CN204130695U - 一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，包括：依次设置的多个辐射片、基片和反射板；基片的正面与辐射片相对，且基片的正面设有激励缝隙；基片的背面与反射板相对，且基片的背面设有第一功分器及两路第一传输线、第二功分器及两路第二传输线；第一传输线和第二传输线分别为两路极化正交的交叉线极化天线的传输线；两路第一传输线分别与第一功分器的两个输出端相连，两路第二传输线分别与第二功分器的两个输出端相连；两路第一传输线和两路第二传输线分别与激励缝隙正交相交、并与基片正面的金属面相连。该超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线通过设置的大小不同、对应不同频段的多层辐射片，达到扩展频带的效果。

Description

一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信领域中的天线技术领域，具体地，涉及一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线。

背景技术

按照国际无线电规则规定，现有的无线电通信共分成航空通信、航海通信、陆地通信、卫星通信、广播、电视、无线电导航，定位以及遥测、遥控、空间探索等50多种不同的业务，并对每种业务都规定了一定的频段。

在移动通信业务中，所有手机的通讯频段各不相同，GSM900使用890-960MHz，GSM1800使用1710-1850MHz，CDMA使用825-880MHz，3G的主要工作频段则在1880-2025MHz，而此前工信部批准的4G频段是2575-2635MHz等高频段。

目前的2G、3G、4G通信网络共存，无论是基站还是室内分布系统，每个通信系统都有各自的天线，现有天线的带宽较窄，在满足2G、3G、4G天线带宽时需要采用多种不同带宽的天线，建站成本高。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术中双极化天线带宽较窄缺陷，根据本实用新型的一个方面，提出一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线。

本实用新型实施例提供的一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，包括：依次设置的多个辐射片、基片和反射板；基片的正面与辐射片相对，且基片的正面设有激励缝隙；基片的背面与反射板相对，且基片的背面设有第一功分器及两路第一传输线、第二功分器及两路第二传输线；第一传输线和第二传输线分别为两路极化正交的交叉线极化天线的传输线；两路第一传输线分别与第一功分器的两个输出端相连，两路第二传输线分别与第二功分器的两个输出端相连；两路第一传输线和两路第二传输线分别与激励缝隙正交相交、并与基片正面的金属面相连，且传输线与激励缝隙正交相交的四个正交点对称分布；多个辐射片为互相平行设置的圆形辐射片，且辐射片距离基片越远，辐射片的直径越小。

在上述技术方案中，激励缝隙为对称的渐变形状，包括：正十字形渐变形状、菱形十字渐变形状、工字渐变形状；在短路馈点处激励缝隙的宽度最窄，越靠近激励缝隙中央位置激励缝隙的宽度越宽，短路馈点为传输线与激励缝隙正交相交的正交点。

在上述技术方案中，基片背面在基片正面的激励缝隙的映射位置设置有与激励缝隙形状相同的十字缝隙，十字缝隙与各传输线支路相连通；在十字缝隙的中央位置设有与激励缝隙形成电容耦合的圆形金属面，圆形金属面的四周都被十字缝隙所包围。

在上述技术方案中，还包括：相移90度等功率分配器；第一功分器和第二功分器的输入端分别与相移90度等功率分配器的两个输入端相连。

在上述技术方案中，基片上设有多个过孔，且过孔沿传输线边沿和/或激励缝隙边沿分布；基片正面的金属面与基片背面的金属面通过过孔相连。

在上述技术方案中，还包括：介质层；介质层设置于辐射片与基片的正面之间，以及设置于多层辐射片之间，介质层的介电常数大于空气的介电常数。

在上述技术方案中，基片采用高介电常数基片，介质层和高介电常数基片的介电常数的取值范围分别为：

1≤M≤10；3.5≤N≤10；

其中，M为介质层的介电常数，N为高介电常数基片的介电常数。

在上述技术方案中，辐射片为弧面辐射片，弧面辐射片的弧面表面呈碗状设置。

在上述技术方案中，弧面辐射片的碗状底部形状包括圆面和平面，且弧面辐射片的弧面开口朝上或朝下。

在上述技术方案中，辐射片为弧面辐射片，弧面辐射片的弧面表面呈碗状设置；弧面辐射片的碗状底部形状包括圆面和平面，且弧面辐射片的弧面开口朝上或朝下。

本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，由第一传输线和第二传输线分别传输极化相差90度的两路传输信号，由等分二功分器将每路信号分成两路支路信号，该四条传输线支路同时激励十字星形激励缝隙，形成四次馈电，产生的电磁波激励多层辐射片，在多层薄层空间内形成多个不同频率的驻波型电磁场，并通过反射板二次激励这些辐射片，使得电磁波在大小不同的多层辐射片对应的不同频段中形成了多次谐振，从而达到扩展频带的效果。通过加入相移90度等功率分配器，使得输出的交叉线极化波在空间中形成交叉圆极化波，同时采用多层弧形辐射片，减少交叉圆极化波近场的干扰，使得交叉圆极化圆度更好，隔离度更高。同时，通过提高基片的介电常数，以及把辐射片与基片之间的空气层和多层辐射片之间的空气层改变成介质层，提高介质层的介电常数，来缩小超宽频天线的体积，可以控制天线的波束宽度，实现了超宽带超小型可控制波束宽度的天线。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第一结构图；

图2为本实用新型实施例中基片背面的结构图；

图3为本实用新型实施例中基片正面的结构图；

图4为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第一立体结构图；

图5为本实用新型实施例中基片短路馈点处的详细结构图；

图6为本实用新型实施例中基片背面的详细结构图；

图7为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的驻波图；

图8为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的增益图；

图9为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第二结构图；

图10为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第二立体结构图；

图11为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第三结构图；

图12为本实用新型实施例中超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的第三立体结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本实用新型实施例，提供了一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，图1为本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的结构图，图2和图3分别为基片的背面结构图和正面结构图，图4为该双极化天线的立体结构图。具体的，该超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线依次设置有多个辐射片20、基片10和反射板30。其中，辐射片20可以通过辐射片支架固定在基片10上，本领域技术人员可以理解，辐射片20也可以通过其他方式固定，采用辐射片支架仅为其中一种具体实施方式。

其中，基片10的正面与辐射片20相对，且基片10的正面设有激励缝隙101；基片10的背面与反射板30相对，且基片10的背面设有第一功分器110及两路第一传输线111、第二功分器120及两路第二传输线121；第一传输线111和第二传输线121分别为两路极化正交的交叉线极化天线的传输线；两路第一传输线111分别与第一功分器110的两个输出端相连，两路第二传输线121分别与第二功分器120的两个输出端相连。具体的，第一功分器110和第二功分器120均为等分二功分器。

两路第一传输线111和两路第二传输线121分别与激励缝隙101正交相交、并与基片10正面的金属面相连，且传输线与激励缝隙101正交相交的四个正交点对称分布。多个辐射片20为互相平行设置的圆形辐射片，且辐射片距离基片越远，辐射片的直径越小，具体如图1所示。

其中，激励缝隙101为对称的渐变形状，包括但不限于：正十字形渐变形状、菱形十字渐变形状、工字渐变形状。具体的，如图2和图3所示，在短路馈点处激励缝隙的宽度最窄，越靠近激励缝隙中央位置激励缝隙的宽度越宽，短路馈点为传输线与激励缝隙正交相交的正交点。短路馈点处的详细结构图参见图5所示。

在图2中，基片背面在基片正面的激励缝隙101的映射位置设置有与激励缝隙101形状相同的十字缝隙102，十字缝隙102与各传输线支路相连通。在本实用新型实施例提供的双极化天线中，在十字缝隙的中央位置还设有与激励缝隙形成电容耦合的圆形金属面130，圆形金属面130的四周都被十字缝隙所包围。该圆形金属面130与上述基片10的背面金属面并不连通。圆形金属面130可以减少激励缝隙102的长度，有利于实现天线的小型化。

优选的，基片10上设有多个过孔140，且过孔140沿传输线边沿和/或激励缝隙边沿分布，过孔的分布形状参见图2和图3所示。基片正面的金属面与基片背面的金属面通过过孔相连。

具体的，过孔的数量不止一个。在基片正面中，如图3所示，出激励缝隙101之外，基片正面的其他区域大面积覆铜，该基片正面的覆铜区域即为基片正面的金属面，该正面的金属正也为金属接地面。同理，在基片背面中，除十字缝隙102、功分器(包括第一功分器110和第二功分器120)、传输线(包括第一传输线111和第二传输线121)之外，基片背面的其他区域大面积覆铜，该基片背面的覆铜区域即为基片背面的金属面。

基片正面的金属面与基片背面的金属面通过过孔相连，使二者成为共地面，从而减少了传输线产生的平面波在电磁场中的干扰，使天线性能更稳定。两路第一传输线111和两路第二传输线121通过过孔140与基片10正面的金属面相连，即将传输线的末端(输出端)接地，即短路，减少了传输线与激励缝隙102相馈电的四个馈点间的耦合。

优选的，参见图6所示，该超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线还包括：相移90度等功率分配器150。其中，第一功分器110和第二功分器120的输入端分别与相移90度等功率分配器150的两个输入端相连。相移90度等功率分配器的输出端即为该双极化天线的发射端或接收端，可以向外输出交叉圆极化天线信号。

通过加入相移90度等功率分配器150，使得输出的交叉线极化波在空间中形成交叉圆极化波。该双极化天线发射的近区场交叉圆极化波，通过空间距离和极化的损耗，使得天线获得相应的天线端口隔离度。

同时，采用交叉圆极化天线取代交叉线极化天线，由于基站和终端是交叉线极化天线，两根正交的线极化天线接收一个交叉圆极化波时，其极化匹配因子为1，即达到最理想的极化匹配状态，且接收信号功率与收发天线位置无关，不取决于天线的方向，接收端的两根交叉线极化天线接收到的圆极化波的能量始终是相等的。同样的，当交叉圆极化天线接收交叉线极化波时也是如此。交叉圆极化天线取代交叉线极化天线，不仅接收能力比线极化天线好，而且使得天线从两个接头变为一个接头，提高了通道利用率，缩小了体积，节省了成本。

对本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线进行测试，该天线可以正常工作在1.71GHz-2.69GHz超宽带范围内，其驻波图以及增益图分别参见图7和图8所示。

在图7中，曲线1为隔离度曲线，由曲线1可见天线从1.71GHz—2.69GHz的隔离度在-30dB以下，曲线2和曲线3为驻波比曲线，由曲线2和3可见该天线从1.71GHz—2.69GHz的驻波比都在1.5以下。在图8中，曲线4为增益曲线，曲线5为波束宽度曲线。由图可见，在单元天线中：

1710MHz—1850MHz增益大约在6.7dB～7.2dB，波束宽度在77°～75°；

1880MHz—2170MHz增益大约在7.3dB～7.8dB，波束宽度在74°～69°；

2500MHz—2690MHz增益大约在8.5dB～9.2dB，波束宽度在65°～62°。

优选的，参见图9所示，本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线还包括：介质层40。介质层40设置于辐射片20与基片10的正面之间，以及设置于多层辐射片之间，且介质层40的介电常数大于空气的介电常数。其中，基片也可采用高介电常数基片。增加介质层后的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线的立体结构图参见图10所示。

下面以LTE天线为例，采用不同介电常数的基片和介质层、在2555-2635频段时的测试结果如下表1所示：

表1

由表1可得出。天线基片的介电常数一般是从3.5～10，介质层的介电常数达到10左右时，天线已不能正常工作。因此，介质层和高介电常数基片的介电常数的取值范围分别为：

1≤M≤10；3.5≤N≤10；

其中，M为介质层的介电常数，N为高介电常数基片的介电常数。相应的，天线波束宽度大约可控制在60°到110°之间。

本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，通过增加介质层以及提高基片的介电常数，使在基片中激励出来的频率信号波长变短，这样为了达到谐振辐射，微槽缝隙就需要相应的变短，从而可以大大减小了天线基片的尺寸。此外，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，缩小了信号的波长，与其产生谐振的辐射片的尺寸也相应减小；同时，由于介质层的介电常数变高，其损耗相应变大，当天线辐射出的信号经过具有更高介电常数的介质层时，天线的辐射效率便会降低，即天线增益降低，从而使得天线的波束宽度变宽。所以，介质层的介电常数越高，波束宽度越宽，即本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线通过改变介质层的材质(即改变介质层的介电常数)，可以控制天线的波束宽度。

优选的，参见图11和图12所示，本实用新型实施例中，辐射片20为弧面辐射片，弧面辐射片的弧面表面呈碗状设置。其中，弧面辐射片的碗状底部形状包括圆面和平面，且弧面辐射片的弧面开口朝上或朝下。

本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线处在近区场。利用弧面辐射片使天线在近区场形成的电磁波，到达接收天线4时，与接收天线4的电磁波进行能量的对消，即提高接收-发射天线的隔离度。通过调节弧面辐射片的弧度大小，控制基片10的上下距离以及弧面辐射片的弧面开口可朝上或朝下，来寻找达到接收天线与发射天线的能量对消点，能量对消越多，可获得更高的隔离度。

本实用新型实施例提供的超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，由第一传输线和第二传输线分别传输极化相差90度的两路传输信号，由等分二功分器将每路信号分成两路支路信号，该四条传输线支路同时激励十字星形激励缝隙，形成四次馈电，产生的电磁波激励多层辐射片，在多层薄层空间内形成多个不同频率的驻波型电磁场，并通过反射板二次激励这些辐射片，使得电磁波在大小不同的多层辐射片对应的不同频段中形成了多次谐振，从而达到扩展频带的效果。通过加入相移90度等功率分配器，使得输出的交叉线极化波在空间中形成交叉圆极化波，同时采用多层弧形辐射片，减少交叉圆极化波近场的干扰，使得交叉圆极化圆度更好，隔离度更高。同时，通过提高基片的介电常数，以及把辐射片与基片之间的空气层和多层辐射片之间的空气层改变成介质层，提高介质层的介电常数，来缩小超宽频天线的体积，可以控制天线的波束宽度，实现了超宽带超小型可控制波束宽度的天线。

本实用新型能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图12为例结合附图对本实用新型的技术方案作举例说明，这并不意味着本实用新型所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本实用新型权利要求的实施方式均应在本实用新型技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带小型化轻薄型双极化阵列天线，其特征在于，包括：依次设置的多个辐射片、基片和反射板；

所述基片的正面与所述辐射片相对，且所述基片的正面设有激励缝隙；所述基片的背面与所述反射板相对，且所述基片的背面设有第一功分器及两路第一传输线、第二功分器及两路第二传输线；所述第一传输线和所述第二传输线分别为两路极化正交的交叉线极化天线的传输线；两路所述第一传输线分别与所述第一功分器的两个输出端相连，两路所述第二传输线分别与所述第二功分器的两个输出端相连；

两路所述第一传输线和两路所述第二传输线分别与所述激励缝隙正交相交、并与所述基片正面的金属面相连，且传输线与所述激励缝隙正交相交的四个正交点对称分布；

多个辐射片为互相平行设置的圆形辐射片，且辐射片距离所述基片越远，辐射片的直径越小。

2.根据权利要求1所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述激励缝隙为对称的渐变形状，包括：正十字形渐变形状、菱形十字渐变形状、工字渐变形状；

在短路馈点处所述激励缝隙的宽度最窄，越靠近所述激励缝隙中央位置所述激励缝隙的宽度越宽，所述短路馈点为传输线与所述激励缝隙正交相交的正交点。

3.根据权利要求1所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述基片背面在所述基片正面的激励缝隙的映射位置设置有与所述激励缝隙形状相同的十字缝隙，所述十字缝隙与各传输线支路相连通；

在所述十字缝隙的中央位置设有与所述激励缝隙形成电容耦合的圆形金属面，所述圆形金属面的四周都被所述十字缝隙所包围。

4.根据权利要求1所述的双极化阵列天线，其特征在于，还包括：相移90度等功率分配器；

所述第一功分器和所述第二功分器的输入端分别与所述相移90度等功率分配器的两个输入端相连。

5.根据权利要求1所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述基片上设有多个过孔，且所述过孔沿传输线边沿和/或所述激励缝隙边沿分布；所述基片正面的金属面与所述基片背面的金属面通过所述过孔相连。

6.根据权利要求1-5任一所述的双极化阵列天线，其特征在于，还包括：介质层；

所述介质层设置于所述辐射片与所述基片的正面之间，以及设置于多层辐射片之间，所述介质层的介电常数大于空气的介电常数。

7.根据权利要求6所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述基片采用高介电常数基片，所述介质层和所述高介电常数基片的介电常数的取值范围分别为：

1≤M≤10；3.5≤N≤10；

其中，M为介质层的介电常数，N为高介电常数基片的介电常数。

8.根据权利要求1-5任一所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述辐射片为弧面辐射片，所述弧面辐射片的弧面表面呈碗状设置。

9.根据权利要求8所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述弧面辐射片的碗状底部形状包括圆面和平面，且所述弧面辐射片的弧面开口朝上或朝下。

10.根据权利要求6所述的双极化阵列天线，其特征在于，所述辐射片为弧面辐射片，所述弧面辐射片的弧面表面呈碗状设置；

所述弧面辐射片的碗状底部形状包括圆面和平面，且所述弧面辐射片的弧面开口朝上或朝下。