CN109193131A - 一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，属于无线电技术领域。本发明为了解决现有的宽带全向双极化天线的剖面高度较高的问题。本发明包括垂直极化单元、水平极化单元、塑料螺钉、垂直馈电端口和水平馈电端口，四根塑料螺钉固定连接垂直极化单元和水平极化单元，垂直极化单元和水平极化单元间距离为37mm，垂直馈电端口固定安装在垂直极化单元上，水平馈电端口固定安装在水平极化单元上。本发明垂直极化单元和水平极化单元为独立的天线结构分别由垂直馈电端口和水平馈电端口进行馈电，垂直极化单元天线主要由两层介质基板和印刷在其上的辐射体构成，由于介质基板的引入有效地减小了垂直极化单元天线的剖面高度。

Description

一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线
技术领域
本发明涉及一种宽带全向双极化天线，属于无线电技术领域。
背景技术
随着现代移动通讯的发展，为了增加频谱的利用率和抵抗多径衰弱，具有不同极化特性的极化多样性天线大量的应用在移动通信系统中，设计基站天线的难点之一在于满足天线性能的同时要求尽可能的降低天线的剖面高度和成本。通常的基站天线要求双极化、高端口隔离度、宽带、低剖面等特点。适用于安装在室内的基站中，还要求天线具有水平全向方向图的特性，以实现360°全面覆盖。现有的双极化全向天线大多是采用垂直极化与水平极化天线组合的形成的，然而此类天线多为纯金属材质，剖面较高，因此，提供一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线来有效降低现有天线的剖面高度是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有的宽带全向双极化天线的剖面高度较高的问题，提出了一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线来有效降低现有天线的剖面高度。
本发明的技术方案：
一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：包括垂直极化单元、水平极化单元、水平馈电端口、塑料螺钉和垂直馈电端口，所述垂直极化单元通过四根塑料螺钉与所述水平极化单元固定连接安装；垂直极化单元和水平极化单元间距离为37mm，垂直馈电端口固定安装在垂直极化单元的中心处，水平馈电端口固定安装在水平极化单元中心处。
优选的：所述的垂直极化单元包括上层介质板和下层介质板，所述的上层介质板的上表面印刷有金属涂层圆盘，上层介质板上开有上层金属化孔和上层馈电探针孔，上层馈电探针孔位于上层介质板的中心处；所述的下层介质板上开有第一圈金属化孔、第二圈金属化孔和下层馈电探针孔，上层金属化孔与第一圈金属化孔的位置相互对应，下层馈电探针孔位于下层介质板的中心处并且与上层馈电探针孔相互对应；所述的下层介质板的下表面印刷有地板涂层，所述的金属涂层圆盘通过上层金属化孔和第一圈金属化孔与地板涂层建立连接；所述的上层介质板的下表面和下层介质板上表面之间印刷有中间金属涂层圆盘，中间金属涂层圆盘通过第二圈金属化孔与地板涂层建立连接，所述的中间金属涂层圆盘、第二圈金属化孔和地板涂层之间构成金属笼状；所述的垂直馈电端口通过馈电探针竖直穿过上层馈电探针孔和下层馈电探针孔直接与金属涂层圆盘、中间金属涂层圆盘和地板涂层建立连接。
优选的：所述的上层介质板和下层介质板均是半径为60mm，高度为5.08mm，介电常数为3.5的介质基板。
优选的：所述的上层介质板的金属化孔的半径为0.55mm，数量为7个，每个金属化孔的中心轴线与上层介质板的中心轴线间距离均为31.65mm，且每个金属化孔的中心轴线与相邻的两个金属化孔的中心轴线间的距离相同；所述的金属涂层圆盘的半径为33.7mm。
优选的：所述的下层介质板的第一圈金属化孔的半径为0.55mm，数量为7个，第一圈金属化孔的中心轴线与下层介质板的中心轴线间距离为31.65mm，且每个第一圈金属化孔的中心轴线与相邻的两个第一圈金属化孔的中心轴线间的距离相同；所述的第二圈金属化孔的半径为0.215mm，数量为45个，第二圈金属化孔的中心轴线与下层介质板的中心轴线间距离为5.485mm，且每个第二圈金属化孔的中心轴线与相邻的两个第二圈金属化孔的中心轴线间的距离相同；所述的中间金属涂层圆盘的半径为5.7mm；所述的地板涂层的半径为60mm。
优选的：所述的水平极化单元包括介质基板、Vivaldi天线单元、金属带条和金属圆盘，介质基板的两侧均印刷有Vivaldi天线单元、金属带条和金属圆盘；所述的介质基板的上表面和下表面的中心处印刷有半径为3.35mm金属圆盘，金属圆盘的外侧均匀印刷8 根同心分布的金属带条，并且每根金属带条连接印刷有Vivaldi天线单元；在介质基板的上表面边缘处加载梯形引向器，梯形引向器的上底长度为7.64mm，下底长度为7.6mm，高度为14.5mm；在介质基板的下表面中心处安装有水平馈电端口。
优选的：所述的介质基板的半径为70.5mm，厚度为1.57mm，介电常数为2.2。
优选的：所述的Vivaldi天线单元的曲线处轮廓使用方程y1＝0.03e0.097x+0.15e0.09x+ 0.4表示；所述的金属带条的轮廓使用两条指数曲线：y2＝2.01x6+1和y3＝2.96x来表示。
本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，该天线由垂直极化单元和水平极化单元组合而成，两个单元均为独立的天线结构，此天线垂直极化单元的垂直结构用于谐振进行垂直极化辐射，而垂直极化单元的水平结构由于面积较大进而用于传播电流，并形成圆盘间的等效电容加载，而金属过孔又可形成等效电抗加载，通过这些容性与感性的加载可使得天线获得较宽的带宽；垂直极化单元天线主要由两层介质基板和印刷在其上的辐射体构成，由于介质基板的引入有效地减小了垂直极化单元天线的剖面高度；在两层介质基板中间的金属涂层圆盘和与其边缘和地板涂层相连的等距离同心分布的金属过孔构成了金属笼形结构，是用来解决难以在介质基板中加出工圆柱形金属壳的问题，因此采用金属过孔技术形成的笼形结构；在水平极化单元天线中，同轴馈线和 Vivaldi天线单元之间通过渐变的金属带条进行连接，8条金属带条形成了8路功分器以便提供相同的幅度和相位信号，金属带条与馈线通过一个金属圆盘连接，使得馈线宽度不必过窄，有利于提高天线的功率容量。
附图说明
图1是印刷型双极化天线的整体结构示意图；
图2是图1所示的垂直极化单元的剖视图；
图3是上层介质板的俯视图；
图4是下层介质板的俯视图；
图5是图1所示的水平极化单元的俯视图；
图6是图1所示的水平极化单元的仰视图；
图7是印刷型宽带低剖面全向双极化S参数仿真结果示意图；
图8是印刷型宽带低剖面全向双极化天线增益仿真结果示意图；
图9是印刷型宽带低剖面全向双极化天线辐射效率仿真结果示意图；
图10是印刷型宽带低剖面全向双极化天线垂直极化单元水平面2.2GHz方向仿真结果示意图；
图11是印刷型宽带低剖面全向双极化天线垂直极化单元垂直面2.2GHz方向仿真结果示意图；
图12是印刷型宽带低剖面全向双极化天线垂直极化单元水平面4.5GHz方向仿真结果示意图；
图13是印刷型宽带低剖面全向双极化天线垂直极化单元垂直面4.5GHz方向仿真结果示意图；
图14是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元水平面2.4GHz方向仿真结果示意图；
图15是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元垂直面2.4GHz方向仿真结果示意图；
图16是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元水平面3.7GHz方向仿真结果示意图；
图17是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元垂直面3.7GHz方向仿真结果示意图；
图18是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元有无引向器的方向图不圆度归一化电平值仿真结果对比示意图；
图中1-垂直极化单元，2-水平极化单元，3-上层介质板，4-下层介质板，6-上层金属化孔，7-上层馈电探针孔，8-金属涂层圆盘，9-第一圈金属化孔，10-第二圈金属化孔，11-下层馈电探针孔，12-地板涂层，13-中间金属涂层圆盘，15-馈电探针，16-介质基板，17-Vivaldi天线单元，18-金属带条，19-金属圆盘，20-梯形引向器，21-水平馈电端口， 22-塑料螺钉，23-垂直馈电端口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图1至图6说明本发明具体实施方式：本发明一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，包括垂直极化单元1、水平极化单元2、塑料螺钉22、垂直馈电端口23和水平馈电端口21，四根塑料螺钉22固定连接垂直极化单元1和水平极化单元2，垂直极化单元1和水平极化单元2间距离为37mm，垂直馈电端口23固定安装在垂直极化单元1上，水平馈电端口21固定安装在水平极化单元2上。如此设置，垂直极化单元1和水平极化单元2为独立的天线结构分别由垂直馈电端口23和水平馈电端口21进行馈电。
所述的垂直极化单元1包括上层介质板3和下层介质板4，所述的上层介质板3的上表面印刷有金属涂层圆盘8，上层介质板3上开有上层金属化孔6和上层馈电探针孔7，上层馈电探针孔7位于上层介质板3的中心处；所述的下层介质板4上开有第一圈金属化孔9、第二圈金属化孔10和下层馈电探针孔11，上层金属化孔6与第一圈金属化孔9的位置相互对应，下层馈电探针孔11位于下层介质板4的中心处并且与上层馈电探针孔7 相互对应；所述的下层介质板4的下表面印刷有地板涂层12，所述的金属涂层圆盘8通过上层金属化孔6和第一圈金属化孔9与地板涂层12建立连接；所述的上层介质板3的下表面和下层介质板4上表面之间印刷有中间金属涂层圆盘13，中间金属涂层圆盘13通过第二圈金属化孔10与地板涂层12建立连接，所述的中间金属涂层圆盘13、第二圈金属化孔10和地板涂层12之间构成金属笼状；所述的垂直馈电端口23通过馈电探针15 竖直穿过上层馈电探针孔7和下层馈电探针孔11直接与金属涂层圆盘8、中间金属涂层圆盘13和地板涂层12建立连接。如此设置，垂直极化单元天线1是由两层厚度均为 5.08mm，相对介电常数εr＝3.5的介质基板和印刷在其上的辐射体构成，由于此介质板的引入有效的减小了此天线单元的剖面高度；两层介质板中间的金属涂层圆盘和与其边缘和地板涂层相连的等距离同心分布的金属过孔构成了金属笼形结构，使得垂直极化单元结构用于谐振进行垂直极化辐射；而水平极化单元2结构由于面积较大进而可用于传播电流，并形成圆盘间的等效电容加载，金属过孔又可形成等效电抗加载，通过这些容性与感性的加载可使得天线获得较宽的带宽。
所述的上层介质板3的金属化孔6的半径为0.55mm，数量为7个，每个金属化孔6 的中心轴线与上层介质板3的中心轴线间距离均为31.65mm，且每个金属化孔6的中心轴线与相邻的两个金属化孔6的中心轴线间的距离相同；所述的金属涂层圆盘8的半径为 33.7mm。
所述的下层介质板4的第一圈金属化孔9的半径为0.55mm，数量为7个，第一圈金属化孔9的中心轴线与下层介质板4的中心轴线间距离为31.65mm，且每个第一圈金属化孔9的中心轴线与相邻的两个第一圈金属化孔9的中心轴线间的距离相同；所述的第二圈金属化孔10的半径为0.215mm，数量为45个，第二圈金属化孔10的中心轴线与下层介质板4的中心轴线间距离为5.485mm，且每个第二圈金属化孔10的中心轴线与相邻的两个第二圈金属化孔10的中心轴线间的距离相同；所述的中间金属涂层圆盘13的半径为 5.7mm；所述的地板涂层12的半径为60mm。
所述的水平极化单元2包括介质基板16、Vivaldi天线单元17、金属带条18和金属圆盘19，介质基板16的两侧均印刷有Vivaldi天线单元17、金属带条18和金属圆盘19；所述的介质基板16的上表面和下表面的中心处印刷有半径为3.35mm的金属圆盘19，金属圆盘19的外侧均匀印刷8根同心分布的渐变的金属带条18，并且每根渐变的金属带条 18连接印刷有Vivaldi天线单元17，且Vivaldi天线单元17为刀片形；在介质基板16的上表面边缘处加载梯形引向器20，梯形引向器20的上底长度为7.64mm，下底长度为 7.6mm，高度为14.5mm；在介质基板16的下表面中心处安装有水平馈电端口21。如此设置，每个刀片形的vivaldi天线单元17都具有定向辐射特性，因此将8个的Vivaldi天线单元17呈同心形状分布组成阵列形成全向辐射；每个vivaldi天线单元17与渐变的金属带条18相连，8对金属带条形成了8路功分器，用来提供相同的幅度和相位信号；在介质基板16的上表面边缘处加载梯形引向器20，用于改善水平极化单元2的全向辐射方向图的不圆度；金属带条18通过金属圆盘19与馈线18建立连接，可以增大馈线宽度，有利于提高天线的功率容量。
所述的介质基板16的半径为70.5mm，厚度为1.57mm，介电常数为2.2。
所述的Vivaldi天线单元17的曲线处轮廓使用方程y1＝0.03e0.097x+0.15e0.09x+0.4表示，金属带条18的轮廓使用两条指数曲线：y2＝2.01x6+1和y3＝2.96x来表示。
对上述印刷型宽带低剖面全向双极化天线结构和尺寸使用CST软件建模，得到仿真结果如图7至18所示，图7表明该天线的垂直极化单元：当|S11|<-10dB时，工作频带为2.26-4.54GHz；水平极化单元：当|S22|<-10dB时，工作带宽为2.4-3.63GHz；天线在两单元重叠频带的隔离度|S21|要高于33dB；图8表明垂直极化单元的增益为3.1 to 7.1dBi，水平极化单元的增益为3.3 to 3.8dBi；图9表明该天线的辐射效率优于89.4％；由图10至 17两天线单元在不同频率下的水平面的方向的仿真结果图可知，两个天线单元在水平面均可获得了全向的辐射特性，这是由于本发明的天线采用印刷介质板技术使得垂直极化单元的高度仅为0.08λL(λL为在最低工作频带时的对应波长)，而天线整体长度也仅为52.7mm 带来的效果。如图18是印刷型宽带低剖面全向双极化天线水平极化单元有无引向器的方向图不圆度归一化电平值仿真结果对比示意图，通过对于水平极化单元加载的梯形引向器，使得天线的方向图不圆度由-2.5dB减小到-1.75dB。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：包括垂直极化单元(1)、水平极化单元(2)、水平馈电端口(21)、塑料螺钉(22)和垂直馈电端口(23)，所述垂直极化单元(1)通过四根塑料螺钉(22)与所述水平极化单元(2)固定连接安装；垂直极化单元(1)和水平极化单元(2)间距离为37mm，垂直馈电端口(23)固定安装在垂直极化单元(1)的中心处，水平馈电端口(21)固定安装在水平极化单元(2)中心处。
2.根据权利要求1所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的垂直极化单元(1)包括上层介质板(3)和下层介质板(4)，所述的上层介质板(3)的上表面印刷有金属涂层圆盘(8)，上层介质板(3)上开有上层金属化孔(6)和上层馈电探针孔(7)，上层馈电探针孔(7)位于上层介质板(3)的中心处；所述的下层介质板(4)上开有第一圈金属化孔(9)、第二圈金属化孔(10)和下层馈电探针孔(11)，上层金属化孔(6)与第一圈金属化孔(9)的位置相互对应，下层馈电探针孔(11)位于下层介质板(4)的中心处并且与上层馈电探针孔(7)相互对应；所述的下层介质板(4)的下表面印刷有地板涂层(12)，所述的金属涂层圆盘(8)通过上层金属化孔(6)和第一圈金属化孔(9)与地板涂层(12)建立连接；所述的上层介质板(3)的下表面和下层介质板(4)的上表面之间印刷有中间金属涂层圆盘(13)，中间金属涂层圆盘(13)通过第二圈金属化孔(10)与地板涂层(12)建立连接，所述的中间金属涂层圆盘(13)、第二圈金属化孔(10)和地板涂层(12)之间构成金属笼状；所述的垂直馈电端口(23)通过馈电探针(15)竖直穿过上层馈电探针孔(7)和下层馈电探针孔(11)直接与金属涂层圆盘(8)、中间金属涂层圆盘(13)和地板涂层(12)建立连接。
3.根据权利要求2所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的上层介质板(3)和下层介质板(4)均是半径为60mm，高度为5.08mm，介电常数为3.5的介质板。
4.根据权利要求2所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的上层介质板(3)的上层金属化孔(6)的半径为0.55mm，数量为7个，每个上层金属化孔(6)的中心轴线与上层介质板(3)的中心轴线间距离均为31.65mm，且每个上层金属化孔(6)的中心轴线与相邻的两个上层金属化孔(6)的中心轴线间的距离相同；所述的金属涂层圆盘(8)的半径为33.7mm。
5.根据权利要求2所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的下层介质板(4)的第一圈金属化孔(9)的半径为0.55mm，数量为7个，第一圈金属化孔(9)的中心轴线与下层介质板(4)的中心轴线间距离为31.65mm，且每个第一圈金属化孔(9)的中心轴线与相邻的两个第一圈金属化孔(9)的中心轴线间的距离相同；所述的第二圈金属化孔(10)的半径为0.215mm，数量为45个，第二圈金属化孔(10)的中心轴线与下层介质板(4)的中心轴线间距离为5.485mm，且每个第二圈金属化孔(10)的中心轴线与相邻的两个第二圈金属化孔(10)的中心轴线间的距离相同；所述的中间金属涂层圆盘(13)的半径为5.7mm；所述的地板涂层(12)的半径为60mm。
6.根据权利要求1所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的水平极化单元(2)包括介质基板(16)、Vivaldi天线单元(17)、金属带条(18)和金属圆盘(19)，介质基板(16)的两侧均印刷有Vivaldi天线单元(17)、金属带条(18)和金属圆盘(19)；所述的介质基板(16)的上表面和下表面的中心处印刷有半径为3.35mm金属圆盘(19)，金属圆盘(19)的外侧均匀印刷8根同心分布的金属带条(18)，并且每根金属带条(18)连接印刷有Vivaldi天线单元(17)；在介质基板(16)的上表面边缘处加载梯形引向器(20)，梯形引向器(20)的上底长度为7.64mm，下底长度为7.6mm，高度为14.5mm；介质基板(16)的中心处开有通孔，水平馈电端口(21)穿过通孔焊接在介质基板(16)的下表面中心处，介质基板(16)上表面的金属圆盘(19)和介质基板(16)下表面的金属圆盘(19)通过水平馈电端口(21)建立连接。
7.根据权利要求6所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的介质基板(16)的半径为70.5mm，厚度为1.57mm，介电常数为2.2。
8.根据权利要求6或7所述的一种印刷型宽带低剖面全向双极化天线，其特征在于：所述的Vivaldi天线单元(17)的曲线处轮廓使用方程y1＝0.03e0.097x+0.15e0.09x+0.4表示，金属带条(18)的轮廓使用两条指数曲线：y2＝2.01x6+1和y3＝2.96x来表示。
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