CN201134512Y - 宽频带环状双极化辐射单元及线阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种宽频带环状双极化辐射单元及应用该辐射单元的线阵天线，该辐射单元用于装设在金属反射板上组成通信天线，包括如下组成部分：二对极化正交的对称振子，用于发射或接收通信信号；对应每个对称振子的平衡器，对每个对称振子进行平衡馈电；每个对称振子包括对称固设在平衡器上的两个单元臂，两个单元臂呈关于平衡器对称的线状。每个单元臂一端与平衡器固设，另一端设有垂直向下的加载线，且均设有横截面大小不同于单元臂自身的横截面大小的调谐枝节。本实用新型的宽频带双极化辐射单元具有带宽宽，效率高，隔离度高，交叉极化鉴别率高、波束宽度随频率变化的离散性小等特点，可作为单独的天线使用，更多的是作为阵列天线的组阵单元。

Description

宽频带环状双极化辐射单元及线阵天线

【技术领域】

本实用新型涉及移动通信的天线领域，尤其涉及一种能实现小型化的宽频带环状双极化辐射单元，同时，还涉及一种应用该辐射单元的线阵天线。

【背景技术】

随着通信行业的发展，2G、3G网络将会长期共存下去，为了满足不同通信网络的覆盖要求，移动通信系统对天线的要求越来越高，其中对能够兼容2G、3G网络频段的宽频带天线需求更为迫切。

为了满足不同通信系统的网络优化，对天线的水平面波束宽度的精度要求也越来越高，垂直面方向图也需要普遍地采用波瓣赋形技术，实现上侧副瓣的抑制和下侧零点的填充，以获得更可靠的数据通信质量。同时，为了解决多径衰落等问题，基站天线采用极化分集技术，大大提高了移动通信质量。

基站天线是移动通信系统室外覆盖的关键部件，目前基站天线的极化分集形式以双极化为主，双极化天线又以±45°双极化为主，而±45°基站天线中又以水平面波束宽度为65°的天线系列为主流产品，该系列产品性能的优劣直接影响移动通信系统的覆盖范围和极化分集增益，从而影响整个网络的运行质量。

现有技术中，常规的对称振子辐射单元或微带辐射单元组成的±45°双极化基站天线，其高交叉极化鉴别率的相对工作频段不足10％，影响+45°天线和-45°天线的相关性，从而影响天线在宽频带工作时的分集效果；交叉极化鉴别率指标同时影响着端口之间的隔离度；再有对称振子辐射单元的水平面半功率波束宽度较宽，降低了天线的增益，增加了边界区的切换次数，降低了网络的通信质量；再有一般的对称振子的工作频段宽度约为13％左右，对于微带辐射单元的天线，其频段宽度更窄，在10％以下。

1984年公开的申请人为GTE Products Corporation的美国US4434425号专利公告中给出了一种辐射单元，并提出了一种将高频振子镶嵌在低频振子中的设计思路，如图1所示。将高低不同频段中的天线辐射单元镶嵌在一起，为实现小尺寸多频共用基站天线指明了方向。

以德国Kathrein公司为申请人，于2001年公开的美国US 6333720B 1专利公告中给出了如下图2所示的移动通信多频共用基站天线，很明显，其辐射单元的镶嵌关系与US 4434425号专利公告同出一撤。

然而，上述专利中的辐射单元，其正投影面积都比较大，结构也显得复杂，这样至少有三点不足：

1、处在两个低频振子中间的高频振子受到低频振子耦合作用，从而使得高频段辐射性能恶化；

2、如果通信系统对多频电调基站天线的垂直面栅瓣控制提出更高要求，辐射单元之间的间距就要缩小，低频段振子和低频振子之间、低频振子和高频振子之间的互耦变得更加严重，甚至无法接受，这样就大大降低了天线的电路特性、辐射特性；

3、在多频共用基站天线中，往往有部分低频振子中并不镶嵌高频振子，镶嵌高频振子和不镶嵌高频振子的低频振子阻抗特性变化较大。

因此，尽管辐射单元的设计在物理上是一种直观的体现，但其技术演进过程是复杂的，尤其需要处理好其尺寸与电气性能(技术参数)的关系。

【实用新型内容】

本实用新型的目的就是要克服上述不足，提供一种宽频带环状双极化辐射单元，在提高辐射单元的各项技术参数的前提下，缩小辐射单元的尺寸。

本实用新型的另一目的在于提供一种应用上述目的的辐射单元的线阵天线。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

本实用新型的宽频带环状双极化辐射单元，用于装设在金属反射板上组成通信天线，包括如下组成部分：

二对对称振子，用于发射或接收通信信号；

对应每个对称振子的平衡器，对每个对称振子进行平衡馈电；

每个对称振子包括对称固设在平衡器上的两个单元臂，两个单元臂呈关于平衡器对称的线状。

所述对称振子的单元臂为弧形线状件，所有对称振子共同构成圆形环状结构。

根据本实用新型的一个实施例，每个对称振子的单元臂可呈直线状件，所有对称振子共同构成八边形结构。

根据本实用新型的另外的实施例，每个对称振子的单元臂也可呈折线状件，所有对称振子共同构成至少十六边形结构。

本实用新型中，每个单元臂一端与平衡器固设，另一端设有垂直向下的加载线。

所述加载线可为其所属的单元臂的折弯部分。

每个单元臂均设有横截面大小不同于单元臂自身的横截面大小的调谐枝节。

极化相同的一对对称振子之间的间距为0.4至0.6个工作波长，每个对称振子的长度且相同为0.4至0.6个工作波长。

二对对称振子的极化呈正交分布。

各平衡器固定设置在一个环状底座上。

对应本实用新型的另一目的，本实用新型的线阵天线，包括作为反射器的金属反射板，所述金属反射板上线性设置至少两个如权利要求1至11中任意一项所述的辐射单元，共同组成线阵天线。

与现有技术相比较，本实用新型的优点在于：

本实用新型的宽频带双极化辐射单元具有带宽宽，效率高，隔离度高，交叉极化鉴别率高、波束宽度随频率变化的离散性小等特点，可作为单独的天线使用，更多的是作为阵列天线的组阵单元，特别是应用于将高频段振子镶嵌于其中的多频共用基站天线阵列。辐射特性参数由单元特性、天线阵的单元数、天线的边界条件共同确定；通过它们适当的组合，能够获得良好的电气性能和辐射性能。

【附图说明】

图1为美国US4434425号专利公告中给出的一种辐射单元的结构示意图；

图2为美国US6333720B1专利公告中给出的一种辐射单元的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例的辐射单元的俯视图；

图4为本实用新型第一实施例的二对对称振子组成P1、P2双极化特性时的结构示意图；

图5为本实用新型第二实施例的辐射单元的俯视图；

图6为本实用新型第二实施例的辐射单元侧视图；

图7为本实用新型的辐射单元在宽频带线阵天线中组阵的立体结构示意图；

图8为本实用新型的辐射单元在双宽频线阵天线中组阵的立体结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明和实施例，对本实用新型作进一步的说明：

请参阅图3和图4，本实用新型的第一优选实施例中，宽频带环状双极化辐射单元9，包括二对共四个对称振子1，2，3，4，且包括对应对称振子1，2，3，4个数设置的四个平衡器5a，5b，5c，5d，四个平衡器5a，5b，5c，5d设置在一圆环状底座6上。

每个对称振子1，2，3，4均设置在对应的平衡器5a，5b，5c，5d上，每个平衡器5a，5b，5c，5d以环状底座6为支撑，设置相应的走线槽，供电气线路布设其上，以与相应的对称振子1，2，3，4电性连接进行平衡馈电。平衡器5a，5b，5c，5d同时起到对相应的对称振子1，2，3，4进行平衡支撑的作用。

每个对称振子1，2，3，4的结构均相同，以对称振子1为例，包括两个单元臂11a，11b，两个单元臂在形状上关于平衡器5a完全对称，每个单元臂11a，11b各自的一端固定在平衡器5a的两侧的顶端，而另一端则被垂直折弯形成加载线12a，12b(其立体结构请参阅图7所示)，加载线12a，12b也可为分立的元件，直接焊接在相应的单元臂11a，11b上。加载线12a，12b的设置，大大延长了辐射电流的电长度，减少了辐射单元9的轴向正投影面积，有利于辐射单元9的小型化，可以大大减少单元间的互耦，提高组阵天线的辐射特性和电路特性。

同理，对称振子2的单元臂21a，21b上也以上述对称振子1相同的方式与平衡器5b连接，以及设置相应的加载线22a，22b(参阅图7)；对称振子3的单元臂31a，31b上也以上述对称振子1相同的方式与平衡器5c连接，以及设置相应的加载线32a，32b(参阅图7)；对称振子2的单元臂21a，21b上也以上述对称振子1相同的方式与平衡器5d连接，以及设置相应的加载线42a，42b(参阅图7)。

对称振子1中，其两个单元臂11a，11b各自的相对远离端上，设有一段横截面积较单元臂11a，11b粗壮的调谐枝节14a，14b，调谐枝节14a，14b在对称振子上的位置以及尺寸大小，能对对称振子1的电气性能产生影响，因此，通过优化调谐枝节14a，14b的位置和尺寸，可以实现宽频带内良好的匹配特性。

同理，对称振子2中，其两个单元臂21a，21b也以上述对称振子1相同的方式设置相应的调谐枝节24a，24b；对称振子3中，其两个单元臂31a，31b也以上述对称振子1相同的方式设置相应的调谐枝节34a，34b；对称振子4中，其两个单元臂41a，41b也以上述对称振子1相同的方式设置相应的调谐枝节44a，44b。

如图4所示，对称振子1和对称振子3相对向，间距约为0.4～0.6个工作波长，通过电气上并联馈电组成具有P1极化特性的振子单元组件；对称振子2和对称振子4同理也以0.4～0.6个工作波长为间距，进行并联馈电，组成具有P2极化特性的振子单元组件。P1极化与P2极化相互正交垂直，组成双极化辐射单元9。根据实际需要，可以组成移动通信中常用的±45°双极化辐射单元，或0°、90°双极化辐射单元等。如果P1极化和P2极化的激励幅度相等、相位相差90°，则可形成圆极化辐射单元。

请再参阅图3和图4，所述两个单元臂11a，11b均呈线状结构，也即指由单线结构组成，但为了实现本实用新型的具体的效果，其整体上呈弧形线状件，对称振子1的整体长度为0.4～0.6个工作波长。其余对称振子2，3，4也以相同的方式设置。如此，在图2所示的示意效果上，辐射单元9的二对四个对称振子共同构成断续的圆形环状结构，如此便可实现宽频带双极化的功能。

请参阅图5和图6，其为本实用新型的另一种优选的实施方式，其采用如上一实施例相同的结构，不同之处在于：

在其对称振子1′中，其单元臂11a′，11b′均为直线状件，且与其平衡器5a′组装时，均向内形成锐角(参阅图5)，相应地，对称振子2′，3′，4′的单元臂21a′，21b′，31a′，31b′，41a′，41b′也以相同的方式设置，如此，在图5所示的俯视图中，辐射单元9′的所有二对四个对称振子(1′和3′，2′和4′)共同构成一断线的正八边形结构。

同理，与前一实施例同，本实施例的对称振子1′，2′，3′，4′上也设有相应的调谐枝节14a′，14b′；24a′，24b′；34a′，34b′；44a′，44b′(参阅图3)和加载线12a′，12b′；22a′，22b′；32a′，32b′；42a′，42b′(参阅图4)，在此不行赘述。

按照本实施例的设计思路，所述对称振子1′的单元臂11a′，11b′可被设计成折线件，其它对称振子2′，3′，4′也以相同的方式设置，如此，整个辐射单元9′的对称振子1′，2′，3′，4′便可被计成整体上呈不少于十六边形的多边形。

本实用新型的辐射单元9(或图5和图6所示的9′)主要用于组成移动通信的基站天线，请参阅图7和图8所共同揭示的一种线阵天线。

图7中，该线阵天线包括金属反射板8和多个辐射单元9，多个辐射单元9线性排列在金属反射板上进行并联馈电，这样的线阵天线为宽频带线阵天线。

又如图8，揭示一种双宽频线阵天线，与图7在技术上的区别是通过在与本实用新型的辐射单元9的排列轴线上设置多个高频段辐射单元7实现的，其中至少有一个高频段辐射单元7镶嵌在本实用新型的辐射单元9中，高频段辐射单元7并不限于图8所述的结构形式。

公知地，辐射单元的应用并不局限于线阵天线，因此本实用新型的辐射单元9可应用线阵天线之外的其它应用双极化辐射单元的公知天线中。

相对天线而言，金属反射板8是边界条件，实现特定辐射特性时，其结构需要和天线辐射单元的对称振子臂统一协调，其结构尺寸有一个最佳组合关系，这种最佳组合不是唯一的，可用天线仿真软件进行优化。

容易看出，按照本实用新型制造的该天线将具有结构简单紧凑和高性能的优点，且易于制造、成本低和装配安装方便。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和描述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制，本领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围的前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。所附的权利要求书覆盖了本实用新型精神和范围内的所有这些改变和修改。

Claims (13)

1、 一种宽频带环状双极化辐射单元，用于装设在金属反射板上组成通信天线，其特征在于：包括如下组成部分：

二对极化正交的对称振子构成环状结构，用于发射或接收通信信号；

对应每个对称振子的平衡器，对每个对称振子进行平衡馈电；

每个对称振子包括对称固设在平衡器上的两个单元臂，两个单元臂呈关于平衡器对称的线状。

2、 根据权利要求1所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：所述的二对极化正交的对称振子的单元臂为弧形线状件，所有对称振子共同构成圆形环状结构。

3、 根据权利要求1所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：所述的二对极化正交的对称振子的单元臂呈直线状件，所有对称振子共同构成八边形结构。

4、 根据权利要求1所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：所述的二对极化正交的对称振子的单元臂呈折线状件，所有对称振子共同构成至少十六边形结构。

5、 根据权利要求1至4中任意一项所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：每个单元臂一端与平衡器固设，另一端设有垂直向下的加载线。

6、 根据权利要求5所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：所述加载线为其所属的单元臂的折弯部分。

7、 根据权利要求1至4中任意一项所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：每个单元臂均设有横截面大小不同于单元臂自身的横截面大小的调谐枝节。

8、 根据权利要求5所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：每个单元臂均设有横截面大小不同于单元臂自身的横截面大小的调谐枝节。

9、 根据权利要求8所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：极化相同的一对对称振子之间的间距为0.4至0.6个工作波长，每个对称振子的长度相同且为0.4至0.6个工作波长。

10、 根据权利要求9所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：二对对称振子的极化呈正交分布。

11、 根据权利要求1至4中任意一项所述的宽频带环状双极化辐射单元，其特征在于：各平衡器固定设置在一个环状底座上。

12、 一种宽频带线阵天线，包括作为反射器的金属反射板，其特征在于：所述金属反射板上线性设置至少两个如权利要求1至11中任意一项所述的辐射单元，共同组成线阵天线。

13、 一种双宽频共用线阵天线，包括作为反射器的金属反射板，其特征在于：所述金属反射板上线性设置至少两个如权利要求1至11中任意一项所述的辐射单元；还设置多个高频段辐射单元，其中至少有一个高频段辐射单元镶嵌在如权利要求1至11中任意一项所述的辐射单元中，同频段的各辐射单元分别组成各自频段的线阵天线。

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