CN110401019A - 双极化偶极子辐射单元及天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化偶极子辐射单元，包括环形辐射组件，环形辐射组件由间隙隔开的四个辐射臂围设而成，每两个相邻的辐射臂构成一偶极子，每一偶极子的一辐射臂的下方对应连接有巴伦臂，巴伦臂上电连接有馈电线，馈电线还与巴伦臂对应的偶极子的另一辐射臂电连接。本发明相邻的辐射臂两两组成一偶极子，通过共用辐射臂，使得辐射单元的结构更加紧凑，减小了辐射单元的尺寸；而且，辐射臂之间通过间隙隔开，通过调节间隙可以实现对辐射单元的驻波比和方向图的调节，以拓宽天线的相对带宽，实现宽频化的天线设计。另外，本发明还公开了一种双极化偶极子天线。

Description

双极化偶极子辐射单元及天线

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种双极化偶极子辐射单元及具有该双极化偶极子辐射单元的天线。

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，天线也在朝着宽频化、小型化及低成本的方向发展。

由于低频电磁波具有传播距离远、绕射能力强及穿透能力强等特性，工作频率在1GHz以下的频段的天线在通信系统中仍然具有无法替代的作用。低频段的辐射单元几何尺寸大、工作带宽窄，传统的天线往往是通过设计多个辐射单元来实现天线的宽频特性，天线的设计复杂，占用空间大，也降低了天线的可靠性。

贴片天线具有成本低、重量轻、易加工等优点，现有的低频天线往往以贴片的形式居多。但由于贴片天线同时存在带宽窄、装配工序多的问题，故难以保证天线的性能的一致性，天线的生产成本高，而且其往往是通过辐射面的形式来实现偶极子天线，空间利用率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、稳定性好、频带宽的双极化偶极子辐射单元及天线。

为了实现上述目的，本发明的双极化偶极子辐射单元包括环形辐射组件，所述环形辐射组件由间隙隔开的四个辐射臂围设而成，每两个相邻的所述辐射臂构成一偶极子，每一所述偶极子的一辐射臂的下方对应连接有巴伦臂，所述巴伦臂上电连接有馈电线，所述馈电线还与所述巴伦臂对应的偶极子的另一辐射臂电连接。

较佳地，所述馈电线为同轴线，所述馈电线的外导体的上下两端分别与所述巴伦臂电连接，所述馈电线的内导体与所述巴伦臂对应的偶极子的另一辐射臂电连接。

较佳地，所述环形辐射组件绕其中心位置呈90度旋转对称。

较佳地，每一所述辐射臂包括两个断隔设置的臂段，两所述臂段的断开处连接有基板，所述基板上设置有耦合线。

较佳地，所述双极化偶极子辐射单元还包括一水平设置的环形底座，所述环形底座连接在所述巴伦臂的下端，所述巴伦臂自下而上由内向外倾斜设置。

较佳地，所述环形底座上设有至少两高度调节柱，所述高度调节柱活动穿设于所述环形底座以垫高或调低所述环形底座。

较佳地，所述双极化偶极子辐射单元还包括连接在所述环形底座与所述环形辐射组件之间的若干支撑件，每一所述支撑件包括两支撑臂，两所述支撑臂之间具有缝隙，两所述支撑臂之一者与所述偶极子的一辐射臂连接，两所述支撑臂之另一者与所述偶极子的另一辐射臂连接，两所述支撑臂之一者形成有所述巴伦臂。

较佳地，所述支撑件的形成有所述巴伦臂的支撑臂在所述巴伦臂的上方开设有容置缺口，所述支撑件的另一支撑臂朝向形成有所述巴伦臂的支撑臂凸设形成连接凸块，所述连接凸块部分容纳在所述容置缺口，所述馈电线与所述连接凸块电连接。

较佳地，所述双极化偶极子辐射单元还包括绝缘隔离件，每一所述绝缘隔离件上形成有夹设在两相邻的所述辐射臂之间的间隙中的夹设部，所述夹设部于所述间隙中在竖直方向上的位置可调以调节所述间隙。

为了实现上述目的，本发明还提供一种双极化偶极子天线，包括反射器和双极化偶极子辐射单元，所述双极化偶极子辐射单元水平设于所述反射器的反射面侧，所述双极化偶极子辐射单元如上所述。

与现有技术相比，本发明的双极化偶极子辐射单元包括围设成环状的四个辐射臂，相邻的辐射臂两两组成一偶极子，通过共用辐射臂方式，使得辐射单元的结构更加紧凑，从而减小了辐射单元的几何尺寸；而且，相邻的两个辐射臂之间通过间隙隔开，通过调节间隙(宽度、形状)可以实现对辐射单元的驻波比和方向图的调节，以拓宽天线的相对带宽，实现宽频化的天线设计，同时改善了辐射单元的交叉极化；此外，辐射单元为通过巴伦臂支撑辐射臂的形式，减少了辐射单元的占用空间，同时还可以在辐射单元的内部放置其它频段的小型天线，从而可以有效利用空间，有利于实现天线的多频化设计。

附图说明

图1是本发明实施例的双极化偶极子天线的结构示意图。

图2是本发明实施例的双极化偶极子辐射单元的结构示意图。

图3是图2另一角度的结构示意图。

图4是图2的俯视图。

图5是图2的仰视图。

图6是支撑件、绝缘隔离件、馈电线及环形底座的部分结构示意图。

图7是本发明实施例的双极化偶极子辐射单元的方向图。

图8是本发明实施例的双极化偶极子辐射单元的增益曲线图。

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”、“水平”、“竖直”、“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6，本发明实施例公开了一种双极化偶极子天线，其包括反射器200和若干双极化偶极子辐射单元100，其中，反射器200包括一水平设置的金属反射板210和连接在金属反射板210的相对的两侧的金属挡板220，若干双极化偶极子辐射单元100水平设置在反射器200的金属反射板210的反射面侧。其中，双极化偶极子辐射单元100包括环形辐射组件，环形辐射组件由间隙隔开的四个辐射臂围设而成，每两个相邻的辐射臂构成一偶极子；每一偶极子的一辐射臂的下方对应连接有巴伦臂21，巴伦臂21上电连接有馈电线31，馈电线31还与巴伦臂21及与该巴伦臂21对应的偶极子的另一辐射臂电连接。

其中，馈电线31对应固定在巴伦臂21的外侧，但不应以此为限。在该实施例中，是通过四根馈电线31分别给四个偶极子馈电，四根馈电线31连接至功分器(图未示)的输出端，在各个偶极子的馈电点，电流沿各个巴伦臂21馈电到各个偶极子的辐射臂，电流在辐射臂流动，从而实现电磁辐射；同时，通过四个巴伦臂21分别实现四根馈电线31的非平衡结构至四个偶极子的平衡结构的馈电转换。

其中，可以通过调节各个辐射臂的厚度来改善各个偶极子的辐射性能，从而改善辐射单元100的辐射性能；同时，还可以增大双极化偶极子天线的各个辐射单元100之间的隔离度和减小三阶交调。

以下，为了便于描述，四个辐射臂分别称为第一辐射臂11、第二辐射臂12、第三辐射臂13及第四辐射臂14，第一辐射臂11和第二辐射臂12构成第一偶极子，第二辐射臂12和第三辐射臂13构成第二偶极子，第三辐射臂13和第四辐射臂14构成第三偶极子，第四辐射臂14和第一辐射臂11构成第四偶极子。

值得注意的是，在本实施例中，第一辐射臂11的两端的下方各连接有一个巴伦臂21，第二辐射臂12和第四辐射臂14的一端的下方连接有一个巴伦臂21，而第三辐射臂13的下方没有设置巴伦臂21。具体实施中并不限于该方式，也可以在第一辐射臂11、第二辐射臂12、第三辐射臂13及第四辐射臂14的下方分别连接一巴伦臂21，只要在每一偶极子设置一巴伦臂21，馈电线31与对应的巴伦臂21和辐射臂连接以实现偶极子的馈电即可。

请参阅图2，具体的，环形辐射组件绕其中心位置呈90度旋转对称；即是，第一辐射臂11、第二辐射臂12、第三辐射臂13及第四辐射臂14的尺寸相同，且第一辐射臂11和第二辐射臂12、第二辐射臂12和第三辐射臂13、第三辐射臂13和第四辐射臂14及第四辐射臂14和第一辐射臂11互成90度设置。借此，构成极化方向为+45度的第一偶极子和第三偶极子，构成极化方向为-45度的第二偶极子和第四偶极子，实现双极化天线设计。

请参阅图5，具体的，馈电线31为同轴线，馈电线31的外导体的上下两端分别与巴伦臂21电连接，馈电线31的内导体与巴伦臂21对应的偶极子的另一辐射臂电连接。对于第一偶极子而言，馈电线31的内导体与第二辐射臂12电连接；对于第二偶极子而言，馈电线31的内导体与第三辐射臂13电连接；对于第三偶极子而言，馈电线31的内导体与第三辐射臂13电连接；对于第四偶极子而言，馈电线31的内导体与第四辐射臂14电连接。

更具体的，各个巴伦臂21的长度为偶极子辐射频率的四分之一波长；各个馈电线31的外导体分别与其对应的巴伦臂21焊接连接，各个馈电线31的内导体分别与其对应的辐射臂焊接连接。在具体实施中，可以通过调节各个馈电线31的外导体的上端与对应的巴伦臂21的连接点和内导体与辐射臂的连接点来改变偶极子的馈电点到馈电线31的外导体的下端的距离，从而对辐射单元100的阻抗进行调节，以改善辐射单元100的驻波比。

请参阅图3，具体的，第一辐射臂11、第二辐射臂12、第三辐射臂13及第四辐射臂14分别包括两个断隔设置的臂段111和臂段112，臂段111和臂段112的断开处连接有基板15，基板15上设置有耦合线151。通过调节耦合线151的长度、宽度及形状，调节各个辐射臂的阻抗，进而改善辐射单元100的匹配状况。在本实施例中，是通过设置耦合线151的方式实现阻抗调节，在其它实施例中，也可以在两个隔开的臂段111和臂段112之间设置一定宽度的开缝，通过调节开缝的宽度来调节辐射臂的阻抗；甚至可以将臂段111和臂段112部分交错重叠设置。在本实施例中，基板15为PCB板，但不应以此为限。

请参阅继续图3，更具体的，耦合线151为交指型微带线，每一耦合线151包括若干在基板15的上端与基板15的下端间间隔排布的线段。借此，减小耦合线151在基板15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。

在一些实施例中，可以对臂段111和臂段112进行开槽，在不影响辐射单元100的驻波比和辐射方向图的前提下，通过适当的调节臂段111和臂段112上的开槽的大小，减小辐射单元100的重量，从而减小整个天线的重量。在一些实施例中，还可以在臂段111和臂段112上挖孔，以进一步减小辐射单元100的重量。

请参阅图2和图5，具体的，双极化偶极子辐射单元100还包括一水平设置在反射器200上的环形底座4，环形底座4连接在各个巴伦臂21的下端，各个巴伦臂21自下而上由内向外倾斜设置。借此，使得双极化偶极子辐射单元100下端的尺寸小于其上端的尺寸，结构更加紧凑，节省占用空间；而且，使辐射单元100上部的环形辐射组件的部分的几何尺寸较大，下部的环形底座4和支撑件5的几何尺寸较小，使得金属反射板210可以预留出足够的空间放置其他几何尺寸较小的高频辐射单元，有利于实现天线的小型化设计。优选的，各个巴伦臂21与环形底座4呈120度倾斜设置，当然，具体实施中可以根据天线的性能需求调节各个巴伦臂21与环形底座4的角度进，从而实现对辐射单元100的驻波比的调节。

请参阅图2，具体的，环形底座4上设有至少两高度调节柱41，高度调节柱41活动穿设于环形底座4以垫高或调低环形底座4。通过高度调节柱41，调节整个辐射单元100在竖直方向上的尺寸。在本实施例中，环形底座4上等间隔设置设有三个高度调节柱41，通过在环形底座4上开孔的方式将三个高度调节柱41嵌设在环形底座4，但不与以此为限。

请参阅图4至图6，具体的，双极化偶极子辐射单元100还包括连接在环形底座4与环形辐射组件之间的若干支撑件5，每一支撑件5包括两支撑臂51，两支撑臂51之间具有缝隙52，两支撑臂51之一者与偶极子的一辐射臂连接，两支撑臂51之另一者与偶极子的另一辐射臂连接，两支撑臂51之一者形成有巴伦臂21。本发明的一支撑臂51同时作为巴伦臂21，结构简单、紧凑，减少了双极化偶极子辐射单元100的占用空间。

在本实施例中，支撑件5为四个，支撑件5在环形底座4自下而上由内向外倾斜设置，通过调节支撑件5的长度和倾斜角度，可以实现辐射单元100的物理口径和高度调节，进而实现对辐射单元100的方向图和驻波比调节。

请继续参阅图6，具体的，支撑件5的形成有巴伦臂21的支撑臂51在巴伦臂21的上部开设有容置缺口511，支撑件5的另一支撑臂51朝向形成有巴伦臂21的支撑臂51凸设形成连接凸块512，连接凸块512部分容纳在容置缺口511，馈电线31与连接凸块512电连接。通过连接凸块512与容置缺口511的配合，便于实现馈电线31与偶极子的辐射臂的电连接，结构简单。在本实施例中，各个馈电线31与连接凸块512焊接连接，但不应以此为限。

请参阅图2，具体的，双极化偶极子辐射单元100还包括绝缘隔离件6，每一绝缘隔离上形成有夹设在两相邻的辐射臂之间的间隙16中的夹设部61，夹设部61于间隙16中在竖直方向上的位置可调以调节间隙16(包括间隙16的尺寸、形状等)。

具体而言，当夹设部61位于间隙16中时，将撑开两辐射臂的与其接触的部位而使两辐射臂的该部位相互远离，而两辐射臂的远离接触部位的其他部位将相互靠近，从而改变间隙16的形状和尺寸。通过改变绝缘隔离件6的尺寸、材质(改变绝缘隔离件6的介电常数)以及其夹设部61在间隙16中的位置，可以实现对辐射单元100的驻波比及方向图的调节，从而实现对天线的性能调节。

请参阅图2，具体的，每一辐射臂的两端分别向上凸设形成凸起部17；通过调节凸起部17的凸出的高度和宽度，改变辐射单元100的总高度，从而调节辐射单元100的性能。

请继续参阅图2，具体的，环形底座4、支撑件5及环形辐射组件为一体成型，各个辐射臂、支撑件5，环形底座4之间无焊接工序，辐射单元100的结构稳定性好，且辐射单元100的制作工艺简单，生产效率高，降低了辐射单元100的生产成本，同时该方式还可以减小加工和操作误差，辐射单元100的性能更加稳定；而将双极化偶极子辐射单元100设置成镂空结构，节省材料，进一步降低了辐射单元100的成本；此外，双极化偶极子辐射单元100为中空结构，还可以在辐射单元100的中间位置放置比较高频段的小尺寸天线。

请参阅图7和图8，图7为一实施例的辐射单元100设置在具有金属介质板210和金属挡板220的反射器200的反射面时的方向图；其中，50a、50b、50c分别是辐射单元100在工作频率为0.690GHz、0.825GHz、0.960GHz时的主极化方向图，50d、50e、50f分别是辐射单元100在工作频率为0.690GHz、0.825GHz、0.960GHz时的交叉极化方向图，由图7可以得知，本发明的辐射单元100交叉极化性能良好。图8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，51a和51b分别是辐射单元100在工作频段(0.70GHz-0.95GHz)内的增益曲线图。其中，51a是极化方向为+45°的增益曲线，51b是极化方向为-45°的增益曲线。

与现有技术相比，本发明的双极化偶极子辐射单元100包括围设成环状的四个辐射臂，相邻的辐射臂两两组成一偶极子，通过共用辐射臂方式，使得辐射单元100的结构更加紧凑，从而减小了辐射单元的几何尺寸；而且，相邻的两个辐射臂之间通过间隙16隔开，通过调节间隙16(宽度、形状)可以实现对辐射单元100的驻波比和方向图的调节，以拓宽天线的相对带宽，实现宽频化的天线设计，同时改善了辐射单元100的交叉极化；此外，辐射单元100为通过巴伦臂21支撑辐射臂的形式，减少了辐射单元100的占用空间，同时还可以在辐射单元100的内部放置其它频段的小型天线，从而可以有效利用空间，有利于实现天线的多频化设计。

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)

1.一种双极化偶极子辐射单元，其特征在于，包括环形辐射组件，所述环形辐射组件由间隙隔开的四个辐射臂围设而成，每两个相邻的所述辐射臂构成一偶极子，每一所述偶极子的一辐射臂的下方对应连接有巴伦臂，所述巴伦臂上电连接有馈电线，所述馈电线还与所述巴伦臂对应的偶极子的另一辐射臂电连接。

2.根据权利要求1所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，所述馈电线为同轴线，所述馈电线的外导体的上下两端分别与所述巴伦臂电连接，所述馈电线的内导体与所述巴伦臂对应的偶极子的另一辐射臂电连接。

3.根据权利要求1所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，所述环形辐射组件绕其中心位置呈90度旋转对称。

4.根据权利要求1所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，每一所述辐射臂包括两个断隔设置的臂段，两所述臂段的断开处连接有基板，所述基板上设置有耦合线。

5.根据权利要求1所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，还包括一水平设置的环形底座，所述环形底座连接在所述巴伦臂的下端，所述巴伦臂自下而上由内向外倾斜设置。

6.根据权利要求5所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，所述环形底座上设有至少两高度调节柱，所述高度调节柱活动穿设于所述环形底座以垫高或调低所述环形底座。

7.根据权利要求5所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，还包括连接在所述环形底座与所述环形辐射组件之间的若干支撑件，每一所述支撑件包括两支撑臂，两所述支撑臂之间具有缝隙，两所述支撑臂之一者与所述偶极子的一辐射臂连接，两所述支撑臂之另一者与所述偶极子的另一辐射臂连接，两所述支撑臂之一者形成有所述巴伦臂。

8.根据权利要求7所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，所述支撑件的形成有所述巴伦臂的支撑臂在所述巴伦臂的上方开设有容置缺口，所述支撑件的另一支撑臂朝向形成有所述巴伦臂的支撑臂凸设形成连接凸块，所述连接凸块部分容纳在所述容置缺口，所述馈电线与所述连接凸块电连接。

9.根据权利要求7所述的双极化偶极子辐射单元，其特征在于，还包括绝缘隔离件，每一所述绝缘隔离件上形成有夹设在两相邻的所述辐射臂之间的间隙中的夹设部，所述夹设部于所述间隙中在竖直方向上的位置可调以调节所述间隙。

10.一种双极化偶极子天线，其特征在于，包括反射器和双极化偶极子辐射单元，所述双极化偶极子辐射单元水平设于所述反射器的反射面侧，所述双极化偶极子辐射单元如权利要求1至9任一项所述。