CN102117967A

CN102117967A - 一种宽频双极化天线辐射单元及天线

Info

Publication number: CN102117967A
Application number: CN2009102584957A
Authority: CN
Inventors: 伍裕江; 叶海鸥; 付香芽; 岳彩龙; 高卓锋; 吴中振
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Tongyu Communication Inc
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-06

Abstract

本发明公开了一种宽频双极化天线辐射单元及应用该辐射单元的天线，该辐射单元用来安装在金属反射板上构成天线，包括两对偶极子辐射单元及对应每个偶极子辐射单元的巴伦，两对偶极子呈极化正交设置，每个偶极子包括对称地固定安装在巴伦上的两个单元臂，两个单元臂呈关于巴伦对称的线状，各单元臂一端与固定在巴伦上，两对偶极子处于一个平面，各单元臂另一端向内折弯，该向内折弯部分形成加载段。本发明的一种双宽频天线阵，与已有辐射单元宽频双极化天线辐射单元的下弯的加载段相比，能有效降低宽频双极化天线辐射单元对临近的高频段单元的作用，可以更合理地保证多频基站天线设计中，各频段的各项电性能的独立性。

Description

一种宽频双极化天线辐射单元及天线

[技术领域]

本发明涉及移动通信基站天线领域，特别是一种高性能的宽频双极化天线辐射单元。

[技术背景]

随着移动通信技术的发展，对双极化基站天线的指标要求，特别是增益、带宽特性、半功率角随频率的波动特性、交叉极化特性等方面，提出了越来越高的要求。

双极化天线阵元主要采用以下几种实现方案：第一种，采用两个共点的、交错且极化正交的偶极子天线振子结构；第二种，选用微带辐射单元，通过耦合或直接馈电的形式来实现双极化；第三种，采用两对偶极子正交放置，组成近似方形的布局。

在常用的网络通信系统中，天线最常使用的水平面半功率波束宽度是65度。上述第一种方案一般由常规的偶极子或折合振子构成，且通过这种形式可以得到很宽的频率带宽，但是天线振子的水平波束宽度随频率的不同变化大，而且天线振子的增益相对较低。而第二种方案中，微带辐射单元的频带带宽窄，两端口的隔离度差，振子增益不高，难以用在宽频带天线上，且组装麻烦。

相对而言，采用第三种方形布局的辐射单元总体性能较佳，而且可通过嵌套方式实现两种频段的基站天线，故得到较多的重视。例如专利号CN201199545Y中所描述的是一种宽频双极化天线辐射单元，该振子采用两对半波振子组成一个双极化天线辐射单元，同时使用耦合馈电方式，使之具有高增益和高前后比特性。但该设计存在以下不足：所包含的组成元件繁多，若大批量生产时，振子单元的一致性难以控制；同时单个辐射单元的口径偏大，在排阵时相邻两单元之间的互耦影响必将会加强，不利于提高阵列天线的整体性能；通过耦合馈电的方式对偶极子进行馈电，容易导致单个偶极子的辐射臂两边的电流不平衡，最终将影响到整个双极化天线辐射单元的方向图，使排阵组列后的方向图出现较大的统调(tracking)。

美国专利号US 4434425以及US 6333720B1也分别披露了类似的天线设计方案，并给出了嵌套式的多频天线设计；但上述两专利的方案有着如专利号CN 201134512Y所提及的不足，后者中并给出了一些改进。专利号CN201134512Y所采用的如图1所示的方案，虽然相对前两个专利设计作了改进，但仍存在以下不足：

1，若采用嵌套方式实现多频天线设计，位于低频振子内部的高频单元，由于离低频的巴伦较近，高频单元的驻波及辐射特性将仍受到较大影响；

2，该专利虽然通过收敛辐射口径，降低了不同频段振子间的互耦，但由于其加载段采用向下弯的方式，该向下的加载段仍对高频振子有较大影响；

3，该专利通过粗细不一的截面，尤其在末端加粗来展宽工作带宽，但给加工以及振子的可靠性也带来不利。

本设计将致力改善上述不足，提供一种高性能的宽带双极化单元，它结构简单，安装方便，馈电简单，一致性好，易于生产；并具有良好的交叉极化特性、水平面波束宽度波动小、高增益和高前后比的优点。尤其在多频基站天线设计中，能有效降低不同频段间的相互作用。

[发明内容]

本发明的第一个目的在于提供一种容易实现的，高性能的一种宽频双极化天线辐射单元。

本发明的第二个目的在于提供一种使用本发明的一种宽频双极化天线辐射单元的天线。

本发明是这样实现第一个目的的：

一种宽频双极化天线辐射单元，用来安装在金属反射板上构成天线，包括两对偶极子辐射单元及对应每个偶极子辐射单元的巴伦，两对偶极子呈极化正交设置，每个偶极子包括对称地固定安装在巴伦上的两个单元臂，两个单元臂呈关于巴伦对称的线状，各单元臂一端固定在巴伦上，其特征在于：两对偶极子处于一个平面，单元臂的另一端向内折弯，该向内折弯部分形成加载段。

本发明的优点在于：由于将偶极子的加载段由下弯改为内弯，这样能够有效降低辐射单元的高度及辐射口径，与已有的下弯的加载段相比，能有效降低天线中本宽频双极化天线辐射单元对高频单元的作用。采用本发明的单元可以更合理地保证多频基站天线设计中，各频段的各项电性能的独立性，尤其是为多频基站天线打下了良好的基础。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：两对偶极子正交组合形成+/-45度的极化方向。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：偶极子的每个单元臂由多段截面相同的折线组成。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：偶极子的每个单元臂各段截面形状为圆形或方形。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：每个偶极子的巴伦为弧形，弧长为0.2～0.3个工作波长。该设计在多频基站天线中可有效降低不同频段间单元的相互作用。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：还包括一个用来安装在金属反射板上的环形底座，巴伦设置在环形底座上。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：巴伦的外表面开有走线凹槽，供馈电电缆布设，馈电电缆屏蔽层焊接在巴伦靠近底座的位置。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：每个偶极子的两个单元臂分别固定在巴伦的两侧的顶端；一馈电片架设在巴伦的两侧的顶端上，并与该巴伦的两侧的顶端之间垫有带通孔的绝缘垫圈；巴伦一顶端设有与走线凹槽连通的槽孔(101)，供馈电电缆芯线穿过该槽孔和绝缘垫圈的通孔连接馈电片，巴伦另一顶端的设有凸柱，该凸柱穿过绝缘垫圈通孔与馈电片连接；馈电电缆(91)的屏蔽层与偶极子单元臂(11b)相连接，形成电流回路。本设计能保证电性能的一致性，而且每对偶极子间可实现等相位的馈电，保证了单元工作电流的对称性。

上述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：天线辐射单元为一体化压铸成型。

上述方案设计了合理的一体化弧形巴伦回路，使四个原本独立的偶极子辐射单元通过一固定底座一体化成型，将偶极子的加载段由下弯改为内弯，并使用馈电片对每个偶极子进行直接的馈电。这样不但能够有效降低辐射单元的高度及辐射口径，提高每个单元的一致性和简化天线的组装步骤，而且能够有效的减少三阶互调产物，并通过对称的馈电方式降低辐射方向图在+/-60度范围内的统调(tracking)。上述改进为实现高增益、低统调特性的基站天线，尤其是多频基站天线打下了良好的基础。

为实现本发明的第二个目的，采用了如下的技术方案：

一种宽频天线阵，包括作为发射器的金属反射板，其特征在于：所述的金属反射板上线性设置至少两个如上所述的一种宽频双极化天线辐射单元。

一种双宽频天线阵，包括作为发射器的金属反射板，其特征在于：所述的金属反射板上除了线性设置至少两个如上所述的一种宽频双极化天线辐射单元，还设置有多个高频段天线辐射单元，其中至少有一个高频段天线辐射单元嵌套在如上所述的一种宽频双极化天线辐射单元中。由于一种宽频双极化天线辐射单元采用内弯的加载段，与已有的下弯的加载段相比，能有效降低宽频双极化天线辐射单元对高频单元的作用，可以更合理地保证多频基站天线设计中，各频段的各项电性能的独立性。

[附图说明]

图1是专利号CN 201134512Y给出的天线辐射单元的结构示意图；

图2是本发明辐射单元实施例的立体示意图；

图3是本发明辐射单元实施例的辐射单元在宽频双极化天线中的立体示意图；

图4a是本发明辐射单元实施例的仰视图；

图4b是本发明辐射单元实施例的侧视图；

图4c是本发明辐射单元实施例的馈电局部图；

图5是本发明辐射单元实施例的辐射单元在双宽频双极化天线中的立体示意图；

图6是本发明辐射单元实施例仿真的方向图和增益示意图；

图7-1是本发明辐射单元实施例仿真的方向图统调(tracking)示意图之一；

图7-2是本发明辐射单元实施例仿真的方向图统调(tracking)示意图之二；

图7-3是本发明辐射单元实施例仿真的方向图统调(tracking)示意图之三。

[具体实施方式]

结合附图，如图2和图3，是一种安装在金属反射板10上构成天线的宽频双极化天线辐射单元，11a与11b、12a与12b、13a与13b、14a与14b分别组成单个偶极子，11a与11b，13a与13b组成一对，而12a与12b，14a与14b组成另一对，通过两对正交组合形成+/-45度的极化方向，两对偶极子11a与11b，12a与12b，13a与13b，14a与14b，通过弧长为0.2～0.3个工作波长的弧形巴伦21，22，23，24及固定底座111形成一体化的双极化辐射单元，单元的极化方向与反射板径向的夹角分别为+45度与-45度。

以偶极子11(11a、11b)为例，两个单元臂11a与11b呈线状对称地固定安装在巴伦21的两侧的顶端上，各单元臂由多段截面相同的圆形折线组成，一端固定在巴伦上，单元臂的另一端向内折弯，该向内折弯部分形成加载段61a和61b，当然单元臂的截面形状并不局限于圆形。

同理，其它偶极子结构相同，如：

偶极子12(12a、12b)，两个单元臂12a与12b各具有加载段62a和62b；

偶极子13(13a、13b)，两个单元臂13a与13b各具有加载段63a和63b；

偶极子14(14a、14b)，两个单元臂14a与14b各具有加载段64a和64b。

一个用来安装在金属反射板上的环形底座111，与各巴伦(21，22，23，24)、各单元臂(11a与11b、12a与12b、13a与13b、14a与14b)一体化压铸成型。

参考图2、图4a、4b和图4c，从图中看到各巴伦的下表面为凹槽型，各馈电电缆91，92，93及94置于并紧贴槽内，各巴伦在凹槽靠近底座处有焊接点121，122，123及124，电缆屏蔽层焊接在上述焊接点上，这样不但可加固电缆，而且可进一步改善辐射单元电流的平衡。各巴伦一顶端设有与走线凹槽连通的槽孔(101、102、103、104)，各巴伦另一顶端的设有凸柱(41、42、43、44)。

参考图4b和图4c，展示该实施例的一种馈电方式。以偶极子14(14a、14b)为例，一馈电片34架设在巴伦24的两侧的顶端上，并与该巴伦的两侧的顶端之间垫有带通孔的两个绝缘垫圈74；供馈电电缆芯线穿过该槽孔(101)和绝缘垫圈的通孔连接馈电片34，该凸柱44穿过绝缘垫圈通孔与馈电片连接；馈电电缆(91)的屏蔽层与偶极子单元臂(11b)相连接，形成电流回路。上述设计能保证电性能的一致性，而且每对偶极子间可实现等相位的馈电，保证了单元工作电流的对称性。

其它偶极子馈电方式同理，如：

偶极子11(11a、11b)，馈电片31通过两个绝缘垫圈71架设在巴伦21的两侧的顶端上；

偶极子12(12a、12b)，馈电片32通过两个绝缘垫圈72架设在巴伦22的两侧的顶端上；

偶极子13(13a、13b)，馈电片33通过两个绝缘垫圈73架设在巴伦23的两侧的顶端上。

本发明的辐射单元主要用于移动通信的天线基站：

参考图2、3，本发明宽频双极化天线辐射单元通过环形的固定底座111的三个固定孔位(81、82、83)，安装在金属反射板10上构成天线。

参照图5，本发明与另一个更高频段的单元组成双频双极化的一种实现形式。低频段的上述实施例的单元A1及A2与高频段的单元B1，B2及B3呈共轴组阵，其中B1及B3分别内嵌在A1，A2中。本发明可最大程度地降低A1，A2单元对内嵌单元B1以及B3的作用，同时，由于采用内弯的加载段，与已有的下弯的加载段相比，能有效降低低频单元对高频单元B2的作用。采用本发明的单元可以更合理地保证多频基站天线设计中，各频段的各项电性能的独立性。

有关本发明的方向图和增益可参考图6和图7-1、图7-2、图7-3。通过图6可以看出，在806-960MHz的频段内，本发明的增益都在10dB以上；而根据图7-1、图7-2、图7-3所示，同频点不同极化下的辐射方向图可以很好的重合，具有优良的统调特性。

最后补充说明，辐射体的馈电方式为直接馈电方式，生产可靠，馈电网络的布局方便灵活。若改为其它的馈电方式，如空气耦合等，这时只需要适当调节辐射体的尺寸和耦合部分的电抗值大小。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及等同技术的范围之内，则发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种宽频双极化天线辐射单元，用来安装在金属反射板上构成天线，包括两对偶极子辐射单元及对应每个偶极子辐射单元的巴伦，两对偶极子呈极化正交设置，每个偶极子包括对称地固定安装在巴伦上的两个单元臂，两个单元臂呈关于巴伦对称的线状，各单元臂一端固定在巴伦上，其特征在于：两对偶极子处于一个平面，各单元臂另一端向内折弯，该向内折弯部分形成加载段。

2.根据权利要求1所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：两对偶极子正交组合形成+/-45度的极化方向。

3.根据权利要求1所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：偶极子的每个单元臂由多段截面相同的折线组成。

4.根据权利要求3所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：偶极子的每个单元臂各段截面形状为圆形或方形。

5.根据权利要求1所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：每个偶极子的巴伦为弧形，弧长为0.2～0.3个工作波长。

6.根据权利要求1所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：还包括一个用来安装在金属反射板上的环形底座，巴伦设置在环形底座上。

7.根据权利要求6所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：巴伦的外表面开有走线凹槽，供馈电电缆布设。

8.根据权利要求7所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：每个偶极子的两个单元臂分别固定在巴伦的两侧的顶端；一馈电片架设在巴伦的两侧的顶端上，并与该巴伦的两侧的顶端之间垫有带通孔的绝缘垫圈；巴伦一顶端设有与走线凹槽连通的槽孔(101)，供馈电电缆芯线穿过该槽孔和绝缘垫圈的通孔连接馈电片，巴伦另一顶端的设有凸柱，该凸柱穿过绝缘垫圈通孔与馈电片连接；馈电电缆(91)的屏蔽层与偶极子单元臂(11b)相连接，形成电流回路。

9.根据权利要求8所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：馈电电缆屏蔽层焊接在巴伦靠近底座的位置。

10.如权利要求1～9所述的一种宽频双极化天线辐射单元，其特征在于：天线辐射单元为一体化压铸成型。

11.一种宽频天线，包括作为发射器的金属反射板，其特征在于：所述的金属反射板上线性设置至少两个如权利要求1～10中任意一项所述的一种宽频双极化天线辐射单元。

12.一种双宽频天线，包括作为发射器的金属反射板，其特征在于：所述的金属反射板上除了线性设置至少两个如权利要求1～10中任意一项所述的一种宽频双极化天线辐射单元，还设置有多个高频段天线辐射单元，其中至少有一个高频段天线辐射单元内嵌在如权利要求1～9中任意一项所述的一种宽频双极化天线辐射单元中。