CN116264354A - 双极化全向室分天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种双极化全向室分天线，包括第一水平极化单元、垂直极化单元和第二水平极化单元，其中第一水平极化单元由设在第一基板上下表面的第一功分器和第一辐射单元组成，第二水平极化单元由设在第二基板两侧的第二功分器和第二辐射单元组成，垂直极化单元为下端具有锥形结构的金属辐射体，且下端设在所述第一基板上。该两个水平极化单元通过合路器进行连接，一个覆盖带宽1.7‑3.8GHz，另一个覆盖4.8‑5.0GHz频段，垂直极化单元可以覆盖1.5‑5.5GHz全频段，使该室分天线具备较宽的带宽，同时还具有高增益和较好的全向性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体的，涉及一种双极化全向室分天线。
背景技术
随着5G的大规模商用，5G天线的应用变得越来越普及。在室内和地下停车场等地上网需要室内分布天线来进行信号传输。现如今，室内分布天线的设计除了5G信号的覆盖外，还要实现频段向下兼容2G/3G/LTE频段，因此，开发能够同时覆盖多个频段的天线具有很好的应用前景。室内分布天线需要向各个方向辐射电磁波，使得每一个信宿都能够接收到良好的信号，因此需要天线具备全向辐射的特性，同时天线的增益也不能太低。
目前，在室内分布天线实现双极化时，通常由垂直极化和水平极化两个全向单元结构组成。一般来说，垂直极化可以利用锥体及其变形结构很好地实现多频宽带特性，但是水平极化方面，如何使水平极化天线同时覆盖多个频段，并保证在每一个频段都具备相应的带宽成为了一个难点。与此同时，在保证水平极化天线覆盖多个频段的基础上，如何使得天线在实现良好的全向辐射性能的同时，得到更高的全向增益也成为一个难点。另外双极化天线的焊接、固定等也是设计天线时不可忽视的问题。
发明内容
本发明是提供一种双极化全向室分天线，以解决上述全部或部分问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种双极化全向室分天线，包括：第一水平极化单元，包括分别设在第一基板上下表面的第一功分器和第一辐射单元，其中所述第一辐射单元为四个角对称设置的偶极子贴片，所述第一功分器包含有四个与所述偶极子贴片相向的第一馈电支路，所述第一基板上还设有贯穿本体并与所述第一功分器的输入端相连的第一馈电端口；垂直极化单元，为下端具有锥形结构的金属辐射体，且下端设在所述第一基板上，并且所述第一基板上设有贯穿本体并与所述金属辐射体相连的第三馈电端口；第二水平极化单元，设在所述第一基板的上方，包括分别设在第二基板两侧的第二功分器和第二辐射单元，其中所述第二辐射单元为两个呈“太极图”状的辐射贴片，所述第二功分器包含四个角对称设置并与所述辐射贴片相向的第二馈电支路，所述第二基板上还设有贯穿本体并与所述第二功分器的输入端相连的第二馈电端口，所述第二基板与所述第一基板之间还设有支撑柱。
优选地，相邻的所述偶极子贴片间还设有条状贴片。
优选地，所述第一辐射单元的外周角对称设有八个第一引向单元；所述第一引向单元为两个以上的呈扇状设置的弧形辐射贴片。
优选地，所述第一引向单元分别与所述条状贴片、偶极子贴片相向设置。
优选地，所述第一馈电支路为弯折状结构。
优选地，所述垂直极化单元包括相互垂直的、下端为锥形的第一金属片和第二金属片，所述第一金属的上侧中部设有第一条槽，所述第二金属片的下侧中部设有第二条槽，所述第二金属片插设在所述第一条槽内，所述第一金属片插设在所述第二条槽内。
优选地，所述第二辐射单元的边缘处角对称设置有四个以上的第三条槽。
优选地，所述第二辐射单元的外周角对称设有八个第二引向单元；所述第二引向单元为两个以上的呈扇状设置的弧形辐射贴片。
优选地，所述第三条槽共设有八个，并分别与所述第二引向单元相向设置。
优选地，所述第二馈电支路的末端为弧形并且分别与两个所述第三条槽相向设置。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的双极化全向室分天线具备多频、宽带宽特性，两个水平极化单元通过合路器进行连接，一个覆盖带宽1.7-3.8GHz，另一个覆盖4.8-5.0GHz频段，垂直极化单元可以覆盖1.5-5.5GHz全频段，使得该双极化全向室分天线可以同时完整覆盖1.71-2.69GHz和5GSub-6G的3.3-3.8和4.8-5.0GHz频段，总共三个主要通信频段。该室分天线对于扩展5G频段和向下兼容2G/3G/LTE频段有很好的优势，解决了双极化室分天线的带宽覆盖问题。另外，该双极化全向室分天线具备高增益性能，在保证全向性能满足要求的同时，最大程度地提升了水平极化单元的增益。此外，通过在上方第二水平极化单元外围附加八个引向单元，使得4.8-5.0GHz频段内的增益比原先增加了0.7-1.5dBi，同时天线的全向性能也得到较好的改善。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中涉及的双极化全向室分天线的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例中涉及的双极化全向室分天线中的垂直极化单元的分解结构示意图。
图3为本发明的一个实施例中涉及的双极化全向室分天线中的第一水平极化单元的平面示意图。
图4为本发明的一个实施例中涉及的双极化全向室分天线中的第二水平极化单元的平面示意图。
图5为本发明的一个实施例中涉及的水平极化单元的性能示意图。
图6为本发明的一个实施例中涉及的水平极化单元的不圆度示意图。
图7为本发明的一个实施例中涉及的第二水平极化单元在有无引向单元时的增益对比图。
图8为本发明的一个实施例中涉及的垂直极化单元的性能示意图。
图9为本发明的一个实施例中涉及的垂直极化单元的不圆度示意图。
图10为本发明的一个实施例中涉及的双极化全向室分天线在2.2GHz、3.5GHz和4.9GHz下的H面和E面的方向图。
图中的附图标记为：
1、第一水平极化单元；11、第一功分器；12、第一辐射单元；13、第一馈电支路；14、第一馈电端口；15、条状贴片；16、第一引向单元；2、垂直极化单元；21、第一金属片；22、第二金属片；23、第一条槽；24、第二条槽；25、第三馈电端口；3、第二水平极化单元；31、第二功分器；32、第二辐射单元；33、第二馈电支路；34、第二馈电端口；35、第三条槽；36、第二引向单元；41、第一基板；42、第二基板；5、支撑柱。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象数量或次序的限制；术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在该实施例中公开了一种双极化全向室分天线，图1示出了该双极化全向室分天线的立体结构，图中以虚线的形式展示了被遮挡部分的结构，主要包括第一辐射单元和第二辐射单元；图2示出了该双极化全向室分天线中的垂直极化单元的分解结构；图3示出了该双极化全向室分天线中的第一水平极化单元的平面结构，图中以虚线的形式展示了第一功分器的结构；图4示出了该双极化全向室分天线中的第二水平极化单元的平面结构，图中以虚线的形式展示了第二功分器的结构。
请参考图1至图4，该双极化全向室分天线自下而上分别为第一水平极化单元1、垂直极化单元2和第二水平极化单元3。其中第一水平极化单元1用于覆盖低频段(1.7-3.8GHz频段)，即2G/3G/LTE频段；第二水平极化单元3用于覆盖高频段(4.8-5.0GHz频段)，即5G频段；垂直极化单元2则可覆盖全部的2G/3G/LTE/5G频段，最终通过三个天线单元实现覆盖2G/3G/LTE/5G频段的双极化信号。
请结合图1和图3，第一水平极化单元1设在第一基板41上，第一基板41为FR-4板，半径70mm，厚度0.8mm，介电常数4.4，损耗角正切值为0.02。第一水平极化单元1包括第一功分器11和第一辐射单元12。其中，第一功分器11设在了图1中第一基板41的上表面，第一辐射单元12设在了图1中第一基板41的下表面。第一辐射单元12为四个角对称设置的偶极子贴片，详见图3，每个偶极子贴片的前端设有两个方向相反的枝节，各个枝节可形成不连续的环形结构，使第一辐射单元12具有较佳的全向辐射性能。第一功分器11的输入端为与第一馈电端口14相连的支路，输出端则为四个与偶极子贴片相向的第一馈电支路13。第一馈电支路13与偶极子贴片分设在第一基板41的两侧，第一馈电端口14贯穿第一基板41，使用时，馈线的一端连接在该第一馈电端口14处，内导体与第一功分器11的输入端相连，外导体与偶极子贴片相连，第一馈电支路13与偶极子贴片通过耦合的方式实现连接。该第一水平极化单元1可实现覆盖2G/3G/LTE频段的信号，同时具有较佳的全向性能。
请结合图1和图2，垂直极化单元2为下端具有锥形结构的金属辐射体，在该实施例中由两个相互垂直的、下端为锥形的金属片组成。其中，第一金属片21的上侧中部沿竖向设有第一条槽23，第二金属片22的下侧中部沿竖向设有第二条槽24，第二金属片22插设在第一条槽23内，第一金属片21插设在第二条槽24内，二者相互嵌合在一起形成相互垂直的、下端具有锥形结构的金属辐射体，该种结构形式可以省去金属片焊接的工艺，以及避免焊接带来的影响辐射稳定性的问题。该垂直极化单元2的下端固定设在第一基板41的中心处，并且在第一基板41的中心处设有第三馈电端口25，使用时馈线的一端插设在该第三馈电端口25内，内导体与垂直极化单元2相连，外导体则与第一辐射单元12相连。在该实施例中，两个金属片为铜片，可实现覆盖2G/3G/LTE/5G全频段信号，且具有较佳的全向性能。
请结合图1和图4，第二水平极化单元3设在第二基板42上，第二基板42为FR-4板，半径61.5mm，厚度0.8mm，介电常数4.4，损耗角正切值为0.02。第二水平极化单元3位于图1中第一基板41的上方，包括设在第二基板42两侧的第二功分器31和第二辐射单元32。其中，第二辐射单元32设在了图1中第二基板42的下表面，即靠近第一基板41的一侧，第二功分器31设在了图1中第二基板42的上表面，该种结构形式下馈线可设在第一基板41一侧，与第一水平极化单元1的馈线设在同侧可使馈线有序设地在天线内。在其它实施例中，二者的位置也可互换，同样能够实现辐射信号的基本功能。如图1所示，第二基板42与第一基板41之间还设有支撑柱5，以对第二基板42进行固定，在该实施例中，支撑柱5为塑料柱，在制作该天线时无需焊接，只需要使用热熔胶即可将三者固定在一起。
第二辐射单元32在该实施例中为两个呈“太极图”状的辐射贴片，两个辐射贴片各自有一部分结构延伸至对方位置，并且均为弧形结构，最终在辐射信号时具有较佳的全向性能。第二功分器31的输入端位于第二辐射单元32的中心处，输出端则为四个与第二辐射单元32相向的第二馈电支路33。在第二基板42的中心处还设有贯穿本体并与第二功分器31的输入端相连的第二馈电端口34，使用时，馈线的一端插设在该第二馈电端口34内，内导体与第二功分器31的输入端相连，外导体则与第二辐射单元32相连。该第二水平极化单元3可实现覆盖5G频段的信号，同时具有较佳的全向性能。该双极化全向室分天线中的第一水平极化单元1和第二水平极化单元3可以通过合路器进行连接，并各自在相应频段进行工作。
该双极化全向室分天线通过下端具有锥形结构的金属辐射体构成垂直极化单元2来覆盖2G/3G/LTE/5G全频段信号，能够实现辐射垂直极化的全向信号；再分别通过两个水平极化单元分别覆盖2G/3G/LTE频段和5G频段的信号，各自的结构能够实现全向性能较好的水平极化信号。
在该实施例中，相邻的偶极子贴片间还设有条状贴片15，如图3所示，四个偶极子贴片间还设置了四个条状贴片15，可扩展金属地，改善垂直极化单元2的阻抗匹配，提高该天线的信号辐射效果。
另外，在第一辐射单元12的外周角对称设有八个第一引向单元16，各个第一引向单元16为三个呈扇状设置的弧形辐射贴片，在其它实施例中，也可依据实际需求适当增减该弧形辐射贴片的数量，但不宜少于两个。该八个第一引向单元16相互间隔45°，可进一步提高天线增益和降低天线不圆度，使天线具备更佳的全向辐射性能。第一引向单元16结构相当于八木天线的引向器，可构成微带八木天线，第一辐射单元12相当于驱动单元，第一水平极化单元1正是利用了该种八木天线结构来提升水平极化的增益，以及改善不圆度。其中，各个第一引向单元16分别与条状贴片15、偶极子贴片相向设置，能够最大程度发挥引向的作用，拓展天线带宽、提高增益、改善天线的不圆度特性。
此外，第一馈电支路13为弯折状结构，能够增加其与偶极子贴片的耦合面积，最大程度的覆盖各个偶极子贴片，提高信号的耦合效果。
在该实施例中，第二辐射单元32的边缘处角对称设置有四个以上的第三条槽35，如图4所示，第二辐射单元32为圆形，其边缘处角对称设有八个第三条槽35，用于阻抗匹配，使第二水平极化单元3达到最佳的辐射性能。
另外，在第二辐射单元32的外周角对称设有八个第二引向单元36，各个第二引向单元36为三个呈扇状设置的弧形辐射贴片，在其它实施例中，也可依据实际需求适当增减该弧形辐射贴片的数量，但不宜少于两个。该八个第二引向单元36相互间隔45°，可进一步提高天线增益和降低天线不圆度，使天线具备更佳的全向辐射性能。第二引向单元36结构相当于八木天线的引向器，可构成微带八木天线，第二辐射单元32相当于驱动单元，第二水平极化单元3正是利用了该种八木天线结构来提升水平极化的增益，以及改善不圆度。其中，各个第二引向单元36分别与各个第三条槽35相向设置，能够最大程度发挥引向的作用，拓展天线带宽、提高增益、改善天线的不圆度特性。
此外，在该实施例中，第二馈电支路33的末端为弧形并且分别与两个第三条槽35相向设置。该结构可以使第二馈电支路33耦合到第二辐射单元32的第三条槽35之上，从而形成良好的辐射效果。
另外，在该实施例中，八个第二引向单元36上还设置挖孔，形成“八卦”的形状，模拟八卦图中对应的八个不同的卦象，使天线具备较好的艺术感，在辐射信号的同时，还可用作室内的装饰品。
图5为该双极化全向室分天线的水平极化单元的性能示意图，从图中可以看出，水平极化S11阻抗带宽为78.6％(1.66-3.81GHz)和6.6％(4.77-5.04GHz)，水平极化的增益在1.7-3.8GHz频带内变化范围为1.06-3.35dBi，在4.8-5.0GHz频段内变化范围为3.65-4.95dBi，所需频段内具备较高的增益。
图6为该双极化全向室分天线的水平极化单元的不圆度示意图。从图中可以看出，在2.2GHz、3.5GHz和4.9GHz三个频率下，水平极化单元的不圆度均小于3.5dB，满足全向天线的设计要求。
图7为该双极化全向室分天线的第二水平极化单元在有无第二引向单元时的增益对比图。从图中可以看出，通过在第二辐射单元外围附加八个第二引向单元，使得天线的增益在4.8-5.0GHz频段内比原先增加了0.7-1.5dBi，具备显著的提升增益的效果。
图8为该双极化全向室分天线的垂直极化单元的性能示意图。从图中可以看出，垂直极化单元S22的阻抗带宽为114.3％(1.5-5.5GHz)，垂直极化的增益在有效频带内变化范围为1.97-6.09dBi，所需频段内具备较高的增益。
图9为该双极化全向室分天线的垂直极化单元的不圆度示意图。从图中可以看出，在2.2GHz、3.5GHz和4.9GHz三个频率下，垂直极化单元的不圆度均小于3dB，满足全向天线的工业设计要求。
图10为该双极化全向室分天线在2.2GHz、3.5GHz和4.9GHz频率下的H面和E面的方向图。从方向图可以看出，在两个极化方向上H面均具有良好的全向的特性，其交叉极化小于-15dB。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种双极化全向室分天线，其特征在于，包括：
第一水平极化单元，包括分别设在第一基板上下表面的第一功分器和第一辐射单元，其中所述第一辐射单元为四个角对称设置的偶极子贴片，所述第一功分器包含有四个与所述偶极子贴片相向的第一馈电支路，所述第一基板上还设有贯穿本体并与所述第一功分器的输入端相连的第一馈电端口；
垂直极化单元，为下端具有锥形结构的金属辐射体，且下端设在所述第一基板上，并且所述第一基板上设有贯穿本体并与所述金属辐射体相连的第三馈电端口；
第二水平极化单元，设在所述第一基板的上方，包括分别设在第二基板两侧的第二功分器和第二辐射单元，其中所述第二辐射单元为两个呈“太极图”状的辐射贴片，所述第二功分器包含四个角对称设置并与所述辐射贴片相向的第二馈电支路，所述第二基板上还设有贯穿本体并与所述第二功分器的输入端相连的第二馈电端口，所述第二基板与所述第一基板之间还设有支撑柱。
2.如权利要求1所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
相邻的所述偶极子贴片间还设有条状贴片。
3.如权利要求2所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第一辐射单元的外周角对称设有八个第一引向单元；
所述第一引向单元为两个以上的呈扇状设置的弧形辐射贴片。
4.如权利要求3所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第一引向单元分别与所述条状贴片、偶极子贴片相向设置。
5.如权利要求1所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第一馈电支路为弯折状结构。
6.如权利要求1所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述垂直极化单元包括相互垂直的、下端为锥形的第一金属片和第二金属片，所述第一金属的上侧中部设有第一条槽，所述第二金属片的下侧中部设有第二条槽，所述第二金属片插设在所述第一条槽内，所述第一金属片插设在所述第二条槽内。
7.如权利要求1所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第二辐射单元的边缘处角对称设置有四个以上的第三条槽。
8.如权利要求7所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第二辐射单元的外周角对称设有八个第二引向单元；
所述第二引向单元为两个以上的呈扇状设置的弧形辐射贴片。
9.如权利要求8所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第三条槽共设有八个，并分别与所述第二引向单元相向设置。
10.如权利要求9所述的双极化全向室分天线，其特征在于，
所述第二馈电支路的末端为弧形并且分别与两个所述第三条槽相向设置。
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| CN202211367350.2A CN116264354A (zh) | 2022-11-02 | 2022-11-02 | 双极化全向室分天线 |
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-
2022
- 2022-11-02 CN CN202211367350.2A patent/CN116264354A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117117481A (zh) * | 2023-09-07 | 2023-11-24 | 南通大学 | 一种双频垂直极化全向平面天线 |
| CN117117481B (zh) * | 2023-09-07 | 2024-04-26 | 南通大学 | 一种双频垂直极化全向平面天线 |
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| CN118281545B (zh) * | 2024-06-03 | 2024-08-23 | 中天通信技术有限公司 | 吸顶天线 |
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