CN114498003B - 一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线 - Google Patents

一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，属于移动通信基站天线技术领域。本发明所述天线包括两对电偶极子、两对磁偶极子、馈电结构、金属柱和金属反射板；电偶极子包括两个水平金属贴片和四个垂直金属贴片；磁偶极子为矩形金属贴片，与金属反射板之间的夹角为60°；馈电结构包括一对正交放置的Γ型馈电结构和两个SMA接头，Γ型馈电结构分为依次连接的四部分；金属柱位于金属反射板和垂直金属贴片之间。本发明所述天线在保持低剖面同时，通过寄生结构的耦合作用，增大了±60°扇区内的交叉极化比，稳定了半功率波束宽度；引入向下弯折的垂直金属贴片和金属柱结构，只需进行简单的参数优化即可实现频段内良好的阻抗匹配。

Description

一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线
技术领域
本发明属于移动通信基站天线技术领域，具体涉及一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线。
背景技术
移动通信系统中的构成要素之一便是基站天线，新通信时代下的高要求均离不开基站天线的优化创新，所以基站天线也一直在更迭升级，以适应日益提高的通信需求。降低±60°扇区内的交叉极化是基站天线的基本需求。
现有技术“A broadband dual-polarized magneto-electric dipole antennawith simple feeds,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.8,2009”公开了一种±45°极化的磁电偶极子，具有宽带特性和很高的端口隔离，但剖面较高。
现有技术“A Plus/Minus 45Degree Dual-Polarized Base-Station AntennaWith Enhanced Cross-Polarization Discrimination via Addition of FourParasitic Elements Placed in a Square Contour,IEEE Transactions on Antennasand Propagation,vol.64,no.4,Apr.2016”中把±45°极化分量分解为垂直的θ分量和水平的
Figure BDA0003531965250000011
分量，并通过在距离天线中心点半波长的四周加入寄生条带，和原交叉偶极子天线进行耦合，使
Figure BDA0003531965250000012
分量的波束宽度变窄，与θ分量的波束宽度不断接近来改善交叉极化，文中给出了分析方法，实现了较好效果，但不足是天线单元具有一个波长的较大空间。
发明名称为“改善交叉极化比的差分宽频带双极化基站天线(CN105356053A，2016，2016.02.24)”的专利申请，所述方案采用方形贴片的交叉偶极子作为基本辐射单元，反射板外边缘向上翻起形成一个方形环状挡板，又在外边缘挡板向内一定距离处，放置高度降低的另一方形环状挡板，以此来改善交叉极化比并稳定半功率波束宽度，在±60°扇区内交叉极化比大于10dB。这种方式结构简单，但是天线单元体积较大。
发明名称为“一种低交叉极化超宽带低剖面双极化天线(CN112117544A，2020，2020.12.22)”的专利申请，所述方案采用PCB技术，在介质基板上表面印制钻石形环型贴片，在基板下表面的四周边缘处印制矩形金属条带，并采用差分馈电结构，通过优化馈电探针组的大小和位置，实现低交叉极化。本方案天线单元占据体积较小，但是采用差分馈电的方式，理论效果较好，实际馈电的差分性质难以保证，并且没有给出理论分析。
目前，小型化天线是天线发展的重要趋势，工程中要求降低基站天线的剖面高度，在不影响天线小型化的同时，在交叉极化抑制等辐射特性方面也提出了更高要求，因而探索低剖面高性能的小型化天线具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子，在不增加天线单元占用空间的同时，即低剖面，分析天线的远场辐射特性，降低±60°扇区内的交叉极化，保证整个工作频段内稳定的辐射特性。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，包括两对电偶极子、两对磁偶极子2、馈电结构3、金属柱4和金属反射板6。
两对电偶极子的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对电偶极子为两个弯折金属贴片，包括两个水平金属贴片1和四个垂直金属贴片5；两个水平金属贴片1为切角正方形金属贴片，对角线共线，切角相对；两个水平金属贴片1与切角不相邻的两个边向下延伸形成四个垂直金属贴片5；
金属反射板6呈正方形，与水平金属贴片1平行并留有间距，两者的边平行；
两对磁偶极子2的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对磁偶极子2为两个矩形金属贴片，矩形金属贴片一端连接水平金属贴片1的切角，另一端连接金属反射板6；矩形金属贴片与金属反射板6之间的夹角为60°；
馈电结构3包括一对正交放置的Γ型馈电结构和两个SMA接头；SMA接头位于金属反射板6的底部，外导体连接金属反射板6，内导体穿过金属反射板6向上延伸；Γ型馈电结构分为依次连接的四部分，第一部分为与SMA接头内导体连接的矩形金属贴片，与金属反射板平行；第二部分为平行于邻近磁偶极子的梯形金属贴片；第三部分为与金属反射板平行的矩形金属贴片；第四部分为与邻近磁偶极子平行的矩形金属贴片，作为馈电结构的开路端；第二部分和第四部分与邻近磁偶极子之间的距离相等；两个Γ型馈电结构的第三部分之间留有间距；
金属柱4与金属反射板6垂直连接，位于垂直金属贴片5的正下方并留有间距。
进一步的，金属柱4共计8组，每组3个，在八个垂直金属贴片5的正下方均匀分布。
进一步的，磁偶极子宽度等于水平金属贴片切角的长度，由厚度0.3mm的铜板制成。
进一步的，Γ型馈电结构由厚度0.3mm的铜板制成，第一部分长4.4mm，宽3.5mm；第二部分底部宽3.5mm，顶部宽1.5mm；第三部分宽1.5mm；第四部分宽1.5mm，末端距离金属反射板的垂直高度为3mm；第二部分与邻近磁偶极子之间的距离为1.1mm，第四部分与邻近磁偶极子之间的距离为1mm。
进一步的，两个Γ型馈电结构的第三部分之间的间距为1.5mm。
本发明的有益效果是：
本发明所述低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，通过分析天线的远场辐射特性，在保持低剖面同时，通过寄生结构的耦合作用，在水平面和垂直面，增大了±60°扇区内的交叉极化比，稳定了半功率波束宽度。
本发明所述天线引入向下弯折的垂直金属贴片和金属柱结构，或是改变其参数，对于天线的阻抗匹配影响较小，只需进行简单的参数优化即可实现频段内良好的阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明所述天线的结构示意图，其中，(a)整体结构示意图，(b)俯视图，(c)侧视图；
图2为本发明所述天线分解出的单极化天线结构示意图，其中，(a)整体结构示意图，(b)侧视图；
图3为本发明所述天线中亏点结构的结构示意图，其中，(a)整体结构示意图，(b)侧视图；
图4为本发明所述天线的输入端口反射系数曲线图；
图5为本发明所述天线在3.3GHz频点处的方向图；
图6为本发明所述天线在3.8GHz频点处的方向图；
图7为本发明所述天线在4.2GHz频点处的方向图；
图8为本发明所述天线在3.8GHz频点处的Eθ和
Figure BDA0003531965250000031
分量方向图，其中，(a)未引入垂直金属贴片和金属柱，(b)引入垂直金属贴片和金属柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其整体结构示意图、俯视图和侧视图分别如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，包括两对电偶极子、两对磁偶极子2、馈电结构3、金属柱4和金属反射板6。
本实施例所述天线分解出的单极化天线的整体结构示意图和侧视图如图2(a)和2(b)所示。
两对电偶极子的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对电偶极子为两个弯折金属贴片，包括两个水平金属贴片1和四个垂直金属贴片5；两个水平金属贴片1为切角正方形金属贴片，对角线共线，切角相对；两个水平金属贴片1与切角不相邻的两个边向下延伸形成四个垂直金属贴片5。水平金属贴片1边长16.9mm，切角长度6mm，一对电偶极子之间间距1.6mm。
金属反射板6呈正方形，与水平金属贴片1平行并留有间距，两者的边平行。
两对磁偶极子2的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对磁偶极子2为两个矩形金属贴片，矩形金属贴片一端连接水平金属贴片1的切角，另一端连接金属反射板6；矩形金属贴片与金属反射板6之间的夹角为60°。磁偶极子宽度等于水平金属贴片切角的长度，磁偶极子2宽6mm，高12mm，由厚度0.3mm的铜板制成。
磁偶极子60°角倾斜放置，同一极化的一对磁偶极子以及它们之间的金属反射板组成一个等边三角形结构，其上电流路径约为谐振频率对应的半波长，这种结构实现了低剖面。
馈电结构3的整体结构示意图和侧视图分别如图3(a)和3(b)所示，包括一对正交放置的Γ型馈电结构和两个SMA接头；SMA接头位于金属反射板6的底部，外导体连接金属反射板6，内导体穿过金属反射板6向上延伸2mm；反射板6在下方的两个SMA接头处分别有一个直径4.1mm的开孔(SMA接头内导体直径1.27mm，外导体直径4.1mm，中间介质的介电常数为2)，SMA接头外导体连接反射板，内导体穿过开孔连接Γ型馈电结构，为天线耦合馈电。
Γ型馈电结构由厚度0.3mm的铜板制成，分为依次连接的四部分，第一部分为与SMA接头内导体连接的矩形金属贴片，与金属反射板平行，长4.4mm，宽3.5mm；第二部分为平行于邻近磁偶极子的梯形金属贴片，底部宽3.5mm，顶部宽1.5mm；第三部分为与金属反射板平行的矩形金属贴片，宽1.5mm；第四部分为与邻近磁偶极子平行的矩形金属贴片，作为馈电结构的开路端，宽1.5mm，末端距离金属反射板的垂直高度为3mm；第二部分与邻近磁偶极子之间的距离为1.1mm，第四部分与邻近磁偶极子之间的距离为1mm。两个Γ型馈电结构的第三部分之间留有间距，为1.5mm；+45°极化馈电结构高10mm(与天线等高)，-45°极化馈电结构高8.5mm。
馈电结构的第二部分和第四部分都保持与邻近磁偶极子平行等间距，这两部分和邻近磁偶极子组成类似空气微带线的传输结构，二者间距参数对阻抗匹配至关重要；且馈电结构第二部分为渐变结构，增加优化阻抗匹配的可调参数。±45°双极化的两个馈电结构，第三部分有一定高度差，避免相接触，保证端口隔离度。
金属柱4与金属反射板6垂直连接，位于垂直金属贴片5的正下方并留有间距，选材为铝；金属柱4共计8组，每组3个，在八个垂直金属贴片5的正下方均匀分布。
本实施例所述天线的输入端口反射系数曲线图如图4所示。在n77频段(3.3GHz-4.2GHz)内，|S11|大于14dB，|S21|大于30dB，阻抗匹配良好，端口隔离度高。
本实施例所述天线在3.3GHz、3.8GHz和4.2GHz频点处的方向图分别如图5、图6和图7所示，可以看到，整个频段内，辐射特性稳定，水平面和垂直面方向图接近一致，法向增益在9.14dBi-9.43dBi内，半功率波束宽度在65°-67°之间。3.3GHz频点处±60°扇区内交叉极化比大于13dB，3.8GHz频点处大于17dB，4.2GHz频点处大于26dB，通过调整向下弯折金属贴片以及金属柱的高度可以进一步改善交叉极化比，调整半功率波束宽度。
本发明所述天线在3.8GHz频点处的Eθ和
Figure BDA0003531965250000051
分量方向图如图8所示，其中(a)未引入垂直金属贴片和金属柱，(b)引入垂直金属贴片和金属柱。
金属柱和向下弯折的金属贴片上由于耦合会产生垂直方向的电流，±45°极化分量可以被分解为垂直的θ分量Eθ和水平的
Figure BDA0003531965250000052
分量
Figure BDA0003531965250000053
±45°极化的主极化和交叉极化由θ分量和
Figure BDA0003531965250000054
分量表示如下：
Figure BDA0003531965250000055
Figure BDA0003531965250000056
可见，Eθ和
Figure BDA0003531965250000057
在±60°扇区内越接近，交叉极化越小。在天线未引入垂直矩形金属贴片及其下的金属柱结构时，Eθ在±60°扇区内明显小于
Figure BDA0003531965250000058
因此通过引入的垂直方向电流来增大Eθ，通过控制金属柱和垂直矩形金属贴片的高度，控制耦合的垂直方向的电流强度，使Eθ和
Figure BDA0003531965250000059
分量接近，最终明显改善交叉极性能，波束宽度也会因此提升。
对于耦合的垂直方向的电流强度，金属柱的影响大于向下弯折的垂直金属贴片。金属柱间存在间隙，经过反射板反射的电磁波可以更好地沿法向方向反射出去，且其柱体结构有助于增强表面电流，因此更助于提升Eθ分量的波束宽度，达到期望效果。
在3.8GHz频点处，改进前后，±60°扇区内的交叉极化比改善了6dB。在各频点处，Eθ分量的变化程度对于弯折金属贴片和金属柱，这两个结构参数改变的敏感度不同，通过参数调节，可以更进一步提升天线在整个频段内的交叉极化比。
本实施例所述天线剖面高度12.3mm(对应中心频率处0.153λ)，实现低剖面结构。
本实施例所述天线基于电磁偶极子天线的互补工作原理，由中心切角的正方形金属贴片构成电偶极子，由与反射板成60°角倾斜的矩形金属贴片构成磁偶极子，磁偶极子的倾斜在维持半波谐振的前提下降低了剖面高度。使用弯折的型馈电结构馈电，为实现良好的阻抗匹配，和邻近磁偶极子保持平行等间距。电偶极子外侧向下弯折，并在其下方装配等间距的金属柱，经过耦合，在这两个结构上产生垂直方向的电流，改善天线的交叉极化特性以及半功率波束宽度。本发明的低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线结构简单，具有低剖面特性，并且在维持小型化的同时，改善了辐射特性。

Claims (5)

1.一种低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，包括两对电偶极子、两对磁偶极子(2)、馈电结构(3)、金属柱(4)和金属反射板(6)；
两对电偶极子的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对电偶极子为两个弯折金属贴片，包括两个水平金属贴片(1)和四个垂直金属贴片(5)；两个水平金属贴片(1)为切角正方形金属贴片，对角线共线，切角相对；两个水平金属贴片(1)与切角不相邻的两个边向下延伸形成四个垂直金属贴片(5)；
金属反射板(6)呈正方形，与水平金属贴片(1)平行并留有间距，两者的边平行；
两对磁偶极子(2)的结构相同，呈90°中心旋转对称；一对磁偶极子(2)为两个矩形金属贴片，矩形金属贴片一端连接水平金属贴片(1)的切角，另一端连接金属反射板(6)；矩形金属贴片与金属反射板(6)之间的夹角为60°；
馈电结构(3)包括一对正交放置的Γ型馈电结构和两个SMA接头；SMA接头位于金属反射板(6)的底部，外导体连接金属反射板(6)，内导体穿过金属反射板(6)向上延伸；Γ型馈电结构分为依次连接的四部分，第一部分为与SMA接头内导体连接的矩形金属贴片，与金属反射板平行；第二部分为平行于邻近磁偶极子的梯形金属贴片；第三部分为与金属反射板平行的矩形金属贴片；第四部分为与邻近磁偶极子平行的矩形金属贴片，作为馈电结构的开路端；第二部分和第四部分与邻近磁偶极子之间的距离相等；两个Γ型馈电结构的第三部分之间留有间距；
金属柱(4)与金属反射板(6)垂直连接，位于垂直金属贴片(5)的正下方并留有间距。
2.根据权利要求1所述的低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，金属柱(4)共计8组，每组3个，在八个垂直金属贴片(5)的正下方均匀分布。
3.根据权利要求1所述的低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，磁偶极子宽度等于水平金属贴片切角的长度，由厚度0.3mm的铜板制成。
4.根据权利要求1所述的低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，Γ型馈电结构由厚度0.3mm的铜板制成，第一部分长4.4mm，宽3.5mm；第二部分底部宽3.5mm，顶部宽1.5mm；第三部分宽1.5mm；第四部分宽1.5mm，末端距离金属反射板的垂直高度为3mm；第二部分与邻近磁偶极子之间的距离为1.1mm，第四部分与邻近磁偶极子之间的距离为1mm。
5.根据权利要求1所述的低剖面低交叉极化的双极化电磁偶极子天线，其特征在于，两个Γ型馈电结构的第三部分之间的间距为1.5mm。
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