CN107732429A - 一种紧凑型宽带双极化全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型宽带双极化全向天线，包括一个倒锥形单极子天线和一个交叉蝶形天线，倒锥形单极子天线实现垂直极化，交叉蝶形天线实现水平极化，倒锥形单极子天线和交叉蝶形天线分别由SMA连接头和宽带馈电网络馈电；垂直极化和水平极化由一个圆形金属组合在一起；交叉蝶形天线既作为辐射体又作为倒锥形单极子天线的地板，从而减小天线的尺寸。本发明的天线的带宽大约为44％，至少19dB的隔离度，在全频带内拥有较好的全向性方向图。

Description

一种紧凑型宽带双极化全向天线
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及一种紧凑型宽带双极化全向天线。
背景技术
在通信系统中常使用双极化宽带天线，但是随着科技的发展，现有的天线并不能满足系统对天线带宽、方向图、尺寸等方面的要求。根据国内外现有资料显示，为了实现双极化全向性方向图，最直接有效的办法就是组合两个单极化的天线。常用同轴共线天线、偶极子和腔体环形天线等来实现垂直极化全向性方向图，但都是窄带天线。为了提升带宽，一种倒锥形结构的天线被提出，这种天线实现了低剖面，宽带宽的特性。为了实现水平极化的全向性方向图，一个传统的解决办法是采用小环形的电偶极子，然而宽带的电小环天线很难实现一个好的阻抗匹配。因此，一系列的复杂环和偶极子结构被设计出来，来提高带宽。
目前，一些现有的双极化结构。Li等人在IEEE Trans.Antennas Propag(vol.60，no.9，pp.4037–4045，Nov 2012)上发表的“Compact azimuthal omnidirectional dual-polarized antenna using highly isolated collocated slots”一文中用在圆柱体上刻两个正交的槽实现，然而这样带宽仅有9.5％。
一个修改的单极子与四个曲线的偶极子相结合和对称的锥形与六个印刷的偶极子结构分别被Quan等在IEEE Trans.Antennas Propag(vol.1，no.2，pp.943–947，Jan.2013)“A broadband dual-polarized omnidirectional antenna for basestations”和被Dai等在IEEE Antennas Wireless Propag.Lett(vol.12，pp.1492–1495，2013)“Multiband and dual-polarized omnidirectional antenna for 2G/3G/LTEapplication”中提出来增加带宽。
一个传统的直排天线阵来实现垂直极化和一个介质加载的圆柱槽在IEEETrans.Veh.Technol(vol.57，no.1，pp.2–10，Jan.2008)“A study of radio zone lengthof dual-polarized omnidirectional antennas mounted on rooftop for personalhandy-phone system”一文中来实现水平极化用于基站的天线。
Kuga等人在IEEE Trans.Antennas Propag(vol.46，no.6，pp.902–906，Jun.1998)“A notch-wire composite antenna for polarization diversity reception”中提出了一个有凹槽的盘型天线和线天线被组合用来实现双极化。
一个平面槽天线也在2005年IEEE Trans.Antennas Propag(vol.53，no.9，pp.3093–3097，Sep.2005)“Dual-polarized omnidirectional planar slot antenna forWLAN applications”一文中被提出来用于5.2GHz的WLAN。
一个垂直的偶极子和两个水平的圆形偶极子也被用与2.4/5-GHzWLAN中，其文章“2.4/5-GHz dual-band vertically/horizontally dual-polarized omnidirectionalantenna for WLAN base station”被发表在IEEE Antennas and PropagationSoc.Int.Symp，2008，然而他们的带宽都很窄，不适用于宽带通信系统之中。
如今随着移动通信的快速发展，对天线带宽、尺寸等要求也不断的提高。现有的天线的带宽，结构上的小型化等性能都不能满足基站通信天线的要求，因此如何设计出满足宽带宽、双极化、全向、小型化等特点的双极化宽带天线成为目前研究热点和难点。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种紧凑型宽带双极化全向天线，实现宽带宽、双极化、全向、小型化等特点。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种紧凑型宽带双极化全向天线，包括倒锥形单极子天线和交叉蝶形天线，倒锥形单极子天线实现垂直极化，交叉蝶形天线实现水平极化；倒锥形单极子天线和交叉蝶形天线分别由馈电接头和馈电网络馈电，垂直极化和水平极化由一圆形地板组合在一起。圆形地板和交叉蝶形天线共同组成倒锥形单极子天线的地板，辐射能量；交叉蝶形天线既作为水平极化的辐射体，又作为倒锥形单极子天线的地板来实现垂直极化；并通过圆形地板以耦合的形式工作。
进一步地，倒锥形单极子天线通过馈电接头连接圆形地板，交叉蝶形天线连接馈电介质基板上的馈电网络，馈电介质基板的中间为圆形地板。
进一步地，倒锥形单极子天线为倒锥形金属空桶，由一段圆柱空桶和两段弧形空桶组成；馈电接头内芯连接圆形地板，外芯连接倒锥形金属空桶。
有益效果：本发明的优点：(1)采取倒锥形单极子和交叉蝶形相结合的方式，可实现天线双极化、宽带、全向性等特性；(2)通过一个圆形地板，单极子和蝶形天线就可以结合在一起，实现了小尺寸；(3)首次在天线系统中将Bowtie天线即作为单极子天线的地板又作为单个的辐射体；(4)交叉Bowtie天线与单极子天线之间有良好的隔离；(5)相比传统的双极化天线其尺寸更加紧凑，而且结构简单，性能更加优越，可以用于基站和WLAN系统。
附图说明
图1是本发明的紧凑型宽带双极化全向天线结构示意图；
图2是倒锥形单极子天线侧面结构示意图；
图3是天线结构的馈电网络结构示意图；
图4是本发明宽带双极化全向天线的仿真S参数和增益曲线图；
图5是本发明宽带双极化全向天线的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明的紧凑型宽带双极化全向天线，包括倒锥形单极子天线1、交叉蝶形天线(Bowtie)2，倒锥形单极子天线1实现垂直极化，交叉蝶形天线2实现水平极化。倒锥形单极子天线1和交叉蝶形天线2分别由50欧姆的SMA连接头和一个90度宽带馈电网络馈电，垂直极化和水平极化由一圆形地板4金属地组合在一起。
倒锥形单极子天线1通过SMA连接头连接着圆形地板4，交叉蝶形天线2连接馈电介质基板3上的馈电结构，馈电介质基板3的中间为圆形地板4。
圆形地板4和交叉蝶形天线2共同组成倒锥形单极子天线1的地板，辐射能量。交叉蝶形天线2既作为水平极化的辐射体，又作为倒锥形单极子天线1的地板来实现垂直极化；该组合结构通过圆形地板4以耦合的工作形式实现。
馈电介质基板3上还连接着宽带巴伦(Balun)5，50欧姆-150欧姆，用来转换平衡与不平衡的信号。
交叉蝶形天线2臂的上底、下底和高分别为60mm、36mm和22mm。
如图2所示，倒锥形单极子天线1采用倒锥形金属空桶来作为辐射体，由一段圆柱空桶和两段弧形空桶组成来实现50欧姆的阻抗匹配。其中，馈电接头(SMA)内芯连接着圆形地板4，外芯连接着倒锥形金属空桶。倒锥形空桶的圆柱圆桶的高和直径分别为25.4mm和45.72mm，两段弧形圆桶的半径为10.16mm和12.7mm，圆形地板4的半径为10mm。
如图3所示，馈电介质基板3上的馈电结构由五层相对介电常数为4.4、损耗正切为0.02的FR4介质板构成，交叉蝶形天线2的馈电分别印刷在介质基板的上下层，并且连接着宽带巴伦，需由等幅90度相位差的宽带馈电网络来馈电实现水平极化全向性方向图，其介质基板的厚度为12mm。
如图4所示是宽带双极化全向天线的仿真S参数和增益曲线，横坐标代表频率分量，单位为GHz，左边纵坐标代表S参数幅度变量，右边表示增益幅度，其单位都为dB。从图4可以看出，本发明的宽带双极化全向天线，在1.6GHZ到2.5GHz频率范围内S均小于-10dB，且增益也符合要求，表明在此频率范围内，天线能很好的辐射。
如图5所示是宽带双极化全向天线的辐射方向图，给出了倒锥形单极子天线在2GHz和2.45GHz时的场图和交叉蝶形天线在2GHz和2.45GHz时的场图。该图证实了在天线在频带内xy面方向图有很好的全向性，可以应用于基站与WLAN系统之中。
本发明的宽带双极化全向天线的有益效果：(1)采取倒锥形单极子和交叉蝶形相结合，便可实现双极化宽带天线；(2)通过一个圆形地板，单极子和蝶形天线就可以结合在一起，实现了小尺寸；(3)首次在天线系统中将Bowtie天线即作为单极子天线的地板又作为单个的辐射体；(4)交叉Bowtie天线与单极子天线之间有良好的隔离；(5)相比传统的双极化天线其尺寸更加紧凑，而且结构简单，性能更加优越，可以用于基站和WLAN系统。

Claims (9)

1.一种紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：包括倒锥形单极子天线(1)和交叉蝶形天线(2)，倒锥形单极子天线(1)实现垂直极化，交叉蝶形天线(2)实现水平极化；
倒锥形单极子天线(1)和交叉蝶形天线(2)分别由馈电接头和馈电网络馈电，垂直极化和水平极化由一圆形地板(4)组合在一起。
2.根据权利要求1所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：圆形地板(4)和交叉蝶形天线(2)共同组成倒锥形单极子天线(1)的地板，辐射能量；交叉蝶形天线(2)既作为水平极化的辐射体，又作为倒锥形单极子天线(1)的地板来实现垂直极化；并通过圆形地板(4)以电磁耦合的形式工作。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：倒锥形单极子天线(1)通过馈电接头连接圆形地板(4)，交叉蝶形天线(2)连接馈电介质基板(3)上的馈电网络，馈电介质基板(3)的中间为圆形地板(4)。
4.根据权利要求3所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：所述倒锥形单极子天线(1)为倒锥形金属空桶，由一段圆柱空桶和两段弧形空桶组成；馈电接头内芯连接圆形地板(4)，外芯连接倒锥形金属空桶。
5.根据权利要求1或2所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：所述交叉蝶形天线(2)由等幅90度相位差宽带馈电网络实现水平极化全向性方向图。
6.根据权利要求4所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：倒锥形空桶的直桶的高和直径分别为25.4mm和45.72mm，两段弧形圆桶的半径分别为10.16mm和12.7mm，圆形地板(4)的半径为10mm。
7.根据权利要求1或2所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：所述交叉蝶形天线(2)的臂的上底、下底和高分别为60mm、36mm和22mm。
8.根据权利要求3所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：所述交叉蝶形天线(2)的馈电网络和宽带巴伦分别印制和焊接在馈电介质基板(3)的正面和反面。
9.根据权利要求3所述的紧凑型宽带双极化全向天线，其特征在于：馈电介质基板(3)为FR4，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。
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