CN201421887Y - 低互调印制电路板天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低互调印制电路板天线，它的带状导体被分别制作在印制电路板介质基底的上、下表面，并通过支撑导体或/和馈电电缆的外导体以及安放在介质基底上的其他导体相互形成连接；支撑导体的第一个末端被连接到带状导体上，第二个末端被连接到反射接地板上而组成了平衡与不平横转换器并将辐射阵列支撑在反射接地板之上；电桥被安放在介质基底的上面，其第一个末端被连接到馈电电缆的内导体上，第二个末端被连接到介质基底上下表面的带状导体上。因此，与现有技术相比，本实用新型的天线具有较少的互调产物。

Description

低互调印制电路板天线

技术领域

本实用新型涉及天线，更具体的说，本实用新型涉及到用于蜂窝式无线通讯的天线，尤其是指水平、垂直以及正负45度倾斜双极化发射或接收天线。在当今这个频繁使用手机通讯的时代，人们对这种具有良好极间回损与隔离度的双极化天线的需求不断增长。而且这样的天线必须制作简单并具有极低的互调产物(IMP)。

背景技术

基站接收机在受到高出正常值水平的输入电磁干扰时，工作处理能力会大大降低(理论引用依据：Manfred Lang，The Intermodulation Problem in MobileCommunications，Manfred Lang，Microwave Journal，May 1995)。在接受频带内，干扰是以互调产物形式存在，在发射频带内，干扰是由于包括天线在内的微带器件因频带内不同信道间的相互作用而导致的非线性效应所产生的。而当馈线和接头的互调被改善后，更重要的发现被证实天线所用印制电路板能够产生互调产物(理论引用依据：Passive intermodulation near-fieldmeasurements on microstrip lines，Hienonen S.，Raisanen A.V.，13October2004，European Microwave Conference，1041-1044)。因此，目前基站天线阵列的辐射部分都是用金属制造以减少互调产物的产生。

一些天线是用金属片经过冲压和弯曲制成的，如专利US 6034649和US6747606B2中所述天线。这就要求辐射阵列必须拥有理想的对称性以达到两个输出端具有良好的隔离度。但是事实上很难做到精准地弯曲金属片，因此，这种天线的缺点就是其输出端隔离度的一致性不好。

另一种天线是通过铸模制造的，如专利EP0973231A2和US 6333720B1中所述天线。这种天线虽然输出端隔离度的一致性较好，但是体积很大，而且，制作该种天线需要昂贵而复杂的模具。

按照专利CHN 693684所述天线，该天线简单、轻便，是采用印制电路板(Printed circuit board，PCB)制作的。与现有技术相比，这种双极化天线制作更加简单，它的辐射阵列是采用一块平板金属或印制电路板(PCB)制成的。由于印制电路技术能够保证辐射阵列拥有一个理想的对称性，所以依照该专利制作的印制电路板天线其两个输出端隔离度具有非常好的一致性。而且该天线的回损也得到了改善并具有非常好的一致性，其原因就是PCB板上包含有匹配电路。

上面所提及的用PCB制作的辐射阵列具有的优越性使其在制造基站阵列天线时有很大的吸引力，然而用PCB制作的天线产生的互调产物达到-145dBc。因此，基站用该PCB天线还需要在以上基础上进一步改进。

有研究发现互调产物的产生是来源于沉积在介质基底上的一层很薄的特殊材料，该特殊材料薄层用于支撑沉积到基底上的铜层。而在PCB沉积铜之前通常先采用镍或者镍合金沉积到PCB的介质基底上。该工艺导致基底上生成了一个非常薄的半导体层并介于铜层与介质基底之间。从而沿着带状导体传输的微波电流也会沿着这个半导体层传输并且该传输层会产生互调产物。

一种减少互调产物的方法就是研发和使用特殊的材料。例如Arlon公司降低IMP是通过采用PCB碾压技术制成编织玻璃纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)合成材料。该材料已在工程上被应用来减少基底碾压层对无源互调的贡献和包括天线在内的微波器件的信号失真。其降低的结果是因为铜与碾压层之间的界面得到了优化，特别是除了可控制碾压层结构和工艺外，也可控制铜的表面粗糙度和表面处理。但不幸的是，由于含有PTFE材料及制造技术上的复杂性使得该种材料很昂贵。

发明内容

针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种低互调印制电路板天线，包括双极化和线极化天线，减少了互调产物的产生并且克服现有工艺的不足。

本实用新型包含有采用PCB制作的辐射阵列并且通过支撑导体支撑在反射接地板之上，这些支撑导体组成了两个相互正交的平衡与不平横转换器。辐射阵列包含有相同的带状导体并且带状导体被制作在PCB的上下表面的相对位置上。对于双极化天线的辐射阵列来说，这些带状导体其顶视图具有四条轴对称线。正如专利CHN 693684中所述，辐射阵列可为任何形状并且能够实现所要求天线的波束宽度和极化。

支撑导体的上端被连接到PCB上的带状导体上，并且支撑导体的上端被十字狭槽彼此分隔开。组成平衡与不平横转换器的导体与制作在PCB双面上的带状导体形成连接。支撑导体的底端被连接到接地板上并彼此形成短路。支撑导体可采用内含馈电电缆的管子制成，或者也可采用其他形状，例如横截面为U形导体管。馈电电缆的外导体也能够作为支撑导体使用。

第一条馈电电缆被连接到位于第一条对称线上的带状导体上，并且该对称线越过了第一个电桥附近带状导体间的十字狭槽，第二条馈电电缆被连接到位于第二条对称线上的带状导体上，并且该对称线越过了第二个电桥附近带状导体间的十字狭槽，两条对称线相互垂直。上述所描述的双极化天线辐射出两个相互垂直的电场。

与现有的技术相比，如专利US 6034649，US 6747606B2，EP0973231A2和US 6333720B1中所述天线，本实用新型的双极化天线制作简单并且输出端口隔离度的一致性较好，其原因是最佳辐射阵列可被精确地制作在一块印制电路板上。

与现有的技术相比，如专利CHN 693684中所述天线，本实用新型的双极化天线具有较少的互调产物，其原因是相同的带状导体被制作在PCB双面的相对位置上从而减少了沿着产生互调产物的半导体层传输的电流。

馈电电缆以相同的相位对PCB上下表面上的带状导体进行馈电，所以，微波电流就会沿着上下面的带状导体以相同方向传输并且相互排斥。带状导体可作为一种传输线，则根据趋肤效应原理微波电流会趋向于传输线的表面传输。因此，微波电流主要沿着上带状导体的上表面和下带状导体的下表面传输，从而使可产生互调产物并介于带状导体与介质基底之间的半导体薄膜上的微波电流几乎为零。其结果是本实用新型的双极化天线具有比专利CHN 693684所述天线更少的互调产物。所以，一个可行的解决方案就是使用比Arlon公司材料更便宜的FR4材料，并且达到互调产物低于-150dBc的水平。

本实用新型的线性极化天线与本实用新型的双极化天线一样可减少互调产物的生成。

附图说明

图1是现有技术制作的双极化天线的侧视绘制图，其中辐射阵列中的带状导体被制作在PCB的下表面。

图2是图1中所示双极化天线的顶视图。

图3是本实用新型的双极化天线的侧视绘制图，其中辐射阵列中的相同带状导体被制作在PCB双面的相对位置上。

图4是本实用新型的双极化天线在图3中由C-C方向观察到的截面图。

图5是图3中所示本实用新型的双极化天线的顶视图。

图6是图2中由A-A方向观察到的局部放大截面图以及辐射阵列中带状导体上的微波电流分布。

图7是图5中由B-B方向观察到的局部放大截面图以及辐射阵列中带状导体上的微波电流分布。

图8是本实用新型的双极化天线另一个实施例的顶视图。

图9是图8中由D-D方向观察到的截面图。

图10是本实用新型的双极化天线另一个实施例的侧视绘制图，其中辐射阵列中的相同带状导体被制作在一块介质基底双面的相对位置上。

图11是本实用新型的线极化天线侧视绘制图，其中辐射阵列中的相同带状导体被制作在一块介质基底双面的相对位置上。

具体实施方式

本实用新型的低互调印制电路板天线可为双极化天线或线极化天线，现有双极化天线示例如图1、2和6中所示。

如图1所示，现有的双极化天线其辐射阵列由包含有基底1a的PCB制成，其中带状导体2a被制作在基底1a的底表面上。导体4a、5a及电缆6a、7a将辐射阵列支撑在反射接地板3a之上。导体4a、5a及电缆6a、7a组成了两个正交的平衡与不平横转换器。电桥8a和9a被安放在基底1a的上表面上。它们的第一个末端穿过基底1a分别被连接到导体4a和5a上，第二个末端穿过基底1a分别被连接到电缆6a和7a的顶端13a和14a上。

请参阅图2，其中带状导体呈十字交叉状并且包含有十字狭槽12a。

本实用新型的双极化天线最佳实施例如图3-图5和图7-图10。

如图3所示，本实用新型的双极化天线其辐射阵列由包含有基底1b的PCB制成，其中带状导体2c和2b分别被制作在基底1b的上表面和底表面上，带状导体2c与2b形状相同并被分别制作在基底上下面的相对位置上。导体4b、5b及电缆6b和7b将辐射阵列支撑在反射接地板3b之上，它们的底端与接地板3b连接从而它们组成了两个正交的平衡与不平横转换器。电桥8b与9b被安放在基底1b的上面，它们的第一个末端与带状导体2c连接并且穿过基底1b又分别连接到导体2b、4b及5b上，第二个末端分别与电缆6b的内导体13b和电缆7b的内导体14b相连接。塑料隔离垫圈10b和11b是被安放在电桥8b、9b与带状导体2c之间。

请参阅图4，导体4b被连接到电桥8b，带状导体2b和2c上，电缆6b的外导体与带状导体2b和2c相连接。

请参阅图5，可以看到带状导体2c呈十字交叉状，并且十字交叉内包含有十字狭槽12c。辐射阵列具有四条轴对称线，其中两条轴对称线如图5中点画线所示。第一条对称线为+45度倾斜，而第二条对称线为-45度倾斜。带状导体2b被制作在基底1b的底面，位置与带状导体2c相对，但其形状与2c相同。第一条馈电电缆6b被连接到带状导体2b和2c上并且位于第一条对称线上。当天线通过电馈电缆6b馈电后，天线就会沿着第一条+45度对称线辐射定向的电场。同时第二条馈电电缆7b被连接到带状导体2b和2c上并且位于第二条对称线上。当天线通过电馈电缆7b馈电后，天线就会沿着第二条-45度对称线辐射定向的电场。所以，通过上述方式馈电后，辐射阵列将会辐射出具有平行于两条对角线的E矢量的相互正交的电场。

按照图3-图5所示，虽然本实用新型的辐射阵列所辐射的电场与图1和图2中的阵列相同，但是本实用新型的辐射阵列沿着带状导体具有不同的微波电流分布。

请参阅图6，其呈现了沿着带状导体2a上的微波电流流向的分布，其中带状导体2a被狭槽12a分割成两部分。根据电流趋肤效应原理则导体2a上的微波电流主要趋向于导体的表面分布，其结果是，大约一半的微波电流会沿着带状导体2a的上表面传输。因此，微波电流将会沿着位于导体2a和介质基底1a之间的一层半导体薄膜传输，由此导致这层薄膜可产生互调产物。

在最佳实施例中沿着带状导体具有不同的微波电流流向分布。请参阅图7，其显示了沿着带状导体2b微波电流流向的分布。其中带状导体2b和2c分别被狭槽12b和12c分割成两部分。馈电电缆6b和7b对带状导体2b和2c以相同相位进行馈电，从而微波电流沿着相互对立的带状导体2b和2c以相同方向传输，并且相互排斥。其结果导致微波电流主要分布于带状导体2c的上表面和2b的下表面，而只有很少的微波电流存在于位于带状导体和介质基底1b之间的半导体薄膜上，从而使半导体薄膜将产生较少的互调产物。因此，与现有技术相比，本实用新型的双极化天线具有较少的互调产物。

请参阅图8，该实施例中的双极化天线具有穿过介质基底1d的镀铜通孔，这些镀铜通孔使安放在介质基底1d相对的两面上的带状导体2d和2e形成短路。隔离塑料垫圈10d和11d被安放在电桥8d、9d与带状导体2e之间。图9显示了从图8中由D-D方向观察到的交叉部分。馈电电缆6d和7d的外导体及导体4d、5d都被焊接到底面上的带状导体2d上，所以，与图3-图5相比，该实施例的天线的制作方法更简单，并且其回波损耗和隔离度均有较好的一致性。该双极化天线半功率波束宽度为50-70度，工作频带为824-960MHz，而另一些具有相同半功率波束宽度的天线其工作频带在1710-2170MHz。辐射阵列所用PCB板采用FR4材料制作，其厚度为0.76mm。本实用新型的天线产生的互调产物均小于-150dBc。两极间隔离度优于34dB，回损优于20dB，并且本实用新型的天线可以被设计应用于任何频带。

本实用新型技术可改善由PCB板制作的辐射阵列的IMP，例如图10所示实施例，图中为一双极化天线的侧视绘制图。H形带状导体2h和2j包含有H形的狭槽12h和12j，并且分别被安放在基底1h的上下表面上。该线极化天线其半功率波束宽度为50-70度，馈电电缆6h通过电桥8h向辐射阵列馈电，电缆6h的外导体与支撑导体4h组成一个平衡与不平衡转换器。

请参阅图11，在线极化天线中同样可以应用上述结构而实现相同的功能。

Claims (10)

1、一种低互调印制电路板天线，包括由印制电路板构成的辐射阵列，至少还包括一根馈电电缆、一个电桥和支撑导体，所述辐射阵列被安放在反射接地板之上，在印制电路板的介质基底上设有带状导体，其特征在于：所述带状导体被分别制作在印制电路板介质基底的上、下表面，并通过支撑导体或/和馈电电缆的外导体以及安放在介质基底上的其他导体相互形成连接；所述支撑导体的第一个末端被连接到带状导体上，第二个末端被连接到反射接地板上而组成了平衡与不平横转换器并将辐射阵列支撑在反射接地板之上；所述电桥被安放在介质基底的上面，其第一个末端被连接到馈电电缆的内导体上，第二个末端被连接到介质基底上下表面的带状导体上。

2、根据权利要求1所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述辐射阵列包含有两个电桥、两根馈电电缆以及顶视图具有四条对称线的带状导体。

3、根据权利要求2所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述带状导体具有轴对称线并以这种方式彼此连接起来形成十字交叉状，并且十字交叉内包含有一个十字狭槽，每个带状导体既是十字交叉的一个分支又是十字狭槽的一个分支，两根馈电电缆通过电桥被连接到带状导体上，电桥位于越过十字狭槽的两个相互垂直的轴对称线上。

4、根据权利要求1或2所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述带状导体形成了两个相互垂直的极化场。

5、根据权利要求1或2所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述带状导体为三角形或钻石状导体。

6、根据权利要求1所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述辐射阵列包含有一个电桥、一根馈电电缆以及顶视图具有四条对称线的带状导体。

7、根据权利要求1或6所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述馈电电缆被连接到带状导体上辐射出具有平行于两条对角线的E矢量的相互正交的电场。

8、根据权利要求1或6所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：所述带状导体包含有H形导体环，该导体环包含有H形狭槽。

9、根据权利要求2所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：在所述电桥与带状导体之间设有塑料隔离垫圈。

10、根据权利要求1所述的低互调印制电路板天线，其特征在于：馈电电缆的外导体被连接到反射接地板上，并且与支撑导体组成平衡与不平横转换器。

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