JP2016524414A - 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ - Google Patents

広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ Download PDF

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Abstract

本発明は、広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナを開示し、当該アンテナが2G/3G/LTE(4G)システムに適用され、アンテナ放射ユニット、反射板および2本の給電線を含む。前記アンテナ放射ユニットは、断熱支持構造により反射板の真上に固定され、+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子を含み、4リーフクローバー振動子が放射アームとマイクロストリップ線路を含み、放射アームが4リーフクローバー形放射アームであって誘電体基板上にエッチングされ、マイクロストリップ線路が放射アームに電力を供給することに用いられ、また誘電体基板上にエッチングされる。2本の給電線の各々は、それぞれ+45°/−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続される。【選択図】図1

Description

本発明は、移動通信基地局アンテナ技術に関し、特に広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナに関する。
移動通信技術の高速な発展に伴い、異なる周波数帯域を使用する移動通信システムが、次々と登場している。現在、中国では2G、3G、LTE(4G)システムが存在し、2Gシステムが周波数帯域1710−1850MHzを使用し、GSM1800などのシステムを含み、3Gシステムが周波数帯域1880−2170MHzを使用し、中国電信のcdma2000システム、中国移動のTD−SCDMAシステムおよび中国聯通のWCDMAシステムを含み、2.3GHz周波数帯域(2300−2400MHz)と2.6GHz周波数帯域(2500−2690MHz)がLTE(4G)周波数帯域に分けられるのに伴い、中国の無線通信システムは、現在、1710−2690MHz周波数帯域を覆った。したがって、新しく設計されて取り付けられた基地局アンテナは、帯域幅が1710−2690MHzを完全に覆うことを要求されて同時に異なる移動通信システムをサポートする。且つ無線移動サービスを使用するユーザが爆発的に増加し、通信システムの容量が拡大されるので、周波数帯域を拡張しても、もはや要求を満たすことができない。二重偏波アンテナは、偏波ダイバーシティ、周波数分割多重などの技術を適用し、通信システムの容量を効果的に向上させ、基地局アンテナに広く応用される。したがって、2G、3G、LTEシステムを同時にサポートすることができる広帯域二重偏波移動通信基地局アンテナは、十分に重要な実用価値と市場価値を持っている。
現在、二重偏波基地局アンテナは、主に2種類があって、それぞれパッチアンテナと振動子アンテナである。パッチアンテナは、一般的に多層構造であって、給電モードが複雑である。振動子アンテナは、一般的に十字状に交差する直立振動子であって、直交して置く(十字状に交差しない)直立振動子もあり、多くの場合で立体構造であって、その占める放射面積が大きい。パッチアンテナは、二重偏波を実現するために、給電構造自体がすでに複雑となり、パッチアンテナの帯域幅が一般的に狭いので、広帯域および高アイソレーションを取得するために給電構造を改善させる必要があり、給電モードがより複雑となる。振動子アンテナは、一般的に放射アームと支持構造から構成され、その給電モードが一般的に複雑なバラン構造を必要とし、同軸バラン、集積バランなどの形態があり、バラン構造が一般的に支持構造部に設置される。パッチアンテナと振動子アンテナは、すべて構造が複雑であり、大規模な製造に不利となる欠点が存在し、かつそれらのほとんどが2G、3G、LTE(4G)システムを完全にサポートする帯域幅を備えておらず、または、パターンなどの性能が理想的ではない。
これを鑑みて、本発明の実施形態は、アンテナ性能がより優れ、構造が簡単であり、製造に有利となるために、広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナを提供することを望む。
本発明の実施形態は、下記の技術的解決手段により実現される。
広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナは、アンテナ放射ユニット、反射板、第一の給電線および第二の給電線を含み、前記アンテナ放射ユニットが支持構造により反射板の上に固定され、前記アンテナ放射ユニットが平面構造であり、前記アンテナ放射ユニットが前記4リーフクローバー振動子と誘電体基板を備え、前記4リーフクローバー振動子が+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子を含み、前記4リーフクローバー振動子が放射アームとマイクロストリップ線路を含み、前記放射アームが4リーフクローバー形放射アームであり、前記放射アームが第一の放射アームと第二の放射アームを含み、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子が中心に十字状に交差して誘電体基板上にエッチングされ、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子が接続しなく、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが前記+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、誘電体基板の表面にエッチングされ、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームが誘電体基板の裏面にエッチングされ、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが前記−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、誘電体基板の裏面にエッチングされ、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームが誘電体基板の表面にエッチングされ、前記第一の給電線が+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、前記第二の給電線が−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続される。
好ましくは、本発明の実施形態に係る広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナは、1つの放射ユニットで45°二重偏波を実現し、前記アンテナ放射ユニットが軸対称構造であり、前記アンテナ放射ユニットが対称軸を備え、前記対称軸がアンテナ放射ユニットの中心を通り、前記対称軸が+45°対称軸と−45°対称軸を含み、+45°対称軸に位置する1ペア(即ち2つ)の4リーフクローバー形放射アームと当該軸に位置するマイクロストリップ線路が一緒に+45°偏波4リーフクローバー振動子を構成し、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子が+45°偏波を実現することに用いられ、−45°対称軸に位置する1ペアの4リーフクローバー形放射アームと当該軸に位置するマイクロストリップ線路が−45°偏波4リーフクローバー振動子を構成し、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子が−45°偏波を実現することに用いられ、前記+45°偏波と−45°偏波の間の偏波アイソレーションが30dBまで達することができる。
好ましくは、前記放射ユニットの放射アームは、4リーフクローバー形構造が好ましく、4リーフクローバー形放射アームが、アンテナが広帯域と良い放射特性を取得することに貢献する。前記4リーフクローバー構造は、1つの台形構造と半分の楕円形構造に分解することができ、楕円形構造は、円形構造が好ましく、台形構造は、等脚台形構造が好ましく、放射アームの長さが0.15λ0〜0.35λ0である。台形または楕円形のいかなる変形も、基本的に4リーフクローバー形とみなされることができる。
好ましくは、前記アンテナの1つの偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、別の偏波4リーフクローバー振動子の放射アームがアンテナの無給電ユニットとして用いられ、カップリングによりアンテナの帯域幅を強化し、+45°偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、−45°偏波4リーフクローバー振動子が無給電ユニットとなり、−45°偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、+45°偏波4リーフクローバー振動子が無給電ユニットとなる。隣接する2つの前記放射アームの台形斜辺の間の角度が小さいほど、カップリングが強く、隣接する2つの前記放射アームエッジの台形斜辺の間の角度範囲が0°〜40°である。
好ましくは、前記給電構造が十分に簡単であり、前記4リーフクローバー振動子がマイクロストリップ線路で給電され、前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスが40〜60Ωであり、前記マイクロストリップ線路の長さ範囲が0〜0.2λ1であり、その中、λ1が誘電体基板における周波数2.2GHzに対応する波長である。
好ましくは、前記支持構造が断熱支持構造であり、前記断熱支持構造の高さがアンテナ放射体の反射板からの高さに依存し、高さ範囲が0.1λ0〜0.5λ0であり、λ0が自由空間周波数2.2GHzに対応する波長である。前記断熱支持構造がプラスチック棒または木棒である。
好ましくは、前記アンテナの反射板が側辺付き構造であり、反射板の両側が上へ折り曲げられて側辺構造を形成し、前記反射板の底面が長方形板であり、前記底板の2つの長辺のそれぞれに1つの上へ折り曲げられた側辺構造があり、側辺構造が斜辺と縦辺の2つの部分に分けられ、斜辺の折り曲げ角度が好ましく45°であり、折り曲げ角度範囲が0−90°であり、長さは10mmが好ましく、縦辺が底板に直交し、長さは5mmが好ましく、斜辺と縦辺の長さ範囲が1mmである。
本発明の実施形態の動作原理:1つのアンテナ放射ユニットだけで45°二重偏波を実現し、全平面構造であり、体積が小さく、幅が135mmだけであり、1710−2690MHzを覆うことができる広帯域と30dBの高アイソレーションを備え、アンテナ構造が対称するので、2つの偏波モードにおける放射パターンの高さが一致し、且つ高ゲイン、高偏波比および高前後比特性を取得し、当該広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナは2G、3G、LTE(4G)システムを完全にサポートすることができる。
本発明の実施形態によれば、従来技術に対して次の利点と効果を持つ。
1.45°二重偏波4リーフクローバー平面アンテナが+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子から構成され、各偏波4リーフクローバー振動子が4リーフクローバー形放射アームとマイクロストリップ線路を含み、アンテナの放射ユニットが誘電体基板上にエッチングされ、全平面の簡単な構造を備え、製造が簡単である。
2.アンテナの放射アームは、4リーフクローバー形放射アームを使用して、アンテナが広帯域と安定な放射性能を取得することに貢献し、その属するアンテナ放射ユニットの1つの偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、別の偏波4リーフクローバー振動子がアンテナの無給電ユニットとして用いられ、カップリングによりアンテナの帯域幅を強化し、マイクロストリップ線路で4リーフクローバー振動子に給電するので、広帯域バランなどの複雑な給電構造を使用していなくても、広帯域性能を取得することができて、1710−2690MHzを覆うことができる。
3.アンテナは、1つの放射ユニットだけで±45°二重偏波を実現し、構造が小型化であり、幅が135mmだけであり、150mmの業界標準より小さい。当該アンテナは、側辺付き反射板を使用し、放射パターンが安定し、反射板に対する設計により65 5°の水平電力半値ビーム幅を実現し、同時に高ゲインと高前後比性能を確保する。
4.基地局アンテナアレイを構成する場合、ユニット間隔が最も高い周波数の1つの波長まで達することができるが、高周波数帯域にグレーティングローブがなく、垂直面パターンが安定する。
5.構造が新規であり、放射ユニットが4リーフクローバー形となり、構造が簡単で全平面であり、構成部材が少なく、容易に加工して成形し、かつ広帯域、高アイソレーション、安定な放射パターン、高ゲイン、高偏波比および高前後比の特性を備える。
広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの3次元構造図である。 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの正面図である。 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの正面断面図である。 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの左側面断面図である。 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの帯域幅実測結果図である。
図1〜図5における符号の説明は、次の通りである。
1.アンテナ放射ユニット;2.反射板;3A、第一の給電線;3B.第二の給電線4;4.支持構造;5A.+45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アーム;5B.+45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アーム;5C.−45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アーム;5D.−45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アーム;6A.+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路;6B.−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路;7.誘電体基板;8.非金属非金属化ビアホール;9.金属化ビアホール;10.側辺。
以下に図面と具体的な実施形態を参照して本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の実施形態は、これに限られない。
実施形態
図1に示すように、本発明の実施形態に係る広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナは、放射ユニット1、反射板2、給電線3および支持構造4を含む。アンテナ放射ユニット1は、支持構造4により反射板2の真上に固定され、反射板2からの距離が36mmである。
図2は広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナの正面図である。放射ユニット1は、4つの放射アーム5A−5Dとマイクロストリップ線路6A、6Bを含み、放射アーム5A−5Dとマイクロストリップ線路6A、6Bが同じ誘電体基板7上にエッチングされ、誘電体基板7が高周波数板RO4350Bを使用し、厚さが0.76mmであり、比誘電率が3.48であり、放射アーム5A、5Dが誘電体基板の上面にエッチングされ、放射アーム5B、5Cが誘電体基板の下面にエッチングされ、マイクロストリップ線路6Aが誘電体基板の上面にエッチングされ、マイクロストリップ線路6Bが誘電体基板の下面にエッチングされる。放射アーム5A、放射アーム5Bおよびマイクロストリップ線路6Aが+45°偏波4リーフクローバー振動子を構成し、放射アーム5Aが+45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームであり、放射アーム5Bが+45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームである。放射アーム5C、放射アームDおよび給電用マイクロストリップ線路6Bが−45°偏波4リーフクローバー振動子を構成し、放射アーム5Cが−45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームであり、放射アーム5Dが−45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームである。
放射アーム5A−5Dの形状が4リーフクローバー形状と十分に類似し、4つの放射アームが1つの4リーフクローバーを構成する。放射アームは、1つの等脚台形と長軸により分割された半楕円から構成され、等脚台形の上底が給電用マイクロストリップ線路の幅と同じで1.6mmであり、高さが16.2mmであり、下底の幅が32.35mmであり、2つのウエストと底辺との角度が46.5°であり、特殊な楕円形――円形を使用するのが好ましく、その直径が32.35mmであり、台形の底辺の長さと同じであり、放射アームの全長が32.4mmである。
本発明の実施形態は、1つの放射ユニットで45°二重偏波を実現し、1つの偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、別の偏波4リーフクローバー振動子の放射アームがアンテナの無給電ユニットとして用いられ、隣接する放射アームの間のカップリングによりアンテナの帯域幅を強化し、例えば放射アーム5Aと放射アーム5D、放射アーム5Dと放射アーム5B、放射アーム5Bと放射アーム5C、放射アーム5Cと放射アーム5Aの間のカップリングであり、隣接する放射アームの間の角度が小さいほど、カップリングが強く、角度が0〜40°の範囲に維持される。マイクロストリップ線路6A、6Bが相互に直交し、それぞれ+/−45°偏波4リーフクローバー振動子に給電することに用いられ、マイクロストリップ線路の幅が1.6mmであり、対応する特性インピーダンスが50Ωであり、給電用マイクロストリップ線路の長さがいずれも5mmである。放射アームの間のカップリング作用およびマイクロストリップ線路のカップリング給電により、アンテナは、1710−2690MHzを完全に覆うすることができる帯域幅を備え、同時に、1つの偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、別の偏波4リーフクローバー振動子の給電ポートのカップリング電流が小さく、したがって30dBの高アイソレーションを取得する。
図3と図4に示すように、2本の給電線3A、3Bでそれぞれ+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子に給電し、給電線が軟質同軸または硬質同軸などであってよく、本実施形態は、軟質同軸を使用し、+45°偏波4リーフクローバー振動子に対して、その第二の放射アーム5Bに非金属非金属化ビアホール8が設置され、第一の給電線3Aのコアが非金属非金属化ビアホール8を貫通してマイクロストリップ線路6Aに溶接され、第一の給電線3Aの外部導体が+45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アーム5Bに溶接され、−45°偏波4リーフクローバー振動子に対して、その第二の放射アーム5Dに金属化ビアホール9が設置され、第二の給電線3Bのコアがマイクロストリップ線路6Bに溶接され、第二の給電線3Bの外部導体が金属化ビアホール9を貫通し、放射アーム5Dに溶接され、当該アンテナが2つだけの溶接点を必要とし、アンテナが良い相互変調性能を取得することに有利となる。
反射板2は、側辺10付き構造を使用し、前記側辺が反射板の表面から突出し、反射板2の長さが200mmであり、総幅が135mmであり、反射板2は、アルミ板、銅板などの板を使用することができ、反射板2の底板が板の幅を保留して120mmであり、2つの側辺が上へ2回折り曲げられ、1回目の折り曲げ角度が135°であり、折り曲げ部分の長さが10mmであり、2回目の折り曲げ角度が135°であり、折り曲げ部分の長さが5mmである。
図5は本実施形態の実測されたアンテナ帯域幅である。この図から分かるように、本発明の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナは、1.7−2.7GHzの帯域幅を備え、エコー損失が−15dBまで達し、1710−2690MHzの周波数帯域を完全に覆うことができ、且つ当該広帯域に、偏波アイソレーションが30dB以上である。
本発明の実施形態は、1つの放射ユニットだけで45°二重偏波を実現でき、必要な配置スペースが小さく、基地局アンテナの小型化に貢献する。基地局アンテナアレイを構成する場合、放射ユニット間の間隔が110mm(λ2、λ2が自由空間周波数2.7GHzに対応する波長である)まで達することができるが、高周波数帯域にグレーティングローブがなく、2つの偏波モードにおいて、水平面、垂直面放射パターンが1710−2690MHzの周波数帯域に安定する。8ユニット均一直線アレイゲインがが17dBiまで高く、ゲインが1710−2690MHzの周波数帯域に2dB以下変化する。
本発明の実施形態は、全平面の簡単な構造を備え、体積が小さく、製造が簡単であり、帯域幅が大きく、アイソレーションが高く、放射パターンが安定し、ゲインが高い特徴を備え、移動通信基地局アンテナとして使用されるのに十分に適する。
前記実施形態は、本発明の好ましい実施形態であるが、本発明の実施形態は、前記実施形態の制限を受けなく、他のいかなる、本発明の要旨と原則から逸脱しなくて行われた変更、修飾、置換、組み合わせ、簡略化がいずれも等価な置換方式であって、本発明の保護範囲に含まれる。
本発明の実施形態は、1つのアンテナ放射ユニットだけで45°二重偏波を実現し、全平面構造であり、体積が小さく、幅が135mmだけであり、1710−2690MHzを覆うことができる広帯域と30dBの高アイソレーションを備え、アンテナ構造が対称するので、2つの偏波モードにおける放射パターンの高さが一致し、且つ高ゲイン、高偏波比および高前後比特性を取得し、当該広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナが2G、3G、LTE(4G)システムを完全にサポートすることができ、全平面の簡単な構造を備え、体積が小さく、製造が簡単であり、帯域幅が大きく、アイソレーションが高く、放射パターンが安定し、ゲインが高い特徴を備える。

Claims (9)

  1. 広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナであって、
    アンテナ放射ユニット、反射板、第一の給電線および第二の給電線を含み、前記アンテナ放射ユニットが支持構造により反射板の上に固定され、前記アンテナ放射ユニットが平面構造であり、前記アンテナ放射ユニットが4リーフクローバー振動子と誘電体基板を備え、前記4リーフクローバー振動子が+45°偏波4リーフクローバー振動子と−45°偏波4リーフクローバー振動子を含み、前記4リーフクローバー振動子が放射アームとマイクロストリップ線路を含み、前記放射アームが4リーフクローバー形放射アームであり、前記放射アームが第一の放射アームと第二の放射アームを含み、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが誘電体基板の表面にエッチングされ、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームが誘電体基板の裏面にエッチングされ、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子の第一の放射アームが誘電体基板の裏面にエッチングされ、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子の第二の放射アームが誘電体基板の表面にエッチングされ、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路が誘電体基板の表面にエッチングされ、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路が誘電体基板の裏面にエッチングされ、前記第一の給電線が+45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続され、前記第二の給電線が−45°偏波4リーフクローバー振動子のマイクロストリップ線路に接続される、
    広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  2. 前記アンテナ放射ユニットが軸対称構造であり、前記アンテナ放射ユニットが対称軸を備え、前記対称軸がアンテナ放射ユニットの中心位置を通り、前記対称軸が+45°対称軸と−45°対称軸を含み、前記+45°偏波4リーフクローバー振動子が+45°対称軸に位置する第一の放射アーム、第二の放射アームおよび+45°対称軸に位置するマイクロストリップ線路を含み、前記−45°偏波4リーフクローバー振動子が−45°対称軸に位置する第一の放射アーム、第二の放射アームおよび−45°対称軸に位置するマイクロストリップ線路を含むことを特徴とする
    請求項1に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  3. 前記4リーフクローバー形放射アームが4リーフクローバー形構造であり、前記4リーフクローバー形構造が台形構造と楕円形構造を含み、前記放射アームの長さ範囲が20.454〜47.726mmであることを特徴とする
    請求項1に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  4. +45°偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、−45°偏波4リーフクローバー振動子が無給電ユニットとされ、−45°偏波4リーフクローバー振動子が励起された場合、+45°偏波4リーフクローバー振動子が無給電ユニットとされ、隣接する2つの4リーフクローバー形放射アームの台形斜辺の間の角度範囲が0°〜40°であることを特徴とする
    請求項1または2に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  5. 前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの値の範囲が40〜60Ωであり、前記マイクロストリップ線路の長さ範囲が0〜16.472mmであることを特徴とする
    請求項1または2に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  6. 前記支持構造の高さ範囲が13.636〜68.18mmであることを特徴とする
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  7. 前記台形構造は、等脚台形構造であることを特徴とする
    請求項3に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  8. 前記支持構造は、断熱支持構造であり、前記断熱支持構造がプラスチック棒または木棒であることを特徴とする
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
  9. 前記反射板が側辺付き構造であり、前記側辺が反射板の表面から突出することを特徴とする
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の広帯域二重偏波4リーフクローバー平面アンテナ。
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