CN201918502U - 采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元 - Google Patents
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Abstract
一种采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：由称振子（1）和振子（2）十字正交对插构成，振子（1）和振子（2）均为伞形对称结构，所述的振子（2）上设有供振子（1）上的短路片（6）通过的孔（10）。本实用新型采用印制板加工组装而成，结构形式简单，馈电形式简单，在加工、安装过程中大大缩减了工序，提高了效率，非常适用于批量生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种化双极化天线单元，尤其是一种TD-LTE天线中】使用的宽带、高隔离、低交叉带状天线单元，具体地说是一种采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元。
背景技术
众所周知，天线是用来辐射或接收无线电波的部件。它的基本功能是将由发射机（或传输线）送来的高频电流（或导波）能量转变为无线电波并传送到空间；在接收端，则将空间传来的无线电波能量转变为向接收机传送的高频电流（或导波）能量。
随着3G技术的不断发展，TD-SCDMA智能天线系统中越来越趋向于使用双极化天线阵列，在减小阵面口径便于安装架设的同时可以获取极化分集增益。极化分集技术利用了正交极化信号间的低相关性，即要求双极化天线的极化隔离度至少在30dB以上。同时为了保证基站天线在整个扇区内的覆盖，要求天线法向以外也具有较高的交叉极化鉴别率。常规微带印刷振子形式的双极化天线往往法向的交叉极化鉴别率尚可，主瓣以外的区域交叉极化瓣就迅速抬高；极化隔离度一般也就在20dB左右。目前的双极化天线主要用于A频段：1880MHz～1920MHz和B频段：2010MHz～2025MHz两个频段。而随着用户要求的不断提高和通信技术的迅速更新，国内各界开始大力发展TD-LTE，即在TD的基础上进行长期演进，智能天线发展的趋势是能覆盖包括A、B频段以及C频段：2300MHz～2400MHz和D频段：2500MHz～2700MHz共四个频段在内的宽带天线，因此双极化天线的带宽也需要进一步的展宽。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有的双极化天线的带宽较小无法满足TD-LTE发展需要的问题，设计一种能满足所有频段需要的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元。
本实用新型的技术方案是：
一种采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：由称振子1和振子2十字正交对插构成，振子1和振子2均为伞形对称结构，所述的振子2上设有供振子1上的短路片6通过的孔10。
振子1由馈电巴伦3、两层印制板4、两层铜箔衬底5以及两个短路片6组成，馈电巴伦3位于两层印制板4的中间，两层铜箔衬底5分别固定在对应的两层印制板4的表面，每铜箔衬底5由对称的互不相连的两部分组成，两部分之间设有短路槽，两部分之间通过穿过所述孔10的短路片6相连。
振子2由馈电巴伦7、两层印制板8和两层铜箔衬底9组成，馈电巴伦7位于两层印制板8的中间，两层铜箔衬底9分别固定在对应印制板8的外表面上，印制板8和铜箔衬底9上均开有供所述的短路片6穿过的孔10，所述的铜箔衬底9的上部设有供振子1插入的开口，铜箔衬底9的下部相连。
振子1和振子2的高度为0.28λ～0.32λ，底部的宽度约为0.15λ，振子臂总长度为0.45λ～0.55λ，振子臂宽度为0.1λ～0.15λ，λ为天线的波长。
为了实现振子1和振子2的十字正交结构，并且连接牢固紧密，振子1开设有用于正交插装的下开缝的宽度等于振子2的总厚度，所述的下开缝长度约为0.2λ～0.3λ；振子2上部开设有用于正交插装的上开缝，所述上开缝的宽度等于振子1的总厚度，上开缝的长度约为0.04λ～0.08λ，所述的振子2上所开设的供振子1上的短路片6通过的用于连接振子两臂的孔10的宽度略大于振子1的总厚度，孔10的高度与短路片6的高度相同或略大，λ为天线的波长。
振子1外侧的两层铜箔衬底5上的短路槽的宽度为0.014λ～0.02λ，所述短路片6的位置在振子1顶部向下0.25λ～0.3λ；振子2外侧的铜箔9上开设的供振子1插入的开口的宽度为0.014λ～0.02λ，开口的长度为0.25λ～0.3λ，λ为天线的波长。
馈电巴伦3的底端与振子1底部平齐，中心线与振子1的中心线重合；馈电巴伦7底端与振子2底部平齐，中心线与振子2的中心线重合；馈电巴伦3和馈电巴伦7的下部宽段，即50欧姆馈线段的长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.01λ～0.02λ；连接50欧姆馈线段的窄段，即变换段的长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.004λ～0.007λ；另一侧的窄段，即开路段的长度为0.15λ～0.2λ，宽度为0.004λ～0.007λ；开路段与变换段之间的距离大于3～5倍的线宽，λ为天线的波长。
馈电巴伦3向上形成一个锐角为30°的等边三角形，馈电巴伦7向下形成一个锐角为30°的等边三角形，以方便两个馈电巴伦3和馈电巴伦7的十字正交和空间位置的错开。
本实用新型的有益效果：
1）本实用新型采用印制板加工组装而成，结构形式简单，馈电形式简单，在加工、安装过程中大大缩减了工序，提高了效率，非常适用于批量生产。
2）通过采用带状线结构，显著改善了双极化天线单元的极化隔离度和交叉极化性能。
3）通过优化振子长度和高度、振子臂宽度、馈电巴伦各段的长度和宽度、短路线的长度等以满足天线的带宽、扫描、极化隔离度和交叉极化鉴别率性能：
★ 本实用新型的双极化天线带宽接近40%；
★ 天线单元扫描范围和工作频带内的驻波特性VSWR<3，从而保证天线单元扫描时的增益；
★ 天线极化隔离度性能好，≤-25dB；
★ ±60°范围内交叉极化鉴别率在20dB以上。
附图说明
图1是本实用新型的双极化天线单元三维图及其结构分解结构示意图。
图2是本实用新型的双极化天线单元中馈电巴伦3和7的相对位置关系示意图。
图3是本实用新型的振子2的中间剖面及外侧视图。
图4是本实用新型的振子1的中间剖面及外侧视图。
图5是本实用新型的天线单元两个极化振子的扫描驻波曲线。
图6本实用新型的天线单元带内极化隔离度曲线图。
图7本实用新型的天线单元交叉极化鉴别率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1-4所示。
一种采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，它由两个十字正交的伞形对称振子1和2组成。其中振子1由馈电巴伦3、两层印制板4、两层铜箔衬底5和两个短路贴片6组成；振子2由馈电巴伦7、两层印制板8和两层铜箔衬底9组成。振子2上开小孔10，供振子1中的短路贴片6穿过以便与铜箔衬底5连接。图1给出了天线单元的三维示意图以及振子1和振子2的结构分解示意图。
1) 本天线单元结构外形与常规微带形式的印刷振子非常相似，区别在于将微带线结构改为带状线结构，将馈电巴伦由开放式结构改为封闭式结构，巴伦直接辐射泄漏非常小，改善了两个振子之间的隔离度性能。
2) 本天线单元中为了实现两个振子结构上的十字正交，如图1所示，振子1下部开缝，振子2上部开缝，然后进行卡位对接。两个巴伦如图2所示正交且错开。振子2上的铜箔衬底9开短路槽，而振子1上的铜箔衬底5则必须通过短路贴片6实现短路。振子2上的小孔10作用就是让短路贴片6通过。
3) 为了满足天线的宽带和宽角扫描性能，利用电磁场数值算法结合仿真技术，通过优化设计与性能比对来达到改善天线辐射特性及S参数的目的。在优化设计阶段，重点调整优化了振子高度、振子臂长度及臂宽和下倾角度、印刷巴伦各段的长度和宽度、短路槽的长度和宽度等。通过这些参数的优化，最终实现满足宽带、高隔离、低交叉极化的天线性能要求。
振子1由馈电巴伦3、两层印制板4、两层铜箔衬底5以及两个短路片6组成。馈电巴伦3位于正中间，两侧向外依次为印制板4和铜箔5，共计5层通过层压工艺形成一个整体。短路片6在振子1和振子2形成正交后穿过振子2上的孔10，在规定位置与铜箔5进行焊接形成短路点。如图4
振子2由馈电巴伦7、两层印制板8和两层铜箔衬底9组成。馈电巴伦7位于正中间，两侧向外依次为印制板8和铜箔9，共计5层通过层压工艺形成一个整体。印制板8和铜箔9上均开小孔10，以供振子1的短路片6通过。如图3所示。
振子1和振子2的高度为0.28λ～0.32λ，底部的宽度约为0.15λ，振子臂总长度(中间加两侧下倾边)为0.45λ～0.55λ，振子臂宽度为0.1λ～0.15λ，λ为天线波长，下同。
为了实现振子1和振子2的十字正交结构，并且连接牢固紧密，振子1下部中间开缝，开缝宽度等于振子2的总厚度，开缝长度根据馈电巴伦的结构和位置确定，约为0.2λ～0.3λ；振子2上部中间开缝，开缝宽度等于振子1的总厚度，开缝长度根据馈电巴伦的结构以及位置确定，约为0.04λ～0.08λ。为了让振子1的短路片6连接振子两臂，在振子2上开小孔10，宽度略大于振子1的总厚度，高度与短路片6的高度相同或略大，位置根据短路片6的位置确定。
振子1外层两层铜箔5上开宽度为0.014λ～0.02λ的短路槽，通过短路片6连接形成短路点，短路片6的位置在振子1顶部向下0.25λ～0.3λ。振子2外层两层铜箔9上开宽度为0.014λ～0.02λ，长度为0.25λ～0.3λ的短路槽，并与印制板8一样开小孔10供振子1的短路片6穿过。
馈电巴伦3底端与振子1底部平齐，中心线与振子1的中心线重合；馈电巴伦7底端与振子2底部平齐，中心线与振子2的中心线重合。馈电巴伦3和馈电巴伦7的下部宽段，即50欧姆馈线段，长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.01λ～0.02λ；连接50欧姆馈线段的窄段，即变换段，其长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.004λ～0.007λ；另一侧的窄段，即开路段，其长度为0.15λ～0.2λ，宽度为0.004λ～0.007λ。开路段与变换段之间的距离大于3～5倍的线宽。
为了实现两个巴伦的十字正交和位置的空间错开，馈电巴伦3向上形成一个锐角为30°的等边三角形，馈电巴伦7向下形成一个锐角为30°的等边三角形。如图2所示。
下面给出依照上述设计和装配固定方法以及尺寸要求范围的具体实施例。
1) 天线单元总高度为40.5mm，两个振子底部宽度均为为20mm，振子臂总长度均为66mm(中间20mm，两条下倾臂长度均为23mm)，宽度为16mm，振子臂下倾的角度为50°。振子1和振子2之间夹角为90°。为了实现两个振子的十字正交，振子1的印制板4底部正中间开长度为32.5mm、宽度为2mm的缝；振子2的印制板8顶部正中间开长度为8mm、宽度为2mm的缝，同时为了让振子1的短路贴片6穿过，在振子2的印制板8底部正中间向上3mm处开长度为2mm、宽度为2.4mm的孔。如图1、图3和图4所示。
2) 如图4所示，振子1外侧铜箔5与印制板4的外形相同，中间开槽宽度为2.4mm，贯穿顶部至底部。短路贴片的位于底部向上3mm处，高度为2mm，宽度为4mm～6mm，以便与铜箔衬底5焊接形成短路点。图3中，振子2的外侧铜箔衬底9与印制板8外形相同，自顶部中间向下开宽度为2.4mm，长度为35mm的短路槽。
3) 为了实现十字正交和位置空间错开，巴伦3顶部为一个向上的三角，巴伦7顶部为一个向下的三角，相对位置关系如图2所示。巴伦3位于振子1的两层印制板和两层铜箔之间，底部与振子1底部平齐，中心线与振子1的中心线重合。巴伦3底部宽段长度为16.15mm、宽度为1.65mm；窄段宽度为0.7mm，如图4中所示，左侧变换段长度为16mm、右侧开路段长度为22mm；顶部三角两个锐角角度均为30°。巴伦7位于振子2的两层印制板和两层铜箔之间，底部与振子2底部平齐，中心线与振子2的中心线重合。巴伦7底部宽段长度为16.15mm、宽度为1.65mm；窄段宽度为0.7mm，如图3中所示，左侧变换段长度为16mm、右侧开路段长度为22mm；顶部三角两个锐角角度也均为30°。
4) 天线单元实现的主要性能指标为：
★ 天线单元驻波小于2.5的工作带宽在40%，驻波小于2的工作带宽在36%。
★ 天线极化隔离度性能好，≤-25dB；
★ ±60°的扫描范围能力；
★ ±60°范围内交叉极化鉴别率在20dB以上。
图5实施例中的宽频带驻波曲线图，横坐标表示工作频率，纵坐标表示驻波（VSWR），测试曲线表示天线各种扫描状态下两个极化端口1和2，即振子1和2的驻波随频率的变化。可以看出，在±60°的扫描范围内，扫描驻波小于3，工作带宽涵盖了1.9GHz到2.7GHz，达到40%，因此本天线单元具备宽带和±60°宽角扫描能力；
图6为实施例中的极化隔离度曲线，横坐标表示工作频率，纵坐标表示极化隔离度（以dB表示），表示振子1与振子2之间的隔离度随频率的变化，可以看出两极化端口间在1.8GHz到2.7GHz（40%带宽）实现了25dB以上的极化隔离度。
图7为实施例中的单元主极化和交叉极化的波瓣图，其中，横坐标表示空域角度；纵坐标表示波瓣幅度（以dB表示）。图中的曲线为高、中、低频时主极化和交叉极化波瓣随空域角度的变化；可以看出，大空域角度范围内的交叉极化电平低（±60度范围内大于20dB）；
从图5、6、7中可以看出，本专利给出的采用带状线形式的宽带高隔离双极化天线单元各项性能指标均达到了预期的设计要求。
本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1. 一种采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：由称振子（1）和振子（2）十字正交对插构成，振子（1）和振子（2）均为伞形对称结构，所述的振子（2）上设有供振子（1）上的短路片（6）通过的孔（10）。
2.根据权利要求1所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：振子（1）由馈电巴伦（3）、两层印制板（4）、两层铜箔衬底（5）以及两个短路片（6）组成，馈电巴伦（3）位于两层印制板（4）的中间，两层铜箔衬底（5）分别固定在对应的两层印制板（4）的表面，每铜箔衬底（5）由对称的互不相连的两部分组成，两部分之间设有短路槽，两部分之间通过穿过所述孔（10）的短路片（6）相连。
3.根据权利要求1所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：振子（2）由馈电巴伦（7）、两层印制板（8）和两层铜箔（9）组成，馈电巴伦（7）位于两层印制板（8）相对的任一面上，两层铜箔（9）分别固定在对应印制板（8）的外表面上，印制板（8）和铜箔衬底（9）上均开有供所述的短路片（6）穿过的孔（10），所述的铜箔衬底（9）的上部设有供振子（1）插入的开口，铜箔衬底（9）的下部相连。
4.根据权利要求2或3所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：振子（1）和振子（2）的高度为0.28λ～0.32λ，底部的宽度约为0.15λ，振子臂总长度为0.45λ～0.55λ，振子臂宽度为0.1λ～0.15λ，λ为天线的波长。
5.根据权利要求2或3所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：为了实现振子1和振子2的十字正交结构，并且连接牢固紧密，振子（1）开设有用于正交插装的下开缝的宽度等于振子（2）的总厚度，所述的下开缝长度约为0.2λ～0.3λ；振子（2）上部开设有用于正交插装的上开缝，所述上开缝的宽度等于振子（1）的总厚度，上开缝的长度约为0.04λ～0.08λ，所述的振子（2）上所开设的供振子（1）上的短路片（6）通过的用于连接振子两臂的孔（10）的宽度略大于振子（1）的总厚度，孔（10）的高度与短路片（6）的高度相同或略大，λ为天线的波长。
6.根据权利要求2或3所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：振子（1）外侧的两层铜箔衬底（5）上的短路槽的宽度为0.014λ～0.02λ，所述短路片（6）的位置在振子（1）顶部向下0.25λ～0.3λ；振子（2）外侧的铜箔（9）上开设的供振子（1）插入的开口的宽度为0.014λ～0.02λ，开口的长度为0.25λ～0.3λ，λ为天线的波长。
7.根据权利要求2或3所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：馈电巴伦（3）的底端与振子（1）底部平齐，中心线与振子（1）的中心线重合；馈电巴伦（7）底端与振子（2）底部平齐，中心线与振子（2）的中心线重合；馈电巴伦（3）和馈电巴伦（7）的下部宽段，即50欧姆馈线段的长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.01λ～0.02λ；连接50欧姆馈线段的窄段，即变换段的长度为0.1λ～0.15λ，宽度为0.004λ～0.007λ；另一侧的窄段，即开路段的长度为0.15λ～0.2λ，宽度为0.004λ～0.007λ；开路段与变换段之间的距离大于3～5倍的线宽，λ为天线的波长。
8.根据权利要求2或3所述的采用带状线结构的宽带高隔离双极化天线单元，其特征在于：馈电巴伦（3）向上形成一个锐角为30°的等边三角形，馈电巴伦（7）向下形成一个锐角为30°的等边三角形，以方便两个馈电巴伦（3）和馈电巴伦（7）的十字正交和空间位置的错开。
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