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CN103326117A - 一种宽带双极化四叶草平面天线 - Google Patents

一种宽带双极化四叶草平面天线 Download PDF

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CN103326117A CN201310247277XA CN201310247277A CN103326117A CN 103326117 A CN103326117 A CN 103326117A CN 201310247277X A CN201310247277X A CN 201310247277XA CN 201310247277 A CN201310247277 A CN 201310247277A CN 103326117 A CN103326117 A CN 103326117A
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Abstract

本发明公开了一种宽带双极化四叶草平面天线，该天线适用于2G/3G/LTE（4G）系统，包括天线辐射单元、反射板和二条馈线。所述天线辐射单元通过绝缘支撑结构固定在反射板的正上方，包括+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子，四叶草振子包括辐射臂和微带线，辐射臂为四叶草形辐射臂蚀刻于介质基板上，微带线用于给辐射臂馈电，也蚀刻于介质基板上。二条馈线，各条馈线分别与+/-45°极化四叶草振子的微带线相连。具有结构新颖，结构简单，体积小，便于加工成型，宽频带、高隔离度、辐射方向图稳定、高增益、高极化比和高前后比等优点。

Description

一种宽带双极化四叶草平面天线
技术领域
本发明涉及一种移动通信基站天线技术，特别涉及一种宽带双极化四叶草平面天线。
背景技术
随着移动通信技术的飞速发展，相继出现了使用不同频段的移动通信系统，现阶段在中国就有2G、3G、LTE(4G)系统，其中2G系统使用频段1710-1850MHz，包括GSM1800等系统，3G系统使用频段1880-2170MHz，包括中国电信的cdma2000系统、中国移动的TD-SCDMA系统以及中国联通的WCDMA系统，随着2.3GHz频段（2300-2400MHz）和2.6GHz频段（2500-2690MHz）被划分为LTE（4G）频段，中国的无线通信系统目前已覆盖1710-2690MHz频段。因此，新设计安装的基站天线要求带宽需完全覆盖1710-2690MHz以同时支持不同的移动通信系统。且由于使用无线移动服务的用户呈现爆发式增长，通信系统不断扩容，扩展频段已经不能满足要求。双极化天线运用极化分集、频率复用等技术，有效提高通信系统的容量，在基站天线中获得了广泛应用。因此能同时支持2G、3G、LTE系统的宽带双极化移动通信基站天线具有十分重要的实用价值和市场价值。
目前，双极化基站天线主要有二种，分别是贴片天线和振子天线。贴片天线一般为多层结构，馈电方式复杂；振子天线一般是十字交叉的直立振子，也有正交放置（非十字交叉）的直立振子，多为立体结构，所占辐射面积较大。贴片天线为实现双极化，馈电结构本身已比较复杂，而贴片天线一般带宽较窄，为获得大带宽和高隔离需要对馈电结构做改进，馈电方式变得更复杂。振子天线一般由辐射臂和支撑结构构成，其馈电一般都需要复杂的巴伦结构，有同轴巴伦、集成巴伦等形式，巴伦结构一般设置在支撑结构部分。贴片天线和振子天线都存在结构复杂、不利于大规模制造的缺点，且它们中的大多数都不具有完全支持2G、3G、LTE(4G)系统的带宽，或者方向图等性能不够理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种宽带双极化四叶草平面天线，该天线性能优异、结构简单、便于制造。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种宽带双极化四叶草平面天线，包括天线辐射单元、反射板、第一馈线和第二馈线，所述天线辐射单元通过支撑结构固定在反射板的上方，其特征在于，所述天线辐射单元为平面结构，所述天线辐射单元具有四叶草振子和介质基板，所述四叶草振子包括+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子，所述四叶草振子包括辐射臂和微带线，所述辐射臂为四叶草形辐射臂，所述辐射臂包括第一辐射臂和第二辐射臂；所述+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子中心十字交叉蚀刻于介质基板上；所述+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子不连接；所述+45°极化四叶草振子的第一辐射臂与+45°极化四叶草振子的微带线连接，蚀刻于介质基板的正面，所述+45°极化四叶草振子的第二辐射臂蚀刻于介质基板的背面，所述-45°极化四叶草振子的第一辐射臂与-45°极化四叶草振子的微带线连接，蚀刻于介质基板的背面，所述-45°极化四叶草振子的第二辐射臂蚀刻于介质基板的正面；所述第一馈线与+45°极化四叶草振子的微带线相连，所述第二馈线与-45°极化四叶草振子的微带线相连。
本发明的宽带双极化四叶草平面天线用一个辐射单元实现了±45°双极化，所述天线辐射单元是轴对称结构，所述天线辐射单元具有对称轴，所述对称轴穿过天线辐射单元的中心，所述对称轴包括+45°对称轴和-45°对称轴，位于+45°对称轴上的一对（即：两个）四叶草形辐射臂和位于该轴上的微带线一起构成+45°极化四叶草振子，所述+45°极化四叶草振子用于实现+45°极化；位于-45°对称轴上的一对四叶草形辐射臂和位于该轴上的微带线构成-45°极化四叶草振子，所述-45°极化四叶草振子用于实现-45°极化；所述+45°极化和-45°极化之间的极化隔离可达30dB。
所述辐射单元的辐射臂优选四叶草结构，四叶草形辐射臂有助于天线获取宽带和良好的辐射特性。所述四叶草结构可分解为一个梯形结构和半个椭圆形结构，椭圆形结构优选圆形结构，梯形结构优选等腰梯形结构，辐射臂长0.15λ0～0.35λ0。任何改变梯形或者椭圆形的变形，其基本形式都仍可被看作四叶草形。
所述天线的一种极化的四叶草振子被激励时，另一极化的四叶草振子的辐射臂被用作天线的寄生单元，通过耦合增强天线带宽，当+45°极化四叶草振子被激励时，-45°极化四叶草振子成为寄生单元；当-45°极化四叶草振子被激励时，+45°极化四叶草振子成为寄生单元；相邻的两个所述辐射臂的梯形斜边之间的夹角越小，耦合越强烈，相邻辐射臂边缘的梯形斜边之间的夹角范围为0°～40°。
所述馈电结构十分简单，所述四叶草振子用一段微带线馈电，所述微带线的特性阻抗在40～60Ω之间，所述微带线的长度范围为0～0.2λ1，其中，λ1为介质基板内频率2.2GHz所对应的波长。
所述支撑结构为绝缘支撑结构，所述绝缘支撑结构的高度取决于天线辐射体距离反射板的高度，高度范围为0.1λ0～0.5λ0，其中，λ0为自由空间频率2.2GHz对应的波长。所述绝缘支撑结构为塑料棒或木棒。
所述天线的反射板为带侧边的结构，反射板的二侧向上弯折形成侧边结构，所述反射板底面为长方形平板，在所述底板的二个长边各有一个向上弯折的侧边结构，侧边结构分为斜边和竖边二部分，斜边的弯折角度优选45°，弯折角度的范围为0-90°，长度优选10mm，竖边垂直于底板，长度优选5mm，斜边和竖边长度范围>1mm。
本发明的工作原理：本发明用一个天线辐射单元就实现了±45°双极化，全平面结构；体积小，宽度仅135mm；具有可覆盖1710-2690MHz的宽频带和30dB的高隔离度；由于天线结构对称，二种极化方式下的辐射方向图高度一致，且获得了高增益、高极化比和高前后比特性；该宽带双极化四叶草平面天线可完全支持2G、3G、LTE（4G）系统。
本发明的工作原理：本发明用一个天线辐射单元就实现了±45°双极化，全平面结构；体积小，宽度仅135mm；具有可覆盖1710-2690MHz的宽频带和30dB的高隔离度；由于天线结构对称，二种极化方式下的辐射方向图高度一致，且获得了高增益特性；该宽带双极化四叶草平面天线可完全支持2G、3G、LTE（4G）系统。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、±45°双极化四叶草平面天线由+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子构成，每个极化的四叶草振子包括四叶草形辐射臂和微带线；天线的辐射单元蚀刻在一块介质基板上，具有全平面的简单结构，制作简便。
2、天线的辐射臂采用四叶草形辐射臂，有利于天线获得宽带和稳定的辐射性能；当所属天线辐射单元的一种极化的四叶草振子被激励时，另一极化的四叶草振子的辐射臂被用作天线的寄生单元，通过耦合增强天线带宽；用微带线给四叶草振子馈电，不用宽带巴伦等复杂馈电结构就能获得带宽性能，完全覆盖1710-2690MHz。
3、天线仅用一个辐射单元就实现了±45°双极化，结构紧凑小巧，宽度仅135mm，小于150mm的行业标准。该天线采用带有侧边的反射板，辐射方向图稳定，通过对反射板的设计实现了65±5°的水平面半功率波束宽度，同时确保高增益和高前后比性能。
4、在组成基站天线阵列时，单元间距可达最高频率的一个波长而在高频不出现栅瓣，垂直面方向图稳定。
5、结构新颖，辐射单元呈现四叶草形，结构简单且全平面；组成部件少，便于加工成型；且具有宽频带、高隔离度、辐射方向图稳定、高增益、高极化比和高前后比的特性。
附图说明
图1是本宽带双极化四叶草平面天线的三维结构图。
图2是本宽带双极化四叶草平面天线的正视图。
图3是本宽带双极化四叶草平面天线的前视剖面图。
图4是本宽带双极化四叶草平面天线的左视剖面图。
图5是本宽带双极化四叶草平面天线的带宽实测结果图。
图1～5中的附图标记说明如下：
1、天线辐射单元；2、反射板；3A、第一馈线；3B、第二馈线4、支撑结构；5A、+45°极化四叶草振子第一辐射臂；5B、+45°极化四叶草振子第二辐射臂；5C、-45°极化四叶草振子第一辐射臂；5D、-45°极化四叶草振子第二辐射臂；6A、+45°极化四叶草振子馈电微带线；6B、-45°极化四叶草振子馈电微带线；7、介质基板；8、非金属化通孔；9、金属化过孔；10、侧边。
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所示，本发明宽带双极化四叶草平面天线包括辐射单元1，反射板2，馈线3和支撑结构4。天线辐射单元1通过支撑结构4固定于反射板2的正上方，距离36mm。
图2为宽带双极化四叶草平面天线辐射单元正面俯视图，辐射单元1包括四个辐射臂5A-5D和微带线6A、6B，辐射臂5A-5D和微带线6A、6B蚀刻于同一块介质基板7上；介质基板7采用高频板材RO4350B，厚度0.76mm，相对介电常数3.48，辐射臂5A、5D蚀刻于介质基板的上表面，辐射臂5B、5C蚀刻于介质基板的下表面，微带线6A蚀刻于介质基板的上表面，微带线6B蚀刻在介质基板的下表面。辐射臂5A、辐射臂5B和微带线6A构成+45°极化四叶草振子，辐射臂5A为+45°极化四叶草振子的第一辐射臂，辐射臂5B为+45°极化四叶草振子的第二辐射臂；辐射臂5C、辐射臂5D和馈电微带线6B构成-45°极化四叶草振子，辐射臂5C为-45°极化四叶草振子的第一辐射臂，辐射臂5D为-45°极化四叶草振子的第二辐射臂。
辐射臂5A-5D的形状与四叶草形状十分相似，四个辐射臂构成了一个四叶草。辐射臂由一个等腰梯形和按长轴拆分的半个椭圆组成，等腰梯形的上底与馈电微带线宽度相同为1.6mm，高16.2mm，下底宽～32.35mm，两腰与底边的夹角为46.5°，优选采用特殊椭圆——圆形，其直径～32.35，与梯形的底边长度相同，辐射臂总长32.4mm。
本发明用一个辐射单元就实现了±45°双极化，当一种极化的四叶草振子被激励时，另一极化的四叶草振子的辐射臂被用作天线的寄生单元，通过相邻辐射臂之间的耦合增强天线带宽，比如辐射臂5A与5D，辐射臂5D与5B，辐射臂5B与5C，辐射臂5C与5A之间的耦合，相邻辐射臂之间的夹角越小，耦合越强，夹角大小保持在0～40°范围内。微带线6A、6B相互正交，分别用以给+/-45°极化四叶草振子馈电，微带线的宽度为1.6mm，对应的特征阻抗50Ω，馈电微带线的长度都为5mm。辐射臂之间的耦合作用以及微带线耦合馈电，使得天线具有可完全覆盖1710-2690MHz的带宽，同时，当一种极化的四叶草振子被激励时，在另一种极化的四叶草振子的馈电端口的耦合电流很小，因此获得30dB的高隔离度。
如图3和图4所示，用二根馈线3A、3B分别给+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子进行馈电，馈线可以是软同轴或硬同轴等，本实例采用软同轴，对于+45°极化四叶草振子，其第二辐射臂5B上设有一个非金属化通孔8，第一馈线3A的内芯穿过非金属化通孔8与微带线6A焊接，第一馈线3A的外导体与+45°极化四叶草振子的第二辐射臂5B焊接，对于-45°极化四叶草振子，其第二辐射臂5D上设有一个金属化过孔9，第二馈线3B的内芯与微带线6B焊接，第二馈线3B的外导体穿入金属化过孔9，与辐射臂5D焊接，该天线仅需二个焊点，有利于天线获得好的交调性能。
反射板2采用带侧边10的结构，所述侧边10凸出反射板表面，反射板2长度为200mm，总宽度为135mm，反射板2可采用铝板、铜板等板材，反射板2的底板保留平板的宽度为120mm，二侧边向上弯折二次，第一次弯折角度为135°，弯折部分的长度为10mm，第二次弯折角度为135°，弯折部分的长度为5mm。
如图5是本实施例实测所得天线带宽，由此图得出结论，本发明的宽带双极化四叶草平面天线具有1.7-2.7GHz的带宽，回波损耗达-15dB，可完全覆盖1710-2690MHz频段，并且在该宽带上，极化隔离度在30dB以上。
本发明仅用一个辐射单元就可以实现±45°双极化，所需排布空间小，有利于基站天线小型化。在组成基站天线阵列时，辐射单元之间的间距可达到110mm（～λ2，λ2为自由空间频率2.7GHz所对应的波长），而高频段不出现栅瓣，二种极化方式下，水平面、垂直面辐射方向图在1710-2690MHz频段上稳定；8单元均匀直线阵增益可高达17dBi，增益在1710-2690MHz频段变化不超过2dB。
本发明具有全平面的简单结构，体积小、制作简单、带宽大、隔离度高、辐射方向图稳定、增益高的特点，十分合适用作移动通信基站天线。
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 (9)

1.一种宽带双极化四叶草平面天线，包括天线辐射单元、反射板、第一馈线和第二馈线，所述天线辐射单元通过支撑结构固定在反射板的上方，其特征在于，所述天线辐射单元为平面结构，所述天线辐射单元具有四叶草振子和介质基板，所述四叶草振子包括+45°极化四叶草振子和-45°极化四叶草振子，所述四叶草振子包括辐射臂和微带线，所述辐射臂为四叶草形辐射臂，所述辐射臂包括第一辐射臂和第二辐射臂；所述+45°极化四叶草振子的第一辐射臂与+45°极化四叶草振子的微带线连接，所述+45°极化四叶草振子的第一辐射臂蚀刻于介质基板的正面，所述+45°极化四叶草振子的第二辐射臂蚀刻于介质基板的背面，所述-45°极化四叶草振子的第一辐射臂与-45°极化四叶草振子的微带线连接，-45°极化四叶草振子的第一辐射臂蚀刻于介质基板的背面，所述-45°极化四叶草振子的第二辐射臂蚀刻于介质基板的正面；所述+45°极化四叶草振子的微带线蚀刻于介质基板正面；所述-45°极化四叶草振子的微带线蚀刻于介质基板背面；所述第一馈线与+45°极化四叶草振子的微带线相连，所述第二馈线与-45°极化四叶草振子的微带线相连。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述天线辐射单元是轴对称结构，所述天线辐射单元具有对称轴，所述对称轴穿过天线辐射单元的中心位置，所述对称轴包括+45°对称轴和-45°对称轴，所述+45°极化四叶草振子包括位于+45°对称轴上的第一辐射臂、第二辐射臂和位于+45°对称轴上的微带线；所述-45°极化四叶草振子包括位于-45°对称轴上的第一辐射臂、第二辐射臂和位于-45°对称轴上的微带线。
3.根据权利要求1所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述四叶草形辐射臂为四叶草形结构，所述四叶草形结构包括梯形结构和椭圆形结构，所述辐射臂的长度范围为20.454～47.726毫米。
4.根据权利要求1～2任一项所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：当+45°极化四叶草振子被激励时，-45°极化四叶草振子作为寄生单元；当-45°极化四叶草振子被激励时，+45°极化四叶草振子作为寄生单元；相邻的两个所述四叶草形辐射臂的梯形斜边之间的夹角范围为0～40度。
5.根据权利要求1～2任一项所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述微带线的特性阻抗的取值范围为40～60Ω，所述微带线的长度范围为0～16.472毫米。
6.根据权利要求书1所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于，所述支撑结构的高度范围为13.636～68.18毫米。
7.根据权利要求书3所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述梯形结构为等腰梯形结构。
8.根据权利要求书1所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述支撑结构为绝缘支撑结构，所述绝缘支撑结构为塑料棒或木棒。
9.根据权利要求书1所述的宽带双极化四叶草平面天线，其特征在于：所述反射板为带侧边的结构，所述侧边凸出反射板表面。
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