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CN103066376A - 一种宽频带高隔离度双极化天线及其辐射单元 - Google Patents

一种宽频带高隔离度双极化天线及其辐射单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽频带高隔离度双极化天线及其辐射单元，辐射单元包括反射板、第一馈电件、第二馈电件、第一辐射体、第二辐射体和四个支撑件，第一辐射体和第二辐射体均由对角的两个辐射体组成；四个辐射体分别固定在四个支撑件上，四个支撑件固定在反射板上，第一馈电件和第二馈电件的顶部相互正交，并且有一个高度差，第一馈电件为第一辐射体的馈电结构，第二馈电件为第二辐射体的馈电结构，四个辐射体中间形成一个十字型的缝隙；每个辐射体面中间位置上设置有长度大于辐射体且朝辐射体外侧边缘方向的矩形枝节，每个辐射体外侧边缘均设置有枝节。本发明的双极化天线辐射单元及其构成的天线阵列具有隔离度高、辐射特性强、频带宽等优点。

Description

一种宽频带高隔离度双极化天线及其辐射单元
技术领域
本发明涉及一种双极化天线，特别涉及一种宽频带高隔离度双极化天线及其辐射单元。
背景技术
近年来，随着移动通信的快速发展，通信系统必然会从2G、3G通信系统发展到4G通信系统，由于宽频带基站天线在通信系统的重要性，所以设计满足LTE通信系统的宽频带基站天线成为最近的研究热点。目前国内外对宽频带基站天线的研究主要集中在基站天线的性能、成本、装配等方面。
为了提高通信系统的容量，一般采用极化分集技术，通过设计宽频带的双极化天线来提高天线的工作效率。设计宽频带的双极化天线难点之一在于：在使每一个极化天线满足工作特性的情况下控制两个不同极化天线之间的相互影响，这就对天线的隔离度和交叉极化等指标提出了要求。提高双极化天线的隔离度主要是通过设计合理的馈电方式，来减小两个馈电端口之间的电流影响，两端口电流影响越小则天线的隔离度越大，在工程设计中一般使两条馈线通过相互正交来提高隔离度。设计宽频带的双极化天线另一个难点是：不仅仅要求天线的阻抗匹配带宽达到宽频带（例如1.71-2.69GHz）的要求，而且还要求天线的辐射特性在这个宽频带范围内也满足要求。
不同频率的电长度会随着频率的改变而变化，在一个很宽的频带范围内，电长度的变化会很大，而天线最后的设计的物理尺寸是不变的。所以用一个不变的物理尺寸长度去设计满足宽频带工作的天线很具有挑战性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种辐射特性强、隔离度高及频带宽的双极化天线辐射单元。
本发明的另一目的在于利用上述双极化天线辐射单元得到一种宽频带高隔离度双极化天线。
本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：一种宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，包括反射板、第一馈电件、第二馈电件、第一辐射体、第二辐射体和四个支撑件，所述第一辐射体和第二辐射体均由对角的两个辐射体组成；所述四个辐射体分别固定在四个支撑件上，所述四个支撑件固定在反射板上，所述第一馈电件和第二馈电件的顶部相互正交，并且有一个高度差，所述第一馈电件为第一辐射体的馈电结构，第二馈电件为第二辐射体的馈电结构，所述四个辐射体中间形成一个十字型的缝隙；所述每个辐射体面中间位置上设置有长度大于辐射体且朝辐射体外侧边缘方向的矩形枝节，所述每个辐射体外侧边缘均设置有枝节。
优选的，所述矩形枝节的长度超出辐射体的部分垂直向下弯曲；所述四个辐射体面上的矩形枝节相互正交；所述四个辐射体的结构、形状及大小均相同。
优选的，所述辐射体外侧边缘的枝节为弧形的，所述四个辐射体构成圆形结构。
优选的，所述辐射体外侧边缘的枝节为矩形的，所述四个辐射体构成方形结构。
优选的，所述第一馈电件和第二馈电件均为“Γ”型的金属馈电件。
更进一步的，所述四个支撑件为中间掏空金属圆柱；
所述的四个支撑件分别为第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件和第四支撑件，所述四个支撑件分布在正方形的四个角上，其中第一支撑件和第三支撑件的位置是相对的，第二支撑件与第四支撑件的位置是相对；
所述第一馈电件顶部穿过第一支撑件后与第三支撑件固定连接，所述第二馈电件顶部穿过第二支撑件后与第四支撑件固定连接；
所述第一馈电件和第二馈电件底部分别与两个SMA连接头的中间探针连接，两个SMA的外导体与反射板连接。
更进一步的，所述四个支撑件顶部有缺口，所述第一馈电件顶部穿过第一支撑件后通过焊接的方式连接在第三支撑件的缺口位置上，所述第二馈电件顶部穿过第二支撑件后通过焊接的方式连接在第四支撑件的缺口位置上。
优选的，所述四个支撑件通过焊接的方式彼此独立固定在反射板上。
本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：一种宽频带高隔离度双极化天线，包含有至少2个双极化天线辐射单元化，多个双极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列。
优选的，所述反射板边缘安装有内层翻边和外层翻边。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明的双极化天线辐射单元的辐射体面上设置有矩形枝节，在辐射部分，由于电流主要分布在中间缝隙两边的辐射体边缘面，分布在辐射体面的矩形枝节及辐射体外侧边缘的枝节上的电流很少，因此辐射体面上的矩形枝节及辐射体外侧边缘的枝节对辐射体辐射特性的影响很小。因此通过十字型缝隙的长度或宽度等参数就可以很好的调节天线的辐射性能，使其达到所需要的辐射指标。
（2）本发明双极化天线辐射单元在1.71-2.69GH的工作频带范围内存在两个谐振点，第一个谐振点为低频谐振点，是指每个双极化天线辐射单元自己固有工作频率对应的谐振点，它和极化天线的电长度有关，主要是由天线本身的长度尺寸所决定，但是通过增加辐射体外侧边缘的弧形枝节与辐射体面中间位置的矩形枝节都有增大天线电长度的效果，从而改变这个极化天线的第一个谐振点；第二个谐振点为高频谐振点，是由辐射单元每对极化天线的电感及感应电容组合得到的谐振频率，辐射体面上的矩形枝节及辐射体外侧边缘的枝节充当着电感及电容的作用，因此辐射体上增加的枝节使得本发明存在第二个谐振点；适当地调节这两个谐振频率就能很容易得到所需要的阻抗匹配带宽。又由于辐射体面上的矩形枝节及辐射体外侧边缘的枝节对辐射特性的影响非常小，因此辐射体上增加的枝节对本发明双极化天线的辐射特性几乎没有影响。
（3）本发明双极化天线辐射单元中的第一馈电件和第二馈电件相互正交，并且它们之间存在一个高度差，通过调节高度差可以很好的改善双极化天线隔离度，本发明的双极化天线隔离度在1.71-2.69GH的工作频带范围内能够达到了40dB以上。
（5）本发明双极化天线的反射板上还设置有内层翻边和外层翻边，天线反射板上存在着电流分布，通过在反射上增加翻边可以改变反射板上电流的分布和电流的流向，对于天线阵列来说增加翻边能够很好的改善其交叉极化的指标。通过调整内层翻边和外层翻边的高度及它们之间的距离可以进一步优化天线的辐射特性。
（6）本发明双极化天线的辐射单元辐射体上的矩形枝节长度超出辐射体两侧边缘的部分可以垂直向下弯曲，使得在天线性能不变的情况下减小了天线的尺寸。另外辐射体上的矩形枝节可以为几节宽度不同的矩形组合二成，不同宽度的结构具有的阻抗特性不一样，多个宽度结合起来能够更好的调节天线的阻抗匹配。
附图说明
图1是本发明双极化天线辐射单元的支撑件结构。
图2是本发明双极化天线辐射单元辐射体的结构。
图3是本发明双极化天线辐射单元两个馈电件的结构。
图4是本发明双极化天线辐射单元的侧视图。
图5是本发明双极化天线阵列俯视图。
图6是本发明双极化天线阵列侧视图。
图7是本发明双极化天线的驻波比曲线图。
图8是本发明双极化天线的隔离度曲线图。
图9是本发明双极化天线的增益图。
图10a、10b和10c分别是本发明双极化天线端口一在频率为1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz时的水平面主极化和交叉极化的方向图。
图11a、11b和11c是本发明双极化天线端口二在频率为1.7GHz、2.2GHz和2.7GHz时的水平面主极化和交叉极化的方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1至4所示，本实施例一种宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，包括反射板4、第一馈电件5、第二馈电件6、第一辐射体、第二辐射体和四个支撑件，四个支撑件为中间掏空且顶部有缺口的金属圆柱。其中四个支撑件分别为第一支撑件1a、第二支撑件1b、第三支撑件1c和第四支撑件1d，所述四个支撑件分布在正方形的四个角上，其中第一支撑件1a和第三支撑件1c的位置是相对的，第二支撑件1b与第四支撑件1d的位置是相对的。
第一辐射体由对角的两个辐射体11和13组成，第二辐射体由对角的两个辐射体12和14组成；四个辐射体分别固定在四个支撑件上，四个支撑件通过焊接的方式彼此相互独立固定在反射板4上。辐射体11固定在第一支撑件1a上，辐射体12固定在第二支撑件1b上，辐射体13固定在第三支撑件1c上，辐射体14固定在第四支撑件1d上。
第一馈电件5为第一辐射体的馈电结构，所述第二馈电件6为第二辐射体的馈电结构，其中第一馈电件和第二馈电件均为“Γ”型的金属馈电件；第一馈电件5顶部穿过第一支撑件1a后焊接在支撑件1c的缺口位置上，第二馈电件6顶部穿过支撑件1b后焊接在支撑件1d的缺口位置上；第一馈电件5和第二馈电件6的顶部相互正交，并且有一个高度差d。第一馈电件5和第二馈电件6分别与两个SMA（SubMiniature version A，迷你A类接头）5f和6f连接头的中间探针连接，两个SMA的外导体分别与反射板连接。同轴线传输的信号通过SMA接头对金属馈电进行馈电，反馈的信号从馈电机的底部传到顶部的辐射部分，再由辐射部分辐射出去。
四个辐射体中间形成一个十字型的缝隙，四个辐射体中间位置上设置有长度大于辐射体且朝辐射体外侧边缘方向的矩形枝节3a、3b、3c和3d。其中长度超出辐射体的部分分垂直向下弯曲；四个辐射体的矩形枝节相互正交；四个辐射体的结构、形状及大小均相同。每个辐射体外侧边缘设置有弧形枝节2a、2b、2c和2d，四个辐射体构成圆形结构。若将每个辐射体外侧边缘的弧形结构设置成矩形枝节，则本实施例的四个辐射体构成的是一个方形结构。
如图5和6所示，本实施例利用上述多个双极化天线辐射单元组成双极化天线阵列，多个双极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列，天线阵列的反射板边缘安装有内层翻边7和外层翻边8。
如图7所示为本实施例的双极化天线辐射单元的电压驻波比，其中虚线表示的是天线的端口一的电压驻波比，实线表示的是天线的端口二的电压驻波比，从图中可以看出，本实施例天线在1.71-2.69GHz的工作频带范围内，电压驻波比VSWR<1.5。其中本实施例端口一连接的是第一馈电件和第一辐射体，端口二连接的是第二馈电件和第二辐射体。
如图8所示为本实施例的双极化天线辐射单元端口一和端口二之间的隔离度，在1.71-2.69GHz的工作频带范围内，本实施例天线的隔离度几乎能够达到了40dB。
如图9所示为本实施例的双极化天线辐射单元端口一的增益，由图8可以看出，本实施例天线在1.71-2.69GHz的工作频带范围内，增益基本稳定在9±0.7dBi范围内。
如图10和11分别为本实施双极化天线辐射单元的端口一和端口二在不同的频率上的水平面主极化和交叉极化的方向图，本实施例双极化天线在1.71-2.69GHz的工作频带范围内，半功率波束瓣宽度为65±4度，其中0度的交叉极化均在38dB以上，因此天线辐射单元上的两个极化天线的相互影响很小。同一个极化天线的辐射方向图很稳定，在1.7GHz-2.7GHz的频点上，其辐射方向基本保持不变。从图10和11得出，端口一和端口二在相同频率下，其天线方向基本一致，因此可以很好的组合在一起形成双极化天线。
本实施例双极化天线在1.71-2.69GH的工作频带范围内存在两个谐振点，第一个谐振点为低频谐振点，是指每个双极化天线辐射单元自己固有工作频率对应的谐振点，它和天线的电长度有关，主要是由天线本身的长度尺寸所决定，但是通过增加辐射体外侧边缘的弧形枝节与辐射体面中间位置的矩形枝节都有增大天线电长度的效果，从而改变这个极化天线的第一个谐振点。第二个谐振点为高频谐振点，是由辐射单元每对极化天线的电感及感应电容组合得到，辐射体面上的矩形枝节及辐射体外侧边缘的枝节充当着电感及电容的作用，当辐射单元中其中一对天线馈电工作时，比如1a、2a、3a和1c、2c、3c部分组成的天线由第一馈电件5馈电工作，其余不馈电的部分1b、2b、3b和1d、2d、3d相当于一个电容加载在馈电工作的天线上面，而辐射体11和12外侧边缘的枝节2a和2c及面上的矩形枝节3a和3c相当于一个电感，所加载等效的电容和电感组合在一起形成了一个新的谐振频率，即第二谐振点。适当地调节这两个谐振频率就能很容易得到所需要的阻抗匹配带宽。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，包括反射板、第一馈电件、第二馈电件、第一辐射体、第二辐射体和四个支撑件，所述第一辐射体和第二辐射体均由对角的两个辐射体组成；所述四个辐射体分别固定在四个支撑件上，所述四个支撑件固定在反射板上，其特征在于：所述第一馈电件和第二馈电件的顶部相互正交，并且有一个高度差，所述第一馈电件为第一辐射体的馈电结构，第二馈电件为第二辐射体的馈电结构，所述四个辐射体中间形成一个十字型的缝隙；所述每个辐射体面中间位置上设置有长度大于辐射体且朝辐射体外侧边缘方向的矩形枝节，所述每个辐射体外侧边缘均设置有枝节。
2.根据权利要求1中任一项所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述矩形枝节的长度超出辐射体的部分垂直向下弯曲；所述四个辐射体面上的矩形枝节相互正交；所述四个辐射体的结构、形状及大小均相同。
3.根据权利要求1所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述辐射体外侧边缘的枝节为弧形的，所述四个辐射体构成圆形结构。
4.根据权利要求1所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述辐射体外侧边缘的枝节为矩形的，所述四个辐射体构成方形结构。
5.根据权利要求1所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述第一馈电件和第二馈电件均为“Γ”型的金属馈电件。
6.根据权利要求5所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述四个支撑件为中间掏空金属圆柱；
所述的四个支撑件分别为第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件和第四支撑件，所述四个支撑件分布在正方形的四个角上，其中第一支撑件和第三支撑件的位置是相对的，第二支撑件与第四支撑件的位置是相对；
所述第一馈电件顶部穿过第一支撑件后与第三支撑件固定连接，所述第二馈电件顶部穿过第二支撑件后与第四支撑件固定连接；
所述第一馈电件和第二馈电件底部分别与两个SMA连接头的中间探针连接，两个SMA的外导体与反射板连接。
7.根据权利要求5所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述四个支撑件顶部有缺口，所述第一馈电件顶部穿过第一支撑件后通过焊接的方式连接在第三支撑件的缺口位置上，所述第二馈电件顶部穿过第二支撑件后通过焊接的方式连接在第四支撑件的缺口位置上。
8.根据权利要求1所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元，其特征在于，所述四个支撑件通过焊接的方式彼此独立固定在反射板上。
9.一种基于权利要求1所述的宽频带高隔离度双极化天线辐射单元的双极化天线，其特征在于，包含有至少2个双极化天线辐射单元化，多个双极化辐射单元之间采用功分网络联合馈电以形成天线阵列。
10.根据权利要求10所述的双极化天线，其特征在于，所述反射板边缘安装有内层翻边和外层翻边。
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