WO2020244636A1 - 一种双极化天线 - Google Patents

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吴紫涵
阎聪颖
盛峰
宋兆颖
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昆山瀚德通信科技有限公司
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Abstract

本申请实施例公开了一种双极化天线。其中，双极化天线包括：水平辐射单元和垂直辐射单元；所述水平辐射单元包括功分器和Vivaldi振子组阵；所述Vivaldi振子组阵包括多个沿圆周方向均匀分布的Vivaldi振子单元；所述功分器包括与多个所述Vivaldi振子单元一一对应的多个输出端口，所述功分器的输出端口与多个所述Vivaldi振子单元一一对应耦合连接；所述垂直辐射单元设置于所述水平辐射单元的一侧，包括垂直极化振子。

Description

一种双极化天线
本申请要求2019年6月6日提交中国专利局、申请号为201910490119.4的国际专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请实施例涉及天线技术领域，例如一种双极化天线。
背景技术
随着第五代移动通信技术(5th-Generation，5G)时代的到来，数据请求越来越大，3G/4G(third/fourth generation，第三/四代移动通讯)时代的通讯系统带宽已经不能满足未来通信需求，系统需要更高的带宽，随之，多种天线的带宽也需要拓宽，此外，多种场合的无线保真(Wireless-Fidelity，WiFi)覆盖需求也越普及，为了节省资源，降低网络安装困难，多个运营商共用网络，这样，系统就需要更宽的频段，同时为以后的系统扩展，网络建设者也希望将WiFi的覆盖也包含在一套网络系统里，因此，运营商急需一种超宽带天线。
目前市场上天线覆盖带宽多为698-960MHz或1695-2700MHz，且天线的全向性能很差。其存在以下情况：首先，覆盖带宽较窄，达不到超宽带的要求；此外，由于传统设计原理的局限性，产品本身尺寸较大，即便可以做到较小尺寸，但多以牺牲产品性能为代价，天线本身的全向特性也会很差。
发明内容
本申请提供一种双极化天线，该双极化天线具有覆盖带宽较宽、全向性能较好、小型化的特点。
本申请实施例提供了一种双极化天线，包括：水平辐射单元和垂直辐射单元；
所述水平辐射单元包括功分器和Vivaldi振子组阵；所述Vivaldi振子组阵包括多个沿圆周方向均匀分布的Vivaldi振子单元；所述功分器包括与所述Vivaldi振子单元一一对应的多个输出端口，所述功分器的输出端口与所述Vivaldi振子单元一一对应耦合连接；
所述垂直辐射单元设置于所述水平辐射单元的一侧，包括垂直极化振子，用于与所述Vivaldi振子组阵结合，实现所述双极化天线的双极化。
附图说明
图1是本申请一实施例提供的一种双极化天线的仰视图；
图2是本申请一实施例提供的一种双极化天线的俯视图；
图3是本申请一实施例提供的一种Vivaldi振子单元的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的另一种Vivaldi振子单元的结构示意图；
图5是本申请一实施例提供的一种水平辐射单元的爆炸图；
图6是本申请一实施例提供的一种水平辐射单元的结构示意图；
图7是本申请一实施例提供的另一种双极化天线的结构示意图；
图8是本申请一实施例提供的又一种双极化天线的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供一种双极化天线，该双极化天线包括：水平辐射单元和垂直辐射单元；
水平辐射单元包括功分器和Vivaldi振子组阵；Vivaldi振子组阵包括多个沿圆周方向均匀分布的Vivaldi振子单元；功分器包括与多个Vivaldi振子单元一一对应的多个输出端口，功分器的输出端口与多个Vivaldi振子单元一一对应耦合连接；
垂直辐射单元设置于水平辐射单元的一侧，包括垂直极化振子，垂直辐射单元设置为与Vivaldi振子组阵结合，实现双极化天线的双极化。
本申请实施例提供的双极化天线，包括水平辐射单元和垂直辐射单元，水平辐射单元包括功分器和Vivaldi振子组阵，Vivaldi振子组阵包括多个沿圆周方向均匀分布的Vivaldi振子单元，功分器包括多个输出端口，多个输出端口与多个Vivaldi振子单元一一对应耦合连接，则功分器能够通过输出端口与Vivaldi振子单元进行耦合馈电，实现水平极化，Vivaldi振子单元具有宽频带、小尺寸的特点，能够使双极化天线在较小尺寸下覆盖较宽的带宽，避免了相关技术中双极化天线覆盖带宽较窄的情况，垂直辐射单元包括垂直极化振子，设置于水平辐射单元的一侧，垂直极化振子可实现垂直极化，Vivaldi振子组阵能实现水 平极化，因此，本实施例提供的天线具有双极化且高带宽的特点，具有较高的性能。
参考图1和图2，图1是本申请一实施例提供的一种双极化天线的仰视图，图2是本申请一实施例提供的一种双极化天线的俯视图，双极化天线包括水平辐射单元1和垂直辐射单元2，本实施例所述的仰视图和俯视图是将垂直辐射单元2设定于水平辐射单元1上方的位置基础上的仰视图和俯视图。用于实现水平极化的水平辐射单元1包括功分器12和Vivaldi振子组阵11，参考图2，功分器12包括一个输入端口121和多个输出端口122，功分器12通过输入端口121接入电流信号，并通过馈线123将电流信号分散到多个输出端口122输出。示例性的，功分器12为等功率分配功分器，能够将输入端口121接入的电路信号平均分为与输出端口122个数相同的等份，从而每个输出端口122可输出相同的电流信号。参考图1，Vivaldi振子组阵11包括多个与输出端口122一一对应的Vivaldi振子单元111，多个Vivaldi振子单元111沿圆周方向均匀分布，多个Vivaldi振子单元111能够将输出端口122输出的信号均匀地在圆周上进行辐射，使得双极化天线具有较好的全向特性。并且，Vivaldi振子单元111覆盖带宽较宽，能够使双极化天线具有小型化、超宽带的特点。示例性的，本实施例提供的超宽带双极化天线能够覆盖700～6000MHz的带宽，能够覆盖移动通讯频段以及全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、WiFi、全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation System，BDS)等频段，多个运营商可共用网络，节省资源，降低网络安装的困难。
垂直辐射单元2包括能够实现垂直极化的垂直极化振子，垂直辐射单元2实现垂直极化，水平辐射单元1实现水平极化，因此，本实施提供的双极化天线为全向性能良好的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO)天线，垂直辐射单元2和水平辐射单元1可分别实现高带宽的信号传输，有利于实现双极化天线的功能集成，示例性的，水平辐射单元1可设置为向外辐射信号，垂直辐射单元2可设置为接收外部传回的信号。
本实施例中，Vivaldi振子单元111与对应输出端口122耦合连接，功分器12和Vivaldi振子组阵11被绝缘层间隔开且固定设置，如图1所示，示例性的，绝缘层可以为基板，在功分器12位于基板的一侧的情况下，Vivaldi振子组阵 11位于基板的另一侧，则本实施例中的水平辐射单元1可为扁平的盘形结构，水平辐射单元1具备超薄、占用空间小、通用性强的特点。参考图1和图2，水平辐射单元1的基板的一侧设置功分器12，水平辐射单元1的基板的另一侧设置Vivaldi振子组阵11，多个Vivaldi振子单元111的结构沿圆周方向排布，形成如图1所示的花瓣形结构。Vivaldi振子组阵11由一整层的金属刻蚀形成，即相邻的Vivaldi振子单元111相互连接设置。在一实施例中，Vivaldi振子单元111的个数可以为8、12或16。Vivaldi振子单元111的个数也可以为15或17等奇数，甚至，Vivaldi振子单元111的个数为至少三个，保证Vivaldi振子单元111能围绕形成圆周即可，Vivaldi振子单元111在圆周方向上均匀分布，在可实现的数量范围内，Vivaldi振子单元111的设置数量越多，辐射的均匀性越高。
在一实施例中，参考图3，图3是本申请一实施例提供的一种Vivaldi振子单元的结构示意图，Vivaldi振子单元111可以包括：刻蚀金属层形成的谐振腔112，以及与谐振腔112连通的辐射区域113；辐射区域由指数渐变槽线114和矩形槽线116围绕而成。功分器12的输出端口122与对应Vivaldi振子单元111的谐振腔112对应设置，参考图1，可知在垂直于基板的方向上，输出端口122与谐振腔112一一对应耦合连接，便于输出端口122对Vivaldi振子单元111进行馈电，馈电信号经过谐振腔112产生谐振，并经过辐射区域113进行放大和辐射，产生定向辐射，定向辐射的Vivaldi振子单元111围绕圆周360度环绕，使得Vivaldi振子组阵11实现全向辐射。
对于整个Vivaldi振子组阵11，可将整层的金属层刻蚀镂空结构，形成每个Vivaldi振子单元111的谐振腔112和辐射区域113，指数渐变槽线114和矩形槽线116即为镂空结构辐射区域113的边缘。
在一实施例中，谐振腔112可以为圆形、椭圆形或者矩形。图3仅示出了谐振腔112为圆形的结构，谐振腔112还可以为椭圆形、矩形以及其他根据用户需要设置的规则或不规则形状。
在一实施例中，参考图4，图4是本申请一实施例提供的另一种Vivaldi振子单元的结构示意图，Vivaldi振子单元111的矩形槽线116上形成有多个矩形波纹槽115。Vivaldi振子单元111的边缘，即相邻两个Vivaldi振子单元111之间的金属层上可刻蚀形成有多个矩形波纹槽115。对Vivaldi振子单元111的矩形槽线116进行开槽处理具有如下优点：第一，可以延长电流路径，抑制表面 波的产生，进而降低天线的最低工作频率，拓宽天线的工作频段；第二，可以抑制高次谐波，产生更高的增益和更窄的波束。本实施例通过在Vivaldi振子单元111的边缘刻蚀矩形波纹槽115，拓宽了双极化天线的带宽，优化了双极化天线的性能。
在一实施例中，参考图1和图2，水平辐射单元1还可以包括：第一基板13；Vivaldi振子组阵11设置于第一基板13的第一侧；功分器12设置于第一基板13远离Vivaldi振子组阵11的第二侧。
水平辐射单元1可以包括一个基板，即第一基板13，如图2和图3所示，Vivaldi振子组阵11设置于第一基板13的第一侧；功分器12设置于第一基板13远离Vivaldi振子组阵11的第二侧，则Vivaldi振子组阵11和功分器12设置于同一基板上，减小了水平辐射单元1的整体厚度。第一基板13的边缘处可设置至少一对定位槽131，定位槽131设置为在安装水平辐射单元1时，对水平辐射单元1进行位置固定。
在一实施例中，如图5和图6所示，图5是本申请一实施例提供的一种水平辐射单元的爆炸图，图6是本申请一实施例提供的一种水平辐射单元的结构示意图。水平辐射单元还可以包括：第二基板14和第三基板15；第二基板14和第三基板15固定连接；Vivaldi振子组阵11设置于第二基板14上；功分器12设置于第三基板15上。
水平辐射单元1还可以包括两个基板：第二基板14和第三基板15；Vivaldi振子组阵11设置于第二基板14上，功分器12设置于第三基板15上，即Vivaldi振子组阵11和功分器12分别设置于不同的基板上，功分器12和Vivaldi振子组阵11可以各自在基板上进行集成和制作，最后将第二基板14和第三基板15进行固定组装，进而加快制作速度。示例性的，第二基板14和第三基板15可通过螺钉螺接，或者可以通过铆钉铆接。
此外，由于影响带宽性能的主要因素为功分器12，功分器12对所在的第三基板15的性能要求较高，则第三基板15的制作成本较高，而Vivaldi振子组阵11对第二基板14的性能要求相对较低，可采用成本较低的第二基板14，从而节约水平辐射单元1的生产成本，示例性的，可以设置第三基板15的直径小于第二基板14，以减小水平辐射单元1的基板材料成本。示例性的，上述第一基板13、第二基板14和第三基板15可为印刷电路板(Printed circuit board，PCB)。
在一实施例中，参考图5和图6，Vivaldi振子组阵11设置于第二基板14靠近第三基板15的第一侧；功分器12设置于第三基板15远离第二基板14的第一侧。
Vivaldi振子组阵11设置于第二基板14靠近第三基板15的第一侧，功分器12设置于第三基板15远离第二基板14的第一侧，则Vivaldi振子组阵11和功分器12之间仅间隔一个第三基板15，耦合效果较佳，增大了电信号的辐射强度。在一实施例中，Vivaldi振子组阵11也可设置于第二基板14远离第三基板15的第二侧，功分器12设置于第三基板15远离第二基板14的第一侧，则Vivaldi振子组阵11和功分器12之间间隔第二基板14和第三基板15，本实施例对Vivaldi振子组阵11和功分器12的设置位置不进行限定。
在一实施例中，水平辐射单元1还可以包括：第二线缆(图7中未示出)；第二线缆的内导体穿过Vivaldi振子组阵11与功分器12电连接；第二线缆的外导体与Vivaldi振子组阵11电连接，第二线缆使得水平辐射单元1形成信号传输通路，实现本申请实施例提供的水平极化的水平辐射单元1，在平行于基板的水平方向上，本实施例提供的水平辐射单元1辐射均匀，全向特性较佳。
在水平辐射单元1仅包括第一基板13的情况下，第二线缆由第一基板13设置Vivaldi振子组阵11的一侧接入，第二线缆的外导体直接与Vivaldi振子组阵11中间的金属层电连接，第二线缆的内导体穿过第一基板13，与第一基板13另一侧的功分器12的输入端口电连接。
在水平辐射单元1包括第二基板14和第三基板15，且Vivaldi振子组阵11设置于第二基板14靠近第三基板15的一侧；功分器12设置于第三基板15远离第二基板14的一侧的情况下，第二线缆由第二基板14远离第三基板15的一侧接入，第二线缆的外导体穿过第二基板14直接与Vivaldi振子组阵11中间的金属层电连接，第二线缆的内导体穿过第二基板14和第三基板15，与第三基板15远离第二基板14的一侧的功分器12的输入端口电连接。
图7是本申请一实施例提供的另一种双极化天线的结构示意图，图8是本申请一实施例提供的又一种双极化天线的结构示意图，参考图6至图8，示例性的，垂直极化振子2可以为单锥振子、赋形锥振子或双锥振子。图6示出了垂直极化振子2为双锥振子的结构，垂直极化振子2包括两个相对设置的锥形振子，即第一锥振子21和第二锥振子22；图7示出了垂直极化振子2为赋形锥振 子23的结构，赋形锥振子23包括顶端靠近水平辐射单元1的锥形部232以及锥形部尾端连接的桶装部分231，并且赋形锥振子23还包括设置于锥形部232靠近水平辐射单元1的反射板24；图8示出了垂直极化振子2为单锥振子25的结构，图6至图8示出的垂直极化振子2的结构仅为本申请实施例提供的垂直极化振子2的几种设置形式，除了上述单锥振子、赋形锥振子或双锥振子，本实施例双极化天线的垂直极化振子2还可以为其他种类的垂直极化振子，本实施例对垂直极化振子2的种类不进行限定。
在一实施例中，参考图6，垂直极化振子2为双锥振子；双锥振子包括第一锥振子21和第二锥振子22；第一锥振子21和第二锥振子22的顶端相对设置，并通过支撑部(图6中未示出)绝缘连接；第一锥振子21靠近水平辐射单元1设置，第二锥振子22远离水平辐射单元1设置；第一锥振子21和第二锥振子22的顶端分别设置有接线孔26。
相对于赋形锥振子或单锥振子，双锥振子具有更佳的辐射性能，并能够覆盖较宽的带宽，实现超宽带的双极化天线。第一锥振子21和第二锥振子22顶端相对设置。值得注意的是，本实施例中第一锥振子21和第二锥振子22的顶端指的是的锥体横截面直径较小的一侧，底端为锥体横截面直径较大的一侧。第一锥振子21的底端靠近水平辐射单元1设置，第一锥振子21的顶端靠近第二锥振子22的顶端设置，第二锥振子22的底端远离水平辐射单元1设置，即远离第一锥振子21设置。第一锥振子21和第二锥振子22的顶端之间绝缘设置，例如，可采用塑料材质的支撑部实现第一锥振子21的顶端和第二锥振子22的顶端之间的支撑。
在一实施例中，垂直辐射单元2还包括第一线缆(图6中未示出)；第一线缆的内导体穿过第一锥振子21的接线孔26和第二锥振子22的接线孔26与第二锥振子22电连接；第一线缆的外导体与第一锥振子21电连接。第一线缆使得垂直极化振子2形成信号传输通路，本申请实施例提供的垂直极化的垂直极化振子2，在垂直于水平辐射单元1的方向上，辐射均匀，全向特性较佳。
在水平辐射单元1仅包括第一基板13的情况下，第一线缆由第一基板13设置Vivaldi振子组阵11的一侧接入，第一线缆整体穿过第一基板13之后，第一线缆的内导体穿过第一锥振子21的接线孔26和第二锥振子22的接线孔26，与第二锥振子22电连接，第一线缆的外导体与第一锥振子21电连接。
在水平辐射单元1包括第二基板14和第三基板15的情况下，第一线缆由第二基板14远离第三基板15的一侧接入，第一线缆整体穿过第二基板14和第三基板15，第一线缆的内导体穿过第一锥振子21的接线孔26和第二锥振子22的接线孔26，与第二锥振子22电连接，第一线缆的外导体与第一锥振子21电连接。

Claims (10)

  1. 一种双极化天线，包括：水平辐射单元和垂直辐射单元；
    所述水平辐射单元包括功分器和Vivaldi振子组阵；所述Vivaldi振子组阵包括多个沿圆周方向均匀分布的Vivaldi振子单元；所述功分器包括与多个所述Vivaldi振子单元一一对应的多个输出端口，所述功分器的多个输出端口与多个所述Vivaldi振子单元一一对应耦合连接；
    所述垂直辐射单元设置于所述水平辐射单元的一侧，包括垂直极化振子，所述垂直极化振子设置为与所述Vivaldi振子组阵结合。
  2. 根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述垂直极化振子为单锥振子、赋形锥振子或双锥振子。
  3. 根据权利要求2所述的双极化天线，其中，所述垂直极化振子为双锥振子；所述双锥振子包括第一锥振子和第二锥振子；所述第一锥振子和所述第二锥振子的顶端相对设置，并通过支撑部绝缘连接；
    所述第一锥振子靠近所述水平辐射单元设置，所述第二锥振子远离所述水平辐射单元设置；所述第一锥振子和所述第二锥振子的顶端分别设置有接线孔。
  4. 根据权利要求3所述的双极化天线，其中，
    所述垂直辐射单元还包括第一线缆；所述第一线缆的内导体穿过所述第一锥振子的接线孔和所述第二锥振子的接线孔与所述第二锥振子电连接；所述第一线缆的外导体与所述第一锥振子电连接。
  5. 根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述水平辐射单元还包括：第一基板；
    所述Vivaldi振子组阵设置于所述第一基板的第一侧；
    所述功分器设置于所述第一基板远离所述Vivaldi振子组阵的第二侧。
  6. 根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述水平辐射单元还包括：第二基板和第三基板；所述第二基板和所述第三基板固定连接；
    所述Vivaldi振子组阵设置于所述第二基板上；所述功分器设置于所述第三基板上。
  7. 根据权利要求6所述的双极化天线，其中，
    所述Vivaldi振子组阵设置于所述第二基板靠近所述第三基板的第一侧；所述功分器设置于所述第三基板远离所述第二基板的第一侧。
  8. 根据权利要求1所述的双极化天线，其中，所述Vivaldi振子单元包括：刻蚀金属层形成的谐振腔，以及与所述谐振腔连通的辐射区域；
    所述辐射区域由指数渐变槽线和矩形槽线围绕而成。
  9. 根据权利要求8所述的双极化天线，其中，所述Vivaldi振子单元的矩形槽线上形成有多个矩形波纹槽。
  10. 根据权利要求1所述的双极化天线，还包括：第二线缆；
    所述第二线缆的内导体穿过所述Vivaldi振子组阵与所述功分器电连接；
    所述第二线缆的外导体与所述Vivaldi振子组阵电连接。
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