CN108493602B - 一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列 - Google Patents

一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列，包括顶层介质基板，顶层介质基板下方设置金属反射地板，顶层介质基板及金属反射地板之间设置竖直放置的实现双工工作的双工巴伦，所述双工巴伦包括竖直介质板，所述竖直介质板的正面印刷巴伦馈电线，所述竖直介质板的反面印刷开有槽线的地板；所述巴伦馈电线包括一个低通滤波器、一个高通滤波器以及作为连接的微带馈电结构，其中，所述的低通滤波器和所述的高通滤波器分别位于所述槽线的两侧，通过所述微带馈电结构连接，所述顶层介质基板上表面水平设置四个阵子臂，本发明无需额外的体积，天线自身集成双工滤波特性，可以实现很好的双频隔离度和通带内有效的辐射性能。

Description

一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域，具体涉及一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列。
背景技术
收发双工是移动通信中一种常用方式。在通信系统中，收发双工的实现，最重要的是解决收发信道之间的相互干扰问题。在频分双工，收发信道分别占用不同的频率，往往是用天线直接级联双工器的方式来增加收发信道之间的隔离度，减少干扰。但这种方式需要50Ω连接线和相应的匹配网络，无疑会增加系统的体积，同时损耗和成本也会增加。
为使天线与双工器高度融合，达到减小系统尺寸和降低级联损耗的目标，双工天线的概念被提了出来。为了小型化系统的体积，有文献记载通过去掉天线与双工器之间的50Ω连接线和相应的匹配网络，而实现双工(双频)工作，但由于双工器电路仍然存在天线的输入输出端口，由双工器引入的插入损耗无法解决。Y.-J.Lee,J.-H.Tarng,S.-J.Chung,“A filtering diplexing antenna for dual-band operation with similar radiationpatterns and low cross-polarization levels”,IEEE Antennas and WirelessPropag.Lett.vol.16,pp.58–61,2017提出了一个没有任何滤波器或谐振器结构的双工天线，在这个设计中，系统的尺寸得到了减小，也实现了收发信道之间的高隔离。但是，天线的增益较低。并且，这些双工天线都是单极化的，所设计的结构也难以拓展为双极化辐射方式。
目前同时实现双极化和收发双工的方式主要有两种。一种是用两个不同频率的双极化天线分别连接相应的滤波器及匹配网络来实现；另一种则是使用一个宽带双极化天线连接两个双工器来实现。这两种方式都会增加系统的尺寸和损耗。将双工器的功能融合在双极化天线中来设计，将会很好解决系统的尺寸和损耗问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种双极化双工天线及其构成的双频基站天线阵列。
本天线在没有增加任何体积的情况下，同时实现了双极化和双工通信的功能，增益较高，插损较小，具有良好的极化隔离度和频带隔离，满足通信系统的基本要求。
本发明采用如下技术方案：
一种双极化双工天线，包括顶层介质基板，所述顶层介质基板下方设置金属反射地板，顶层介质基板及金属反射地板之间设置竖直放置的实现双工工作的双工巴伦，所述双工巴伦包括竖直介质板，所述竖直介质板的正面印刷巴伦馈电线，所述竖直介质板的反面印刷开有槽线的地板；
所述巴伦馈电线包括一个低通滤波器、一个高通滤波器以及作为连接的微带馈电结构，
其中，所述的低通滤波器和所述的高通滤波器分别位于所述槽线的两侧，通过所述微带馈电结构连接；
所述顶层介质基板上表面水平设置四个阵子臂，其中两个阵子臂+45°放置，另外两个阵子臂‐45°放置，关于顶层介质基板中心对称。
所述双工巴伦有两个，所述两个双工巴伦结构相同，两个双工巴伦正交嵌套设置，分别设置在+45°及-45方向上，设置在+45°方向的双工巴伦的地板的上方与设置在+45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，工作在-45°的双工巴伦的地板与设置在-45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接。
所述低通滤波器由至少一个开路枝节并联在一条低通主微带线上构成的；
所述高通滤波器由至少一个短路枝节并联在一条高通主微带线上构成的；
作为连接的微带馈电结构由一条微带线及在其两端耦合连接的U型微带线构成。
所述开路枝节有四个，分别位于低通主微带线的上端、左侧及右侧；
所述短路枝节有四个，并联在高通主微带线上端、左侧及右侧。
所述高通主微带线及低通主微带线由多段不同宽度的微带线串联构成。
本发明还包括四个输入端口，两个为低通输入端口，另外两个为高通输入端口，低通输入端口与低通滤波器连接，高通输入端口与高通滤波器连接。
所述金属反射地板及顶层介质基板均水平放置。
一种双频基站天线阵列，由N×M个双极化双工天线构成。
本发明的有益效果：
(1)滤波结构与巴伦融合设计，没有增加额外的体积，天线自身集成双工(双频工作)滤波特性，解决了传统级联型的天线带来的插入损耗与额外尺寸的问题；
(2)天线通带内增益高，定向辐射性能好，方向图稳定，天线带外抑制效果明显，具有良好的频率选择特性；
(3)提出的将双工性能融合设计在对称阵子中的方法，可以很好的实现双极化辐射，并且满足移动通信中所需要的极化隔离度和异频隔离度；
(4)采用PCB板结构，易于加工和安装。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)是图1的侧视图；
图2(b)是图1的俯视图；
图3(a)是图1中巴伦的+45°极化的正面；
图3(b)是图1中巴伦的+45°极化的背面；
图3(c)是图1中巴伦的-45°极化的正面；
图3(d)是图1中巴伦的-45°极化的背面；
图4是本发明实施例的一种双极化双工天线的4个端口的反射系数图；
图5是本发明实施例的一种双极化双工天线的4个端口相互之间的隔离度；
图6是本发明实施例的双极化双工天线的增益图；
图7(a)及图7(b)分别是本发明实施例的一种双极化双工天线在低频(2GHz)工作时的E面和H面方向图；
图8(a)及图8(b)分别是本发明实施例的一种双极化双工天线在高频(2.75GHz)工作时的E面和H面方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图3(c)及图3(d)所示，一种双极化双工天线，包括顶层介质基板2，所述顶层介质基板的下方水平设置金属反射地板5，所述顶层介质基板上表面水平设置四个阵子臂1，其中两个阵子臂+45°放置，形成+45°极化辐射；另外两个阵子臂‐45°放置，形成-45°极化辐射，四个阵子臂关于顶层介质基板中心对称；所述坐标轴如图1所示。
所述顶层介质基板及金属反射地板之间设置竖直放置的实现双工工作，保证两个频段很好隔离度的双工巴伦6、7，双工巴伦有两个，两个双工巴伦的结构相同，分别为+45°放置及‐45°放置，所述双工巴伦包括竖直介质板，所述竖直介质板的正面印刷巴伦馈电线，所述竖直介质板的反面印刷开有槽线16的地板15,槽线为竖直，沿着地板的纵向中线设置。
设置在+45°方向的双工巴伦的地板的上方与设置在+45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，工作在-45°的双工巴伦的地板与设置在-45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，所述的对称阵子工作频段较宽，可以覆盖所述双工巴伦馈电线中低通滤波器和高通滤波器的两个工作通带。
所述顶层介质板中心有供竖直放置的双工巴伦安装固定的十字型插槽3。
所述巴伦馈电线包括一个低通滤波器、一个高通滤波器以及作为连接的微带馈电结构，
其中，所述的低通滤波器和所述的高通滤波器分别位于所述竖直槽线的两侧，通过所述微带馈电结构连接；
所述高通滤波器由至少一个短路枝节11并联在一条高通主微带线8上构成的，本实施例中短路枝节有四个，其中一个连接在高通主微带线的上端，另一个连接在高通主微带线的左侧，最后两个短路枝节连接在高通主微带线的右侧。所述高通主微带线由多段不同宽度的微带线串联构成，本实施例中为5段，其中最下面一段的特征阻抗为50Ω，所述短路枝节末端设置金属探针13。
所述低通滤波器由至少一个开路枝节12并联在一条低通主微带线10上构成，本实施例中开路枝节有四个，其中一个连接在低通主微带线的上端，另一个连接在高通主微带线的右侧，最后两个开路枝节连接在高通主微带线的左侧。低通主微带线是由多段不同宽度的微带线串联构成，本实施例中为5段，其中最下面一段的特征阻抗为50Ω。
设置在+45°方向的双工巴伦的地板的上方与设置在+45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，工作在-45°的双工巴伦的地板与设置在-45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，所述金属反射地板上开有供同轴线穿过的通孔4。
所述竖直放置的双工巴伦的介质板上设置有供两个正交放置的双工巴伦安装固定的卡槽17，18。
作为连接的微带馈电结构由一条微带线9及在其两端耦合连接的U型微带线14构成。
双工天线单元共有4个输入端口，所述端口两个为低通输入端口，两个为高通输入端口。其中，与+45°双工巴伦馈电线中低通滤波器连接的端口为低频段信号输入端，与高通滤波器连接的端口为高频段信号输入端，-45°极化的两个端口连接方式与+45°极化一样。
所述的高集成高增益双极化双工天线可以用于构成双频基站天线阵列。
参阅图4，本发明基于频率选择性巴伦的高增益双极化双工天线单元具体实施例在两个工作频段上均具有很好的匹配性能和带通滤波性能。
图5展示了基于频率选择性巴伦的高增益双极化双工天线单元的各端口之间隔离度。
图6展示了基于频率选择性巴伦的高增益双极化双工天线单元的增益图。图6的结果图中可以看到高增益双极化双工天线单元的增益较高，说明差损较小，同时，天线工作在其中一个频带时，在另一个频带内具有较高的抑制。
图7(a)-图7(b)是高增益双极化双工天线单元低频工作时在2GHz的方向图。图8(a)-图8(b)是高增益双极化双工天线单元高频高频工作时在2.7GHz的方向图。结果图中可以看到，两个频段的辐射方向图都很稳定，说明本发明所设计的滤波性能不会影响天线通带内的辐射性能。
总之，本发明一种高集成高增益双极化双工天线单元对当前的实际应用设计出了很好的滤波效果和很低的交叉极化比。由于天线和滤波器的融合设计，所引入的插入损耗较小，天线的辐射性能和辐射效率都很好，其中通带内的平均增益可以达到8dBi左右，交叉极化比可以达到18dB，两个端口之间的极化隔离度可以达到25dB，同一个频带内的极化隔离超过22dB。值得一提的是，该发明具体实施例同时解决了双工(双频工作)和双极化的问题，同时不增加任何的额外体积，具有较好的应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双极化双工天线，包括顶层介质基板，所述顶层介质基板下方设置金属反射地板，其特征在于，顶层介质基板及金属反射地板之间设置竖直放置的实现双工工作的双工巴伦，所述双工巴伦包括竖直介质板，所述竖直介质板的正面印刷巴伦馈电线，所述竖直介质板的反面印刷开有槽线的地板；
所述巴伦馈电线包括一个低通滤波器、一个高通滤波器以及微带馈电结构，
其中，所述低通滤波器和所述高通滤波器分别位于所述槽线的两侧，通过所述微带馈电结构连接；
双极化双工天线包括四个输入端口，两个为低通输入端口，另外两个为高通输入端口，低通输入端口与低通滤波器连接，高通输入端口与高通滤波器连接；
所述顶层介质基板上表面水平设置四个阵子臂，其中两个阵子臂+45°放置，另外两个阵子臂-45°放置，关于顶层介质基板中心对称。
2.根据权利要求1所述的一种双极化双工天线，其特征在于，所述双工巴伦有两个，所述两个双工巴伦结构相同，两个双工巴伦正交嵌套设置，分别设置在+45°及-45方向上，设置在+45°方向的双工巴伦的地板的上方与设置在+45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接，工作在-45°的双工巴伦的地板与设置在-45°的两个阵子臂连接，其下方与金属反射地板连接。
3.根据权利要求2所述的一种双极化双工天线，其特征在于，
所述低通滤波器由至少一个开路枝节并联在一条低通主微带线上构成的；
所述高通滤波器由至少一个短路枝节并联在一条高通主微带线上构成的；
作为连接的微带馈电结构由一条微带线及在其两端耦合连接的U型微带线构成。
4.根据权利要求3所述的一种双极化双工天线，其特征在于，所述开路枝节有四个，分别位于低通主微带线的上端、左侧及右侧；
所述短路枝节有四个，并联在高通主微带线上端、左侧及右侧。
5.根据权利要求3所述的一种双极化双工天线，其特征在于，所述高通主微带线及低通主微带线由多段不同宽度的微带线串联构成。
6.根据权利要求1所述的一种双极化双工天线，其特征在于，所述金属反射地板及顶层介质基板均水平放置。
7.一种由权利要求1-6任一项所述一种双极化双工天线构成的双频基站天线阵列，其特征在于，由N×M个双极化双工天线构成。
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