CN108183313B - 超宽带双极化天线辐射单元及基站天线 - Google Patents

超宽带双极化天线辐射单元及基站天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽带双极化天线辐射单元及基站天线，包括辐射体和支撑所述辐射体并为其馈电的馈电巴伦，辐射体包括两个极化相互正交设置的极化组件，每个极化组件包括两个对称振子，连接两个对称振子的平行双导线；每个对称振子的两个振子臂之间通过具有间隙的平行双导线以并联方式馈电，其中同一极化组件的两个对称振子位于对称轴同侧的两个振子臂借助平行双导线中同一侧的导线连接。本发明利用对称振子的宽频特性，再以多个辐射臂构成至少两个栅格的结构实现频宽扩展，且将两个对称振子以并联方式组合，结合二元阵列的优点稳定宽频内的方向图，在实现宽带宽的同时有良好的辐射特性；结构简单、紧凑，易装配，满足辐射单元小型化的应用需求。

Description

超宽带双极化天线辐射单元及基站天线
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线技术领域，尤其涉及一种超宽带双极化天线辐射单元及基站天线。
背景技术
基站天线作为移动通信系统的重要组成部分，其性能对移动通信系统有决定性作用。由于用户量的迅猛增加，各种制式移动通信的工作频带宽度要求越来越高，同时又对宽带内方向图的波束宽度有一定的要求。目前，基站天线的主要形式有两种，一是微带贴片，二是半波振子。其中贴片天线的频率带宽太窄，通常会通过加大天线的复杂程度来提高带宽，但是带宽依然很窄。所以在宽频的基站天线中以半波振子为主。
现有技术中已有可实现较宽宽带的半波振子，如公开号为CN106602223A所公开的一种低频辐射单元，以两对相同折弯的对称振子通过两对相同的倾斜巴伦连接馈电，实现更宽的工作带宽。然而，为了能在较宽的宽带内实现比较好的辐射特性，其结构及装配复杂，且未能满足辐射单元小型化的应用需求。
发明内容
本发明的首要目的旨在提供一种在较宽带宽内可实现良好的辐射特性，且结构、装配简单，能够满足小型化应用需求的超宽带双极化天线辐射单元。
本发明的另一目的旨在提供一种采用上述超宽带双极化天线辐射单元的基站天线。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带双极化天线辐射单元，包括辐射体和支撑所述辐射体并为其馈电的馈电巴伦，所述辐射体包括两个极化相互正交设置的极化组件，每个所述极化组件包括两个对称振子，连接两个对称振子的平行双导线；每个所述对称振子的两个振子臂之间通过具有间隙的平行双导线以并联方式馈电，其中同一极化组件的两个对称振子位于对称轴同侧的两个振子臂借助平行双导线中同一侧的导线连接。
优选地，所述振子臂呈栅格状，其包括多个辐射臂，所述多个辐射臂构成栅格。
进一步地，所述对称振子呈蝶形。
优选地，所述对称振子还包括与所述振子臂耦合并用于产生次级辐射的寄生单元。
优选地，所述辐射体为包括介质基板的PCB辐射体，两个所述极化组件分别设置于所述介质基板的正反两面。
进一步地，所述馈电巴伦包括用于对所述极化组件耦合馈电的馈电片、连接于所述馈电片两端的金属柱体和馈电线缆，所述馈电片设于所述极化组件的中心位置，所述金属柱体和馈电线缆位于所述馈电片下方。
优选地，所述馈电线缆的一端通过固定金属环焊接于所述馈电片上。
优选地，所述金属柱体的长度为所述辐射体中心频率对应波长的四分之一。
本发明还提供了一种基站天线，包括反射板，所述反射板上设置有上述的超宽带双极化天线辐射单元。
优选地，所述基站天线还包括馈电装置，所述超宽带双极化天线辐射单元的所述馈电巴伦中的金属柱体通过螺纹连接固定于所述反射板上，所述馈电巴伦中的馈电线缆穿过所述反射板上开设有的过孔与设置于所述反射板背面的所述馈电装置电连接。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明充分利用了对称振子的宽频特性，再以振子臂的多个辐射臂构成至少两个栅格且各栅格的大小不一的结构来形成多个相对独立的有效电流回路，以有效电流回路路径长短不同实现频宽拓展，并将对称振子的两个对称振子以并联的方式组合起来，结合二元阵列的优点来稳定宽频内的方向图。同时利用寄生单元拓展频率宽度和降低阵列中的互耦，在满足较宽带宽需求的同时实现了良好的辐射特性。另外，本发明的PCB辐射体设置于同一块PCB内，其结构简单、紧凑，易于装配，且满足辐射单元小型化的应用需求。
本发明的基站天线运用了上述超宽带双极化天线辐射单元，由于所述超宽带双极化天线辐射单元结构简单、紧凑，易用装配，因此在生产所述基站天线的过程中可显著地缩短生产周期，降低生产成本；所述超宽带双极化天线辐射单元尺寸小，因此所述基站天线的尺寸亦相应地缩小，其存储、运输方便且成本低；所述超宽带双极化天线辐射单元能够在较宽的带宽内实现比较好辐射特性，因此所述基站天线可工作于宽频带内，在满足驻波、隔离度等天线重要技术指标的同时，工作稳定性高。
附图说明
图1为本发明的超宽带双极化天线辐射单元的一个实施例的结构示意图；
图2为图1中第一极化组件的结构示意图；
图3(a)为二元阵列示意图；
图3(b)为四元阵列示意图；
图4为图1中第一极化组件仿真的电压驻波比图；
图5为图1中第一极化组件仿真的隔离度图；
图6为本发明的基站天线的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地描述，其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。本发明所提及的“第一”和“第二”均为命名用语，仅用于区分，不包含任何次序含义。
图1为本发明的超宽带双极化天线辐射单元1000的一个实施例的结构示意图。如图1所示，所述超宽带双极化天线辐射单元1000(以下简称“辐射单元”)包括PCB辐射体1和支撑所述PCB辐射体1并为其馈电的馈电巴伦2。所述PCB辐射体1包括介质基板11，以及两副分别设置于所述介质基板11正反两面且极化相互正交设置的第一极化组件12和第二极化组件13，其中，设置于所述介质基板11正面的为第一极化组件12，设置于介质基板反面的为第二极化组件13，图1示出的阴影部分即为设置于所述介质基板11反面的所述第二极化组件13。所述馈电巴伦2包括用于对各极化组件耦合馈电的馈电片21、连接于所述馈电片两端的金属柱体22和馈电线缆23，所述馈电片21设于各极化组件的中心位置，所述金属柱体22和馈电线缆23位于所述馈电片21下方。所述第一极化组件12、第二极化组件13各对应耦合连接有一个所述馈电片21。
鉴于第一极化组件12与第二极化组件13的形状、结构以及其与所述馈电巴伦2的连接关系均相同，下面，以第一极化组件12为例进行详细的描述。
参见图2，为上述辐射单元实施例中的所述第一极化组件12的结构示意图。在本实施例中，所述第一极化组件12包括两个对称振子，所述对称振子分别为第一对称振子121和第二对称振子122；所述第一极化组件12还包括连接两个对称振子的平行双导线123，每个所述对称振子的两个振子臂(未标示)之间通过具有间隙的所述平行双导线123以并联方式馈电，两个所述对称振子位于对称轴同侧的两个所述振子臂借助平行双导线123中同一侧的导线连接。具体地，所述第一对称振子121于图中左侧的一个振子臂与所述第二对称振子122同为左侧的一个振子臂借助导线123a连接，所述第一对称振子121于图中右侧的一个振子臂与所述第二对称振子122同为右侧的一个振子臂借助导线123b连接。
对于本实施例，所述第一对称振子121、第二对称振子122均呈蝶形，其各所述振子臂(未标示)呈栅格状，所述振子臂(未标示)包括多个辐射臂，所述多个辐射臂构成两个栅格。如图2所示，以其中一个所述振子臂为例，其包括的所述多个辐射臂分别为：三条相互平行且垂直于所述对称振子的对称轴的辐射臂12a、12b、12c，平行于所述对称振子的对称轴的辐射臂12d，以及与所述辐射臂12a、12b、12c、12d共同构成栅格的辐射臂12e、12f。其中，所述辐射臂12a、12b、12c距离所述第一极化组件12的中心位置越近，其辐射臂长度就越短，所述辐射臂12a为远离中心位置的外沿辐射臂，其长度最长。所述辐射臂12a、12b、12e、12f构成一个栅格，辐射臂12b、12c、12d、12f构成又一个栅格。因所述辐射臂12a、12b、12c的长度不等，所构成的各栅格的大小不一，而各栅格可等效为相对独立的有效电流回路，进而使得由多个辐射臂构成的多个相对独立的有效电流回路的路径长短不同。
需明确指出的是，各振子臂的辐射臂数量以及由辐射臂构成的栅格数量并不受本实施例的限制，但为了更好的实现辐射单元超宽带的特性，所述对称振子的两个所述振子臂应各包括至少两个栅格。辐射单元中具有大小不等的栅格时，电流在工作时会随之发生曲折流动，形成多个相对独立的电流回路，而不同的电流路径长度等效于不同的辐射波长λ，根据辐射波长λ与辐射频率f之间的关系，不同的辐射波长λ其对应的辐射频率f也不同，因此实现了阻抗带宽的拓展。因此，采用对称振子呈蝶形且使辐射臂随其与极化振子中心位置的距离缩短而长度缩短可实现较宽的阻抗带宽。此外，辐射单元中各振子臂呈栅格状还可实现较低的隔离度和较大的交叉极化比。
对于本实施例，所述对称振子还包括与所述振子臂耦合并用于产生次级辐射的寄生单元124，具体地，所述寄生单元124与各远离所述第一极化组件12中心位置的辐射臂(即上述水平辐射臂12a，为便于区别和描述，下称“外沿辐射臂”)耦合并产生次级辐射。所述寄生单元124平行设置于所述外沿辐射臂12a的外侧，并且所述寄生单元124与所述外沿辐射臂12a之间存在间隙。所述寄生单元124利用与所述外沿辐射臂12a之间的近场耦合作用产生感应电流，该感应电流的幅度和相位取决于所述寄生单元124本身的自阻抗及其与所述外沿辐射臂12a之间的互阻抗。在本实施例中，通过调节所述寄生单元124的尺寸及其与所述外沿辐射臂12a之间间隙的大小可以改变互阻抗，从而调整所述寄生单元124的谐振频率，最终实现阻抗带宽的进一步拓展。此外，所述寄生单元124在阵列中也可起到降低互耦的作用。
对于本实施例，各所述对称振子(第一对称振子121、第二对称振子122)的两个所述振子臂以并联方式馈电，实现阻抗带宽的进一步拓展及保证宽频内的波束宽度稳定性。
以下，结合图3(a)，3(b)具体解释其可在宽频内提供较稳定波束宽度的原理。首先可将所述对称振子简化为如图3(a)所示的一对平行地面的二元阵列；再进一步通过镜像原理等效为如图3(b)所示的四元阵列；然后，根据方向图乘积定理：
总方向图＝单元方向图*水平二元阵列同相方向图*垂直反相二元阵列方向图可得出总方向图：
Figure BDA0001520169730000061
FH面单元(θ)＝1
FE面水平二元阵(θ)＝1
Figure BDA0001520169730000062
Figure BDA0001520169730000063
其中，θ＝βl
结合上述内容，本领域的技术人员容易知道，E面方向图的波宽可以由辐射臂长度l和地板高度h(即对称振子与反射板之间的距离)调节。H面宽度可以通过对称振子间距d1调节，从而实现想要的方向图波宽。最后，由于对称振子呈蝶形而且辐射臂随其与第一极化组件12中心位置的距离缩短而长度缩短，同时在低频时电流集中在外沿辐射臂12a上，高频时电流集中在最接近第一极化组件12中心位置的辐射臂12c上。换言之，通过调节所述对称振子中两个所述振子臂之间的间距和辐射臂长度就能在宽频内实现比较稳定的波束宽度。
对于本实施例，所述馈电片21设于所述第一极化组件12的中心位置，所述馈电片21与所述第一对称振子121、第二对称振子122之间存在间隙，以实现对所述第一对称振子121、第二对称振子122耦合馈电。馈电片21的两端分别连接有一个用于巴伦支撑的金属柱体22以及一根用于馈电的馈电线缆23，金属柱体22和馈电线缆23均垂直设置于所述馈电片21的下方。其中，所述金属柱体22的上端设置有用于焊接固定在馈电片21上的凸点(未标示)，下端设置有用于固定的螺纹孔(未标示)，所述金属柱体22的长度为所述PCB辐射体1中心频率对应波长的四分之一。所述馈电线缆23上端的外芯剥口，并且通过一个固定金属环231焊接于所述馈电片21上。所述金属柱体22和所述馈电线缆23对所述第一极化组件12进行巴伦支撑和馈电，具有比较高的稳定性。通过由所述馈电片21、金属柱体22和馈电线缆23组成的平衡非平衡器(即馈电巴伦)，可实现对称振子和同轴电缆不同级之间的连接。
参见图4所示的第一极化组件12的驻波图，可看出第一极化组件12的电压驻波比小于1.5时，其上限频率fH为3.13GHz，下限频率fL为1.7GHz，其相对带宽约为60％，显著拓展了阻抗带宽。
参见图5所示的第一极化组件12的隔离度图，可以看出在频带内隔离度小于-35dB。
本发明充分利用了对称振子的宽频特性，再以辐射臂构成多个栅格来形成多个相对独立的有效电流回路，且因各栅格的大小不等，进而以形成路径长短不同的有效电流回路来实现频宽拓展；对称振子的两个振子臂以并联的方式组合起来，结合二元阵列的优点来稳定宽频内的方向图，同时利用寄生单元拓展频率宽度和降低阵列中的互耦，在满足较宽带宽需求的同时实现了良好的辐射特性，其相对带宽约达60％，在频段内隔离度小于-35dB。另外，本发明的PCB辐射体设置于同一块PCB内，其结构简单、紧凑，易于装配，且满足辐射单元小型化的应用需求。
需明确指出的是，本发明中由多个辐射臂构成的对称振子的形状、结构并不受本实施例的限制，其可以是对称的扇形、三角形或其它任意形状；此外，本发明中辐射体的类型亦不受本实施例的限制，其还可以是压铸型辐射体或钣金冲压辐射体。
此外，如图6所示，本发明还包括一种基站天线10000，该基站天线包括反射板2000以及设置在反射板上的上述超宽带双极化天线辐射单元1000。对应每一个超宽带双极化天线辐射单元1000的位置，反射板2000上都开有两个金属柱体固定孔221及两个馈电线缆通过孔232，用于分别放置所述第一极化组件12、第二极化组件13各自的一个所述金属柱体22和一根所述馈电线缆23。所述金属柱体22放置在所述金属柱体固定孔221处，并用螺丝钉(未标示)插入所述金属柱体22下端的螺纹孔(未标示)以配合固定在所述反射板2000上。所述馈电线缆23的下端则穿过所述反射板2000上的所述馈电线缆通过孔232从而与所述反射板2000背面的馈电装置(未标示)连接。
本发明的基站天线10000运用了上述辐射单元1000，由于所述辐射单元1000结构简单、紧凑，易用装配，因此在生产所述基站天线10000的过程中可显著地缩短生产周期，降低生产成本；所述辐射单元1000尺寸小，因此所述基站天线10000的尺寸亦相应地缩小，其存储、运输方便且成本低；所述辐射单元1000能够在较宽的带宽内实现比较好辐射特性，因此所述基站天线10000可工作于宽频带内，在满足驻波、隔离度等天线重要技术指标的同时，工作稳定性高。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种超宽带双极化天线辐射单元，包括辐射体和支撑所述辐射体并为其馈电的馈电巴伦，其特征在于，所述辐射体包括两个极化相互正交设置的极化组件，每个所述极化组件包括两个对称振子，连接两个对称振子的平行双导线；每个所述对称振子的两个振子臂之间通过具有间隙的平行双导线以并联方式馈电，其中同一极化组件的两个对称振子位于对称轴同侧的两个振子臂借助平行双导线中同一侧的导线连接；所述馈电巴伦包括用于对所述极化组件耦合馈电的馈电片。
2.根据权利要求1所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述振子臂呈栅格状，其包括多个辐射臂，所述多个辐射臂构成栅格。
3.根据权利要求2所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述对称振子呈蝶形。
4.根据权利要求1所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述对称振子还包括与所述振子臂耦合并用于产生次级辐射的寄生单元。
5.根据权利要求1所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述辐射体为包括介质基板的PCB辐射体，两个所述极化组件分别设置于所述介质基板的正反两面。
6.根据权利要求1所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述馈电巴伦包括连接于所述馈电片两端的金属柱体和馈电线缆，所述馈电片设于所述极化组件的中心位置，所述金属柱体和馈电线缆位于所述馈电片下方。
7.根据权利要求6所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述馈电线缆的一端通过固定金属环焊接于所述馈电片上。
8.根据权利要求6所述的超宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述金属柱体的长度为所述辐射体中心频率对应波长的四分之一。
9.一种基站天线，包括反射板，其特征在于，所述反射板上设置有如权利要求1至8任一项所述的超宽带双极化天线辐射单元。
10.根据权利要求9所述的基站天线，其特征在于，所述基站天线还包括馈电装置，所述超宽带双极化天线辐射单元的所述馈电巴伦中的金属柱体通过螺纹连接固定于所述反射板上，所述馈电巴伦中的馈电线缆穿过所述反射板上开设有的过孔与设置于所述反射板背面的所述馈电装置电连接。
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