CN102447163B - 一种宽频带双极化全向天线及馈电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽频带双极化全向天线及馈电方法，具体内容包括：通过采用水平极化天线与垂直极化天线共轴设置，水平极化天线由折合振子的两个振臂分别附着于附着板上下两个表面，且所述两个振臂分别连接馈线内导体和馈线外导体的结构，使得本发明的双极化天线具有较宽的工作频带宽度，同时，本发明提供的双极化吸顶天线具有良好的极化隔离效果和覆盖平衡性，可以有效地在LTE和WLAN***中发挥MIMO天线的性能，且能够有效地应用在2G、3G网络中，提高数据传输速率。

Description

一种宽频带双极化全向天线及馈电方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种宽频带双极化全向天线及馈电方法。

背景技术

在高级国际移动通信(IMT-Advanced)***中，时分双工(Time DivisionDuplexing，TDD)和频分双工(Frequency Division Duplexing，FDD)两大技术阵营都用到了多输入多输出(multi-input-multi-output，MIMO)天线技术。

MIMO天线技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和多个接收天线，无线电波信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量(误比特率或数据速率)。MIMO天线***对于传统的单输入单输出(single-input-single-output，SISO)天线***来说，能够提高频谱利用率，使得天线***能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。

MIMO天线阵列根据MIMO天线***的需要有2入2出、4入4出等多种形式，可以采用单极化天线或双极化天线作为MIMO天线***的阵列单元。其中，单极化天线是指天线内部振子的排列为同一方向的一列，从一个方向接收无线电波信号，单极化天线相对于基准面可以是垂直极化、水平极化或是正负45度极化等；双极化天线是指天线内部振子有两个不同方向的排列，从两个不同的方向接收无线电波信号。双极化天线的两个内部振子之间可以采用不同的极化方式，如一个振子采用水平极化(水平极化天线)，另一个振子采用垂直极化(垂直极化天线)，或者一个振子采用正45度极化(正45度天线)，另一个振子采用负45度极化(负45度天线)等。

根据天线的方向性，天线又可以分为全向天线和定向天线。全向天线是指在水平面上辐射与接收无最大方向的天线，天线增益相对较低，无线信号的传输距离也较短，因此，全向天线一般适合在对传输距离要求不高的点对多点通信环境使用，如室内环境。相对于全向天线，定向天线的方向性较强，能量在特定方向上比较集中，增益相对较高，无线信号的传输距离比较远，抗干扰能力比较强，更适合于远距离点对点通信，定向天线的缺点在它的信号覆盖范围较小，天线在安装和调整时的难度较大，两个传输点的天线必须相互对准才能保证信号的传输。

当前MIMO天线***的设计主要针对室外环境，由于室内环境复杂，且需要较宽频带的覆盖，因此，现有的针对室内环境的MIMO天线***的设计中，MIMO天线***一般包括多个采用垂直极化方式的单极化全向天线。

在目前采用单极化全向天线为阵列单元的室内MIMO天线***中，由于单极化全向天线的频谱利用率低，导致数据传输速率较低；另外，为了保证室内MIMO天线***的高容量，需要设置数量较多的单极化全向天线，导致室内MIMO天线***占用的空间过大。因此需要一种能够提高频谱利用率以及占用较小空间的全向天线作为室内MIMO天线***的阵列单元。

对此，考虑到双极化全向天线相对于单极化全向天线可以使重叠的频谱分开，提高频谱利用率，因此，提出了采用双极化全向天线作为室内MIMO天线***的阵列单元的技术，在占用较少空间的情况下提高频谱利用率。如图1所示，为一种双极化全向天线的结构示意图，具有一个垂直极化天线1以及四个水平极化天线2。该天线的工作频带为225～400MHz，因此，与单极化全向天线相比，虽然利用双极化全向天线可以提高频谱利用率，并使得通过该双极化全向天线构成的MIMO天线***占用的空间减少，但由于双极化全向天线工作频带宽度较窄，导致实际室内MIMO天线***的数据传输速率较低。

除了MIMO天线具有上述问题，在第三代移动通信***(3G，即TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000)中，室内覆盖的天线仍然和第二代移动通信***(2G)一样采用单极化天线，但是由于3G***的频率较高，采用单通道模式的单极化天线覆盖距离大大缩短，只能采用成倍增加天线的方式来弥补覆盖距离的不足。而采用双通道模式的双极化全向(吸顶)天线利用极化分集的极化增益效应，在同样天线数量(与2G)的情况下相对于2G的状态可满足网络的覆盖要求。但是，目前的双极化全向(吸顶)天线的工作频带宽度仍然较窄。

因此，需要寻找一种工作频带宽度较宽的双极化全向天线，在提高频谱利用率的同时，还能保证一定的频带覆盖率，从而在占用较少空间的情况下，提高双极化全向天线的数据传输速率。

发明内容

本发明实施例提供一种宽频带双极化全向天线及馈电方法，用以解决现有技术中双极化全向天线覆盖距离短、数据传输速率较低的问题。

一种宽频带双极化全向天线，所述宽频带双极化全向天线包括的垂直极化天线(20)和水平极化天线(30)采用共轴设置；

水平极化天线(30)包括附着板(32)和附着在附着板(32)上的用于接收和发射电磁波的折合振子(31)；

所述折合振子(31)的两个振臂分别附着于所述附着板(32)的上表面和下表面，一个振臂连接第一馈线的内导体，一个振臂连接第一馈线的外导体。

一种利用宽频带双极化全向天线进行馈电的方法，包括：

利用水平极化天线接收、发射水平极化波；

利用垂直极化天线接收、发射垂直极化波。

本发明通过采用水平极化天线与垂直极化天线共轴设置，水平极化天线由折合振子的两个振臂分别附着于附着板上下两个表面，且所述两个振臂分别连接馈线内导体和馈线外导体的结构，使得本发明的宽频带双极化天线相对于传统的双极化全向天线有较宽的工作频带宽度，并且本发明提供的宽频带双极化全向天线具有良好的极化隔离效果和覆盖平衡性，可以有效地覆盖2G、3G、无线局域网(WLAN，Wireless LAN)和长期演进(long term evolution，LTE)等***，并在LTE和WLAN***中充分发挥MIMO天线的性能，提高数据传输速率。

附图说明

图1为现有技术中双极化全向天线的结构示意图；

图2(a)为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线的立体图；

图2(b)为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线的主视图；

图2(c)为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线的俯视图；

图3为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线水平极化方向图；

图4为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线垂直极化方向图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种宽频带双极化全向天线及馈电方法，该天线采用水平极化、垂直极化的双极化结构，来提高天线的工作效率。通过本发明方案，使双极化全向天线中的水平极化天线的工作频率范围可以达到1710MHz～2700MHz，同时，垂直极化天线的工作频率范围根据所适用的网络不同，可以达到1710MHz～2700MHz和820MHz～960MHz，可以实现对2G、3G、WLAN和LTE等***的同时覆盖。

下面结合说明书附图和各实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一、

如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示分别为本发明实施例一提供的一种宽频带双极化全向天线的立体图、主视图和俯视图。

本发明实施例一中的一种宽频带双极化全向天线包括底板10、垂直极化天线20、水平极化天线30和支撑柱40。垂直极化天线20竖直放置在底板10上，垂直极化天线20和水平极化天线30同轴设置，支撑柱40固定在底板10和水平极化天线30上，用于支撑水平极化天线30。

支撑柱40除了用于支撑附着板32之外，通过对支撑柱40的高度的调整，还可以用于调整驻波，起到展宽天线的频率带宽的作用。

支撑柱40为绝缘材质，固定在附着板32和底板10上，所述固定可以为焊接或铆接。

所述底板10用于提高阵列天线的方向性及减少后向辐射，该底板10为圆形平面板，底板10的材质为导体，可以为金属板或者通过叠加或镀膜等工艺于表面设有铜、铁等金属层的板，较优的，可以为铜金属板或铝金属板。

所述水平极化天线30用于接收、发射水平极化波，包括附着板32和附着在附着板32上的用于接收和发射电磁波的折合振子31，所述折合振子31的两个振臂分别附着于所述附着板32的上表面和下表面，一个振臂连接第一馈线的馈线内导体，另一个振臂连接第一馈线的馈线外导体。

折合振子31的数量可以为多个，较优的，所述水平极化天线30可以包括偶数个折合振子31，多个振子31成轴对称方式均匀分布于附着板32上。如，水平极化天线30可以包括相邻振子之间呈90度的4个折合振子31，降低水平极化的不圆度。

折合振子31由两个对称的振臂组成，折合振子31中的两个振臂之间可以采用多种方式连接，具体的，在本发明实施例中可以采用金属化过孔连接，所述采用金属化过孔连接是指在附着板上打孔，所述孔的内壁通过叠加或镀膜等工艺于表面设有铜、铁等金属层实现导电，所述孔与位于附着板上下两个表面的两个振臂均连接，从而使两个振臂之间通过附着板上导电的孔连接。

为了保证天线覆盖的广度，一般要求天线的不圆度(在近圆形的方向图平面上的最大增益方向与最小增益方向的增益差值)小于2dB。在本发明实施例一中，为了降低天线的不圆度，折合振子31的振臂可以呈一段圆环状或近似呈一段圆环状，除了将折合振子31的振臂设计为一段圆环状或近似呈一段圆环状，所述振臂中还可以有缝隙，所述缝隙也是呈一段圆环状或近似呈一段圆环状。

所述折合振子31的振臂和振臂中的缝隙中涉及的近似呈一段圆环状是指：振臂的外边缘(该圆环的外圆周)和内边缘(该圆环的内圆周)可以为由多条线段组成的近似圆弧形。具体的，如图2(c)所示(该图中的虚线结构表示折合振子的一个振臂在附着面下表面的位置示意图，图中仅利用虚线结构示出了一个位于附着面下表面的振臂的位置示意图，其余三个未在图中示出)，将折合振子31振臂设计为近似呈一段圆环，振臂中的缝隙设计为近似呈一段圆环，则本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线水平极化的水平面方向图如图3所示，该天线在工作频率为1880MHZ，2100MHZ和2400MHZ时的水平极化水平面的方向图分别用虚线、点画线和实线表示，从图中可以看出，该宽频带双极化全向天线在水平方向的不圆度小于一般对天线不圆度小于2dB的要求。如图4所示为本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线垂直极化水平面方向图，该天线在工作频率为870MHZ，2000MHZ和2400MHZ时的垂直极化水平面方向图分别用虚线、点画线和实线表示，从图中可以看出，该宽频带双极化全向天线在垂直方向的不圆度小于2dB。

折合振子的阻抗大小随着振臂的面积大小改变而变化，因此，通过调节振臂的面积大小可以调节折合振子的阻抗值。根据折合振子的大阻抗特性，在水平极化天线30包括多个折合振子31时，可以通过将折合振子31并联的方式使水平极化天线的阻抗与馈线阻抗匹配，降低本发明实施例一中提供的宽频带双极化全向天线的驻波比(线路中最高电压和最低电压的比例)。

具体的，在折合振子31与第一馈线连接时，折合振子31振臂中的引线从振臂的内边缘引出，与第一馈线的馈线内导体或馈线外导体连接，所述折合振子31采用并联的方式，是指将每个折合振子31连接第一馈线的馈线内导体的振臂的引线连接在一起，将连接第一馈线的馈线外导体的振臂的引线连接在一起，使折合振子31形成并联。进一步的，为了便于连接，可以将多个折合振子31的连接第一馈线的馈线内导体的振臂设置于附着板32的上表面(或下表面)，将连接第一馈线的馈线内导体的引线连接在一起；将多个折合振子的连接第一馈线的馈线外导体的振臂设置于附着板的下表面(或上表面)，连接第一馈线的馈线外导体的引线连接在一起，从而使折合振子31形成并联并减少连接线的数量。

附着板32的形状可以但不限于为圆形、矩形或其他多边形，优选地，附着板32设计为圆形。折合振子31的两个振臂可以但不限于以焊接的方式附着在附着板32的表面，折合振子31的振臂的外边缘靠近附着板32的外边缘，振臂的内边缘靠近附着板32的中心。

所述垂直极化天线20用于接收、发射垂直极化波。垂直极化天线20的材质可以为金属结构或者通过叠加或镀膜等工艺于表面设有铜、铁等金属层的结构，较优的，可以为铜结构或铝结构。垂直极化天线20可以采用多种结构，具体的，如图2(a)(该图中的虚线结构表示折合振子的一个振臂在附着面下表面的位置示意图，图中仅利用虚线结构示出了一个位于附着面下表面的振臂的位置示意图，其余三个未在图中示出)所示垂直极化天线20包括球缺结构的天线部件22和从球缺结构的天线部件22下端缘延伸出的圆锥体结构的天线部件21，圆锥体结构的天线部件21与第二馈线连接，具体的，圆锥体结构的天线部件21上的馈电点可以通过底板10上的圆孔与第二馈线连接，圆锥体结构的天线部件21通过该圆孔及穿过该圆孔的第二馈线与底板10连接成一体。

如图2(b)所示，所述第一馈线可以从球缺结构的天线部件22侧面穿入，并从该部件的顶端穿出，通过垂直极化引向片50上的开口，与折合振子的振臂上的引线连接。优选的，如图2(b)所示，还可以增加一个支撑部件用于支撑垂直极化天线20。

为了降低水平极化振子30和垂直极化振子20之间的干扰，提高本发明实施例一所提供的宽频带双极化全向天线的极化隔离效果，所述水平极化天线30和所述垂直极化天线20可以采用共轴设置。为了减少水平极化天线30和垂直极化天线20之间的耦合，所述水平极化天线30的附着板32的下表面和所述垂直极化天线20之间的垂直距离可以设置为8mm～15mm，如，在垂直极化天线包括球缺结构的天线部件22和从球缺结构的天线部件22下端缘延伸出的圆锥体结构的天线部件21时，水平极化天线30的附着板32的下表面与垂直极化天线20的球缺结构的天线部件22顶端之间的垂直距离为8mm～15mm。

为了展宽了垂直极化天线20的带宽，并进一步的减少垂直极化天线20和水平极化天线30之间的耦合，如图2(b)所示，本发明实施例一提供的宽频带双极化全向天线还可以进一步包括垂直极化引向片50和连接部件60，所述连接部件60为不导电材质，固定在附着板32和耦合部件50上，所述固定可以为焊接或铆接，使得垂直极化引向片50位于水平极化天线和垂直极化天线之间，即，所述垂直极化引向片50的上表面与水平极化天线30的附着板32的下表面不接触，且所述垂直极化引向片50的下表面和垂直极化天线也不接触。所述垂直极化引向片50可以但不限于为圆形，具体的，可以将垂直极化引向片50设计为圆形。

通过在垂直极化天线20和水平极化天线30之间设置垂直极化引向片50，展宽垂直极化天线20的带宽并起到降低垂直极化和水平极化天线30之间的耦合度的作用。

实施例二、

本发明实施例二提供一种利用本发明实施例一提供的一种宽频带双极化全向天线及馈电方法，在利用该天线接收无线电波时，利用水平极化天线接收水平极化波，利用垂直极化天线接收垂直极化波，并将接收到的无线电波转换为高频电流后通过第一馈线和第二馈线输出；在利用该天线发射无线电波时，将接收到的高频电流转换为无线电波后通过第一馈线和第二馈线输出至该天线，该天线利用水平极化天线发射水平极化波，利用垂直极化天线发射垂直极化波。

本发明实施例中提供的宽频带双极化全向天线除了具有频带覆盖率较高以及数据传输速率较高的效果外，还通过多个折合振子在附着板上的对称安装设计，以及将折合振子的振臂设计为一段圆环状并在振臂中设计呈一段圆环状的缝隙，使得宽频带双极化全向天线的不圆度降低；通过将多个折合振子并联，降低双极化MIMO全向天线的驻波比；通过将连接馈线线内导体的振臂设计在附着板的同一表面，将连接馈线外导体的振臂设计在附着板的另一表面的优化设计，减少了连接线的数量；本发明实施例还通过在垂直极化天线20和水平极化天线30之间设置垂直极化引向片50，展宽了垂直极化天线20的带宽，降低了垂直极化和水平极化天线30之间的耦合度，优化了宽频带双极化全向天线的性能。

本发明实施例中提供的宽频带双极化全向天线除了可以在TD-LTE和WLAN***中作为MIMO天线使用之外，该宽频带双极化全向天线中的垂直极化振子相当于传统的单极化全向(吸顶)天线，可以覆盖GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、TD-LTE和WLAN等频段，可以单独应用在GSM和CDMA室内覆盖***中。在WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA等3G***中，该宽频带双极化全向天线中的垂直极化振子与水平极化振子可以共同组成双通道天线用于接收和发射无线电波。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种宽频带双极化全向天线，其特征在于，

所述宽频带双极化全向天线包括的垂直极化天线（20）和水平极化天线（30）采用共轴设置；

水平极化天线（30）包括附着板（32）和附着在附着板（32）上的用于接收和发射电磁波的折合振子（31）；

所述折合振子（31）的两个振臂分别附着于所述附着板（32）的上表面和下表面，一个振臂连接第一馈线的馈线内导体，一个振臂连接第一馈线的外导体。

2.如权利要求1所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，

所述两个振臂之间采用金属化过孔连接。

3.如权利要求1所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述宽频带双极化全向天线还包括垂直极化引向片（50）和连接部件（60）：

连接部件（60）连接水平极化天线（30）的附着板（32）和垂直极化引向片（50），使垂直极化引向片（50）固定在水平极化天线和垂直极化天线之间。

4.如权利要求1所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述垂直极化天线（20）包括球缺结构的天线部件（22）和从球缺结构的天线部件（22）下端延伸出的圆锥体结构的天线部件（21），所述圆锥体结构的天线部件（21）与第二馈线连接。

5.如权利要求4所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述水平极化天线（30）的附着板（32）的下表面与垂直极化天线（20）的球缺结构的天线部件（22）顶端之间的垂直距离为8mm～15mm。

6.如权利要求1所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述振臂为呈一段圆环状或近似呈一段圆环状的多边形，振臂中的引线从振臂的内边缘引出，与第一馈线的馈线内导体或馈线外导体连接，所述振臂近似呈一段圆环状是指振臂的外边缘和内边缘为由多条线段组成的近似圆弧形。

7.如权利要求6所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述水平极化天线（30）包括N个折合振子（31），所述N为偶数，且N个振子（31）成轴对称方式均匀分布于附着板（32）上。

8.如权利要求7所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，折合振子（31）的振臂的外边缘靠近附着板（32）的外边缘，振臂的内边缘靠近附着板（32）的中心。

9.如权利要求8所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，将每个折合振子（31）连接第一馈线的内导体的引线连接在一起，使N个折合振子（31）并联。

10.如权利要求6所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，所述振臂中有呈一段圆环状或近似呈一段圆环状的缝隙，所述振臂的缝隙近似呈一段圆环状是指缝隙的外边缘和内边缘为由多条线段组成的近似圆弧形。

11.如权利要求1～10任一所述的宽频带双极化全向天线，其特征在于，

所述垂直极化天线应用在GSM和CDMA的室内覆盖***中；

宽频带双极化全向天线应用在WCDMA、CDMA2000或TD-SCDMA***时，所述垂直极化天线与水平极化天线共同组成双通道天线；

宽频带双极化全向天线应用在TD-LTE或WLAN***时，该宽频带双极化全向天线作为MIMO天线。

12.一种利用权利要求1～11任一所述的宽频带双极化全向天线进行馈电的方法，其特征在于，包括：

利用水平极化天线接收、发射水平极化波；

利用垂直极化天线接收、发射垂直极化波。

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