CN106410366A - 一种双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双极化天线，涉及通信技术领域。该双极化天线包括：设置于第一导电支架上的水平极化辐射贴片组；设置于第二导电支架上的垂直极化辐射贴片组，设置于垂直极化辐射贴片组上支撑水平极化辐射贴片组的绝缘支架。本方案解决了在现有的实现双极化天线设计时对天线宽频带和隔离度指标同时满足的难度问题，并且也解决了在满足隔离度指标达成时，不增加天线横向尺寸的设计难度问题。

Description

一种双极化天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是指一种双极化天线。
背景技术
随着高速无线数据接入技术的发展和个人无线局域网业务的兴起，高速率移动通信系统呈现出巨大的发展潜力。为了适应通信多网融合的发展趋势和信息数据传输的高速率要求，需要系统能够提供越来越大的带宽，宽频带技术也已成为发展的必然趋势。超宽带阵列双极化基站天线作为无线信号出入的门户、作为移动通信网络的最前端设备，可以为通信系统的高速率要求提供性能保证。
然而，现有的双极化天线为使得端口间的隔离性能达到28dB甚至更高，常是通过加工振子之间的距离或者用机械的方式减小双极化振子间的耦合，来提供隔离度的。但是，这种方式不仅增加了天线的尺寸还增加了天线的设计难度，使辐射单元结构和馈电形式复杂化，很难保证匹配的一致性。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极化天线，在满足带宽隔离度设计性能的同时，横向尺寸做到紧凑化，为阵列设计提供便利和可行性操作。
为达到上述目的，本发明的实施例提供一种双极化天线，包括：
设置于第一导电支架上的水平极化辐射贴片组；
设置于第二导电支架上的垂直极化辐射贴片组，以及
设置于所述垂直极化辐射贴片组上支撑所述水平极化辐射贴片组的绝缘支架；其中，
所述水平极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的水平极化辐射谐振引向片、水平极化辐射金属贴片和水平金属地板，所述水平金属地板上设置有与所述水平极化辐射金属贴片耦合的第一耦合馈电线；
所述垂直极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板，所述垂直金属地板上设置有与所述垂直极化辐射金属贴片耦合的第二耦合馈电线；
所述水平金属地板在所述垂直极化辐射贴片组上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的非极化方向上遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板；在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板；
所述水平极化辐射谐振引向片的数量多于所述垂直极化辐射谐振引向片的数量。
其中，所述水平极化辐射谐振引向片包括第一谐振引向片和第二谐振引向片，所述第一谐振引向片设置于所述第二谐振引向片上侧，且所述第一谐振引向片在所述第二谐振引向片上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述第二谐振引向片。
其中，所述水平极化辐射金属贴片和所述垂直极化辐射金属贴片均为对称结构，包括：第一部分、凸出于所述第一部分第一端设置的第二部分、凸出于所述第一部分第二端设置的第三部分以及凸出与所述第二部分的第四部分；其中，在与对称轴垂直的方向上，所述第四部分的长度小于所述第二部分的长度，所述第二部分的长度小于所述第一部分的长度，所述第三部分的长度小于所述第一部分的长度。
其中，所述水平极化辐射谐振引向片在所述水平极化辐射金属贴片上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平极化辐射金属贴片；所述水平极化辐射金属贴片在所述水平金属地板上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平金属地板。
其中，所述第一耦合馈电线与所述水平金属地板的连接端设置在未被所述水平极化辐射金属贴片的垂直投影遮蔽的位置。
其中，所述垂直极化辐射谐振引向片在所述垂直极化辐射金属贴片上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射金属贴片；所述垂直极化辐射金属贴片在所述垂直金属地板上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直金属地板。
其中，所述第二耦合馈电线与所述垂直金属地板的连接端设置在未被所述垂直极化辐射金属贴片的垂直投影遮蔽的位置。
其中，所述水平金属地板与所述第一耦合馈电线连接处设置有第一馈电端子，所述垂直金属地板与所述第二耦合馈电线连接处设置有第二馈电端子。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明实施例的双极化天线，主要包括水平极化辐射贴片组和垂直极化辐射贴片组，水平极化辐射贴片组通过绝缘支架设置于垂直极化辐射贴片组的上方。其中，水平极化辐射贴片组在第一导电支架上，由上至下层叠设置有水平极化辐射谐振引向片、水平极化辐射金属贴片和水平金属地板，水平金属地板上的第一耦合馈电线与水平极化辐射金属贴片耦合，而垂直极化辐射贴片组在第二导电支架上，也由上至下层叠设置垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板，垂直金属地板上的第二耦合馈电线与垂直极化辐射金属贴片耦合。采用层叠纵向交错放置的方式，使得两辐射贴片组在各自极化谐振方向上互不遮挡，有效提升了两端口间的隔离度，保证各极化端口的正常收发工作。同时，这种结构的双极化天线在横向结构尺寸上实现了小型化，克服了现有天线设计中通过加大单元端口之间的距离或者用机械的方式减小双极化振子间的耦合性的不足，为小型化天线阵列设计提供便利和可行性操作。而且由于这种层叠放置结构，使各贴片间所激发的谐振频率不同，结合采用的邻近耦合馈电形式，有效的改善了天线的阻抗带宽，提升了天线的工作频域。
附图说明
图1为本发明实施例的双极化天线的结构示意图一；
图2为本发明实施例的双极化天线的结构示意图二；
图3为本发明实施例的双极化天线的结构示意图三；
图4为本发明实施例的双极化天线的结构示意图四；
图5为本发明实施例中水平极化辐射金属贴片和垂直极化辐射金属贴片的具体结构示意图；
图6为本发明实施例的双极化天线的双极化端口回波损耗曲线图；
图7为本发明实施例的双极化天线的双极化端口隔离度曲线图；
图8为本发明实施例的双极化天线的垂直极化端口700MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图；
图9为本发明实施例的双极化天线的垂直极化端口800MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图；
图10为本发明实施例的双极化天线的垂直极化端口900MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图；
图11为本发明实施例的双极化天线的水平极化端口700MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图；
图12为本发明实施例的双极化天线的水平极化端口800MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图；
图13为本发明实施例的双极化天线的水平极化端口900MHz频点E面主极化和交叉极化辐射方向对比图。
附图标记说明
1-水平极化辐射谐振引向片；2-水平极化辐射金属贴片；3-水平金属地板；4-第一耦合馈电线；5-垂直极化辐射谐振引向片；6-垂直极化辐射金属贴片；7-垂直金属地板；8-第二耦合馈电线；9-第一馈电端子；10-第二馈电端子；11-第一导电支架；12-第二导电支架；13-绝缘支架；101-第一谐振引向片；102-第二谐振引向片；201-第一部分；202-第二部分；203-第三部分；204-第四部分。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的双极化天线设计时对天线宽频带和隔离度指标同时满足的难度问题，以及在满足隔离度性能的要求时会增加天线的尺寸和设计难度的问题，提供了一种双极化天线，在满足宽频带高隔离度设计性能的同时，横向尺寸做到紧凑化，为阵列设计提供便利和可行性操作。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例的一种双极化天线，包括：设置于第一导电支架11上的水平极化辐射贴片组；设置于第二导电支架12上的垂直极化辐射贴片组，以及设置于所述垂直极化辐射贴片组上支撑所述水平极化辐射贴片组的绝缘支架13；其中，所述水平极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的水平极化辐射谐振引向片1、水平极化辐射金属贴片2和水平金属地板3，所述水平金属地板3上设置有与所述水平极化辐射金属贴片2耦合的第一耦合馈电线4；所述垂直极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7，所述垂直金属地板7上设置有与所述垂直极化辐射金属贴片6耦合的第二耦合馈电线8；所述水平金属地板3在所述垂直极化辐射贴片组上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的非极化方向上遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7；在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7；所述水平极化辐射谐振引向片1的数量多于所述垂直极化辐射谐振引向片5的数量。
通过上述内容可知，本发明实施例的双极化天线，主要包括水平极化辐射贴片组和垂直极化辐射贴片组，水平极化辐射贴片组通过绝缘支架13设置于垂直极化辐射贴片组的上方。其中，水平极化辐射贴片组在第一导电支架11上，由上至下依次层叠设置有水平极化辐射谐振引向片1、水平极化辐射金属贴片2和水平金属地板3，水平金属地板3上的第一耦合馈电线4与水平极化辐射金属贴片2耦合，而垂直极化辐射贴片组在第二导电支架12上，也由上至下依次层叠设置有垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7，垂直金属地板7上的第二耦合馈电线8与垂直极化辐射金属贴片6耦合。
由于水平金属地板3在垂直极化辐射贴片组上的垂直投影，在垂直极化辐射贴片组的非极化方向上遮蔽垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7，而在垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽垂直极化辐射谐振引向片5、垂直极化辐射金属贴片6和垂直金属地板7，这样层叠纵向交错放置的方式，使得两辐射贴片组在各自极化谐振方向上互不遮挡，有效提升了两端口间的隔离度，保证各极化端口的正常收发工作。同时，这种结构的双极化天线在横向结构尺寸上实现了小型化，克服了现有天线设计中通过加大单元端口之间的距离或者用机械的方式减小双极化振子间的耦合性的不足，为小型化天线阵列设计提供便利和可行性操作。
此外，该双极化天线的层叠放置结构，水平极化辐射谐振引向片的数量多于垂直极化辐射谐振引向片的数量，通过贴片间的缝隙耦合能量，使各贴片间产生不同的谐振频率，结合采用的邻近耦合形式的馈电方式，有效的改善了天线的阻抗带宽，提升了天线的工作频域。并且，导电支架贯穿了对应贴片组，除支撑作用外还有效的抵消了耦合馈电和层叠贴片引起的电容效应。
应该了解的是，为实现水平极化辐射贴片组稳固设置于垂直极化辐射贴片组上，优选的，如图3和图4所示，4个柱状的绝缘支架13对称设置于垂直极化辐射贴片组中的垂直极化辐射谐振引向片5上。当然，也可以采用形状的绝缘支架13将水平极化辐射贴片组支撑在垂直极化辐射贴片组上。
本发明的双极化天线中，优选的，如图5所示，所述水平极化辐射金属贴片2和所述垂直极化辐射金属贴片6均为对称结构，包括：第一部分201、凸出于所述第一部分201第一端设置的第二部分202、凸出于所述第一部分201第二端设置的第三部分203以及凸出与所述第二部分202的第四部分204；其中，在与对称轴垂直的方向上，所述第四部分204的长度小于所述第二部分202的长度，所述第二部分202的长度小于所述第一部分201的长度，所述第三部分203的长度小于所述第一部分201的长度。
这样，水平极化辐射金属贴片2和垂直极化辐射金属贴片6得到如图5所示的阶梯箭头式结构，包括4个宽度级别，分别为d1、d2、d3和d4，其取值根据实际应用确定。从而，该结构的水平极化辐射金属贴片2和垂直极化辐射金属贴片6通过与对应的耦合馈电线耦合，产生高低频的多个谐振模式，进一步实现了对天线带宽的扩展。当然，水平极化辐射金属贴片2和垂直极化辐射金属贴片6的宽度级别的数量是根据实际使用预设的，因此，不限于图5所示的4个宽度级别，在此不再赘述。
具体的，在该实施例中，所述水平极化辐射谐振引向片1包括第一谐振引向片101和第二谐振引向片102，所述第一谐振引向片101设置于所述第二谐振引向片102上侧，且所述第一谐振引向片101在所述第二谐振引向片102上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述第二谐振引向片102。
这样，通过在水平极化辐射贴片组中设置的两个谐振引向片，其谐振频率的不同，较佳地实现了对天线带宽的扩展。而上侧设置的第一谐振引向片101，由于其在第二谐振引向片102上的垂直投影，在水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽该第二谐振引向片102，也有效避免了层叠设置方式对天线工作的影响，保证了天线的正常工作。
进一步的，所述水平极化辐射谐振引向片1在所述水平极化辐射金属贴片2上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平极化辐射金属贴片2；所述水平极化辐射金属贴片2在所述水平金属地板3上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平金属地板3。
其中，所述第一耦合馈电线4与所述水平金属地板3的连接端设置在未被所述水平极化辐射金属贴片2的垂直投影遮蔽的位置。
另外，所述垂直极化辐射谐振引向片5在所述垂直极化辐射金属贴片6上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射金属贴片6；所述垂直极化辐射金属贴片6在所述垂直金属地板7上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直金属地板7。
而且，所述第二耦合馈电线8与所述垂直金属地板7的连接端设置在未被所述垂直极化辐射金属贴片6的垂直投影遮蔽的位置。
应该知道的是，该实施例中，所述水平金属地板3与所述第一耦合馈电线4连接处设置有第一馈电端子9，所述垂直金属地板7与所述第二耦合馈电线8连接处设置有第二馈电端子10。
还应该知道的，本发明实施例的双极化天线，如图6所示的水平极化模式的回波损耗曲线(实线)和垂直极化模式的回波损耗曲线(虚线)可知，该双极化天线的水平极化模式的工作通频带为687-962MHz，垂直极化模式的工作通频带为687-993MHz，相较于现有的双极化天线，扩展了带宽，完全响应了整个新通信业务689-960MHz的宽频域要求。而且，如图7所示，本发明实施例的双极化天线，在整个业务工作频段上，正交极化端口之间都能达到30dB以上的高隔离度，在761-962MHz频域内隔离度更是高达38dB以上，较佳的保证了各极化端口各自的正常收发工作。
如图8所示，该双极化天线水平极化端口工作情况下，700MHz频点在耦合激励下的空间主辐射面区域主极化和交叉极化辐射方向对比图中(主极化为实线，交叉极化为虚线)，0°方向上的m1的最大可用增益Mag为26.50dB，m2的Mag为-3.08dB，因此，通过两者的差值得到最大辐射方向的交叉极化比为29.6dB。而该双极化天线水平极化端口工作情况下，800MHz、900MHz频点在耦合激励下的空间主辐射面区域主极化和交叉极化辐射方向对比图如图9和图10所示，在图9中m1的Mag为27.68dB、m2的Mag为-5.01dB，在图10中m1的Mag为28.15dB、m2的Mag为-7.99dB，所以，最大辐射方向的交叉极化比分别为32.7dB和36.1dB，优于一般通信的15dB。可见，该双极化天线的垂直极化输出模式有效地抑制了交叉极化干扰，提升极化辐射场性能。
类似的，该双极化天线垂直极化端口工作情况下，700MHz、800MHz、900MHz频点在耦合激励下的空间主辐射面区域主极化和交叉极化辐射方向对比图如图11、图12和图13所示，在图11中m1的Mag为25.01dB、m2的Mag为-2.34dB，在图12中m1的Mag为25.66dB、m2的Mag为-11.69，dB在图13中m1的Mag为26.05dB、m2的Mag为-5.59dB，所以，最大辐射方向的交叉极化比分别为27.4dB、37.4dB和31.6dB，同样优于一般通信的15dB。可见，该双极化天线的水平极化输出模式有效地抑制了交叉极化干扰，提升极化辐射场性能。此外，该双极化天线的两种极化模式的远场辐射增益都达到了10dB且辐射性能相差不大，辐射主方向垂直于天线单元，辐射波前均匀，波束较宽，满足通信基站天线要求。
综上所述，本发明实施例的双极化天线，由上至下包括7层金属贴片，采用了层叠交错的贴片放置形式，不仅有效提升了两端口间的隔离度，而且使各层贴片所激发的谐振频率不同。其中，水平极化辐射金属贴片2和垂直极化辐射金属贴片6采用图5所示阶梯箭头式的对称多边形结构，设置了预设数量的宽度级别，能够产生高低频的多个谐振模式，从而有效的扩展了天线的工作频域。同时采用了邻近耦合馈电的形式，可以有效的改善天线的阻抗带宽，实现了整个新通信业务698-960MHz宽频域的通带性能要求。
上述范例性实施例是参考附图来描述的，许多不同的形式和实施例是可行而不偏离本发明精神及教示，因此，本发明不应被建构成为在此所提出范例性实施例的限制。更确切地说，这些范例性实施例被提供以使得本发明会是完善又完整，且会将本发明范围传达给那些熟知此项技术的人士。在该些图式中，组件尺寸及相对尺寸也许基于清晰起见而被夸大。在此所使用的术语只是基于描述特定范例性实施例目的，并无意成为限制用。如在此所使用地，除非该内文清楚地另有所指，否则该单数形式“一”、“一个”和“该”是意欲将该些多个形式也纳入。会进一步了解到该些术语“包含”及/或“包括”在使用于本说明书时，表示所述特征、构件及/或组件的存在，但不排除一或更多其它特征、构件、组件及/或其族群的存在或增加。除非另有所示，陈述时，一值范围包含该范围的上下限及其间的任何子范围。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双极化天线，其特征在于，包括：
设置于第一导电支架上的水平极化辐射贴片组；
设置于第二导电支架上的垂直极化辐射贴片组，以及
设置于所述垂直极化辐射贴片组上支撑所述水平极化辐射贴片组的绝缘支架；其中，
所述水平极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的水平极化辐射谐振引向片、水平极化辐射金属贴片和水平金属地板，所述水平金属地板上设置有与所述水平极化辐射金属贴片耦合的第一耦合馈电线；
所述垂直极化辐射贴片组包括：由上至下层叠设置的垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板，所述垂直金属地板上设置有与所述垂直极化辐射金属贴片耦合的第二耦合馈电线；
所述水平金属地板在所述垂直极化辐射贴片组上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的非极化方向上遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板；在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射谐振引向片、垂直极化辐射金属贴片和垂直金属地板；
所述水平极化辐射谐振引向片的数量多于所述垂直极化辐射谐振引向片的数量。
2.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述水平极化辐射谐振引向片包括第一谐振引向片和第二谐振引向片，所述第一谐振引向片设置于所述第二谐振引向片上侧，且所述第一谐振引向片在所述第二谐振引向片上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述第二谐振引向片。
3.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述水平极化辐射金属贴片和所述垂直极化辐射金属贴片均为对称结构，包括：第一部分、凸出于所述第一部分第一端设置的第二部分、凸出于所述第一部分第二端设置的第三部分以及凸出与所述第二部分的第四部分；其中，在与对称轴垂直的方向上，所述第四部分的长度小于所述第二部分的长度，所述第二部分的长度小于所述第一部分的长度，所述第三部分的长度小于所述第一部分的长度。
4.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述水平极化辐射谐振引向片在所述水平极化辐射金属贴片上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平极化辐射金属贴片；所述水平极化辐射金属贴片在所述水平金属地板上的垂直投影，在所述水平极化辐射贴片组的极化方向和非极化方向上均未遮蔽所述水平金属地板。
5.根据权利要求4所述的双极化天线，其特征在于，所述第一耦合馈电线与所述水平金属地板的连接端设置在未被所述水平极化辐射金属贴片的垂直投影遮蔽的位置。
6.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述垂直极化辐射谐振引向片在所述垂直极化辐射金属贴片上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直极化辐射金属贴片；所述垂直极化辐射金属贴片在所述垂直金属地板上的垂直投影，在所述垂直极化辐射贴片组的极化方向上未遮蔽所述垂直金属地板。
7.根据权利要求6所述的双极化天线，其特征在于，所述第二耦合馈电线与所述垂直金属地板的连接端设置在未被所述垂直极化辐射金属贴片的垂直投影遮蔽的位置。
8.根据权利要求1所述双极化天线，其特征在于，所述水平金属地板与所述第一耦合馈电线连接处设置有第一馈电端子，所述垂直金属地板与所述第二耦合馈电线连接处设置有第二馈电端子。
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