

进一步地，所述微带馈线还包括设在其中一条馈线上的空气跳线，并且所述空气跳线设于两条馈线交汇处。

另一种方式中，所述缝隙包括呈中心对称且每相邻两个之间相互垂直的第一、第二、第三和第四缝隙，所述第一、第二、第三和第四缝隙到其对称中心的距离相等。

进一步地，所述第一、第二、第三、第四缝隙均为H形缝隙，所述H形缝隙的等效长度为双频或宽频带中的低频中心频率所对应的等效半波长。

进一步地，所述微带馈线包括均构成一分二功分器的第一馈线和第二馈线，各自对一个极化的两个缝隙等幅同相馈电。

本发明提供的一种基站天线，包含上述技术方案中任意一项所述的双极化介质谐振器天线单元。

相比现有技术，本发明的技术方案具有以下优点：

1.本发明的双极化介质谐振器天线单元包含引向器，能实现高增益。所述介质谐振器天线单元的剖面高度在八分之一波长至六分之一波长之间，相对常规基站天线单元剖面高度大大降低，即实现了低剖面。本发明实现所述介质谐振器天线单元高增益的方法，相对于已有研究的诸如角反射器、高阶模等提高介质谐振器天线单元增益的方法而言更简单易行。

2.本发明的双极化介质谐振器天线单元提供了两种易于装配的对称馈电结构，其中一种馈电结构避免了空气跳线，使馈电结构得到了简化。

3.本发明的双极化介质谐振器天线单元可工作在移动通信频段内自由设计的双频或宽频频带，实现了双极化介质谐振器天线单元在 0.5GHz至3GHz频段内的双频及宽频带应用，填补了基站双极化介质谐振器天线在该频段的空白。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。

图1是本发明的双极化介质谐振器天线单元的立体图；

图2是本发明的双极化介质谐振器天线单元的分解图；

图3是本发明的双极化介质谐振器天线单元的一个实施例的基板下表面示意图；

图4是本发明的双极化介质谐振器天线单元的一个实施例的蚀刻有对应于第一、第二缝隙的微带馈线的基板下表面的俯视图；

图5是本发明的双极化介质谐振器天线单元的另一个实施例的基板下表面示意图；

图6是本发明的双极化介质谐振器天线单元的另一个实施例的蚀刻有对应于第一、第二、第三、第四缝隙的微带馈线的基板下表面的俯视图；

图7是本发明的工作在1880MHz～1920MHz频段的双极化介质谐振器天线单元的增益在水平面的方向图；

图8是本发明的工作在2496MHz～2690MHz频段的双极化介质谐振器天线单元的增益在水平面的方向图；

图9是本发明的Band39/41双频双极化介质谐振器天线单元的驻波曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。若已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其简要概述或省略。

以下描述的两个实施例，主要是针对中国移动F频和D频两个频段，即1880MHz～1920MHz频段(即Band39)和2496MHz～2690MHz 频段(即Band41)而言的，但这并不排除本发明在其他频段适用的可能性。为了描述方便，在以下给出的实施例中所涉及的频段均指F频和 /或D频，而不再作具体说明。

实施例一

请结合图1、图2、图3和图4，本发明的双极化介质谐振器天线单元100(为方便描述，以下简称“天线单元100”)，包括由下而上依次连接的基板6、介质谐振器3和引向器1。

所述基板6优选PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)基板，其上表面设有接地面，并且接地面内蚀刻有与两个极化相对应的缝隙 5；所述基板6的下表面蚀刻有与所述缝隙相匹配的微带馈线7，以用于与外部馈电网络(图未示)连接而为所述天线单元100馈电。

所述介质谐振器3固定于所述基板6的上表面，并且覆盖所述缝隙。

所述引向器1固定于所述介质谐振器3的上方，并且其在所述基板6上的投影覆盖所述缝隙5。

通过在介质谐振器3上设置所述引向器1充当寄生单元，保证较强的方向性，进而提高所述天线单元100的增益。在需要达到相同增益的前提下，加载引向器1的介质谐振器天线单元100可以减小其所需的剖面高度降低了所述介质谐振器天线单元的高度，实现了低剖面，有利于实现天线的小型化和高增益。

优选地，所述基板6采用低介电常数和低损耗的介质材料，以保证振子带宽和增益。

所述基板6上表面蚀刻有表现为十字缝隙的所述缝隙5。所述十字缝隙5包括相互垂直且平分的第一缝隙(未标号，下同)和第二缝隙(未标号，下同)，分别与两个正交的极化相对应，且所述十字缝隙5的第一、第二缝隙的长度均为所需设计频段的低频中心频率所对应的等效波长，即其中λ₁为所需设计频段的低频中心频率对应的波长，ε为所述介质谐振器3的相对介电常数。

所述微带馈线7包括与两个正交极化相对应的第一馈线(未标号，下同)和第二馈线(未标号，下同)，所述第一、第二馈线均构成一分二功分器，各自对一个极化方向的缝隙的两端等幅同相馈电，即第一馈线通过其两个输出端与第一缝隙的两端对应连接而为所述第一缝隙馈电，而第二馈线通过其两个输出端与第二缝隙的两端对应连接为第二缝隙馈电。

通过在所述基板6的上表面蚀刻包括相互垂直且平分的第一、第二缝隙的所述缝隙5，以及在所述基板6的下表面相应蚀刻包括第一、第二馈线的所述微带馈线7，形成了对称的馈电结构，且便于装配。并且，由于所述第一、第二缝隙相互垂直正交，可以有效避免第一、第二缝隙相互之间的极化影响，保证了两个极化之间的隔离度。

进一步地，所述微带馈线7还包括设置在其中一条馈线上的空气跳线4，且所述空气跳线4设于所述微带馈线7的两条馈线的交汇区域9处，用以避免两条馈线的相互干涉，从而保证了馈电结构对称且正交。

更进一步地，所述微带馈线7末端为若干开路或短路枝节，以通过调节微带馈线的线长、线宽和开路或短路枝节，可以使天线带宽匹配到50欧姆，以通过50欧姆同轴线或微带线与外部的馈电网络连接而为该天线单元100馈电。因此，所述第一、第二馈线的馈电端口8(相当于功分器的输入端口)通过50欧姆同轴电缆或50欧姆微带馈线与外部的馈电网络连接。

优选地，所述介质谐振器3的几何中心在所述基板6上的投影与所述缝隙5的中心重合。

所述介质谐振器3选取相对介电常数在6至15之间的材料，其形状包括但不限于圆柱、长方体和锥台等旋转对称结构，在本实施例中选择圆柱形的介质谐振器。所述介质谐振器3的高度h和半径a均为高频中心频率对应的等效半波长，即为其中，ε为所述介质谐振器3的相对介电常数，λ₂为所需设计频段的高频中心频率对应的波长。

以上圆柱形的介质谐振器的高度h和半径a也可以通过另一方式计算得出，并且计算结果可以达到更加精确，参考K.M.Luk教授和 K.W.Leung教授的英文书籍DielectricResonator Antennas中计算介质谐振器的HEM111基模的谐振频率的经验估计公式：

其中f为介质谐振器的HEM111基模的谐振频率，ε为介质谐振器的相对介电常数，在f、ε已知的情况下，优化设计即可得到在所需频段工作的介质谐振器尺寸，比如，将h的值设置在八分之一至六分之一波长之间，即可对应计算出半径a的值，从而确定在所需频段工作的所述介质谐振器3的尺寸。

当所述介质谐振器3为非圆柱形的旋转对称结构时，只要相应基模谐振在设计的高频频段，那么在计算谐振频率所需的介质谐振器的尺寸时依然可以使用上述的经验公式，再结合所述十字缝隙的长宽确定低频谐振频率，综合考虑所述引向器1和阵列边界条件则可优化设计出相应的双频或宽频天线单元，其中宽频天线单元的-10DB以下阻抗带宽可达500MHz，相对带宽达到30％。

由于所述介质谐振器3选取相对介电常数为6至15的材料，从而可保证相应的带宽。同时，通过上述设计，可使得所述介质谐振器3的高度在八分之一至六分之一波长之间，即减小了所述介质谐振器 3的尺寸，实现了所述天线单元100的小型化。

优选地，所述引向器1在所述介质谐振器3上的投影位于所述介质谐振器3端面的中部，且所述引向器1的中心在所述基板6上的投影与所述缝隙5的中心重合。

所述引向器1选取金属或相对介电常数大于50的材料，其形状包括但不限于十字形、圆环形、方形和方框形等旋转对称结构。所述引向器1的长度与所述介质谐振器3的长度接近。

所述引向器1通过支撑柱2固定于所述介质谐振器3的上方。所述支撑柱2中空并设有螺纹，其高度大于0.02个波长。所述支撑柱2 优选相对介电常数小于3的塑料，且所述支撑柱2对所述天线单元 100的电路参数和辐射参数均无显著影响。通过塑料螺钉贯穿所述基板6和所述介质谐振器3，进而将塑料螺钉与所述支撑柱2锁紧，即可将基板6与所述引向器1和所述介质谐振器3固定。

所述引向器1可提高所述天线单元100的增益。同时，由于所述引向器1的参数会影响双频中的高频的谐振频率，因此在设计时要综合考虑整体因素。

实施例二

请结合图5和图6，实施例二与实施例一类似，其不同之处在于，所述基板6上提供了另一种缝隙5’，以及与之匹配的微带馈线7’。

所述缝隙5’，包括呈中心对称且每相邻两个缝隙之间相互垂直的第一、第二、第三和第四缝隙，所述第一、第二、第三和第四缝隙到其对称中心的距离相等，也即四个缝隙之间呈旋转对称关系。所述第一、第二、第三、第四缝隙优选为相同的H形缝隙，并且每条H形缝隙的等效长度均为所需设计的低频中心频率所对应的等效半波长，即其中λ₁为所需设计频段的低频中心频率对应的波长，ε为所述介质谐振器3的相对介电常数。

相应地，所述基板6的下表面与所述缝隙5’，相对应的位置处蚀刻有微带馈线7’，所述微带馈线7’，包括与所述第一、第二、第三和第四缝隙相对应的第一馈线和第二馈线，所述第一、第二馈线均构成一分二功分器(即具有一个输入支路和两个输出支路)，各自对相互平行的两条H形缝隙等幅同相馈电，也即一条馈线对一个极化的两个缝隙等幅同相馈电。所述两条馈线中，其中一条馈线的一个输出支路穿过所述缝隙5’，在所述基板6下表面投影的中心。所述第一、第二馈线的馈电端口8’，分别通过50欧姆同轴电缆或50欧姆微带馈线与外部的馈电网络连接。

通过上述设计，本实施例中的双极化介质谐振器天线单元也具有实施例一中的天线单元所具有的功能。同时，本实施例中的馈电结构避免了空气跳线，使馈电结构得到了优化，从而简化了所述天线单元 100的装配。

通过上述的实施方式，本发明提供了便于馈电的双极化介质谐振器天线单元，其实现了低剖面和高增益，从而使本发明的天线单元在 1880MHz～1920MHz频段和2496MHz～2690MHz的增益均达到了 8DBi左右，对应的水平方向图如图7和图8所示，对应的驻波曲线如图9所示。

此外，本发明还提供了一种基站天线，其应用了上述的双极化介质谐振器天线单元100，并具备所述天线单元100的功能，由于具有较低的剖面而实现了小型化。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，包括由下而上依次连接的基板、介质谐振器和引向器；

所述基板的上表面设有接地面，并且接地面内蚀刻有缝隙，基板下表面蚀刻有与所述缝隙相匹配并用于馈电的微带馈线；

所述介质谐振器及所述引向器在所述基板上的投影均覆盖所述缝隙；

其中，所述介质谐振器选取相对介电常数为6至15的材料，所述引向器选取金属或相对介电常数大于50的材料，所述引向器通过支撑柱固定于所述介质谐振器的上方。

2.根据权利要求1所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述介质谐振器的几何中心在所述基板上的投影与所述缝隙的中心重合。

3.根据权利要求1所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述引向器在所述介质谐振器上的投影位于所述介质谐振器端面的中部，并且引向器的中心在基板上的投影与所述缝隙的中心重合。

4.根据权利要求1所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述介质谐振器的高度小于六分之一个波长。

5.根据权利要求1所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述缝隙包括与两个极化相对应的第一缝隙和第二缝隙，所述微带馈线包括分别为所述第一、第二缝隙对应馈电的第一、第二馈线。

6.根据权利要求5所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述第一缝隙和第二缝隙相互垂直且平分。

7.根据权利要求5所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述第一、第二缝隙的长度均为双频或宽频带中的低频中心频率所对应的等效波长。

8.根据权利要求5所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述第一馈线和第二馈线均构成一分二功分器，各自对应为一个极化的缝隙两端等幅同相馈电。

9.根据权利要求5所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述微带馈线还包括设在其中一条馈线上的空气跳线，并且所述空气跳线设于两条馈线交汇处。

10.根据权利要求1所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述缝隙包括旋转对称的第一、第二、第三和第四缝隙。

11.根据权利要求10所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四缝隙均为H形缝隙，所述H形缝隙的等效长度为双频或宽频带中的低频中心频率所对应的等效半波长。

12.根据权利要求10所述的双极化介质谐振器天线单元，其特征在于，所述微带馈线包括均构成一分二功分器的第一馈线和第二馈线，各自对一个极化的两个缝隙等幅同相馈电。

13.一种基站天线，其特征在于，包括权利要求1至12任意一项所述的双极化介质谐振器天线单元。