CN110401018A - 超宽带双极化辐射单元及天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带双极化辐射单元，包括辐射元件、金属环及馈电元件，金属环环设在辐射元件的外周，辐射元件包括交叉设置的第一偶极子和第二偶极子，第一偶极子和第二偶极子分别包括对角设置的两个辐射臂，馈电元件包括电隔离的第一传输线和第二传输线，第一传输线与第一偶极子耦合，第二传输线与第二偶极子耦合。本发明改善了辐射单元的驻波比和方向图，增大了辐射单元的带宽和增益，实现了超宽带设计；且辐射元件绕其中心位置呈90度旋转对称设置，结构紧凑，还可以避免在天线在批量化生产组装过程中发生错位的问题，提高了批量化生产的效率。另外，本发明还公开了一种超宽带双极化天线。

Description

超宽带双极化辐射单元及天线

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种超宽带双极化辐射单元及天线。

背景技术

天线在通信系统中作为信号发射和信号接收的关键器件，其辐射性能和接收性能的优劣将直接影响整个通信系统的性能。随着通信技术的迅猛发展，要求进一步提高通信系统的容量，基站天线也在朝着宽频化、多频化、小型化及低成本的方向发展。由于现今多种通信标准共存，基站天线的选址也越来越困难，故基站天线的辐射单元的布局要求更加紧凑、体积更小，同时也要求辐射单元具有宽频特点，从而适应2G、3G、4G、5G的制式要求。

为了解决现今多种通讯标准共存的状态，现阶段，通常是通过设计宽频的天线辐射单元或者在一个天线上放置多个频段的辐射单元，来实现天线的宽频特性，从而降低设计成本；但同时存在天线体积大、重量重、剖面高等缺点。由于微带天线具有低剖面、平面化、低成本、易加工等优势，现有技术中往往会设计微带天线来解决天线体积大、剖面高的问题，但微带天线又具有带宽窄、增益低、交极化差等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽频带和增益高的超宽带双极化辐射单元及天线。

为了实现上述目的，本发明的超宽带双极化辐射单元包括辐射元件、金属环及馈电元件，所述金属环环设在所述辐射元件的外周，所述辐射元件包括交叉设置的第一偶极子和第二偶极子，所述第一偶极子和第二偶极子分别包括对角设置的两个辐射臂，所述馈电元件包括电隔离的第一传输线和第二传输线，所述第一传输线与所述第一偶极子耦合，所述第二传输线与所述第二偶极子耦合。

较佳地，所述辐射元件绕其中心位置呈90度旋转对称。

较佳地，所述金属环上蚀刻形成若干耦合线，若干所述耦合线在所述金属环上间隔设置。

较佳地，所述金属环为方环，所述金属环包括四个金属臂，四个所述金属臂的中间位置分别形成有一所述耦合线。

较佳地，所述耦合线为交指型微带线。

较佳地，所述超宽带双极化辐射单元还包括设置在所述辐射元件的上方的两个引向金属片，两个所述引向金属片上下相对设置。

较佳地，相邻的两个所述辐射臂之间具有间隙，各个所述辐射臂的邻近所述间隙的一侧的两端分别形成有一缺口。

较佳地，所述辐射元件为覆膜形成在介质基板的上表面的金属贴片，所述超宽带双极化辐射单元还包括支撑架，所述第一传输线和第二传输线贴设在所述支撑架上；所述支撑架的上部形成有凸起，所述介质基板上开设有贯穿其上下的贯穿槽，所述凸起向上插入所述贯穿槽。

较佳地，所述支撑架的上部形成有分别穿过所述第一偶极子和第二偶极子的至少两个所述凸起，两个所述凸起的一面涂覆有金属层，两所述凸起的金属层分别与所述第一偶极子和第二偶极子对应电连接。

本发明还提供一种超宽带双极化天线，包括反射器和至少两超宽带双极化辐射单元，至少两所述超宽带双极化辐射单元共轴排列或共面排列在所述反射器的反射面侧，所述超宽带双极化辐射单元如上所述。

与现有技术相比，本发明的超宽带双极化辐射单元的辐射元件的外周环设有金属环，通过金属环改变了电流在第一偶极子和第二偶极子的辐射臂上的分布，改善了辐射单元的驻波比和方向图，从而增大了辐射单元的带宽和增益，实现辐射单元的超宽带设计；而且，第一偶极子和第二偶极子交叉设置，可以有效避免天线的各个辐射单元之间的电磁互耦的影响，增大了辐射单元之间的隔离度；另外，辐射元件绕其中心位置呈90度旋转对称设置，结构紧凑，有利于实现辐射单元的小型化设计，进一步的，该方式还可以避免在天线在批量化生产组装过程中发生错位的问题，提高了批量化生产的效率。此外，本发明的辐射单元为微带贴片形式，在兼顾超宽带、高增益的同时，还具有低剖面的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的超宽带双极化天线的结构示意图。

图2是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元的结构示意图。

图3是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元的辐射面的示意图。

图4是本发明实施例的支撑架和第一传输线、第二传输线示意图。

图5是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元的方向图。

图6是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元在辐射方向上的增益曲线图。

图7是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元在整个工作频段内的增益曲线图。

图8是本发明实施例的超宽带双极化辐射单元在整个工作频段内的驻波比曲线图。

具体实施方式

为详细说明本发明的内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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，仅是为便于描述本发明和简化描述，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

请参阅图1至图4，本发明实施例公开了一种超宽带双极化天线，其包括反射器200和至少两超宽带双极化辐射单元100，至少两超宽带双极化辐射单元100共轴排列和/或共面排列在反射器200的反射面侧。其中，超宽带双极化辐射单元100包括辐射元件1、金属环2及馈电元件，金属环2环设在辐射元件1的外周，辐射元件1包括交叉设置的第一偶极子11和第二偶极子12，第一偶极子11和第二偶极子12分别包括对角设置的两个辐射臂，馈电元件包括电隔离的第一传输线31和第二传输线32，第一传输线31与第一偶极子11耦合，第二传输线32与第二偶极子12耦合。其中，辐射元件1的各个辐射臂为四边形(优选为菱形)，当然，辐射臂的形状不限于四边形结构，具体实施中可以通过改变辐射臂的几何形状，来实现不同辐射特性的辐射单元100的设计。

请参阅图1，在本实施例中，三个超宽带双极化辐射单元100共轴且共面排列在反射器200的反射面侧，三个超宽带双极化辐射单元100等间距设置；当然，超宽带双极化辐射单元100的数目及其在反射器200上的排列方式并不限于此，在其他实施例中，可以根据天线的性能指标要求对超宽带双极化辐射单元100进特定形式的排列，例如非等间距排列、多行排列、交叉排列等方式。

具体的，反射器200包括作为反射面的金属介质板210和连接在金属介质板210的相对的两侧的两个金属挡板220，超宽带双极化辐射单元100沿两金属挡板220的延伸方向共轴排列设置在金属介质板210上，两金属挡板220用以反射边侧的电磁波以汇聚电磁波波束，从而约束天线的方向图的波瓣宽度。具体实施中，可以通过调节金属挡板220的高度、倾斜角度及两金属挡板220之间的距离，实现对天线的辐射方向图、波束宽度及增益调节。在本实施例中，两金属挡板220相互平行，但不应以此为限。

在该实施例中，辐射单元100采用紧凑的底部馈电方式，金属介质板210上开设有贯穿其上下的两个通孔(图未示)，金属介质板210的下部设有两根同轴线(图未示)，两根同轴线分别通过与其对应的通孔与第一传输线31和第二传输线32的下端焊锡连接。

请参阅图2和图4，本发明提供的辐射单元100为具有优异的交叉极化性能的微带贴片天线单元，辐射元件1和金属环2均为覆膜形成在介质基板6上的金属贴片，第一传输线31和第二传输线32设置在贴近辐射元件1的位置，通过强耦合的方式使激励电流经由第一传输线31和第二传输线32分别耦合到第一偶极子11和第二偶极子12，从而实现偶极子天线。其中，第一偶极子11和第二偶极子12的馈电点位于辐射元件1的中心位置。优选的，第一偶极子11和第二偶极子12在介质基板6的上表面分别沿±45°方向放置，以形成极化方向分别为+45°和-45°的极化方向相互垂直的电磁波，以满足天线的双极化指标要求；辐射元件1和金属环2覆膜形成在介质基板6上，平面设置的方式使得辐射单元100的剖面较低。

以下，为了便于描述，将第一偶极子11的两个辐射臂分别称为第一辐射臂111和第二辐射臂112，将第二偶极子12的两个辐射臂分别称为第三辐射臂121和第四辐射臂122。

请参阅图3，作为优选实施例，辐射元件1绕其中心位置呈90度旋转对称；即是，第一辐射臂111分别和第三辐射臂121及第四辐射臂122轴对称设置，第二辐射臂112又分别和第三辐射臂121及第四辐射臂122轴对称设置。

作为优选实施例，相邻的两个辐射臂之间具有间隙S，各个辐射臂的邻近间隙S的一侧的两端分别形成有一缺口。具体的，第一辐射臂111与第三辐射臂121及第四辐射臂122之间通过间隙S隔开，第二辐射臂112与第三辐射臂121及第四辐射臂122之间通过间隙S隔开。通过调节间隙S的宽度，可以实现对辐射单元100的驻波比及天线的各个辐射单元100之间的隔离度的调节。在该实施例中，各个辐射臂之间的间隙S均为矩形，且各个间隙S的宽度相同。

更具体的，第一辐射臂111、第二辐射臂112、第三辐射臂121及第四辐射臂122的邻近辐射元件1的对称中心的一端形成三角形缺口113，第一辐射臂111、第二辐射臂112、第三辐射臂121及第四辐射臂122的远离辐射元件1的对称中心的一端形成方形缺口114；借由三角形缺口113和方形缺口114的设计，改变各个辐射臂的几何形状，最大限度的确保激励电流在辐射臂的流经路径，从而减小辐射单元100的端口的驻波比，增大了各个端口间的隔离度以及改善辐射单元100的辐射波瓣图。当然，在其他实施例中，还可以通过对辐射臂进行开槽等操作来拓展辐射单元100的带宽。

请继续参阅图3，作为优选实施例，金属环2上蚀刻形成若干耦合线4，若干耦合线4在金属环2上间隔设置。可以通过调节金属环2的宽度和长度来实现对辐射单元100的驻波比和辐射方向图的调节；同时，调节耦合线4长度、宽度及数目，也可以实现辐射单元100的驻波比和辐射方向图的改善，从而实现天线的最优化设计。

作为优选实施例，金属环2为方环，金属环2包括四个金属臂21，四个金属臂21的中间位置分别形成有一耦合线4。通过调整金属环2和耦合线4的宽度和长度及耦合线4在金属环2上的分布密度等，在驻波比小于1.5的情况下，辐射单元100可达到1.3GHz(1.4GHz-2.7GHz)的绝对带宽，63％的相对带宽，实现了超宽频设计。

更优的，在该优选实施例中，耦合线4为交指型微带线，每一耦合线4包括若干在金属环2的内边沿与金属环2的外边沿间间隔排布的线段。借此，减小耦合线4在金属环2的布线长度，使得辐射单元100的结构更加紧凑，有利于实现辐射单元100的小型化设计。

请参阅图2，作为优选实施例，超宽带双极化辐射单元100还包括设置在辐射元件1的上方的两个引向金属片5，两个引向金属片5上下相对设置。通过在辐射元件1的上方设置两个引向金属片5作为天线引向器，改善超宽带双极化辐射单元100的辐射方向图。优选的，两个引向金属片5由成本低廉、介电常数实部小、介电损耗小的PVC(Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯)塑料架(图未示)支撑。在该实施例中，两个引向金属片5为方片状，通过调节两个金属片5的大小、其相对于辐射元件1的高度以及两个引向金属片5之间距离，从而影响超宽带双极化辐射单元100的方向图以及驻波性能，以在确保超宽带双极化辐射单元100的方向图不发生畸变的情况下，实现辐射单元100的超宽带辐射特性。在一些实施例中，引向金属片5的数目还可以为三片、四片等。

请参阅图2至图4，具体的，超宽带双极化辐射单元100还包括支撑架7，第一传输线31和第二传输线32贴设在支撑架7上；支撑架7的上部形成有凸起71，介质基板6上开设有贯穿其上下的贯穿槽61，凸起71向上插入贯穿槽61。通过凸起71和贯穿槽61的配合，实现了介质基板6和支撑架7的稳定固定。在本实施例中，支撑架7通过塑料铆钉(图未示)与金属介质板210进行固定，以降低成本和减小对电磁波辐射的影响。

作为优选实施例，支撑架7的上部形成有分别穿过第一偶极子11和第二偶极子12的至少两个凸起71，两个凸起71的一面涂覆有金属层711，两凸起71的金属层711分别与第一偶极子11和第二偶极子12对应电连接。通过凸起71和金属层711的设计，实现凸起71和介质基板6的上表面的第一偶极子11及第二偶极子12的电导通，使得作为信号馈入结构的第一传输线31和第二传输线32可以分别通过与凸起71的电磁耦合来实现与第一偶极子11和第二偶极子12电磁耦合，从而使得第一传输线31和第二传输线32传输的电磁波可以有效的被激励到第一偶极子11和第二偶极子12上。优选的，凸起71分别与第一偶极子11和第二偶极子12焊锡固定，但不应以此为限。

请参阅图2和图4，具体的，第一传输线31和第二传输线32为微带线，第一传输线31包括弯折设置的第一臂(图未示，与文中所述的第三臂321的形状、布线相同)和第二臂312，第一臂与第二臂312电连接并对应位于第一偶极子11的第一辐射臂111和第二辐射臂112的下方，第二传输线32包括弯折设置的第三臂321和第四臂322，第三臂321与第四臂322电连接并对应位于第二偶极子12的第三辐射臂121和第四辐射臂122的下方。在该实施例中，第一传输线31和第二传输线32采用曲折的布线方式，可以节省第一传输线31和第二传输线32在支撑架7的竖直方向上的布线长度，使得辐射单元100的结构更加紧凑，有利于实现辐射单元100的小型化设计；而且，通过将第一传输线31与第二传输线32交叉放置的方法，可以减小电磁互耦。在具体实施中，可以调节微带线的走线、长度及曲折方式，来调节第一传输线31和第二传输线32的阻抗，以调节辐射元件1和馈电端口的匹配情况，从而实现辐射单元100在整个宽频带宽内的匹配。

更具体的，支撑架7包括四个十字形设置的支撑板(以下，为了方便描述，将四个支撑板分别称为第一支撑板721、第二支撑板722、第三支撑板723及第四支撑板724)，位于同一直线上的第一支撑板721和第二支撑板722在竖直方向上分别正对第一偶极子11的第一辐射臂111和第二辐射臂112，位于同一直线上的第三支撑板723和第四支撑板724在竖直方向上分别正对第二偶极子12的第三辐射臂121和第四辐射臂122。其中，第二支撑板722和第三支撑板723的上部分别开设有一穿孔725，第一传输线31的第一臂设置在第一支撑板721上，第二臂312设置在第二支撑板722上，第一臂在第一支撑板721上的高度与第二臂312在第二支撑板722上的高度不同，第一臂和第二臂312通过穿孔725电连接；第二传输线32的第三臂321设置在第三支撑板723上，第四臂322设置在第四支撑板724上，第三臂321在第三支撑板723上的高度与第四臂322在第四支撑板724上的高度不同，第三臂321和第四臂322通过穿孔725电连接。更具体的，支撑架7的第三支撑板723和第四支撑板724之一者及第一支撑板721和第二支撑板722之一者还涂覆有金属涂层73作为接地板。

作为优选实施例，四个支撑板的上部分别形成有一凸起71，每一凸起71对应穿过一辐射臂并与该辐射臂焊锡连接。具体而言，第一支撑板721、第二支撑板722、第三支撑板723及第四支撑板724上部的凸起71分别对应穿过第一辐射臂111、第二辐射臂112、第三辐射臂121及第四辐射臂122，以借此来实现支撑架7和介质基板6的稳定固定。

请参阅图5至图8，图5为一实施例的辐射单元100设置在具有金属介质板210和两个金属挡板220的反射器200的反射面时的方向图；其中，17a和17b分别是辐射单元100在工作频率为1.4GHz和2.7GHz时的主极化方向图，17c和17d分别是辐射单元100在工作频率为1.4GHz和2.7GHz时的交叉极化方向图，由图5可以得知，本发明的辐射单元100在工作频率为1.4GHz时，在主辐射方向上，主极化电平要比交叉极化电平大20dB以上，在工作频率为2.7GHz时，主极化电平要比交叉极化电平大40dB以上，辐射单元100的交叉极化比高，交叉极化性能优异。图6是一实施例的辐射单元100在辐射方向上的增益曲线图；其中，18a和18b分别是辐射单元100在工作频率为1.4GHz和2.7GHz时的增益。图7是一实施例的辐射单元100的增益在整个工作频段内的曲线图。其中，19a是极化方向为+45°的增益曲线，19b是极化方向为-45°的增益曲线，由图6和图7可知，辐射单元100在工作频段内均具有较高的增益。图8为一实施例的辐射单元100的驻波比在整个工作频段内(1.4GHz-2.7GHz)的曲线图，在1.9GHz-2.7GHz频段，驻波比在1.1-1.3之间，尤其是2.3GHz-2.7GHz频段，驻波比接近1.1，天线阻抗匹配较好。

与现有技术相比，本发明的超宽带双极化辐射单元100的辐射元件1的外周环设有金属环2，通过金属环2改变了电流在第一偶极子11和第二偶极子12上的分布，改善了辐射单元100的驻波比和方向图，从而增大了辐射单元100的带宽和增益，实现辐射单元100的超宽带设计；而且，第一偶极子11和第二偶极子12交叉设置，可以有效避免天线的各个辐射单元100之间的电磁互耦的影响，增大了辐射单元100之间的隔离度；另外，辐射元件1绕其中心位置呈90度旋转对称设置，结构紧凑，有利于实现辐射单元100的小型化设计，进一步的，该方式还可以避免在天线在批量化生产组装过程中发生错位的问题，提高了批量化生产的效率；同时，辐射元件1的该设计方式也确保了第一偶极子11和第二偶极子12的极化方向相互垂直，从而可以有效控制辐射单元100在±45°方向的波瓣宽度和方向图。此外，本发明的辐射单元为微带贴片形式，在兼顾超宽带、高增益的同时，还具有低剖面的特点。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种超宽带双极化辐射单元，其特征在于，包括辐射元件、金属环及馈电元件，所述金属环环设在所述辐射元件的外周，所述辐射元件包括交叉设置的第一偶极子和第二偶极子，所述第一偶极子和第二偶极子分别包括对角设置的两个辐射臂，所述馈电元件包括电隔离的第一传输线和第二传输线，所述第一传输线与所述第一偶极子耦合，所述第二传输线与所述第二偶极子耦合。

2.根据权利要求1所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述辐射元件绕其中心位置呈90度旋转对称。

3.根据权利要求1所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述金属环上蚀刻形成若干耦合线，若干所述耦合线在所述金属环上间隔设置。

4.根据权利要求3所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述金属环为方环，所述金属环包括四个金属臂，四个所述金属臂的中间位置分别形成有一所述耦合线。

5.根据权利要求3所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述耦合线为交指型微带线。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，还包括设置在所述辐射元件的上方的两个引向金属片，两个所述引向金属片上下相对设置。

7.根据权利要求1所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，相邻的两个所述辐射臂之间具有间隙，各个所述辐射臂的邻近所述间隙的一侧的两端分别形成有一缺口。

8.根据权利要求1所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述辐射元件为覆膜形成在介质基板的上表面的金属贴片，所述超宽带双极化辐射单元还包括支撑架，所述第一传输线和第二传输线贴设在所述支撑架上；所述支撑架的上部形成有凸起，所述介质基板上开设有贯穿其上下的贯穿槽，所述凸起向上插入所述贯穿槽。

9.根据权利要求8所述的超宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述支撑架的上部形成有分别穿过所述第一偶极子和第二偶极子的至少两个所述凸起，两个所述凸起的一面涂覆有金属层，两所述凸起的金属层分别与所述第一偶极子和第二偶极子对应电连接。

10.一种超宽带双极化天线，其特征在于，包括反射器和至少两超宽带双极化辐射单元，至少两所述超宽带双极化辐射单元共轴排列或共面排列在所述反射器的反射面侧，所述超宽带双极化辐射单元如权利要求1至9任一项所述。