CN203589200U - 辐射单元及其线阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种辐射单元，适用于线阵天线中以减少辐射单元之间的互耦，包括用于无线通信过程中的信号发送或接收的两对正交极化的半波振子、四个巴伦和一个底座，其中每个所述巴伦的一端相应地连接一个所述半波振子，另一端连接所述底座，每个所述半波振子包括两条辐射臂，每条所述辐射臂包括第一辐射段、第二辐射段以及用于连接所述第一辐射段和第二辐射段的内连接段;在向所述底座所处平面上的投影中，所述第二辐射段相较于所述第一辐射段向辐射单元中心收缩。本实用新型实施例还公开了一种利用上述辐射单元构成的线阵天线。使用本实用新型可以有效减小整体的外围尺寸，使整个辐射单元小型化。该辐射单元在小间距组阵的情况下优势明显。

Description

辐射单元及其线阵天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信线阵天线领域，尤其涉及一种辐射单元及其线阵天线。

背景技术

板状定向阵列天线由于其可以通过各辐射单元馈电的幅度、相位的改变以及反射板边界的改变实现复杂的总方向图，进而实现良好的区域覆盖。以单频段阵列天线为例，为实现较高的增益，阵元间的组阵间距通常为中心频点的0.8－1个波长，组阵间距太小会导致合成的增益不高，组阵间距太大会导致栅瓣的出现，尤其是在高楼建筑越来越多，移动蜂窝小区越来越小的情况下，常需要大下倾角的天线，更需要考虑组阵间距对栅瓣的影响，合理地选择阵列的组阵间距。

随着移动通信的迅速发展，现有网络中2G,3G,LTE多网共存，运营商迫切需求能同时满足这三个频段的天线，以减少网络建设成本，这就给天线设计提出了更高的要求：超宽频带，多频段共用等。

现有的技术中，多频天线中的不同频段辐射单元的分布可以分为两大类：一类是共轴排列，即各频段辐射单元在组阵时的轴线是相同的。另一类是并排排列，即各频段辐射单元在组阵时的轴线是不相同的，通常是两条平行的轴线上。但由于并排排列形式下，各频段辐射单元在反射板上所处的边界是不对称的，最终导致其辐射方向图也是不对称的，难以实现多个频段方向图对同一区域的良好覆盖，共轴排列就可以很好地避免这个问题，但共轴的缺点是不同频段辐射单元的组阵间距互相牵制，不同辐射单元之间的互耦较为严重，常需要设计低互耦，小型化的辐射单元以及增加去耦的边界。

GTE的专利US4434425提出将高频辐射单元嵌套在低频辐射单元中间，如图1所示，它为多频段天线共轴设计提供了方向，也为外围的低频单元设计指明了思路。

专利CN201134512Y给出了一种投影为圆形的设计。如图2所示，该辐射单元包括：两对极化正交的对称振子1a,2b,3c,4d，用于发射或接收通信信号。对应每个对称振子的平衡器5a,5b,5c,5d，对每个对称振子进行平衡馈电。每个对称振子，以对称振子1为例，包括对称固设在平衡器上的两个单元臂11a,11b,单元臂关于平衡器对称。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14a,14b。该文献还公开了应用该辐射单元的线阵天线，如图3所示。图3中7为高频单元，9为低频单元，8为金属板。

除此之外，该文献还给出另一种优选实施方式。如图4所示，其单元臂11a’11b’与平衡器向内形成锐角。该文献公布的方案中，极化相同的一对对称振子之间的间距为0.4-0.6个工作波长，每个对称振子的长度相同且为0.4-0.6个工作波长。

专利CN201820883U给出了一种投影为八边形的设计，如图5所示，此方案中的辐射单元包括两对极化正交的偶极子，对每个偶极子进行平衡馈电的平衡器，每个偶极子包括一端对称固定安装在平衡器上的两个单元臂，单元臂的另一端设有加载线，每个偶极子关于平衡器呈非对称的折线状，其中，一个单元臂末端的加载线向内折弯，另一个单元臂的末端的加载线采取向下折弯。该文献还公开了应用该辐射单元组成的宽频双极化天线的结构，如图6所示。其中A1、A2为低频辐射单元，B1、B2、B3为高频辐射单元，C1为金属反射板。该方案中的4个偶极子两两间距为0.4-0.6个工作波长。

然而以上所述现有技术都存在一定的缺陷。US6333720专利，由于4个半波振子辐射臂均未做弯折处理，±45°极化的天线需将其旋转45度放置在反射板上，如图7所示。低频辐射单元对处于中间的高频辐射单元遮档明显，导致该高频单元方向图性能及电路性能严重恶化，进而整机性能下降，其实际天线中不得不在振子上方增加复杂的塑胶介质以降低频段间的严重互耦，但这也增加了天线的复杂程度及成本。

CN201134512Y专利和CN201820883U专利均对以上单元形式进行了改进，主要是将原先是直的辐射臂进行折弯，使其正面投影呈圆形或呈八边形，从一定程度上降低了低频辐射单元对处于两个低频辐射单元之间的高频辐射单元的影响，但随着与LTE超宽带高频单元（工作频段：1710～2690MHz）进行共轴组阵时，因2690MHz频点对应的波长才111mm，为了兼顾高频段方向图性能，将低频辐射单元的组阵间距进一步缩小的时候，还是会出现相同的问题。而导致原因是辐射单元的辐射臂没有合理布局，导致较小的组阵间距下会有严重的互耦问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种辐射单元，能够有效降低振子之间以及不同频段间的互耦，同时在保证结构可靠性的基础上进一步减小材料以及减轻天线重量。

本实用新型提供一种辐射单元，适用于线阵天线中以减少辐射单元之间的互耦，包括用于无线通信过程中的信号发送或接收的两对正交极化的半波振子、四个巴伦和一个底座，其中每个所述巴伦的一端相应地连接一个所述半波振子，另一端连接所述底座，每个所述半波振子包括两条辐射臂，每条所述辐射臂包括第一辐射段、第二辐射段以及用于连接所述第一辐射段和第二辐射段的内连接段;

所述第二辐射段相较于所述第一辐射段在所述底座所处平面的投影向辐射单元中心收缩。

进一步的，两对所述正交极化的半波振子在所述底座平面上的投影，呈一个中部向辐射单元中心收缩的方形结构。

进一步的，所述第一辐射段和所述第二辐射段的长度相近。

进一步的，所述内连接段可平行于所述底座所处平面，也可与所述底座所处平面呈一夹角。

进一步的，所述调谐段连接在所述第二辐射段靠近内连接段的一端，所述加载段连接在所述第二辐射段的另一端。

进一步的，每一个所述半波振子的两个所述辐射臂，除调谐段和加载段之外的部分关于所述巴伦呈对称形式，所述调谐段和加载段可根据需要设置为关于所述巴伦呈对称或不对称形式。

进一步的，处于同一个极化的两个所述半波振子关于辐射单元中心呈对称设置，两个所述半波振子之间的距离为0.36－0.45个工作波长，呈极化正交的两对所述半波振子除调谐段和加载段之外的部分关于辐射单元中心呈旋转对称，所述调谐段和加载段可根据需要设置为关于辐射单元中心呈旋转对称或不对称形式。

进一步的，每条所述辐射臂的截面可以呈圆形，椭圆形，平形四边形，L形，凹形，凸形，或者其中的多种形式组合。

进一步的，每个所述巴伦由多段折线段和/或弧线段组成，从下至上所述折线段或弧线段与所述底座所处平面的夹角呈依次增大的设置。优选的，每个所述巴伦由三段折线段和/或弧线段组成，其中，所述巴伦与底座相连的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈约15°～25°夹角，中间的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈30°～60°夹角，与所述半波振子相连的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈75°～90°夹角。每个所述巴伦的截面可以呈L形或凹形。

进一步的，所述底座的形状可以是是四边形、四边形经过多次倒角形成的多边形或圆形的板或者环，所述底座的中间区域用于放置高频振子。

本实用新型还提供一种线阵天线，包括作为反射器的金属反射板，所述金属反射板上设置至少一个所述辐射单元。

进一步的，所述金属反射板上还线性设置有与所述辐射单元共轴的多个高频辐射单元，其中至少有一个所述高频辐射单元镶嵌在所述辐射单元中，至少有一个所述高频辐射单元设置在相邻的两个所述辐射单元之间。

使用本实用新型具有以下有益效果：

1、降低互耦。因第二辐射段向辐射单元中心收缩，在多频共轴组阵时，对处于两个低频振子之间的高频振子互耦明显降低，使高频振子电路性能与方向图性能大大改善。

2、小型化辐射单元。保证电性能的前提下将辐射臂分成两段，其中每一对半波振子的第二辐射段均向辐射单元中心作一定的收缩，使辐射单元在组阵轴向上的口径尽可能小。

3、与超宽带LTE振子（1710－2690MHz）共轴组阵时，对高频段电路及方向图性能的改善尤为明显。

4、本实用新型在保证有效表面积的前提下，将辐射臂的截面尽可能做得节省材料，在保证结构可靠性的基础上进一步减小材料以及减轻天线重量。

本实用新型通过巧妙设计辐射臂及巴伦的形式，有效减小整体的外围尺寸，使整个辐射单元小型化。该辐射单元在小间距组阵的情况下优势明显，例如大下倾和超宽频带共轴多频的应用场合下。

附图说明

图1是现有技术辐射单元示意图；

图2是现有技术辐射单元示意图；

图3是现有技术线阵天线示意图；

图4是现有技术辐射单元示意图；

图5是现有技术辐射单元示意图；

图6是现有技术线阵天线示意图；

图7是现有技术线阵天线正投影示意图；

图8为本实用新型辐射单元实施例的正投影示意图；

图9为本实用新型辐射单元实施例的侧投影示意图；

图10为本实用新型辐射单元实施例的立体示意图；

图11为本实用新型辐射单元辐射臂实施例示意图；

图12为本实用新型辐射单元辐射臂实施例示意图；

图13为本实用新型辐射单元加载段实施例示意图；

图14为本实用新型辐射单元巴伦实施例示意图；

图15为本实用新型辐射单元巴伦的几种组合形式实施例示意图；

图16为本实用新型辐射单元巴伦实施例在相同长度下直线段和多折线段对比的示意图；

图17为本实用新型辐射单元与现有技术在正投影方向上对比图；

图18为本实用新型线阵天线实施例正投影方向示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

本实用新型实施例的辐射单元的整体结构模型如下图8至图10所示。图8为本实用新型辐射单元实施例的正投影示意图，图9为本实用新型辐射单元实施例的侧投影示意图，图10为本实用新型辐射单元实施例的立体示意图。如图8所示，本实施例的辐射单元包括一个底座1，四个巴伦2A、2B、2C、2D和四个半波振子3A、3B、3C、3D。底座1的结构可以是四边形、多边形或圆形的板或者环，底座中间的区域用于放置高频辐射单元。每一个巴伦的一端连接一个对应的半波振子的两个辐射臂（例如，巴伦2A对应连接半波振子3A的两个辐射臂）以对其进行平衡馈电，另一端连接所述底座1。四个巴伦2A、2B、2C、2D为相同结构，对称设置在4个方向上，相应的，在本实施例中，四个半波振子3A、3B、3C、3D结构基本相同，对称设置在4个方向上用于无线通信过程中的发送或接收信号。

现结合图8～13对本实施例的半波振子进行详细描述：

通过图11可以看到，四个所述正交极化的半波振子3A、3B、3C、3D在所述底座所述平面上的投影，呈一个中部向辐射单元中心收缩的方形结构，处于两个对角的两个所述半波振子（例如，3A和3C，或者3B和3D）构成一个极化，与另外两个对角的两个所述半波振子形成的极化正交。处于同一极化的两个半波振子关于辐射单元中心呈旋转对称设置，其间距离为0.36-0.45个工作波长，处于不同极化的两对半波振子除加载段和调谐段外关于辐射单元中心呈旋转对称。

鉴于每个所述半波振子的结构基本相同的，下面，以其中的半波振子3A为例进行详细的描述。如图12所示，所述半波振子3A包括两个辐射臂3A0和3A0’，且所述两个辐射臂3A0和3A0’组成的整体轮廓呈90度分布。

以辐射臂3A0为例，主要由第一辐射段3A1、第二辐射段3A4、用于连接所述第一辐射段3A1、所述第二辐射段3A4的内连接段3A2、调谐段3A3以及加载段3A5(图13)共同组成，其中所述第一辐射段3A1一端与所述巴伦2A连接，另一端与内连接段3A2相连，所述第二辐射段3A4的一端与所述内连接段3A2相连，另一端设置所述加载段3A5。所述内连接段3A2可平行于所述底座所处平面，也可斜向下或向上与所述底座所处平面呈一夹角，使所述第一辐射段3A1与所述第二辐射段3A2能够根据需要设定相对位置。所述加载段3A5可设置为向下、向上、斜向下、向辐射单元中心以提高性能。为达到小型化的目的，所述第二辐射段3A4可相较于所述第一辐射段3A1在所述底座1平面的投影向辐射单元中心收缩。优选的，所述第一辐射段3A1和所述第二辐射段3A4的长度相近，并处于同一个平行于所述底座1所处平面的平面内。另一条辐射臂3A0’为相应连接方式,同样包括第一辐射段3A1’、第二辐射段3A4’、内连接段3A2’、调谐段3A3’以及加载段3A5’(图13)，由于结构相似，此处不再赘述。优选的，在本实施例中，所述辐射臂3A0的截面可以呈圆形、椭圆形、平形四边形、L形、凹形、凸形，或者其中的多种形式组合。

由于图12为所述半波振子实施例的正面示意图，其中未能示出所述加载段3A5、3A5’，下面结合附图13详细描述所述加载段3A5、3A5’。如图13所示，在所述第二辐射段3A4和3A4’的末端设置有向下的加载段5A,5A’。根据工作频率及带宽的需要，所述加载段3A5、3A5’可以设置成长短不一致以获得更宽的谐振频带，当然也可以设置成长度一致，方向也可以垂直向下或向上，或与辐射臂处于同一平面朝振子中心设置。

所述加载段3A5、3A5’或所述调谐段3A3、3A3’的作用，都是使振子能够谐振至需要的频带上，它们的长度、形状及方向的设置常根据实际需要的频带来确定，不可以随意设置，但有大体的方向指导，如要使谐振频率朝低端走，所述加载段3A5、3A5’和所述调谐段3A3、3A3’常设置得较长，反之，使谐振频率朝高端走则设置得较短或不设置。因为所述调谐段3A3和3A3’，以及所述第二辐射段3A4和3A4’末端加载段3A5和3A5’的设置不同，两个辐射臂3A0和3A0’可以关于巴伦2A呈不对称形式。

四个巴伦2A、2B、2C、2D为相同结构，下面将结合附图14以其中一个巴伦2A为例进行详细描述：

图14为本实用新型巴伦的一个实施例，图中巴伦2A由两条对称设置且中间有一定间隔的巴伦臂2A0、2A0’组成。其中一条巴伦臂2A0由依次相连的折线段2A1、2A2、2A3构成，与其对称的另一条巴伦臂2A0’由依次相连的折线段2A1’、2A2’、2A3’构成。折线段2A1和2A1’的一端是与底座相连的，折线段2A3和2A3’的一端是与对应的辐射臂（图未示）相连。所述巴伦臂2A0、2A0’的横截面为L形或凹形。

优选的，所述巴伦臂2A0中从下至上所述折线段与所述底座所处平面的夹角呈依次增大。具体的，所述巴伦与底座相连的折线段2A1与所述底座所处平面呈约15°～25°夹角，中间的折线段2A2与所述底座所处平面呈30°～60°夹角，与所述半波振子相连的折线段2A3与所述底座所处平面呈75°～90°夹角。所述巴伦臂2A0’与所述巴伦臂2A0结构相同，此处不再赘述。

在本实施例中，虽然所述巴伦2A的每条巴伦臂2A0或2A0’的结构为三段折线式，但其结构不局限于此，每条巴伦可以是呈弧状的多线段或呈折线段的多线段或者是弧状和折线状的组合。

为了易于理解，下面将结合附图15和附图16进行描述：

图15所示为本实用新型辐射单元的巴伦的巴伦臂的几种组合形式实施例示意图。其中线11示意直线加直线加直线型结构的巴伦臂，线12示意直线加弧线加直线型结构的巴伦臂，线13示意弧线加直线加直线型结构的巴伦臂。需要指出，它们的组合多种多样，不局限于以上所列出的几种组合，但总长度保持在工作频带的1/4波长附近，各段的截面可以不一致，常根据结构可靠性以及加工方便性进行设置。

无论所述巴伦2A的每条巴伦臂由几段折线段和/或弧线段组成，其从下至上所述折线段或弧线段与所述底座所处平面的夹角需呈依次增大的设置，这样可以降低振子的高度以达到小型化的目的。如图16所示，假如图中的直线段14和多折线段15均表示巴伦的巴伦臂，那么，在相同长度下，直线段14在多次弯折后形成多段折线段15，所述多段折线段15在高度上和宽度上都相对于直线段14变小了，但总长度还是1/4波长附近，能够起到扼流的效果。单弧线型也具有减小高度及宽度的效果，但没有多折线灵活，多折线可以根据需要灵活设计每一段的长度以及与反射板的角度以使性能最优，例如最低处尽量平缓，与反射板呈较小的夹角以给中心放置的高频振子尽可能大的空间。

图17为两种现有技术与本实用新型辐射单元实施例在正投影方向上的对比图。从图中可以显而易见地看出，本实用新型实施例的辐射单元（位于图中中间）在保证性能的前提下，可以有效减小辐射单元的外围尺寸。相比其他类似实用新型在同样±45°极化形式下，可以有效减小整体尺寸。其中，中间处往辐射单元中心收缩的设计，可以在多频共轴时，有效降低对高频单元的互耦效应。

图18所示为应用本实用新型辐射单元组成的线阵天线实施例示意图。包括作为反射器的金属反射板4，所述金属反射板上线性设置至少一个上述实施例的所述辐射单元（在本实施例中，包括两个所述辐射单元5A、5B）。同时所述金属反射板上线性设置有与所述辐射单元5A、5B共轴的多个高频辐射单元6A、6B、6C，其中，所述高频辐射单元6A和6C镶嵌在本实用新型辐射单元5A、5B中，所述高频辐射单元6B设置在相邻的两个本实用新型辐射单元5A和5B之间。在本实施例的线阵天线中，由于所述辐射单元5A、5B的中间处往辐射单元中心收缩的设计，可以在多频共轴时，有效降低对高频辐射单元6B的互耦效应。

本实用新型主要是从大倾角天线以及超宽带多频天线这两个应用角度出发，通过巧妙设计低频辐射单元的辐射臂形式，有效降低较小组阵间距的情况下，单元之间的互耦问题。另外，结构设计上也是在保证强度可靠的前提下，尽可能地减少用料以减轻辐射单元的重量。使该辐射单元真正意义的小型化。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种辐射单元，适用于线阵天线中以减少辐射单元之间的互耦，包括用于无线通信过程中的信号发送或接收的两对正交极化的半波振子、四个巴伦和一个底座，其中每个所述巴伦的一端相应地连接一个所述半波振子，另一端连接所述底座，其特征在于：

每个所述半波振子包括两个辐射臂，每个所述辐射臂包括第一辐射段、第二辐射段以及用于连接所述第一辐射段和第二辐射段的内连接段;在向所述底座所处平面上的投影中，所述第二辐射段相较于所述第一辐射段向辐射单元中心收缩。

2.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，两对所述正交极化的半波振子向所述底座所处平面的投影，呈一个中部向辐射单元中心收缩的方形结构。

3.根据权利要求1中任一所述辐射单元，其特征在于，所述第一辐射段和所述第二辐射段的长度相近。

4.根据权利要求1所述辐射单元，其特征在于，每条所述辐射臂还包括加载段和调谐段，所述调谐段连接在所述第二辐射段靠近内连接段的一端，所述加载段连接在所述第二辐射段的另一端；每一个所述半波振子的两个所述辐射臂，除调谐段和加载段之外的部分关于所述巴伦呈对称形式，所述调谐段和加载段可根据需要设置为关于所述巴伦呈对称或不对称形式。

5.根据权利要求4所述的辐射单元，其特征在于：处于同一个极化的两个所述半波振子关于辐射单元中心呈对称设置，两个所述半波振子之间的距离为0.36－0.45个工作波长，与呈极化正交的两个所述半波振子除调谐段和加载段之外的部分关于辐射单元中心呈旋转对称，所述调谐段和加载段可根据需要设置为关于辐射单元中心呈旋转对称或不对称形式。

6.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于：每个所述巴伦由多段折线段和/或弧线段组成，从下至上所述折线段或弧线段与所述底座所处平面的夹角呈依次增大的设置。

7.根据权利要求6所述的辐射单元，其特征在于，每个所述巴伦由三段折线段和/或弧线段组成，其中，所述巴伦与底座相连的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈约15°～25°夹角，中间的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈30°～60°夹角，与所述半波振子相连的折线段/弧线段与所述底座所处平面呈75°～90°夹角。

8.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于：所述底座的结构可以是四边形、四边形经过多次倒角形成的多边形或圆形的板或环，所述底座的中间区域用于放置高频振子。

9.一种线阵天线，包括作为反射器的金属反射板，其特征在于：所述金属反射板上设置至少一个如权利要求1至8中任意一项所述的辐射单元。

10.根据权利要求9所述的线阵天线，其特征在于：所述金属反射板上线性设置有与所述辐射单元共轴的多个高频辐射单元，其中至少有一个所述高频辐射单元镶嵌在所述辐射单元中，至少有一个所述高频辐射单元设置在相邻的两个所述辐射单元之间。

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