CN109428167A - 一种双极化介质天线及其基站天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化介质天线及其基站天线阵列，其中双极化天线用于向空间辐射和接受电磁波，该天线包括接地基板和设置在所述接地基板上的介质谐振器，以及由所述介质谐振器包络的十字馈电结构，所述十字馈电结构通过差分馈电网络进行馈电，所述差分馈电网络设置在所述接地基板的背面；其中，当所述介质谐振器和所述十字馈电结构通过所述差分馈电网络的电信号激励时，所述介质谐振器和所述十字馈电结构的组合设置为基本上朝所述接地基板正上方以单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。本发明的双极化天线辐射前后比大，结构简单，安装方便，非常适合大规模天线阵列的应用，具有非常高的商业应用前景。

Description

一种双极化介质天线及其基站天线阵列

技术领域

本发明涉及射频通信领域，特别是涉及一种双极化介质天线及其基站天线阵列。

背景技术

在过去的十年中，物联网逐渐走入大众的生活。物联网作为一个新兴的产业，利用因特网以及传统电信网等咨询载体，将所有能行使独立功能的普通物体互联起来，形成巨大的包罗万象的网络。在这个网络中，不仅物体与物体之间可以相互通信，相互协作，而且物体与人以及周边环境之间也可以形成有效的互动。物联网的实现需要给网络中的每个物体分配唯一的标签。射频识别技术作为物联网技术的重要组成部分，非常适合某些场景的应用，比如：仓库管理，货物追踪和室内定位等等。对于射频识别技术而言，硬件设备大致分为两部分：标签和接收终端。考虑到标签携带的便利性，标签设计的小型化是必然趋势。标签上携带的天线不会过分复杂，往往都是线极化天线。在大部分场景应用中，线极化天线发射出的信号经过周围环境的多次反射，极化方向会变得无法预测。由于圆极化天线和双极化天线可以接收到任意极化方向的电磁波信号，所以接收终端会采用它们作为接收天线。但是圆极化天线在接收线极化电磁波信号时会损失一半的能量，而双极化天线则不会，所以双极化天线在某些场地较大信号、灵敏度较高的应用中应用广泛。双极化天线可以百分之百收到任意极化电磁波的能量，利用双极化天线作为射频识别终端接收天线是一个非常好的选择。

除了射频识别领域的应用之外，由于双极化天线可以带来频率复用和计划分级等优点，双极化天线也时常作为移动通信网的基站天线。

移动通信是当今中国经济中非常富有活力的产业之一，中国拥有全球最大的移动通信网络，分布在全国的数以百万计的基站上都安装着双极化天线阵列，要应用到基站天线上需要构成天线阵列，就意味着天线的尺寸要比较小，特别是在5G通讯中，大规模的天线阵列意味着需要在一个固定尺寸的基板上设置尽可能多的天线，以满足5G通讯的通信品质，所以需要一个尺寸更小的双极化天线。同时，由于频率复用和极化分级技术在移动通信中的广泛应用，双极化天线作为基站天线在移动通信中扮演着举足轻重的角色。相较于其他应用而言，基站天线设计的要求会更加严格。除了在工作频带内反射系数要求更低以外，适宜的辐射方向图，合适的波瓣宽度，良好的旁瓣抑制以及前后抑制都是非常重要的考虑因素，基站天线的性能和质量直接关系着移动通信网络的品质。当然在现实工程应用中，良好的质量和性能固然是至关重要的，但是天线成本，结构复杂度以及安装难易程度亦是每个生产者的关注焦点。目前常用的双极化天线有：双极化偶极子天线和双极化空气贴片天线。

在上世纪80年代前期，Long，McAllister和Shen三人提出了将介质谐振器作为天线辐射单元来使用。众所周知，在尺寸一定的情况下，介质的谐振频率与其介电常数的开方成反比。换言之，介质的介电常数越大，天线的尺寸越小，这为天线小型化提供了可能。不同的介质有不同的介电常数，这为设计者提供了非常大的自由度来控制天线的尺寸和工作带宽。设计者在设计天线过程中如果选用某些低损耗的介质作为介质天线的材料的话，那么这种低损耗的特性可以为天线带来很高的辐射效率。不同形状的介质或者同一块介质不同的频率都可以激励起不同的模式，不同的模式会产生不同形状的辐射方向图。某些模式产生的方向图和电偶极子类似，而某些却和磁偶极子类似。

作为一种较为常见的天线类型，介质天线使用介质作为辐射体进行辐射。不同介质的介电常数差异很大，设计者可以选择的介电常数范围很广，大致可从8到100。由于介质的介电常数大大高于空气的介电常数，所以天线的尺寸可以被大大缩小，这是介质天线的一个很大的优点。设计介质天线往往采用低损耗的材料，所以可以保证较高的辐射效率。

将介质天线应用到双极化天线中，为双极化天线的小型化创造了无限的可能。但是相较于一些电路印刷天线来说，介质天线的结构较为复杂，天线成本也较为昂贵。介质天线的另外一个问题是在天线高度较低的情况下，天线的前后抑制比较大；因此，介质天线应用在双极化天线上其通信品质还是不够理想，如果不解决这一问题，将不能满足未来基站天线更高标准的通信品质要求。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明目的在于提出一种双极化介质天线及其基站天线阵列，以解决上述现有技术存在的前后抑制比大的技术问题。

为此，本发明提出一种双极化介质天线，用于向空间辐射和接受电磁波，该天线包括接地基板和设置在所述接地基板上的介质谐振器，以及由所述介质谐振器包络的十字馈电结构，所述十字馈电结构通过差分馈电网络进行馈电，所述差分馈电网络设置在所述接地基板的背面；其中，当所述介质谐振器和所述十字馈电结构通过所述差分馈电网络的电信号激励时，所述介质谐振器和所述十字馈电结构的组合设置为基本上朝所述接地基板正上方以单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。

优选地，本发明还可以具有如下技术特征：

所述电磁信号由所述介质谐振器和所述十字馈电结构的谐振模式来定义，所述介质谐振器的谐振模式等效定义为一个电偶极子，所述十字馈电结构等效定义为一个磁偶极子；所述磁偶极子和所述电偶极子彼此正交。

所述电偶极子根据所述介质谐振器的谐振模式模式进行定义。

所述十字馈电结构等效于两个交叉的馈电主体组成，所述馈电主体为半环形，在所述馈电主体的两端分别设置成差分馈电的输入端子，所述磁偶极子根据由所述差分馈电网络进行差分馈电的半环形的所述馈电结构来定义。

所述介质谐振器为十字型介质谐振器，所述介质谐振器等效于两个条形介质谐振器正交而成。

所述介质谐振器包括沿着所述条形介质谐振器中心轴线延伸开设的槽状结构，所述十字馈电结构基本上被所述介质谐振器包络在所述槽状结构内。

所述介质谐振器包括四个独立的子介质块，所述子介质块呈“L”形，四个独立的所述子介质块拼接成所述十字型介质谐振器，所述槽状结构为四个独立的所述子介质块彼此之间的间隙；或所述介质谐振器为一体成型，所述槽状结构为开设在所述介质谐振器上的槽孔。

所述介质谐振器为十字形、方形或圆形。

所述差分馈电网络包括一个输入端口和两个差分输出端口，所述输入端口和两个所述差分输出端口通过设置在所述接地基板表面的微带线进行连接；所述微带线包括第一传输线和第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线分别与所述差分输出端口连接，在两个差分输出端口输出幅度相同、相位相反的激励信号。

此外，本发明还提出了一种基站天线阵列，包括上述任一项的双极化天线构成的天线阵列单元。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明的双极化介质天线，介质谐振器中间安装有一根十字馈电结构。两者均固定在一块接地基板上，同时在接地基板的背后有一块PCB介质板用来设计天线的差分馈电网络。天线的介质谐振器和十字形馈电结构分别可以产生两个正交的谐振模式，正是因为这些正交的谐振模式的辐射产生了两种正交极化。单看一种极化方向，介质谐振器和馈电结构分别产生一个谐振模式，这两个模式的辐射方向图在天线的正上方相互叠加，在天线的背向相互抵消，从而提高了天线的辐射前后比。综上所述，以上提及的这种双极化介质天线结构简单，安装方便，非常适合大规模天线阵列的应用，毋庸置疑，以上这种介质天线具有非常高的商业应用前景。

附图说明

图1是本发明具体实施方式双极化介质天线的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式双极化介质天线的介质谐振器示意图；

图3是本发明变通实施方式中双极化介质天线的结构示意图。

图4是本发明具体实施方式中十字馈电结构的示意图。

图5是本发明具体实施方式中差分馈电网络的示意图。

图6是本发明具体实施方式中馈电主体激励时等效一个磁偶极子的示意图。

图7是本发明具体实施方式中在端口1激励时介质块在xoy面激励起的电场分布。

图8是本发明具体实施方式中在端口1激励时介质块在xoz面激励起的电场分布。

图9是本发明具体实施方式中在端口1激励时介质块在xoy面激励起的电磁场分布。

图10是本发明具体实施方式中在端口1激励时介质块在xoz面激励起的电磁场分布。

图11是本发明具体实施方式在介质谐振器中激励的磁场等效成一个电偶极子的示意图。

图12是本发明具体实施方式一个电偶极子和一个磁偶极子同时激励获得一个单向辐射的辐射方向图的示意图。

图13是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃时的S参数曲线图。

图14是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃时天线最大增益随着频率的变化图。

图15是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃、端口1、φ＝45°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图16是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃、端口1、φ＝135°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图17是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃、端口2、φ＝45°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图18是本发明具体实施方式中介质谐振器为k9玻璃、端口2、φ＝135°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图19是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料时的S参数曲线图。

图20是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料时天线最大增益随着频率的变化图。

图21是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口1、φ＝45°、φ＝135°、@3.3GHz时的辐射方向图。

图22是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口1、φ＝45°、φ＝135°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图23是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口1、φ＝45°、φ＝135°、@3.7GHz时的辐射方向图。

图24是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口2、φ＝45°、φ＝135°、@3.3GHz时的辐射方向图。

图25是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口2、φ＝45°、φ＝135°、@3.5GHz时的辐射方向图。

图26是本发明具体实施方式中介质谐振器为陶瓷材料、端口2、φ＝45°、φ＝135°、@3.7GHz时的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

实施例一：

参考图1，本实施例示出了一种双极化介质天线，用于向空间辐射和接受电磁波，该天线包括接地基板1和设置在所述接地基板1上的十字型的介质谐振器2，以及由所述十字型的介质谐振器2包络的十字馈电结构3，所述十字馈电结构通过差分馈电网络4(图1未示出)进行馈电；其中，当所述十字型的介质谐振器2和所述十字馈电结构3通过所述差分馈电网络4的电信号激励时，所述十字型的介质谐振器2和所述十字馈电结构3的组合设置为基本上朝所述接地基板1正上方以单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。

参考图1，以接地基板(Ground)的长度方向为X，宽度方向为Y，接地基板表面的法向为Z，建立参考坐标系，由图1可以看出，十字型的介质谐振器、十字馈电结构和差分馈电网络均呈45°角相对于y轴和x轴倾斜设置在接地基板上。

十字型的介质谐振器整体呈正交的十字形，可等效成两根正交的中心轴线，十字型的介质谐振器的介质主体沿着两根正交的中心轴线延展，同时兼具一定的高度，由此得到该十字型的介质谐振器。本实施例中，两根正交的中心轴线图中未示出，但可认为图1中，十字型的介质谐振器上的示出的槽状结构所在的位置即为与中心轴线共线的位置。

在本实施例的一些变通实施例中，所述介质谐振器还可以为其他形状，比如方形和圆形。

十字型的介质谐振器槽中，设置有十字馈电结构，该十字馈电结构由十字型的介质谐振器的槽状结构所包络，十字馈电结构有四个端子，分别为Port 1^-、Port 1⁺、Port 2^-、Port 2⁺。四个端子分别与接地基板上的差分馈电网络连接。

十字型的介质谐振器的两个正交的中心轴线分别与x轴成45°夹角，相应的与y轴也是呈45°夹角，所以整个十字型的介质谐振器、十字馈电结构和差分馈电网络倾斜设置在接地基板上。

如图2所示本实施例中所述介质谐振器呈十字型，可等效于两个条形的介质块正交而得，两个条形的介质块的长度方向的中心轴线位置处开设有槽状结构，两槽状结构也彼此正交，槽状结构视情况而定，可以为正交的槽孔或正交的间隙；开设的槽状结构若将整个条形的介质块打通，将获得一个由多个独立的介质块，拼接得到该十字型的介质谐振器，多个独立的介质块之间存在上述正交的间隙；开设的槽状结构若不将整个条形的介质块打通，十字形的介质谐振器将作为一个独立的、完整的介质块，十字型的介质谐振器上将存在上述的正交的槽孔；所以根据槽状结构设置方式不同，十字形的介质谐振器可以是一体成型的，也可由多个独立的介质块拼接而得；一体成型的十字型的介质谐振器整体性强；有多个独立的介质块拼接而得的十字型的介质谐振器便于加工、安装，结构简单、维护方便。

本实施例中，参考图2，由四个子介质块拼接而成，其中，高度为Hd，若等效成两个正交的条形介质块，其中一个条形的介质块的宽为2*Wd+Ws，Ws为间隙的宽度，长度为2*Ld+Ws，考虑到介质块容易碰撞损坏，在介质块的直角切去，切角的直角边长为Wc；若按独立的介质块来看，单个介质块整体呈“L”形，“L”形的介质块长度为Ld，宽度为Wd，各个独立的介质块之间的间隙宽度为Ws。

本实施例中，十字型的介质谐振器优选为由四个独立的子介质块构成了该十字形的介质谐振器，四个独立的字介质块呈“L”形，当然，在本实施例的一些变通实施例中，介质谐振器的形状可以为一体式的十字形。

如图3所示，为一体成型的十字型的介质谐振器，其中，十字型的介质谐振器包括正交的槽孔，两个条形的介质块未被操控打穿的部分尺寸为Lc。在槽孔中设置有十字馈电结构。

在这个实施例中，十字型的介质谐振器可由但不限于陶瓷或金属氧化物的介电材料构成，如K9玻璃、陶瓷材料等。

本实施例的其他变通实施例中，所述介质谐振器可以为其他形状和尺寸。

如图4所示为十字馈电结构的主视图，该主视图是将介质天线坐标系旋转45度后得到的，从主视图中，左侧为端子Port 2^-，右侧为端子Port 2⁺；中间为端子Port 1^-，在端子Port 1^-的后方还有端子Port 1⁺。馈电时，端子Port 2^-、端子Port 2⁺作为同一组被激励；端子Port 1^-、端子Port 1⁺作为另一组被激励。一组的端子Port 2^-、端子Port 2⁺之间靠半环形的馈电主体连接；同理，作为另一组的端子Port 1^-、端子Port 1⁺之间也靠半环形的馈电主体连接；馈电主体是一种导电体，该导电体可接受电信号以及当收到激励时辐射电磁信号。当两端受到电信号的激励时，电流从一段的端子Port 2⁺或端子Port 1⁺进入，通过馈电主体到达另一端的端子Port 2^-或端子Port 1^-流出，半环形的馈电主体的设置，便在两个端子之间形成环形的电流；本实施例中，十字馈电结构的馈电主体呈弓形，当然，本实施例的其他变通实施例中，馈电主体的形状还可以是其他形状，只要可在两个端子(Port 2⁺、Port2^-或Port 1^-、Port 1⁺)之间形成形成环形电流即可。

本实施例中，为了让半环形的馈电主体形成环形电流，通过差分馈电网络对十字馈电结构进行馈电。

如图5所示，差分馈电网络包括一个输入端口(Port2或Port1)和两个差分输出端口(对应于连接十字馈电结构的端子Port 2⁺、Port 2^-或Port 1^-、Port 1⁺)，与端子Port 2⁺、Port 2^-连接的差分输出端口成一组，与端子Port 1^-、Port 1⁺连接的差分输出端口成一组；所述输入端口和两个所述差分输出端口通过设置在所述接地基板表面的微带线进行连接。优选地，微带线是一种薄带导体(诸如金属)，所述薄带导体对半环形的馈电主体进行馈电。

如参考图5所示，所述微带线包括第一传输线(421、411)和第二传输线(422、412)，所述第一传输线和所述第二传输线分别与所述差分输出端口连接，在两个差分输出端口输出幅度相同、相位相反的激励信号。每组差分输出端口中的其中一个所接的微带线的相位要比另外一个多180°，由此可以在半环形的馈电主体中形成环形的激励电流。与所述微带线和所述半环形的馈电主体电气性连接。

本实施例的其他变通实施例中，所述差分馈电网络可以为其他形状和尺寸，能为十字馈电结构进行差分馈电即可。

参照附图2，本实施例中，十字型的介质谐振器的介电常数为ε_r，根据不同的要求或者应用，可选择具有不同介电常数ε_r的不同介电材料构成所述十字型的介质谐振器。

接地基板可有效提高非侧向辐射的天线的前后比，能提高型信号的品质，理想状态下，当接地基板的尺寸无限大时，辐射方向图为最优的状态，此时前后比也是最大的，但是，实际情况下，接地基板的尺寸并不能做到无限大，是一个有限的尺寸，这个有限的尺寸将对辐射方向图造成影响，所以让接地基板的尺寸处在一个合适的区间内，这个区间内，对方向图的影响较小，方向图趋于稳定，优选的，如图5所示，接地基板为方形，边长为L，为了提高抵消效果，接地基板边长优选在1～2个波长范围。

如图4所示，所述半环形的馈电主体高度为H3+H2+H1，跨距为2L1+2L2+W1，在半环形馈电主体两端的输入端子的宽度为W3，馈电主体的宽度为W1和W2。2L1+2L2+W1+H3+H2+H1＝0.5个波长，整个馈电主体的阻抗与馈源相匹配，一般与50Ω。优选的，十字馈电结构为金属。

如图3所示，在本实施例的变通实施例中，馈电结构整体高度为H4+H5，跨距为2L3+W5，在半环形馈电主体两端的输入端子的宽度为W4。H4+H5+2L3+W5＝0.5个波长。

在本实施例一线变通实施例中，十字馈电结构的具体的尺寸可以根据阻抗、波长对应设置，应并不限于上述形状和尺寸。

为了便于描述本实施例的工作原理，将天线以Z轴为旋转轴，旋转45°，此时具有端子Port 1^-、Port 1⁺的馈电主体所在的面为yoz面，具有端子Port 2⁺、Port 2^-的馈电主体所在的面为xoz面；假设天线接入馈源只有一组端口或端子被激励，如图6所示，半环形的馈电主体形成环形的电流i，环形电流由馈电主体的电流和接地基板上的镜像电流i；图6中，yoz平面内馈电主体的电流及其镜像都是按顺时针方向流动的，所以可以将其等效为一个x轴方向的磁流由于差分馈电，整个xoz平面都可以视为开路，所以xoz平面内的馈电主体上没有电流不会引起辐射。

如图6，当端子Port 1^-、Port 1⁺被激励时，介质块中激励起的电场和磁场。如图7和图8所示分别是介质块中xoy面和xoz面的电场分布，可以看出介质内不存在z轴方向上的电场。图9和图10所画的分别是介质块中xoy面和xoz面的磁场分布，可以看出xoz平面上的磁场存在z轴方向上的分量。

结合电场与磁场的分布可知，介质中的谐振模式为模式。

从图9可以看出，在y轴上的磁场都是沿着x轴方向的。通过等效原理，可将x轴方向的磁场等效成y轴方向的电流如图11所示。

如图12所示，一个电偶极子(Electric dipole)在E面的辐射方向图为8字形，在H面的辐射方向图为O形；而一个磁偶极子(Magnetic dipole)在E面的方向图为O形，在H面为8字形。如果当一个电偶极子与一个磁偶极子同时被激励起来，并具有合适的幅度相位，那么这两个偶极子的辐射方向图就可以合成一个单向辐射的方向图。

根据以上的工作原理，本实施例中，当通过差分馈电网络对半环形的馈电主体进行激励时，半环形的馈电结构将可等效成一个磁偶极子，同时，在介质谐振器中将等效成一个电偶极子，一个电偶极子和一个磁偶极子同时被激励，两者的组合将以单向辐射的形式辐射电磁波。单向辐射的辐射方向在接地基板的法向，位于接地基板的正面侧将相互叠加、位于背面侧的电磁信号将相互抵消。

不同形状的介质或者同一块介质不同的频率都可以激励起不同的模式，本实施例中一些变通实施例中，介质谐振器的形依据谐振模式模式形成的电偶极子进行设置，可不限于十字形、方形及圆形。

以下通过实例验证进行阐述不同的介质谐振器所能达到的实验参数

根据以上原理，两款介质天线被设计，并用商业软件仿真。它们分别使用不同介质材料，第一款使用的是介电常数为6.9的K9玻璃，第二款使用的是介电常数为12的陶瓷材料。由于两款天线使用的材料介电常数的不同，天线尺寸也有所差异，以下将分别介绍。以下实例中，附图中的Simulated、Simulation代表仿真，Measured、Measurement代表实测，S(1,1)代表端口1的反射系数，S(1，2)代表端口1和端口2的隔离，S(2,2)代表端口2的反射系数。Gainθ是θ方向的增益，θ是球坐标系中测量点与z轴夹角，φ是球坐标系中测量点在xoy平面上的投影与x轴夹角。

K9玻璃材料

如图1、2、4、5所示，天线被设计工作在3.5GHz(Frequency)，介质材料使用的是介电常数为6.9的K9玻璃。天线使用商用软件HFSS进行数值仿真。天线尺寸如表一所示，λo为3.5GHz真空中的波长长度。天线仿真的S参数(S parameters)如图13所示，实测(Measured)与仿真(Simulated)结果基本吻合。天线端口1(Port 1^-、Port 1⁺)从3.3GHz到3.9GHz反射系数低于-15dB，端口2(Port 2⁺、Port 2^-)的工作带宽基本与端口1重合。天线从3.3GHz到3.9GHz交叉极化隔离低于-28dB，3.3GHz到3.8GHz交叉极化低于-30dB。

表一天线尺寸

图14所示为天线最大增益(Peak Gain)随着频率(Frequency)的变化图，在工作带宽(3.3GHz～3.9GHz)内天线增益基本稳定在8dBi，相差不超过1dB。

图15-18展示的是天线工作在3.5GHz时仿真与实测的辐射方向图。图15和图16是在端口1下的结果，图17和图18是在端口2下的结果。天线的最大辐射方向在θ＝0°。天线仿真的前后比在工作频带内高于22dB。天线工作在3.5GHz时仿真的最大增益为7.9dBi；在φ＝0°和φ＝90°的切面内3-dB波瓣宽度的仿真结果均为100°。

陶瓷材料

如图3、4所示，天线同样被设计工作在3.5GHz，介质材料使用的是介电常数为12的陶瓷材料。天线使用商用软件HFSS进行数值仿真。天线尺寸如表二所示，λo为3.5GHz真空中的波长长度。天线仿真与实测的反射系数如图19所示，实测与仿真结果基本吻合。天线端口1从3.3GHz到3.68GHz反射系数低于-15dB，端口2的工作带宽基本与端口1重合。天线从3.3GHz到3.7GHz交叉极化隔离低于-28dB。

表二天线尺寸

图14所示为天线最大增益(Peak Gain)随着频率(Frequency)的变化图，在工作带宽(3.3GHz～3.9GHz)内天线增益基本稳定在7dBi，相差不超过1dB。

图21-26展示的是天线分别工作在3.3GHz，3.5GHz与3.7GHz时仿真的辐射方向图，图21-23为在端口1下的结果，图24-26在端口2下的结果。天线的仿真结果与实测结果几乎吻合。天线的最大辐射方向在θ＝0°。天线仿真的前后比在工作频带内高于18dB。天线工作在3.5GHz时仿真的最大增益为7.6dBi；在φ＝0°和φ＝90°的切面内3-dB波瓣宽度的仿真结果均为100°。

表三3-dB波瓣宽度及前后比

两款天线实例被仿真并实验验证。第一款天线的介质材料是K9玻璃，第二款的材料是陶瓷。由于第一款天线的制造材料主要是光学玻璃和金属，所以这种介质天线的加工成本非常低。但是因为K9玻璃的介电常数大致为7，天线的尺寸相对较大，长宽尺寸为0.55λo，λo为在真空中天线中心频率的波长。为了减小天线的尺寸，选用介电常数为12的介质作为天线的辐射体，天线的尺寸可以减小到0.32λo，λo为在真空中天线中心频率的波长。

本实施例的一些变通实施例中，介质谐振器的材料还可以根据实际情况作出相应的设置。

此外本实施例还提出了一种基站天线阵列，包括上述任一项的双极化天线构成的天线阵列单元。该采用尺寸更小、辐射性能更好的双极化天线，提高了基站的信号品质，能体现高现有天线阵列单元的阵列数量，保证移动通信网络的品质。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (10)

1.一种双极化介质天线，其特征在于：用于向空间辐射和接受电磁波，该天线包括接地基板和设置在所述接地基板上的介质谐振器，以及由所述介质谐振器包络的十字馈电结构，所述十字馈电结构通过差分馈电网络进行馈电，所述差分馈电网络设置在所述接地基板的背面；其中，当所述介质谐振器和所述十字馈电结构通过所述差分馈电网络的电信号激励时，所述介质谐振器和所述十字馈电结构的组合设置为基本上朝所述接地基板正上方以单向性的方式辐射与所述电信号相关的电磁信号。

2.如权利要求1所述的介质天线，其特征在于：所述电磁信号由所述介质谐振器和所述十字馈电结构的谐振模式来定义，所述介质谐振器的谐振模式等效定义为一个电偶极子，所述十字馈电结构等效定义为一个磁偶极子；所述磁偶极子和所述电偶极子彼此正交。

3.如权利要求2所述的介质天线，其特征在于：所述电偶极子根据所述介质谐振器的谐振模式模式进行定义。

4.如权利要求2所述的介质天线，其特征在于：所述十字馈电结构等效于两个交叉的馈电主体组成，所述馈电主体为半环形，在所述馈电主体的两端分别设置成差分馈电的输入端子，所述磁偶极子根据由所述差分馈电网络进行差分馈电的半环形的所述馈电结构来定义。

5.如权利要求3所述的介质天线，其特征在于：所述介质谐振器为十字型介质谐振器，所述介质谐振器等效于两个条形介质谐振器正交而成。

6.如权利要求5所述的介质天线，其特征在于：所述介质谐振器包括沿着所述条形介质谐振器中心轴线延伸开设的槽状结构，所述十字馈电结构基本上被所述介质谐振器包络在所述槽状结构内。

7.如权利要求6所述的介质天线，其特征在于：所述介质谐振器包括四个独立的子介质块，所述子介质块呈“L”形，四个独立的所述子介质块拼接成所述十字型介质谐振器，所述槽状结构为四个独立的所述子介质块彼此之间的间隙；

或所述介质谐振器为一体成型，所述槽状结构为开设在所述介质谐振器上的槽孔。

8.如权利要求3所述的介质天线，其特征在于：所述介质谐振器为十字形、方形或圆形。

9.如权利要求1所述的介质天线，其特征在于：所述差分馈电网络包括一个输入端口和两个差分输出端口，所述输入端口和两个所述差分输出端口通过设置在所述接地基板表面的微带线进行连接；所述微带线包括第一传输线和第二传输线，所述第一传输线和所述第二传输线分别与所述差分输出端口连接，在两个差分输出端口输出幅度相同、相位相反的激励信号。

10.一种基站天线阵列，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的双极化天线构成的天线阵列单元。