CN110808450A - 双极化天线及其辐射单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极化天线及其辐射单元,其中，所述辐射单元用于辐射低频信号，其包括对应工作于两个相互垂直的极化方向上的两对辐射器，每个辐射器包括馈电臂和由馈电臂顶端折弯形成的辐射臂，其中一对辐射器的辐射臂沿垂直极化方向延伸，另一对辐射器的辐射臂沿水平极化方向延伸，馈电臂与极化合成网络连接，并在极化合成网络作用下使每对辐射器两个辐射臂之间的信号相位互为反相，与另外两个辐射臂之间的信号相位一一对应为同相。辐射单元的辐射臂沿垂直和水平极化方向延伸，减少其辐射臂与高频辐射单元的重合面积，减少高低频辐射单元之间的互耦，辐射臂上可矢量合成沿±45°极化方向的电流，以使本发明具备±45°极化天线的辐射特性。

Description

双极化天线及其辐射单元

技术领域

本发明涉及移动通信天线领域，尤其涉及一种双极化天线及其辐射单元。

背景技术

无线技术发展、新通信频谱的引入导致运营商需要部署更多的天线设备，而铁塔资源、民众感知等都限制运营商布置多根天线的可能性。因此如何将多根天线集成到一根成为近年天线开发者的研究热点。众所周知，低频天线尺寸往往决定了整个天线的尺寸，如何在更小的尺寸、更简洁的设计下满足运营商提出的指标要求成为设计难点。

基站天线多采用线极化方式，其中双极化天线一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化的方式。但是传统的±45°极化天线的辐射臂沿±45°极化方向延伸，且在与高频阵列进行平面阵列组阵时，传统的±45°振子的辐射臂将会延伸至高频振子的上方，则导致低频辐射单元的放置位置和馈电方式会对旁边的高频辐射单元产生显著影响。

发明内容

本发明的首要目的旨在提供一种结构简单、且在其与高频阵列进行平面阵列组阵时对高频阵列的空间遮挡最小的辐射单元。

本发明的另一目的旨在提供一种包括上述辐射单元的双极化天线。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

作为第一方面，本发明设置一种辐射单元，用于辐射低频信号，其包括对应工作于两个相互垂直的极化方向上的两对辐射器，每个所述辐射器包括馈电臂和由馈电臂顶端折弯形成的辐射臂，其中一对辐射器的辐射臂沿该辐射单元的垂直极化方向延伸，另一对辐射器的辐射臂沿该辐射单元的水平极化方向延伸，所述馈电臂用于与极化合成网络连接，并且能够在极化合成网络作用下使每对辐射器两个辐射臂之间的信号相位互为反相，与另外两个辐射臂之间的信号相位一一对应为同相。

进一步设置：所述馈电臂与所述辐射臂垂直以呈L形设置，且所述馈电臂与所述辐射臂为一体成型结构或为分体组合结构。

进一步设置：所述辐射器可为钣金折弯件、压铸成型件、PCB与钣金件的组合件或者PCB与压铸件的组合件。

进一步设置：所述辐射臂沿其长度方向设有多个辐射段，且所述多个辐射段的的宽度相同或不同，所述多个辐射段的厚度相同或不同。

进一步设置：所述馈电臂的侧边设有耦合片。

进一步设置：所述馈电臂的两侧均设有耦合片，且两侧的耦合片垂直设置，所述馈电臂其中一侧的耦合片沿﹢45°极化方向延伸，另一侧耦合片沿﹣45°极化方向延伸。

进一步设置：四个所述辐射器上方设有与四个辐射器均电连接设有寄生贴片。

作为第二方面，本发明还涉及一种双极化天线，包括馈电网络、如上所述的辐射单元及连接所述馈电网络与所述辐射单元的极化合成网络，所述极化合成网络设有两个与馈电网络连接的输入端口及四个分别与辐射单元的两对辐射器一一对应连接的输出端口，所述极化合成网络对应一对辐射器的两个输出端口的信号相位互为反相，与另外两个输出端口之间的信号相位一一对应为同相，以使相邻辐射臂之间可矢量合成沿±45°极化方向的等效电流。

进一步设置：所述极化合成网络包括电桥、第一功分器、第二功分器、相位移相器、第一反相器及第二反相器；

所述电桥包括两个输入端和两个输出端，两个所述输入端作为所述极化合成网络的输入端口，两个所述输出端的相位差为90°；

所述电桥的两个输出端的其中之一与第一功分器连接，所述第一功分器具有两个输出端，其中一个输出端作为所述极化合成网络的第一输出端口，另一个输出端与第一反相器连接，所述第一反相器的输出端作为所述极化合成网络的第三输出端口；

所述电桥的另一个输出端与相位移相器连接，所述相位移相器的输出端与第二功分器连接，所述第二功分器具有两个输出端，其中一个输出端作为所述极化合成网络的第四输出端口，另一个输出端与第二反相器连接，所述第二反相器的输出端作为所述极化合成网络的第二输出端口。

进一步设置：所述双极化天线还包括用于辐射高频信号的高频辐射单元，所述高频辐射单元设于相邻辐射臂围合的区域内，且所述辐射臂设于相邻两个高频辐射单元之间的间隙内。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

1.在本发明的辐射单元中，其采用L形结构的辐射器，L形辐射器的水平部分作为该辐射单元的辐射臂，其竖直部分作为该辐射单元的馈电臂，无需另设巴伦支撑结构，也不需要设置额外的馈电片进行馈电，部件较少，结构简单，便于组装。

2.在本发明的双极化天线中，用于辐射低频信号的辐射单元(即低频辐射单元)的辐射臂沿垂直和水平极化方向延伸，并且通过与极化合成网络连接，使得每对辐射器的两个辐射臂之间的信号互为反相，与另一对辐射器的两个辐射臂之间的信号相位一一对应为同相，从而可在沿垂直与水平极化方向设置的辐射臂上矢量合成沿±45°极化的等效电流，使得该辐射单元的辐射臂无需沿±45°极化方向延伸，从而可避免其辐射臂延伸至高频辐射单元的上方，且该辐射单元的辐射臂恰好位于相邻两个高频辐射单元的间隙中，减少辐射臂对高频辐射单元的遮挡，减少高低频单元之间的互耦，从而最大程度降低低频辐射单元与高频辐射单元之间的信号干扰。

3.在本发明的双极化天线中，采用一个二进四出的极化合成网络来改变四个辐射器中电流信号的相位，从而可使垂直和水平极化方向上的辐射器合成出±45°斜极化的电磁波，并且辐射器的辐射臂沿垂直与水平极化方向设置，辐射臂无需沿±45°极化方向延伸至高频辐射单元的上方，使得辐射臂恰好位于相邻两个高频辐射单元之间的间隙中，可减少辐射臂对高频辐射单元的遮挡，从而可减少高低频单元之间互耦现象，同时该双极化天线还具有±45°斜极化辐射的效果，具有良好的分集接收效果，使得天线可同时工作在收发双工模式下，有利于节省单个定向基站的天线数量，有利于实现天线的小型化。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明中辐射单元的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明中辐射单元与极化合成网络及馈电网络连接的立体结构示意图；

图3为本发明中辐射单元与极化合成网络及馈电网络连接的俯视图；

图4为本发明中双极化天线的一个实施例的结构示意图；

图5为本发明中双极化天线的一个实施例的俯视图；

图6为本发明中极化合成网络的电气连接关系图；

图7为本发明中极化合成网络的输入端A输入时，低频辐射单元的电流分布示意图；

图8为本发明中极化合成网络的输入端B输入时，低频辐射单元的电流分布示意图。

图中，1、低频辐射单元；11、馈电臂；12、辐射臂；13、耦合片；14、寄生贴片；2、高频辐射单元；3、馈电网络；4、极化合成网络；41、电桥；411、输入端A；412、输入端B；42、相位移相器；43、第一功分器；44、第二功分器；45、第一反相器；46、第二反相器；401、第一输出端口；402、第二输出端口；403、第三输出端口；404、第四输出端口；1000、双极化天线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明涉及一种双极化天线，请参见图1至图6，其由用于辐射低频信号的辐射单元(即低频辐射单元1)和高频辐射单元2进行平面阵列组阵而成，本发明中的低频辐射单元1结构简单、设计轻便，可大幅减小其与高频辐射单元2在空间投影上的重合面积，可减少高低频辐射单元之间的互耦，从而确保该双极化天线1000的辐射特性。

所述双极化天线1000包括低频辐射单元1和高频辐射单元2、与高频辐射单元2和低频辐射单元1连接的馈电网络3及设于馈电网络3与低频辐射单元1之间的极化合成网络4。

其中，请结合图1至图3，所述低频辐射单元1包括两对辐射器(图中未标示，下同)，两对所述辐射器对应工作于两个相互垂直的极化方向设置，并且每对辐射器均包括两个辐射器，每个所述辐射器包括馈电臂11和辐射臂12，所述馈电臂11的底部与极化合成网络4连接，所述辐射臂12可由馈电臂11的顶端折弯形成。

两对所述辐射器的其中一对的辐射臂12沿该低频辐射单元1的垂直极化方向延伸，另一对辐射器的辐射臂12沿该低频辐射单元1的水平极化方向延伸，由于所述馈电臂11的底部与极化合成网络4连接，从而可使两对辐射器在所述极化合成网络4的作用下，每对辐射器的两个馈电臂11之间的信号相位互为反相，并且与另外一对辐射器的两个辐射臂12之间的信号相位一一对应为同相，使得相邻辐射臂12之间可矢量合成沿±45°极化方向的等效电流，使得天线可同时工作在收发双工模式下，有利于节省单个定向基站的天线数量，并且±45°极化为正交极化，对比于垂直水平极化具有更好的分集接收效果。

进一步的，所述辐射器的馈电臂11与辐射臂12垂直以呈L形设置，L形辐射器的垂直部分作为馈电臂11，其水平部分作为辐射臂12，且辐射臂12的长度为该低频辐射单元1工作频段的四分之一。

更进一步的，所述馈电臂11与所述辐射臂12之间可为一体成型结构或为分体组合结构，一般可采用钣金折弯、压铸成型、PCB与钣金组合或压铸件组合等方式形成。

作为进一步优选的是，请结合图3，每个所述辐射臂12沿其长度方向设有多个辐射段(图中未标示，下同)，并且多个辐射段的宽度可相同或不同，多个辐射段的厚度可相同或不同。一般来说，不同宽度和厚度的辐射段在相应的频段内的电抗特性不同，较宽的辐射段通常呈现容性，较窄的通常呈现感性，因此可通过调节多个辐射段之间的宽度或厚度以调节该低频辐射单元1的阻抗匹配，从而达到展宽天线阻抗带宽的目的。

进一步的，每个所述辐射器的馈电臂11的侧边还设有耦合片13，所述耦合片13沿±45°极化方向延伸，从而可使相邻辐射器之间通过耦合片13进行耦合，从而利用相邻辐射臂12的耦合作用调节低频辐射单元1的S参数收敛特性，以达到改善阻抗匹配的目的。并且所述耦合片13的形状及大小可根据实际需要的耦合作用的大小进行改变，所述耦合片13的大小不同，相邻辐射臂12之间的耦合作用也不同。

进一步的，四个所述辐射器的顶部还设有高于所述辐射器设置的寄生贴片14，且该寄生贴片14与四个所述辐射器均电连接。四个辐射臂12之间通过寄生贴片14实现耦合连接，利用耦合使辐射臂12表面电流连接，使得寄生贴片14产生了新的谐振点，进一步拓展了阻抗带宽，可有效地改善天线的阻抗匹配，抑制电抗，从而可提高天线的辐射增益。并且通过在四个辐射器的顶部增设寄生贴片14，可减小低频辐射单元1的纵向尺寸，从而可实现天线的低剖面，继而实现天线的小型化。

更进一步的，所述寄生贴片14的形状可根据调节阻抗匹配的需要进行调整，以使所述低频辐射单元1的阻抗匹配达到最优。

本发明中的低频辐射单元1结构简单，并且其在空间的投影面积可大幅减小，从而可减少其对高频辐射单元2在空间结构上的遮挡，以减少高低频单元之间的互耦，从而最大程度降低低频辐射单元1与高频辐射单元2之间的信号干扰。

此外，所述极化合成网络4设于所述低频辐射单元1与馈电网络3之间，从而实现由所述馈电网络3输出至所述低频辐射单元1中的电流信号幅度相等，且输入至每对辐射器的两个辐射臂12之间的信号相位互为反相，与另一对辐射器中的两个辐射臂12之间的信号相位一一对应为同相，从而可使相邻辐射臂12之间可矢量合成沿±45°极化方向的等效电路，使得天线可具有良好的分集接收效果。

具体的，请结合图6，所述极化合成网络4包括与所述馈电网络3输出端连接的电桥41，所述电桥41具有两个输入端和两个输出端，两个所述输入端分别为输入端A411和输入端B412，且两者均与馈电网络3的输出端连接。优选地，本实施例中的电桥41采用90°电桥，使得电桥41的两个输出端所输出信号的幅度相等，但输出相位相差90°。另外，在本实施例中，可将输入端A411的直通输出端口定义为端口1，输入端B412的直通输出端口定义为端口2。

所述电桥41的端口1连接有第一功分器43，所述第一功分器43具有两个输入端，两个所述输入端分别为端口3和端口4，其中，端口3可直接作为极化合成网络4的第一输出端口401，端口4连接有第一反相器45，且该第一反相器45可将端口4输出的信号改变180°的相位，所述第一反相器45的输出端口作为所述极化合成网络4的第三输出端口403。

所述电桥41的端口2连接有相位移相器42，且该相位移相器42为90°相位移相器，可将端口2输出的信号改变其90°的相位，所述相位移相器42的输出端可连接第二功分器44，所述第二功分器44包括两个输出端，两个所述输出端分别为端口5和端口6。其中，端口5可直接作为所述极化合成网络4的第四输出端口404，端口6连接有第二反相器46，且该第二反相器可将端口6输出的信号改变180°的相位，所述第二反相器46的输出端口作为所述极化合成网络4的第二输出端口402。

并且，第一输出端口401、第二输出端口402、第三输出端口403及第四输出端口404呈环状并按逆时针顺序排布，四个所述辐射器的底部分别一一对应与第一输出端口401、第二输出端口402、第三输出端口403及第四输出端口404连接。

当馈电网络3的电流信号由极化合成网络4的输入端A411输入时，所述电桥41的端口1和端口2所输出的信号相位差为90°，随后由端口1输出的电流信号进入第一功分器43，第一功分器43可将流入其中的电流信号等分两路信号并分别通过端口3和端口4输出，端口3输出的电流信号为第一输出端口401输出的电流信号，端口4输出的电流信号经过第一反相器45反相后作为第三输出端口403所输出的电流信号，第一输出端口401与第三输出端口403之间的相位差为180°。

而由端口2输出的电流信号先经过相位移相器42移相，移相后的电流信号进入第二功分器44再等分为两路信号并分别由端口5和端口6输出，端口5输出的电路信号作为第四输出端口404所输出的电流信号，第一输出端口401与第四输出端口404之间的相位差为180°。另外由端口6输出的电流信号需经过第二反相器46反相，反相后的电流信号与第四输出端口404所输出的电流信号的相位差为180°，则第二输出端口402与第一输出端口401所输出电流信号的相位差为0。

综上，第一输出端口401、第二输出端口402、第三输出端口403及第四输出端口404的相对相位分布情况为0°、0°、180°、180°，四个输出端口对应输出至四个辐射器上的电流分布情况如图7所示，即垂直极化方向上的辐射器与水平极化方向上的辐射器上的电流矢量合成出如图7中等效电流方向的等效电路，从而可辐射出﹣45°的极化电磁波。

而当馈电网络3的电流信号由极化合成网络4的输入端B412输入时，原理同上，最后由第一输出端口401、第二输出端口402、第三输出端口403及第四输出端口404的输出的信号的相位分别情况为90°、270°、270°、90°，为了方便理解，可采用相对相位对四个输出端口的输出相位进行表示，将四个输出端口的相位均减少90°，即第一输出端口401、第二输出端口402、第三输出端口403及第四输出端口404的相对相位分布情况为0°、180°、180°、0°，则四个输出端口对应输出至四个辐射器上的电流分布情况可如图8所示，其垂直极化方向上辐射器的电流方向不变，水平极化方向上辐射器上的电流信号与由输入端A输入时的相反，则等效电流方向如图8中箭头所示，从而可辐射出﹢45°极化电磁波。

因此，在本发明的双极化天线1000中，请结合图4和图5，所述低频辐射单元1的辐射臂12沿垂直与水平极化方向延伸，所述高频辐射单元2设于相邻低频辐射单元1的辐射臂12围合而成区域内，所述辐射臂12位于相邻两个高频辐射单元2之间的间隙内，与传统的±45°极化辐射器相比，本发明的低频辐射单元1无需沿±45°极化方向延伸至高频辐射单元的上方，从而使得辐射臂12在空间上对相邻的高频辐射单元2的遮挡最小，从而可减小高低频之间的互耦现象。

另外，采用一个二进四出的极化合成网络4来改变四个辐射器中电流信号的相位，从而可将垂直和水平极化方向上的辐射器合成出±45°斜极化的电磁波，并且辐射器的辐射臂12沿垂直与水平极化方向设置，所述辐射臂12无需沿±45°极化方向延伸至高频辐射单元2的上方，使得所述辐射臂12恰好位于相邻两个高频辐射单元2之间的间隙中，可减少辐射臂12对高频辐射单元2的遮挡，从而可减少高低频单元之间互耦现象的同时，从而可使该双极化天线1000也具有±45°斜极化辐射的效果，具有良好的分集接收效果，使得天线可同时工作在收发双工模式下，有利于节省单个定向基站的天线数量，有利于实现天线的小型化。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种辐射单元，用于辐射低频信号，其包括对应工作于两个相互垂直的极化方向上的两对辐射器，其特征是：每个所述辐射器包括馈电臂和由馈电臂顶端折弯形成的辐射臂，其中一对辐射器的辐射臂沿该辐射单元的垂直极化方向延伸，另一对辐射器的辐射臂沿该辐射单元的水平极化方向延伸，所述馈电臂用于与极化合成网络连接，并且能够在极化合成网络作用下使每对辐射器两个辐射臂之间的信号相位互为反相，与另外两个辐射臂之间的信号相位一一对应为同相。

2.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征是：所述馈电臂与所述辐射臂垂直以呈L形设置，且所述馈电臂与所述辐射臂为一体成型结构或为分体组合结构。

3.根据权利要求2所述的辐射单元，其特征是：所述辐射器可为钣金折弯件、压铸成型件、PCB与钣金件的组合件或者PCB与压铸件的组合件。

4.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征是：所述辐射臂沿其长度方向设有多个辐射段，且所述多个辐射段的的宽度相同或不同，所述多个辐射段的厚度相同或不同。

5.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征是：所述馈电臂的侧边设有耦合片。

6.根据权利要求5所述的辐射单元，其特征是：所述馈电臂的两侧均设有耦合片，且两侧的耦合片相互垂直设置，所述馈电臂其中一侧的耦合片沿﹢45°极化方向延伸，另一侧耦合片沿﹣45°极化方向延伸。

7.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征是：四个所述辐射器上方设有与四个辐射器均电连接设有寄生贴片。

8.一种双极化天线，其特征是：包括馈电网络、如权利要求1-7任一项所述的辐射单元及连接所述馈电网络与所述辐射单元的极化合成网络，所述极化合成网络设有两个与馈电网络连接的输入端口及四个分别与所述辐射单元的两对辐射器一一对应连接的输出端口，所述极化合成网络对应一对辐射器的两个输出端口的信号相位互为反相，与另外两个输出端口之间的信号相位一一对应为同相，以使相邻辐射臂之间可矢量合成沿±45°极化方向的等效电流。

9.根据权利要求8所述的双极化天线，其特征是：所述极化合成网络包括电桥、第一功分器、第二功分器、相位移相器、第一反相器及第二反相器；

所述电桥包括两个输入端和两个输出端，两个所述输入端作为所述极化合成网络的输入端口，两个所述输出端的相位差为90°；

所述电桥的两个输出端的其中之一与第一功分器连接，所述第一功分器具有两个输出端，其中一个输出端作为所述极化合成网络的第一输出端口，另一个输出端与第一反相器连接，所述第一反相器的输出端作为所述极化合成网络的第三输出端口；

所述电桥的另一个输出端与相位移相器连接，所述相位移相器的输出端与第二功分器连接，所述第二功分器具有两个输出端，其中一个输出端作为所述极化合成网络的第四输出端口，另一个输出端与第二反相器连接，所述第二反相器的输出端作为所述极化合成网络的第二输出端口。

10.根据权利要求8所述的双极化天线，其特征是：还包括用于辐射高频信号的高频辐射单元，所述高频辐射单元设于相邻辐射臂围合的区域内，且所述辐射臂设于相邻两个高频辐射单元之间的间隙内。

Images