CN102544764A - 宽带双极化天线及其辐射单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带双极化天线及其辐射单元，该辐射单元包括极化相互正交的两副对称振子，每副对称振子包括一对辐射臂和分别于该对辐射臂的相靠近的一端对每个辐射臂实施同侧支撑的一对用于固定在金属反射板上的巴伦，各辐射臂设置于同一参考面，整个辐射单元关于该参考面的几何中心呈中心对称结构，以该参考面朝巴伦底部方向延伸而形成的空间被定义为容纳空间，所述的每个辐射臂呈封闭的单条线状，具有处于所述参考面的主体，在辐射臂远离其相应的巴伦的一端，该辐射臂自其主体折弯设有延伸至该容纳空间的扩展部。本发明通过充分利用空间，延长了辐射臂中电流的路径长度，从而能基于指定电气指标而降低辐射臂的尺寸。

Description

宽带双极化天线及其辐射单元

【技术领域】

本发明涉及移动通信天线领域，具体涉及一种宽带双极化天线及其辐射单元。

【背景技术】

随着移动通信事业的发展，对基站天线的带宽和性能提出了更高的要求。

随着第三代移动通信网络的建成及运营，以及WLAN，WiMax等宽带无线网络广泛应用，市场对宽带天线提出了巨大的需求，特别是可以覆盖以下通信标准：GSM1800、DCSCDMA 1900、IMT-2000、TD-CDMA、WLAN、WiMax等的1.7GHz 2.7GHz频段的宽带天线。

随着无线技术的应用和迅猛发展，电磁环境日益复杂，给移动通信双极化基站天线的设计提出了越来越高的要求。天线的电气性能要求高隔离度、高增益，主轴交叉极化鉴别率要求大于15dB，±60°交叉极化鉴别率要求大于10dB，同时要求具有良好的方向性和波束收敛性，以及很低的三阶交调指标。

企业在激烈的市场竞争中，不仅被要求能提供性能优良的宽频基站天线，而且还被要求尽量降低天线的生产成本。这就必然对天线的技术层面提出要求，要求所设计的天线结构简单牢固、体积小、重量轻、加工简易、安装方便、焊接简单、成本低廉、适合大批量生产。

目前，宽带天线的解决方案中，同时满足以上要求的天线很少。一般对称振子辐射单元在实际应用中为了展宽带宽，在与极化正交的振子臂宽度方向上会加大尺寸，同时，为了减轻重量并节省物料成本，又可以只保留振子臂的最大轮廓尺寸。下面请参阅业内技术人员提出的几件已知技术方案：

请参照US 4184163号专利公告所揭示的振子臂的形状，其振子臂采用圆状结构并最终简化为天线原理上和电气性能上都相当的圆环结构；也可以参照US 4510501号专利公告，其中的振子臂采用方形结构并最终简化为天线原理上和电气性能上都相当的方形环状结构(切角切得很小时趋于方形环，切角切得很大时可以趋于三角形环或其它多边形环)。以上这两个专利的振子臂末端都是直接闭合连接，未能充分利用振子臂附近的自由空间，使得振子臂尺寸依然偏大。以上两件专利，除了振子臂尺寸较大外，其巴伦结构也不适合耦合馈电，带宽有限，限制了其应用范围。

进一步请参阅US 6933906号专利公告，其采用的振子臂为方形结构，巴伦采用封闭柱形结构，利于实现耦合馈电和宽带特性，但封闭巴伦内壁不易保证电镀质量，因此辐射单元的交调特性也不易得到保证，且振子不同极化间的隔离度特性较差；CN 101707291A号专利申请公布了一种宽频辐射单元，其同样未解决振子臂尺寸较大的问题，另外其巴伦虽采用封闭的中空方柱结构，仍然无法达到确保辐射单元的交调特性的技术效果。

由上述的分析可知，现有技术中，对于宽带双极化天线而言，其所采用的辐射振子的尺寸和电气性能之间存在一定的矛盾。

【发明内容】

本发明就是为了解决前述矛盾，提供一种结构简单、制造方便、成本低廉、性能优良的宽带双极化天线辐射单元，在保持辐射单元的电气性能既定的前提下，进一步缩小辐射单元的尺寸。

进一步的，本发明适应前述辐射单元的提出，而提供一种宽带双极化天线，以便使该辐射单元更趋实用。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的宽带双极化天线辐射单元，包括极化相互正交的两副对称振子，每副对称振子包括一对辐射臂和分别于该对辐射臂的相靠近的一端对每个辐射臂实施同侧支撑的一对用于固定在金属反射板上的巴伦，通过该对巴伦对该对辐射臂进行平衡馈电，各辐射臂设置于同一参考面，整个辐射单元关于该参考面的几何中心呈中心对称结构，以该参考面朝巴伦底部方向延伸而形成的空间被定义为容纳空间，所述的每个辐射臂呈封闭的单条线状，具有处于所述参考面的主体，在辐射臂远离其相应的巴伦的一端，该辐射臂自其主体折弯设有延伸至该容纳空间的扩展部。

根据本发明的多个实施例所揭示，所述辐射臂的主体呈方形、圆形、多边形中任意一种。

根据本发明的一个实施例所揭示，所述扩展部被限定为在由主体所定义的参考面范围内延伸。其中优选的，所述扩展部与主体之间折弯形成的部位呈锐角。

根据本发明的另一实施例所揭示，所述扩展部被限定为与所述参考面相垂直延伸。其中优选的，所述扩展部折弯形成的部位位于由主体所定义的参考面范围的外侧。

根据本发明的多个实施例所揭示，所述扩展部包括自主体折弯而出的一对直臂和连接该对直臂各自末端的过渡带。所述过渡带可呈弧状、多段折线状、直线状中任意一种形状。较佳的，该对直臂相互平行。

根据本发明的个别实施例所揭示，所述扩展部整体呈弧状。

进一步的，所述巴伦为一体延伸件，其横截面呈半包围状以形成开口槽，每对所述对称振子的两个巴伦彼此以其开口槽相向设置。

根据本发明的多个实施例所揭示，所述巴伦的开口槽的横截面呈圆形或多边形，当其为多边形时，优选矩形。

根据本发明的一个实施例所揭示，所述巴伦的横截面呈圆弧形半包围状。在另一实施例中，所述巴伦的横截面包括两个对称设置的臂件和一个连接该两个臂件的相同端以形成半包围状的连接件。

此外，所述各巴伦在靠近所述金属反射板处相连接以使各巴伦构成一体，以便形成一稳固的由巴伦构成的底座。

本发明的宽带双极化天线，其包括至少一个如前所述的辐射单元，多个辐射单元之间以规则矩阵的方式排列组阵且并联馈电，各辐射单元所采用的金属反射板为同一金属反射板。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

首先，通过在将封闭环状的辐射臂在其末端折弯形成扩展部，使该扩展部处于所定义的容纳空间内部，因此，电气上，由于安装在金属反射板上的辐射单元基本不占用额外的外部空间，在辐射单元空间体积占用相同、辐射臂空间面积占用相同的前提下，延长了馈入辐射臂的电流和磁流路径长度，降低了对称振子的谐振频率；反之，在保持谐振频率不变的前提下，可以进一步缩小各辐射臂的尺寸，增加了两个极化之间的隔离度。

其次，通过两方面的设计单独或组合地进一步从结构上优化了辐射单元：一方面，辐射臂采用单线折弯成形，结构非常简单，易于开模压铸成型，而且结构牢固可靠；另一方面，由于巴伦设计有开口槽，形成半开放结构，使其表面电镀的质量容易得到保证，有助于提升辐射单元的交调指标，此外，各巴伦以其开口槽两两相向放置，可以屏蔽巴伦内部馈线的寄生辐射，有助提高辐射单元的交叉极化指标。

【附图说明】

图1为本发明所述宽带双极化天线辐射单元第一实施例的立体图，其中的辐射臂的主体呈圆形，并加载有向主体底部折弯的U形扩展部；

图2为本发明所述宽带双极化天线辐射单元第二实施例的立体图，其中的辐射臂的主体呈方形，并加载有向主体内部折弯的U形扩展部；

图3为在图2所示第二实施例的基础上改进而得的本发明所述宽带双极化天线辐射单元第三实施例的立体图，其中的扩展部具有弧状过渡带；

图4为在图2所示第二实施例的基础上改进而得的本发明所述宽带双极化天线辐射单元第四实施例的立体图，其加载有向主体底部折弯的U型扩展部；

图5为本发明所述宽带双极化天线辐射单元中采用的巴伦的典型实例的立体图，其同样应用于图1至图4所揭示的各实施例中，该巴伦的开口槽的横截面呈圆形；

图6为在图5的基础上，对巴伦进行改型后的立体图，该巴伦的开口槽的横截面呈矩形；

图7为本发明所述宽带双极化辐射单元仿真的电压驻波比图；

图8为本发明所述宽带双极化辐射单元仿真的两个极化的隔离度图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

请参阅图1所示的本发明的宽带双极化天线辐射单元的第一实施例的立体图。该辐射单元包括两副对称振子1、2，每副对称振子1或2均包括处于同一平面同一轴线上邻近安装的一对辐射臂(11a与11b为一对，21a与21b为一对，下同)，每个辐射臂11a、11b、21a、21b均由一巴伦13a、13b、23a、23b支撑，该巴伦13a、13b、23a、23b一端固定在天线的金属反射板4上，另一端与一个辐射臂11a、11b、21a、21b固定连接以形成对相应的辐射臂11a、11b、21a、21b的支撑，巴伦13a、13b、23a、23b与相应的辐射臂11a、11b、21a、21b的连接点，位于该辐射臂11a、11b、21a、21b靠近同一副对称振子1、2的另一辐射臂11b、11a、21b、21a的一端。在同一副对称振子1或2中，两个巴伦((13a、13b)或(23a、23b))分别支撑起两个辐射臂((11a、11b)或(21a、21b))。众所周知的，巴伦13a、13b、23a、23b除起对辐射臂11a、11b、21a、21b支撑的作用之外，还负责引入信号对辐射臂11a、11b、21a、21b实施平衡馈电。由此，一对巴伦((13a、13b)或(23a、23b))与一对相应的辐射臂((11a、11b)或(21a、21b))相组装即形成完整的一副对称振子1或2，将两副对称振子1、2以极化相互正交安装在一起，即构成本发明的辐射单元的物理结构。

本发明的辐射单元整体具有中心对称结构，两副对称振子1、2的四个辐射臂11a、11b、21a、21b由四个等高的巴伦13a、13b、23a、23b支撑而共同设置在同一参考面上，因此，具体而言，辐射单元关于该参考面的几何中心呈中心对称结构，每副对称振子1、2同理关于该参考面的几何中心呈中心对称结构。同理，因属中心对称结构，由每个巴伦13a、13b、23a、23b与相应的一个辐射臂11a、11b、21a、21b相连接组成的组合单元共计四个，这四个组合单元在结构上完全相同。为了后述说明的方便，将所述各辐射臂11a、11b、21a、21b所占据的参考面朝向各巴伦13a、13b、23a、23b底部方向延伸的而形成的立体自由空间定义为容纳空间。该容纳空间既包括由辐射臂11a、11b、21a、21b在参考面上圈定的范围，还包括辐射臂11a、11b、21a、21b底部至金属反射板4之间的空间范围。

所述辐射单元中采用的辐射臂11a、11b、21a、21b，呈单条线状，即由同一连续的线状件造型而成。每个辐射臂11a、11b、21a、21b包括主体51和扩展部50，以下以辐射臂21a为例进行说明，本领域技术人员应理解，此处关于辐射臂21a的具体结构也完全适用于其它辐射臂11a、11b、21b。所述主体51置于所述参考面中，即沿该参考面布置造型，本实施例中被造型成圆形。圆形主体51的一端，以其圆弧断开后两端与相应的巴伦23a相连接，圆形主体51的另一端，即远离该巴伦23a的一端，通过折弯的方式，设有一延伸至该圆形主体51所圈定的参考面范围内从而落入所述容纳空间范围内的所述扩展部50。由于辐射单元整体呈中心对称结构，该扩展部50同理具有轴对称结构，其对称轴正是一副对称振子2的对称轴。基于此一对称特性，本实施例中，所述扩展部50大致呈U型，具有一对相平行的直臂52、54和用于连接该对直臂52、54延伸方向末端的过渡带53，该过渡带53呈直线状。两个直臂52、54均自主体51折弯而出，故在主体51被折弯的两个部位处形成锐角，整个辐射臂21a在其远离其所属巴伦23a的远端形成一个矩形缺口。由图1可以看出，整个扩展部50与整个主体51一样，被置于所述参考面中。通过这样的设计，整个辐射臂21a的长度因为扩展部50的增设而加长，馈入该辐射臂21a的信号所经路径变长，可以降低对称振子2的谐振频率。所有辐射臂11a、11b、21a、21b具有相同结构，整体呈线状，显然，辐射单元整体而言，其结构简单而易于开模压铸。

所述辐射单元所采用的各个巴伦13a、13b、23a、23b形状结构均相同，请结合图1和图5，所采用的巴伦13a、13b、23a、23b为一体延伸件，其横截面呈半包围状以形成开口槽31，本实施例中，以巴伦23a为例，其横截面具体采用弧形半包围状。在每副所述对称振子1、2中的两个巴伦(13a与13b、23a与23b)彼此以其开口槽31相向设置，由此，在整个辐射单元中，两副对称振子1、2各自的两个巴伦(13a与13b、23a与23b)彼此相向，四个巴伦13a、13b、23a、23b形成一个中心对称的围护结构，内部具有呈四瓣梅花状的柱形空间。为了使四个巴伦13a、13b、23a、23b在结构上更趋稳固以确保其电气性能，在靠近金属反射板4位置处，也即靠近各巴伦13a、13b、23a、23b自身底部处，将相邻的每两个巴伦用连接件30加以连接，即可形成一体化底座3。由于巴伦13a、13b、23a、23b设计有开口槽31，形成半开放结构，使其表面电镀的质量容易得到保证，有助于提升辐射单元的交调指标，此外，各巴伦13a、13b、23a、23b以其开口槽31两两相向放置，可以屏蔽巴伦13a、13b、23a、23b内部馈线的寄生辐射，有助提高辐射单元的交叉极化指标。

如前所述，由四个巴伦13a、13b、23a、23b连成的底座3可用于固定在金属反射板4上，四个巴伦13a、13b、23a、23b各连接有一个辐射臂11a、11b、21a、21b，每个辐射臂11a、11b、21a、21b均包含主体51及由主体51折弯向所述容纳空间延伸形成的扩展部50，开口槽31相向的一对巴伦上的辐射臂形成一副对称振子1、2，两副对称振子1、2刚好以极化相互正交设置，整个辐射单元呈现中心对称结构。因此，采用此种结构的辐射单元，能够在保持整体尺寸基本不变的前提下，有效延长电流路径长度，而且巴伦13a、13b、23a、23b设计开口槽31形成半开放结构，其表面电镀质量更易得到保证，巴伦13a、13b、23a、23b以开口槽31相向设置又可屏蔽巴伦内部馈线的寄生辐射，进一步综合确保了整个辐射单元的电气性能。

请参阅图2所揭示的本发明的宽带双极化天线辐射单元的第二实施例，其与第一实施例的不同仅在于：辐射单元所采用的辐射臂(以21a为例)的主体51的形状呈方形，辐射臂21a与扩展部50之间形成有折弯部位刚好位于该方形主体51的一个角的两侧，形成一矩形缺口。

结合第一和第二实施例可知，所述辐射臂的主体51的形状可以被灵活设置，其不仅可以为前述各实施例中的方形、圆形，还可以是满足前述对称特性的其它多边形。

请参阅图3所揭示的本发明的宽带双极化天线辐射单元的第三实施例，其为第二实施例改型而得，本实施例中，所述辐射臂(以21a为例)的扩展部50虽同样包括一对相互平行的直臂52、54，但不同的是：连接于该两个直臂52、54之间的过渡带53呈弧状，其弧度优选超过半圆弧度，以便使扩展部50获得更大的尺寸。同理，在其它未图示的实施例中，该过渡带53还可以被设计为由多段折线构成的多段折线状。

依据前述各实施例，也可进一步推广：所述扩展部50的具体形状可以直接呈圆弧状或多段折线状，同理也可满足延长辐射臂长度的需求。

请参阅图4，本发明的宽带双极化天线辐射单元的第四实施例中，在前述第二实施例的基础上进行改进，其辐射臂(以21b为例)的主体51仍为方形、扩展部50仍为U型，扩展部50在由主体51所定义的参考面范围内延伸，而其与第二实施例的不同在于：所述扩展部50被限定为沿与所述参考面垂直的方向延伸至容纳空间内部，并且，扩展部50与主体51折弯形成的部位位于由主体51所定义的参考面范围的外侧。同理，前述扩展部50的形状变化同样适用于本实施例中，而本实施例的扩展部50延伸方向的设置也同样适用于其它前述的实施例中。

结合以上各实施例，虽然仅公开了扩展部50沿所述容纳空间的延伸的两种特例，其一是重叠于所述参考面，另一是垂直于所述参考面。然而，本领域技术人员当可知晓，扩展部50的延伸空间可以在整个容纳空间中优选，而不必受本发明所揭示的实施例的限制。

进一步的，本发明前述的各实施例所揭示的巴伦均为相同的结构，图6进一步给出一种关于巴伦的改进方案。具体为：所述巴伦(以23a为例)的横截面包括两个对称设置的臂件231、233和一个连接该两个臂件的相同端以形成半包围状的连接件232。这种改进的巴伦同样适用于本发明的前述实施例中，也同样适用于本发明未揭示的其它潜在实施例中。

图7和图8给出了本发明的宽带双极化天线辐射单元的两个极化的电压驻波比图和隔离度图。由图可以看出，本发明的辐射单元具有很好的宽带特性，可以满足1.7GHz-2.7GHz的宽带应用需求。

为了组成本发明的宽带双极化天线，需采用多个本发明所述的辐射单元，将这些辐射单元以规则矩阵的形式单行多列，或多行多列地布置在同一金属反射板4上，按照通信天线要求对这些辐射单元进行并联馈电。此种天线因其辐射单元得以改进，故同理继承了其辐射单元的优点。

综上所述，本发明的宽带双极化天线辐射单元，结构简单，尺寸小巧，性能良好，适合大批量生产。

概而言之，以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (16)

1.一种宽带双极化天线辐射单元，包括极化相互正交的两副对称振子，每副对称振子包括一对辐射臂和分别于该对辐射臂的相靠近的一端对每个辐射臂实施同侧支撑的一对用于固定在金属反射板上的巴伦，通过该对巴伦对该对辐射臂进行平衡馈电，各辐射臂设置于同一参考面，整个辐射单元关于该参考面的几何中心呈中心对称结构，其特征在于：以该参考面朝巴伦底部方向延伸而形成的空间被定义为容纳空间，所述的每个辐射臂呈封闭的单条线状，具有处于所述参考面的主体，在辐射臂远离其相应的巴伦的一端，该辐射臂自其主体折弯设有延伸至该容纳空间的扩展部。

2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述辐射臂的主体呈方形、圆形、多边形中任意一种。

3.根据权利要求1所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部被限定为在由主体所定义的参考面范围内延伸。

4.根据权利要求3所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部与主体之间折弯形成的部位呈锐角。

5.根据权利要求1所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部被限定为与所述参考面相垂直延伸。

6.根据权利要求5所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部折弯形成的部位位于由主体所定义的参考面范围的外侧。

7.根据权利要求1所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部包括自主体折弯而出的一对直臂和连接该对直臂各自末端的过渡带。

8.根据权利要求7所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述过渡带呈弧状、多段折线状、直线状中任意一种形状。

9.根据权利要求7所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，该对直臂相互平行。

10.根据权利要求1所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述扩展部整体呈弧状。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述巴伦为一体延伸件，其横截面呈半包围状以形成开口槽，每对所述对称振子的两个巴伦彼此以其开口槽相向设置。

12.根据权利要求11所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述巴伦的开口槽的横截面呈圆形、多边形或矩形。

13.根据权利要求11所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述巴伦的横截面呈圆弧形半包围状。

14.根据权利要求11所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述巴伦的横截面包括两个对称设置的臂件和一个连接该两个臂件的相同端以形成半包围状的连接件。

15.根据权利要求11所述的宽带双极化天线辐射单元，其特征在于，所述各巴伦在靠近所述金属反射板处相连接以使各巴伦构成一体。

16.一种宽带双极化天线，其特征在于，其包括至少一个如权利要求1至15中任意一项所述的辐射单元，多个辐射单元之间以规则矩阵的方式排列组阵且并联馈电，各辐射单元所采用的金属反射板为同一金属反射板。

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