CN103155278A - 宽带双极化辐射单元及宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带双极化辐射单元100包括两对正交极化的偶极子11，12，13，14和对偶极子进行平衡馈电的平衡器21，22，23，24。每个偶极子包括一对对齐安装在平衡器顶部的单元臂11a和11b，12a和12b，13a和13b，14a和14b。每个单元臂的一端固定在平衡器顶部，另一端向内折弯形成向内的加载线61a，62a，63a，64a另一个单元臂的一端向下折弯形成向下的加载线61b，62b，63b，64b。一副天线10包括一个金属反射板20和至少一个拥有优越的辐射性能和极化性能的宽带双极化辐射单元。

Description

宽带双极化辐射单元及宽带天线

技术领域

本发明涉及移动通信基站天线领域，尤其是涉及一种宽带高性能双极化辐射单元及宽带天线。

背景技术

目前，在2G和3G网络共存的情况下，对能够兼容2G和3G网络的多频段天线的需求持续增长。随着通信技术的发展，对多频天线的性能指标也提出越来越高的要求。

基于以上的发展趋势，目前市场上普遍采用的是两对交叉极化偶极子呈方形或圆形的设计。如美国专利US6333720B1公开了一种天线，该专利所述的低频辐射单元包括两对排列成偶极子矩阵的交叉极化偶极子。通过在低频辐射单元之间嵌入高频辐射单元达到多频天线的性能。

低频辐射单元和它的多频天线存在以下几点不足：

（1）呈直线型的偶极子产生一个巨大的偶极子矩阵；同时它降低了位于低频辐射单元间的高频辐射单元的性能。此外，低频辐射单元间的耦合降低了它的电性能。

（2）平衡器的结构呈直线型，使低频辐射单元与高频辐射单元距离较近，高频辐射单元的阻抗以及方向图性能等受到低频辐射单元的影响，导致更低的电性能及不良的方向图。

专利CN201134512Y的设计，虽然相对美国专利US6333720B1做了改进，但仍存在以下不足之处：（1）采用高频辐射单元嵌入低频辐射单元实现多频天线设计，高频辐射单元离低频辐射单元的平衡器较近，高频辐射单元的电压驻波比及辐射性能受到较大影响。（2）虽然该设计收敛了辐射口径，所有一端的偶极子采用向下折弯的方式，增加了对高频辐射单元的不良影响。（3）该专利通过粗细不一的偶极子，尤其在末端加粗来展宽工作带宽，增加了制造困难以及减少了辐射单元可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种宽带高性能双极化辐射单元。该辐射单元结构简单，便于制造，同时口径更小，以便改善电性能和辐射性能。

本发明的另一个目的在于提供一种可以减少交叉耦合以及改善电性能及辐射性能的单频或多频天线。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽频双极化辐射单元包括多个偶极子、对每个偶极子进行平衡馈电的平衡器，平衡器的底部固定在一个环形连接器上，每个偶极子包括一对对齐安装在平衡器顶部的单元臂，每对单元臂的一端分别固定在平衡器顶部的两端，另一端分别向下和向内折弯，这样形成向下和向内的加载线。

加载线分别相对于偶极子多边形以直角向下弯折，同时向偶极子多边形的中心向内弯折。相邻的偶极子加载线相互平行。偶极子对按照交叉极化排列，偶极子的单元臂呈线型或折线型形成八边形或者十六边形。这种宽频双极化辐射单元为一体化压铸成型。

所述平衡器呈弧线形，其弧长为0.2～0.3个工作波长，而平衡器的长度优选为中心频率的0.25波长。每个平衡器下表面设有供馈电电缆布设的走线凹槽。平衡器顶部的一端开有一个走线孔，另一端设有金属柱。馈电电缆包括芯线和外部的金属屏蔽层，馈电电缆从走线凹槽穿过平衡器的走线孔，芯线和金属柱分别焊接到其上的一个馈电片的两端，由绝缘环套来支撑馈电片。馈电电缆的外部金属屏蔽层在走线凹槽接近走线孔的位置与走线凹槽进行焊接，馈电电缆的另一端在接近环形连接器的位置与平衡器进行焊接。从而，平衡器对偶极子进行平衡馈电。

一副宽带天线包括一个金属反射板和至少一个宽带双极化辐射单元。该辐射单元通过紧固件与环形连接器上开设的固定孔连接，从而安装在金属反射板上。所述的金属反射板有一块垂直的侧壁，辐射单元的偶极子向下的加载线位于金属反射板侧壁附近。

在另一个实施例中，所述金属反射板上至少呈直线状安装了两个所述的宽带双极化辐射单元。

在第三个实施例中，所述金属反射板安装了若干高频辐射单元，至少一个内嵌在所述的宽带双极化辐射单元之中。

当宽带双极化辐射单元安装在金属反射板上，它靠近金属反射板垂直侧壁的偶极子向下折弯，其他辐射单元附近的偶极子向内折弯。换句话说，这种宽带双极化辐射单元安装在金属反射板上，侧壁附近的偶极子加载线向下折弯，相邻金属反射板上的其他辐射单元的加载线向内折弯。

本发明的有益效果是：本设计的偶极子末端向下或向内弯折，形成八边形或者其他多边形，极大地减少了同等电子长度下的辐射单元口径，换句话说，扩展了辐射电流的长度。

此外，本发明所述的宽带双极化辐射单元是高效率，辐射性能好且可以灵活运用于单频天线及多频天线。辐射单元的整体结构通过一体化压铸成型，确保简单的结构拥有良好的性能。

向内的加载线增加了金属反射板上直线排列的辐射单元间的距离，尤其增加了高频辐射单元与低频辐射单元间的距离，因此，极大地减少了高频辐射单元受到的干扰。

向下的加载线补偿了极化的不对称性，使得交叉极化性能指标有大幅提高。

此外，辐射单元采用弧形平衡器，同时提高了上述特性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

图1是本发明的一个实施例的辐射单元整体结构示意图；

图2是图1的仰视结构示意图；

图3是图1的侧视结构示意图；

图4是另一个实施例的辐射单元整体结构示意图；

图5是本发明一个实施例的宽频双极化天线的立体结构示意图；

图6是本发明一个实施例的双频双极化天线的立体结构示意图；

图7是一个实施例中的双频天线的H平面方向图；

图8是另一个实施例中双频天线的H平面方向图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2和图3，一种宽带高性能双极化辐射单元100，包括正交极化的偶极子，对每个偶极子进行平衡馈电的馈电器，和一个用于固定平衡器底部的环形连接器111。所述辐射单元100包含两对呈八边形的交叉极化偶极子11，12，13，14安装在平衡器21，22，23，24的顶部。所述辐射单元100为一体化压铸成型单元。

在一个优选的实施例中，所述偶极子11，12，13，14结构相同，每个偶极子分别包含一对单元臂11a和11b，12a和12b，13a和13b，14a和14b。每对单元臂的一端分别固定在相应平衡器顶部的两端，另一端向下弯折或者向内弯折形成向下的加载线和向内的加载线61a和61b，62a和62b，63a和63b，64a和64b。更优选的是，加载线分别相对于偶极子多边形成直角向下弯折，朝着偶极子多边形中心向内折弯。相邻的偶极子加载线相互平行。

以偶极子11为例进行说明，偶极子11包括一对单元臂11a和11b对齐安装在平衡器21的顶部。单元臂11a和11b都有一端分别固定在平衡器21顶部的两端，单元臂11a的另一端向内弯折形成加载线61a，单元臂11b的另一端向下弯折形成加载线61b。更优选的是，单元臂11a或11b的另一端相对于偶极子八边形正交向下折弯形成向下的加载线61b，或者朝偶极子八边形中心向内弯折形成向内的加载线61a。加载线61a和61b的结构很好地缩小了辐射单元100的口径。换句话说，极大地扩展了辐射电流长度。同时，它能使辐射单元100的结构最小化。此外，向内折弯的加载线61a使得在多频应用时低频辐射单元对高频辐射单元的影响减小。从而，电性能和辐射性能得到改进。

同样，偶极子12的单元臂12a和12b的一端分别连接到平衡器22的顶部，另一端折弯形成向下的加载线62b和向内的加载线62a。

偶极子13的单元臂13a和13b的一端连接到平衡器23的顶部，另一端折弯形成向下的加载线63b和向内的加载线63a。

偶极子14的单元臂14a和14b的一端连接到平衡器24的顶部，另一端折弯形成向下的加载线64b和向内的加载线64a。这样，加载线61a和64a相互平行对齐，62a和63a相互平行对齐，如图5所示加载线向内折弯且平行于金属反射板20。

同时，如图5所示，向下的加载线61b和62b与63b和64b相互平行，垂直于金属反射板20，两对偶极子形成±45°极化，同样方向的偶极子间距为0.4～0.6个工作波长。每个平衡器的底部正交安装在环形连接器111上。

偶极子11，12，13，14的横截面呈圆形、方形或多边形，圆形和多边形可以提供更好的阻抗特性。为了减少辐射单元100的重量，比如横截面呈多边形结构的偶极子设计成内部中空，因此减少了制造费用，同时辐射口径保持不变。

偶极子11，12，13，14的横截面也可以设计呈“L”形，“T”形或短截线形。短截线形可以确保最好的阻抗特性。考虑到制造的困难，如图所示，横截面呈“L”形的偶极子较佳。

在优选的实施方式中，平衡器21-24呈弧形，分别对辐射单元100的偶极子11，12，13，14进行平衡馈电。平衡器的长度是0.2-0.3个工作波长。较佳地，为1/4中心频率波长。弧形平衡器增加了低频辐射单元与高频辐射单元间的距离，从而抑制了低频辐射单元对高频辐射单元的影响，改善交叉极化性能。

平衡器21，22，23，24拥有相同结构。每个平衡器的底部正交安装到环形连接器111，顶部连接到偶极子11，12，13，14。每个平衡器的下表面设有一条走线凹槽来布设电缆及馈电网络供电连接及对偶极子进行馈电。

以平衡器21为例详细说明平衡器和它的馈电网络的结构。再次参照图1-图3，平衡器21的底部正交连接到环形连接器111。包括芯线51及外部金属屏蔽层的馈电电缆91被固定在平衡器21下表面的走线凹槽里。在平衡器21的顶部，一端开有走线孔101，另一端设有金属柱41。走线孔101连通安装馈电电缆的走线凹槽。馈电片31焊接到金属柱41的顶部。

在具体应用中，馈电电缆91穿过走线孔101，芯线51连接到馈电片31的一端，馈电片31的另一端电连接到金属柱41。通过这种方式实现了电缆91的芯线51和偶极子11的单元臂11b间的电路连接。一对绝缘环71分别环绕在芯线51和金属柱41外面以支撑馈电片31。

在走线凹槽的走线孔101附近的一点，馈电电缆91的外部金属屏蔽层焊接到单元臂11a的走线凹槽上。此外，电缆91的另一端在走线凹槽里通过，在走线凹槽里靠近环形连接器111的焊接点121焊接到平衡器21，从而避免辐射单元100的电性能和辐射性能因为电缆表面电泄露而变差。

平衡器22，23，24和对偶极子12，13，14进行馈电的方式与平衡器21相同。电缆92，93，94分别从相应的平衡器下表面的走线凹槽内穿过，分别从走线凹槽内靠近环形连接器111的焊接点122，123，124焊接到平衡器。在每个平衡器顶部，一端开有走线孔102，103，104，另一端设有金属柱42，43，44。走线孔102，103，104分别联通走线凹槽来安装馈电电缆。馈电片32，33，34分别焊接到金属柱42，43，44的顶部。三对绝缘环72，73，74分别套在芯线52，53，54和金属柱42，43，44上来支撑上面的馈电片32，33，34。在实际应用中，电缆92，93，94分别穿过在平衡器22，23，24顶部一端的走线孔102，103，104，它的芯线52，53，54连接到馈电片32，33，34的一端，金属柱42，43，44连接到馈电片32，33，34的另一端，从而实现馈电电缆的芯线52，53，54与相应偶极子的一个单元臂间的电连接。在接近走线孔102，103，104的一点，馈电电缆的外部金属屏蔽层在走线凹槽内与走线凹槽进行焊接以实现馈电电缆92，93，94与相应偶极子的另一个单元臂间的电连接。

宽带双极化辐射单元100的两对偶极子呈交叉极化，呈八边形或其它多边形排列。偶极子的单元臂呈直线形或折线形。每个偶极子的加载线分别向内折弯或向下折弯。因此，同样的电波长，辐射单元100的口径减少了。

图4说明了辐射单元100的另一个实施方式，两对交叉极化偶极子形成十六边形，使得辐射单元的口径大大减小。

偶极子的一个单元臂向内折弯，减小了加载线一端对高频辐射单元产生的影响。另一个单元臂向下折弯，补偿了偶极子极化的不对称性，改善了电性能。

每个平衡器呈弧形，长度大约为0.2-0.3个工作波长，这样设计能有效减少不同工作频率波段的相互影响，确保了电性能的一致性及辐射单元结构的稳定性。

此外，辐射单元100采用一体化压铸成型。简单结构以便容易制造，以卓越的电性能及辐射性能广泛应用到单频和多频天线中，主要应用到移动通信基站天线中。

如图5所示，辐射单元100应用到双极化天线10以得到单一工作频带。辐射单元100安装在金属反射板20上。环形连接器111设有几个固定孔81，82，83，84，紧固件通过这些固定孔嵌入，从而，辐射单元100安装到金属反射板20。金属反射板20包括一个垂直侧壁200。根据偶极子相对于金属反射板200的侧壁安装的方向，两对偶极子能形成正负45°极化，水平极化或垂直极化。

在单频天线阵的应用中，两个或更多辐射单元100呈直线状安装在金属反射板20上。

接近金属反射板侧壁200的加载线向下折弯以补偿辐射单元100的极化不对称性，从而改善天线的电性能。其它接近辐射单元阵的加载线向内折弯。这样排列加载线能增加辐射单元间的距离，也就是，它能减小其间的相互影响。

参照图6，在双频天线10的应用中，至少两个宽频双极化辐射单元100呈直线状安装在金属反射板20上作为低频辐射单元。此外，有几个高频辐射单元30安装在金属反射板上。至少一个高频辐射单元30嵌入低频辐射单元100形成共轴天线阵。接近辐射单元阵的偶极子加载线向内弯折能增加位于两个低频辐射单元100之间的高频辐射单元30与低频辐射单元100之间的距离。因此，它能减小高频辐射单元30受到低频辐射单元100的影响。

本发明的天线辐射单元100呈八边形，十六边形或其它多边形。该设计减小了应用到多频天线的低频辐射单元100的口径，能减小辐射单元间的耦合。

此外，偶极子加载线采取向内折弯和向下折弯组合设计方式，能减小加载线末端对高频辐射单元30产生的影响。

天线辐射单元的平衡器呈弧形，有利于减小不同工作频带间的耦合。

下列描述是双频天线应用中辐射性能与电性能的分析对比。

在第一个实施例中，低频辐射单元100和高频辐射单元30构造一个65°的双频天线。对比了加载线采用不同折弯方向对电性能和辐射性能的影响。

这两种天线，每种包含位于天线内的一个低频辐射单元模块和一个高频辐射单元模块。两者唯一的区别是，第一种天线包含低频辐射单元，偶极子加载线全部向下折弯，而第二种天线10包含本发明的低频辐射单元100，它的偶极子加载线分别向下折弯及向内折弯。低频辐射单元的扇区功率比仿真数据如表格1所示。在双频天线应用中，高频辐射单元的对比仿真数据如表2所示。

表1低频辐射单元扇区功率比仿真数据对比

工作频率	第一根天线	天线10
			790	4.79	4.38
875	3.59	3.06
			960	2.65	1.99

表2高频辐射单元仿真数据对比

如上面表1所示，本发明的低频辐射单元100的加载线采用向内折弯及向下折弯组合设计方式，改善低频辐射单元的电性能。

从表2的对比中，表明所有加载线向下折弯的低频辐射单元使高频辐射单元的电性能变差。换句话说，本发明的低频辐射单元100能极大地改善电性能与辐射性能以及交叉极化鉴别率。

再参照图7，其中7(a)显示第一根天线中低频辐射单元的H平面方向图；7(b)显示第一根天线中高频辐射单元的H平面方向图，7(c)显示本发明所述第二根天线10中低频辐射单元的H平面方向图，7(d)显示第二根天线中高频辐射单元的H平面方向图，表明低频辐射单元100中向内及向下折弯的加载线能使双频天线10应用中的高频辐射单元的辐射性能优化。

在另一个实施例中，第三个根双频天线，不同于以上第一个实施例中的第二根天线10，它的低频辐射单元的平衡器呈线形而不是弧形。表3显示了低频辐射单元的电性能，它对高频辐射单元的电性能及辐射性能的影响如表4所示。图8(a)表明第三根天线高频辐射单元的H平面方向图。图8(b)表明本发明所述的第二根天线10高频辐射单元的H平面方向图。

表3低频辐射单元中弧形平衡器与直线形平衡器间的电性能对比

表4高频辐射单元中弧形平衡器与直线形平衡器间的电性能对比

从表3-表4及图8表明弧形平衡器对高频辐射单元的影响是轻微的，交叉极化前后比优于直线形平衡器。此外，它能确保电性能的一致性以及结构稳定性。

综上所述，本发明所述宽带双极化辐射单元极大地改善交叉极化鉴别率性能，效率高，辐射性能好，可以灵活应用到单频天线和多频天线。

以上结合具体实施例对本发明进行了说明，显然，本发明可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的替代，修改，变化，都应该属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种宽带双极化辐射单元，包括多个偶极子组成的偶极子多边形；

一个环形连接器；和

对偶极子进行平衡馈电的平衡器，平衡器的底部安装在环形连接器上，每个偶极子包括一对对齐排列在相应平衡器顶部的单元臂；

其特征在于，每对单元臂中的每个单元臂的一端分别安装在平衡器顶部的两侧，且至少一个单元臂另一端沿偶极子多边形向内折弯以形成向内的加载线。

2.根据权利要求1所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，每对单元臂中另一个单元臂另一端向下折弯以形成向下的加载线，并且相邻相邻偶极子的加载线是相互平行的。

3.根据权利要求2所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，向下的加载线与偶极子多边形正交极化，向内的加载线朝向偶极子多边形的中心向内折弯。

4.根据权利要求1所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，正交极化的两对偶极子共同构成八边形或十六边形结构；且两个共极化偶极子之间的间距是0.4~0.6个工作波长。

5.根据权利要求1所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述偶极子截面呈圆形、方形、L形、T形、短截线或多边形结构。

6.根据权利要求1所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述平衡器呈弧形结构，长度是0.2~0.3个工作波长，对相应偶极子进行平衡馈电。

7.根据权利要求6所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，平衡器的长度为中心频率的0.25波长，所述各平衡器正交固定于环形连接器上。

8.根据权利要求6所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，平衡器的下表面设有供馈电电缆布设的走线凹槽，馈电电缆包括一条芯线及外部金属屏蔽层；平衡器的顶部一端开有一个走线孔，另一端设有金属柱；馈电电缆的一端穿过这个走线孔，芯线和金属柱分别连接到一个馈电片的两端，馈电电缆的外部金属屏蔽层在走线凹槽接近走线孔的位置与走线凹槽进行焊接，馈电电缆的另一端在接近环形连接器的位置与平衡器进行焊接。

9.根据权利要求8所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，在馈电片和平衡器顶部之间，一对绝缘环套在馈电电缆的芯线和金属柱的***，从而支撑馈电片。

10.根据权利要求1所述的一种宽带双极化辐射单元，其特征在于，所述宽带双极化辐射单元为一体化压铸成型单元。

11.一种宽带天线，其特征在于，所述天线包括一个金属反射板和至少一个安装在金属反射板上的如权利要求1所述的宽带双极化辐射单元。

12.根据权利要求11所述的宽带天线，其特征在于，所述宽带双极化辐射单元的环形连接器上开有几个固定孔，因此宽带双极化辐射单元能通过紧固件接到固定孔上从而固定在金属反射板上。

13.根据权利要求11所述的宽带天线，其特征在于，所述的金属反射板有一个垂直的侧壁，宽带双极化辐射单元按照偶极子向下的加载线位于金属反射板侧壁附近的方式排列。

14.根据权利要求11所述的宽带天线，其特征在于，至少有两个宽带双极化辐射单元呈直线状安装在金属反射板上，辐射单元的向内的加载线挨着另一个辐射单元安装。

15.根据权利要求14所述的宽带天线，其特征在于，所述金属反射板上安装有若干高频辐射单元，至少一个高频辐射单元内嵌在所述的宽带双极化辐射单元之间。

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