CN109301488B - 一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，包括两个水平极化单元、垂直极化单元、合路器、馈电结构；水平极化单元连接垂直极化单元，垂直极化单元顶端的第一水平极化单元通过同轴导线连接，第一水平极化单元的同轴导线穿过第二水平极化单元中心的圆环向下连接合路器高频端口，垂直极化单元通过同轴导线连接垂直极化端口；垂直极化单元中间的第二水平极化单元通过同轴导线连接，第二水平极化单元的同轴导线向下连接合路器低频端口；两个水平极化单元通过合路器连接到水平极化端口。该天线能同时覆盖0.81‑0.96GHz和1.71‑2.69GHz频段的应用于2G/3G/LTE的全向双频双极化天线。该天线同时具备低交叉极化水平，高端口隔离度，低不圆度、高增益、低剖面特性。

Description

一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线
[技术领域]
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种适用于室内无线宽带通信分布系统的全向双宽频双极化天线。
[背景技术]
随着移动通信技术快速发展，无线通信系统对天线性能要求越来越高，如今中国，频段从0.81到0.96GHz和1.71到2.69GHz已经被分配给2G/3G/LTE通信系统，为了减少基站的资源使用，一款能同时满足多系统的宽频天线已经成为必要条件。同时，由于能够成倍拓展信道容量，提高工作频段利用率，双极化天线已经成为现代通信系统基本配置。全向天线因其覆盖范围广，信号接收器位置随意，是室内分布系统的基本组成部分。而不圆度正是全向天线的一个重要指标，用以描述天线在水平面上各方向辐射增益是否一致，能否形成一个标准的圆形辐射方向图。
双宽频双极化全向天线，一般由垂直极化和水平极化两个全向辐射单元组成。垂直极化单元比较容易实现宽频，能覆盖0.81到2.69GHz。而水平极化单元要覆盖上述频段就较为困难。全向水平极化天线需要产生一个环形电流，这环形电流又需要与频带波长相对应，电流环太长，辐射方向图会变形，太短，又难以覆盖低频。既要覆盖宽频带，又要保证低不圆度。所以一般的全向水平极化天线，仅覆盖1.71-2.69GHz这个频段。
对于室内分布系统，因为天线需要安装在室内，且天线不能嵌入墙壁，影响辐射性能，所以这就要求天线的剖面高度尽可能的低，结构紧凑。但是紧凑的结构就会容易导致垂直极化单元和水平极化单元相互影响，从而增加交叉极化水平，导致低端口隔离度
[发明内容]
针对上述缺点，本发明对现有的双宽频双极化全向天线的基础上进行了重新设计并对现有天线性能进行了明显提升。
本发明的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线采用了如下技术方案：
一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，包括第一水平极化单元、第二水平极化单元、垂直极化单元、合路器、馈电结构；第一水平极化单元与第二水平极化单元连接垂直极化单元，垂直极化单元顶端的第一水平极化单元通过同轴导线连接，第一水平极化单元的同轴导线穿过第二水平极化单元中心的圆环向下连接合路器高频端口，垂直极化单元通过同轴导线连接垂直极化端口；垂直极化单元中间的第二水平极化单元通过同轴导线连接，第二水平极化单元的同轴导线向下连接合路器低频端口；两个水平极化单元通过合路器连接到水平极化端口。
进一步地，所述第一水平极化单元、第二水平极化单元、垂直极化单元均设有馈电端口。
进一步地，所述第一水平极化单元和第二水平极化单元为圆形，每个水平极化单元分别在下表面设有印刷偶极子，上表面设有与偶极子相匹配的馈电单元。
进一步地，所述偶极子以水平极化单元的圆心为中心，朝水平四个方向辐射。
进一步地，所述第一水平极化单元和第二水平极化单元均由FR-4介质板刻蚀而成，介电常数4.4，损耗正切0.02，厚度1mm。
进一步地，所述第一水平极化单元的上下表面还贴有弧形寄生单元，增加水平极化单元带宽，优化端口匹配。
进一步地，所述第一水平极化单元上表面的弧形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元的圆边内侧，呈圆弧状。
进一步地，所述第一水平极化单元下表面的弧形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元的圆边内侧，呈圆弧状。
进一步地，所述第二水平极化单元的下表面还贴有条形寄生单元，降低垂直极化单元辐射的不圆度。
进一步地，所述第二水平极化单元的下表面的条形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第二水平极化单元的圆边内侧，呈矩形状，方向指向圆心。
进一步地，所述垂直极化单元为若干金属辐射贴片。
进一步地，所述垂直极化单元由上下各四片金属辐射贴片组成，其中上部分为第一金属辐射贴片、第二金属辐射贴片、第三金属辐射贴片、第四金属辐射贴片，位于第一水平极化单元和第二水平极化单元之间；下部分为第五金属辐射贴片、第六金属辐射贴片、第七金属辐射贴片、第八金属辐射贴片，位于第二水平极化单元下方。
进一步地，所述垂直极化单元的上部分的四片金属辐射贴片与下部分的四片金属辐射贴片各连接一片固定贴片，上部为第一固定贴片，下部为第二固定贴片，两个固定贴片之间设有馈电口，馈电口通过同轴导线。
进一步地，所述两个固定贴片均有四个凸缘，分别朝向水平四个方向，凸缘用于连接金属辐射贴片。
本发明具有如下优点：
1.通过四个印刷偶极子形成环形电流，产生水平极化辐射，构成水平极化单元。高频和低频水平极化单元各一碟。
2.用金属片代替常规圆锥形垂直极化天线，减少对水平极化单元带宽的影响，使得垂直极化单元和水平极化单元可以相互靠近，整体结构更紧凑。
3.通过引入弧形寄生单元，增加水平极化单元带宽，优化端口匹配。
4.明通过引入条形寄生单元，降低垂直极化单元辐射的不圆度，实现良好全向辐射，影响近场电场方向，从而降低交叉极化水平。
本发明设计的天线能同时覆盖0.81-0.96GHz和1.71-2.69GHz频段的应用于2G/3G/LTE 的全向双频双极化天线。该天线同时具备低交叉极化水平，高端口隔离度，低不圆度、高增益、低剖面特性。
[附图说明]
图1为本发明全向双宽频双极化天线立体结构示意图。
图2为本发明全向双宽频双极化天线第一水平极化单元的上下面示意图。
图3为本发明全向双宽频双极化天线第二水平极化单元的上下面示意图。
图4为本发明全向双宽频双极化天线垂直极化单元立体结构示意图。
图5为本发明全向双宽频双极化天线的水平与垂直极化的S参数。
图6为本发明全向双宽频双极化天线的水平与垂直极化的增益。
图7为本发明天线辐射方向图。
其中1为第一水平极化单元，2为第二水平极化单元，3为垂直极化单元，4为合路器， 5为垂直极化端口，6为水平极化端口，11为第一水平极化单元馈电口，12为下表面弧形寄生单元，13为上表面弧形寄生单元，14为第一水平极化馈电单元，15为第一水平极化单元偶极子，21为第二水平极化单元馈电口，22为条形寄生单元，23为第二水平极化馈电单元，24为第二水平极化单元偶极子，311为第一金属辐射贴片，312为第二金属辐射贴片，313为第三金属辐射贴片，314为第四金属辐射贴片，321为第五金属辐射贴片，322为第六金属辐射贴片，323为第七金属辐射贴片，324为第八金属辐射贴片，33为第一固定贴片，34为第二固定贴片，35为垂直极化单元馈电口。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例
图1显示本发明全向双宽频双极化天线立体结构示意图，略去支撑结构和合路器。
包括第一水平极化单元1、第二水平极化单元2、垂直极化单元3、合路器4、馈电结构；第一水平极化单元1与第二水平极化单元2连接垂直极化单元3，垂直极化单元3顶端的第一水平极化单元1通过同轴导线连接，负责天线高频信号收发，第一水平极化单元1的同轴导线穿过第二水平极化单元2中心的圆环向下连接合路器4高频端口，垂直极化单元3通过同轴导线连接垂直极化端口5；
垂直极化单元3中间的第二水平极化单元2通过同轴导线连接，负责天线低频信号收发，第二水平极化单元2的同轴导线向下连接合路器4低频端口；两个水平极化单元通过合路器 2连接到水平极化端口6。
图2(a)、(b)显示第一水平极化单元正反面，负责1.71-2.69GHz频段信号。图2(a)显示同轴导线内芯连接第一水平极化单元馈电口11通过一个一分四馈电网络，连接到四个U形耦合馈线，给图2(b)中四对修正的印刷型电磁偶极子馈能量，进而产生天线辐射，同轴导线外层连接图2(b)的参考地与四个印刷偶极子。为了保证天线2.69GHz频点的不圆度将第一水平极化单元半径缩小，这就会导致1.71GHz频点匹配变差，1.71-2.69GHz为保证全频段匹配，通过引入弧形寄生单元保证整体频段匹配程度。
图3(a)、(b)显示第二水平极化单元正反面，负责0.81-0.96GHz。与第一水平极化单元同理，同轴导线连接第二水平极化单元馈电口21，通过馈电网络分配能量给四对修正的印刷型电磁偶极子，进而产生天线辐射。条形寄生单元22对单独一个第二水平极化单元2的情况下没有影响，在第二水平极化单元2组合上垂直极化单元时发挥作用，该结构可以在组合时降低垂直极化单元辐射时产生的交叉极化水平，同时保证垂直极化单元辐射的不圆度、高增益及宽带宽特性。
具体的，第一水平极化单元1和第二水平极化单元2为圆形，与上表面设有与偶极子相匹配的馈电单元。
第一水平极化单元偶极子15通过第一水平极化馈电单元14进行馈电，第一水平极化馈电单元14与第一水平极化单元馈电口11连接。
第二水平极化单元偶极子24通过第二水平极化馈电单元23进行馈电，第二水平极化馈电单元23与第二水平极化单元馈电口21连接。
所述偶极子以水平极化单元的圆心为中心，形成环形电流，产生水平极化辐射，构成水平极化单元，高频和低频水平极化单元各一碟。
第一水平极化单元的上表面还贴有上表面弧形寄生单元13，下表面还贴有下表面弧形寄生单元12，增加水平极化单元带宽，优化端口匹配。第一水平极化单元1上表面的弧形寄生单元13为四个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元1的上表面的圆边内侧。所述第一水平极化单元1下表面的弧形寄生单元12为四个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元1的下表面圆边内侧。
本实施例的第一水平极化单元1和第二水平极化单元2均由FR-4介质板刻蚀而成，介电常数4.4，损耗正切0.02，厚度1mm。
水平极化单元使用偶极子环形阵列，通过内部馈电网络将能量均匀分配给每个偶极子。偶极子环形阵列和馈电网络通过PCB板刻蚀制成。通过大小两种偶极子环形阵列，实现低频和高频的水平极化单元。
之后，将高频水平极化单元和低频水平极化单元通过合路器4连接在一起。合路器4是一种三端口器件，但是一端口输入仅能一端口输出，如果输入信号是高频信号，只能从高频信号端口输出。同理，输入低频信号就从另一端口输出。由此实现整体天线只有两个输出端口，一个端口收发垂直极化单元信号，另一端口收发水平极化单元信号，两端口均实现高低频信号收发。实现全向双宽频双极化天线。
图4(a)显示垂直极化单元整体结构，垂直极化分为上下两部分，上下两部分结构相似，通过十字形固定贴片连接四片辐射贴片。图4(b)显示辐射贴片和固定贴片具体形状。同轴导线连接垂直极化单元馈电口35，同轴导线内芯连接垂直极化单元上部分，外层连接垂直极化单元下部分，垂直极化单元上下两部分独立分开不相连。
具体的垂直极化单元3由上下各四片金属辐射贴片组成，其中上部分为第一金属辐射贴片311、第二金属辐射贴片312、第三金属辐射贴片313、第四金属辐射贴片314，位于第一水平极化单元1和第二水平极化单元2之间；下部分为第五金属辐射贴片321、第六金属辐射贴片322、第七金属辐射贴片323、第八金属辐射贴片324，位于第二水平极化单元2下方。
垂直极化单元3的上部分的四片金属辐射贴片与下部分的四片金属辐射贴片各连接一片固定贴片，上部为第一固定贴片34，下部为第二固定贴片35，两个固定贴片之间设有垂直极化单元馈电口35，馈电口通过同轴导线。
两个固定贴片均有四个凸缘，分别朝向水平四个方向，凸缘用于连接八片金属辐射贴片。
一般的垂直极化单元用双锥形偶极子，改变椎体尺寸及形状实现阻抗匹配，拓展带宽，可以较为简单的实现宽带宽。本发明使用上下四片贴片组成类似双椎体的形状，同样具有双锥形偶极子的功能，实现良好全向辐射宽频特性。
本发明选择四个偶极子单元为作为水平极化的环形阵列，因此具有良好的全向辐射特性，不圆度低。水平极化的偶极子单元使用的是U形耦合馈电的印刷电磁偶极子，可以实现宽频性能，而且有一大一小两个水平极化单元，分别能覆盖0.81-0.96GHz和1.71-2.69GHz两个频段，配合宽频的垂直极化单元，高频水平极化单元置于垂直极化单元上端，低频水平极化单元置于垂直极化单元中间，实现双宽频双极化性能。垂直极化单元由金属片构成，可以减少垂直极化单元对水平极化单元的影响，使得两者相互靠近的情况下，不影响彼此带宽和全向辐射性能，同时使整体结构更加紧凑。在结构紧凑的情况下，附加条形寄生单元，修正进场电场方向，保持整体结构不变，可以使得天线交叉极化水平降低。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，包括第一水平极化单元、第二水平极化单元、垂直极化单元、合路器、馈电结构；第一水平极化单元与第二水平极化单元连接垂直极化单元，垂直极化单元顶端的第一水平极化单元通过同轴导线连接，第一水平极化单元的同轴导线穿过第二水平极化单元中心的圆环向下连接合路器高频端口，垂直极化单元通过同轴导线连接垂直极化端口；垂直极化单元中间的第二水平极化单元通过同轴导线连接，第二水平极化单元的同轴导线向下连接合路器低频端口；两个水平极化单元通过合路器连接到水平极化端口；所述第二水平极化单元的下表面还贴有条形寄生单元，降低垂直极化单元辐射的不圆度；所述第一水平极化单元和第二水平极化单元为圆形，每个水平极化单元分别在下表面设有印刷偶极子，上表面设有与偶极子相匹配的馈电单元，所述偶极子以水平极化单元的圆心为中心，朝水平四个方向辐射；所述第一水平极化单元的上下表面还贴有弧形寄生单元，增加水平极化单元带宽，优化端口匹配；所述垂直极化单元由上下各四片金属辐射贴片组成，其中上部分为第一金属辐射贴片、第二金属辐射贴片、第三金属辐射贴片、第四金属辐射贴片，位于第一水平极化单元和第二水平极化单元之间；下部分为第五金属辐射贴片、第六金属辐射贴片、第七金属辐射贴片、第八金属辐射贴片，位于第二水平极化单元下方。
2.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述第一水平极化单元、第二水平极化单元、垂直极化单元均设有馈电端口。
3.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述第一水平极化单元和第二水平极化单元均由FR-4介质板刻蚀而成，介电常数4.4，损耗正切0.02，厚度1mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述第一水平极化单元上表面的弧形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元的圆边内侧，呈圆弧状。
5.根据权利要求4所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述第一水平极化单元下表面的弧形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第一水平极化单元的圆边内侧，呈圆弧状。
6.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述第二水平极化单元的下表面的条形寄生单元为4个，分别均匀等分的贴于第二水平极化单元的圆边内侧，呈矩形状，方向指向圆心。
7.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述垂直极化单元为若干金属辐射贴片。
8.根据权利要求1所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述垂直极化单元的上部分的四片金属辐射贴片与下部分的四片金属辐射贴片各连接一片固定贴片，上部为第一贴片，下部为第二贴片，两个固定贴片之间设有馈电口，馈电口通过同轴导线。
9.根据权利要求8所述的一种应用于室内分布系统的全向双宽频双极化天线，其特征在于，所述两个固定贴片均有四个凸缘，分别朝向水平四个方向，凸缘用于连接金属辐射贴片。
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