CN105514568A - 宽频带双极化印刷天线单元 - Google Patents

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陈平
朱晓维
徐海健
蒯振起
张彦
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Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及宽频带双极化印刷天线单元，包括天线辐射单元、反射单元、同轴馈线和非金属支撑结构，天线辐射单元通过非金属支撑结构平行的安装在反射单元上。本发明的辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，制作简单，结构紧凑；两个极化辐射振子互为耦合寄生振子，采用宽度可变的缝隙和双面蚀刻的辐射臂，有效的展宽了天线的带宽；同轴馈线便于与同轴线焊接，安装方便简单。

Description

宽频带双极化印刷天线单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及宽频带双极化印刷天线单元。
背景技术
随着移动通信技术的发展，对天线的要求越来越高。小型化、轻量化也成为天线设计的要求。印刷天线以其易于制作、重量轻等特点越来越受到人们的重视。但是，微带天线因为带宽较窄，难以满足宽频带工作的要求。采用多层微带贴片虽然可以提高天线的工作带宽，但却增加了制造成本。印刷振子天线能满足宽带工作的要求，且仅需单片介质，成本较低，重量轻，但是传统的印刷振子天线，若要达到很宽的阻抗匹配带宽，一般需要复杂的巴伦馈电结构实现阻抗匹配。巴伦结构需要与偶极子共面印刷或垂直安装，这些都导致馈电结构或安装变得复杂，并且需要更大面积的介质基片，增加了成本。若是需要组合成双极化形式，则天线形式变得更加复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单的宽频带双极化印刷天线单元。
实现本发明目的的技术方案是：宽频带双极化印刷天线单元，包括天线辐射单元、反射单元、同轴馈线和非金属支撑结构，天线辐射单元通过非金属支撑结构平行的安装在反射单元上，天线辐射单元包括辐射振子、介质基板和馈电单元，辐射振子及馈电单元蚀刻于介质基板的正反面，辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，每对辐射臂包含位于介质基板正面的两个辐射臂和对应的位于介质基板反面的两个辐射臂，位于介质基板正面的两个辐射臂和位于介质基板反面的两个辐射臂通过设置在介质基板上的通孔电连接，蚀刻于介质基板的正反面的馈电单元通过设置在介质基板上的通孔电连接。
作为本发明的优化方案，辐射振子包括A极化印刷振子第一辐射臂顶面、A极化印刷振子第二辐射臂顶面、B极化印刷振子第一辐射臂顶面、B极化印刷振子第二辐射臂顶面、A极化印刷振子第一辐射臂底面、A极化印刷振子第二辐射臂底面、B极化印刷振子第一辐射臂底面和B极化印刷振子第二辐射臂底面，A极化印刷振子第一辐射臂顶面、A极化印刷振子第二辐射臂顶面、B极化印刷振子第一辐射臂顶面和B极化印刷振子第二辐射臂顶面均蚀刻于介质基板的正面，A极化印刷振子第一辐射臂底面、A极化印刷振子第二辐射臂底面、B极化印刷振子第一辐射臂底面和B极化印刷振子第二辐射臂底面均蚀刻于介质基板的反面，A极化印刷振子第一辐射臂顶面和A极化印刷振子第二辐射臂顶面关于介质基板的中心对称，B极化印刷振子第一辐射臂顶面和B极化印刷振子第二辐射臂顶面关于介质基板的中心对称，A极化印刷振子第一辐射臂底面和A极化印刷振子第二辐射臂底面关于介质基板的中心对称，B极化印刷振子第一辐射臂底面和B极化印刷振子第二辐射臂底面关于介质基板的中心对称。
作为本发明的优化方案，蚀刻于介质基板的正面的A极化印刷振子第一辐射臂顶面、A极化印刷振子第二辐射臂顶面、B极化印刷振子第一辐射臂顶面、B极化印刷振子第二辐射臂顶面相邻的两者之间均设置有缝隙，蚀刻于介质基板的反面的A极化印刷振子第一辐射臂底面、A极化印刷振子第二辐射臂底面、B极化印刷振子第一辐射臂底面和B极化印刷振子第二辐射臂底面相邻的两者之间均设置有缝隙。
作为本发明的优化方案，A极化印刷振子第一辐射臂底面与A极化印刷振子第一辐射臂顶面通过贯穿介质基板的若干第一金属化通孔和若干第二金属化通孔电连接，A极化印刷振子第二辐射臂底面与A极化印刷振子第二辐射臂顶面通过贯穿介质基板的若干第一金属化通孔和若干第二金属化通孔电连接，B极化印刷振子第一辐射臂底面与B极化印刷振子第一辐射臂顶面通过贯穿介质基板的若干第一金属化通孔和若干第二金属化通孔电连接，B极化印刷振子第二辐射臂底面与B极化印刷振子第二辐射臂顶面通过贯穿介质基板的若干第一金属化通孔和若干第二金属化通孔电连接。
作为本发明的优化方案，A极化印刷振子第一辐射臂顶面、A极化印刷振子第二辐射臂顶面、B极化印刷振子第一辐射臂顶面和B极化印刷振子第二辐射臂顶面由环状的圆形和对应的环状多边形组成。
作为本发明的优化方案，A极化印刷振子第一辐射臂底面、A极化印刷振子第二辐射臂底面、B极化印刷振子第一辐射臂底面和B极化印刷振子第二辐射臂底面为环状的半圆形。
作为本发明的优化方案，介质基板为FR-4板，所述介质基板的介电常数为4.4。
作为本发明的优化方案，馈电单元包括A极化馈线顶面单元、B极化馈线、A极化馈线底面单元、A极化馈电同轴线外导体焊接单元和B极化馈电同轴线外导体焊接单元，A极化馈线顶面单元与B极化馈线均设置在介质基板的正面，A极化馈线底面单元、A极化馈电同轴线外导体焊接单元和B极化馈电同轴线外导体焊接单元均设置在介质基板的反面，A极化馈线顶面单元与B极化馈线相互垂直，A极化馈线顶面单元与A极化馈电同轴线外导体焊接单元通过贯穿介质基板的第三金属化通孔电连接，B极化馈线与B极化馈电同轴线外导体焊接单元通过贯穿介质基板的第三金属化通孔电连接。
作为本发明的优化方案，同轴馈线包括第一同轴馈线和第二同轴馈线，第一同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔与A极化馈线顶面单元电连接，第一同轴馈线的外导体与A极化馈电同轴线外导体焊接单元电连接，第二同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔与B极化馈线电连接，第二同轴馈线的外导体与B极化馈电同轴线外导体焊接单元电连接。
作为本发明的优化方案，天线辐射单元和反射单元之间的距离为35mm。
本发明具有积极的效果：1)本发明的辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，制作简单，结构紧凑；
2)本发明的两个极化辐射振子互为耦合寄生振子，采用宽度可变的缝隙和双面蚀刻的辐射臂，有效的展宽了天线的带宽；
3)同轴馈线便于与同轴线焊接，安装方便。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的前视图；
图3是本发明的左视图；
图4是介质基板的正面图；
图5是介质基板的反面图；
图6是本发明的回波损耗及端口隔离度测试结果图。
其中，1、天线辐射单元，2、反射单元，3、同轴馈线，4、非金属支撑结构，6、介质基板，51、A极化印刷振子第一辐射臂顶面，52、A极化印刷振子第二辐射臂顶面，53、B极化印刷振子第一辐射臂顶面，54、B极化印刷振子第二辐射臂顶面，55、A极化印刷振子第一辐射臂底面，56、A极化印刷振子第二辐射臂底面，57、B极化印刷振子第一辐射臂底面，58、B极化印刷振子第二辐射臂底面，61、第一金属化通孔，62、第二金属化通孔，63、第三金属化通孔，71、A极化馈线顶面单元，72、B极化馈线，73、A极化馈线底面单元，74、A极化馈电同轴线外导体焊接单元，75、B极化馈电同轴线外导体焊接单元。
具体实施方式
如图1-图3所示，本发明公开了宽频带双极化印刷天线单元，包括天线辐射单元1、反射单元2、同轴馈线3和非金属支撑结构4，天线辐射单元1通过非金属支撑结构4平行的安装在反射单元2上，天线辐射单元1包括辐射振子、介质基板6和馈电单元，辐射振子及馈电单元蚀刻于介质基板6的正反面，辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，每对辐射臂包含位于介质基板6正面的两个辐射臂和对应的位于介质基板6反面的两个辐射臂，位于介质基板6正面的两个辐射臂和位于介质基板6反面的两个辐射臂通过设置在介质基板6上的通孔电连接，蚀刻于介质基板6的正反面的馈电单元通过设置在介质基板6上的通孔电连接。
如图4和图5所示，辐射振子包括A极化印刷振子第一辐射臂顶面51、A极化印刷振子第二辐射臂顶面52、B极化印刷振子第一辐射臂顶面53、B极化印刷振子第二辐射臂顶面54、A极化印刷振子第一辐射臂底面55、A极化印刷振子第二辐射臂底面56、B极化印刷振子第一辐射臂底面57和B极化印刷振子第二辐射臂底面58，A极化印刷振子第一辐射臂顶面51、A极化印刷振子第二辐射臂顶面52、B极化印刷振子第一辐射臂顶面53和B极化印刷振子第二辐射臂顶面54均蚀刻于介质基板6的正面，A极化印刷振子第一辐射臂底面55、A极化印刷振子第二辐射臂底面56、B极化印刷振子第一辐射臂底面57和B极化印刷振子第二辐射臂底面58均蚀刻于介质基板6的反面，A极化印刷振子第一辐射臂顶面51和A极化印刷振子第二辐射臂顶面52关于介质基板6的中心对称，B极化印刷振子第一辐射臂顶面53和B极化印刷振子第二辐射臂顶面54关于介质基板6的中心对称，A极化印刷振子第一辐射臂底面55和A极化印刷振子第二辐射臂底面56关于介质基板6的中心对称，B极化印刷振子第一辐射臂底面57和B极化印刷振子第二辐射臂底面58关于介质基板6的中心对称。
其中，蚀刻于介质基板6的正面的A极化印刷振子第一辐射臂顶面51、A极化印刷振子第二辐射臂顶面52、B极化印刷振子第一辐射臂顶面53、B极化印刷振子第二辐射臂顶面54相邻的两者之间均设置有缝隙，蚀刻于介质基板6的反面的A极化印刷振子第一辐射臂底面55、A极化印刷振子第二辐射臂底面56、B极化印刷振子第一辐射臂底面57和B极化印刷振子第二辐射臂底面58相邻的两者之间均设置有缝隙。正交蚀刻的两对辐射臂通过宽度渐变的缝隙实现耦合，通过合理的调节缝隙的宽度，可以使得宽频带双极化印刷天线单元天线覆盖频段1710-2690MHz，同时由于辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，一个极化用于馈电时，另外一个极化上通过的电流很小，可以获得27dB的高隔离度。
A极化印刷振子第一辐射臂底面55与A极化印刷振子第一辐射臂顶面51通过贯穿介质基板6的若干第一金属化通孔61和若干第二金属化通孔62电连接，A极化印刷振子第二辐射臂底面56与A极化印刷振子第二辐射臂顶面52通过贯穿介质基板6的若干第一金属化通孔61和若干第二金属化通孔62电连接，B极化印刷振子第一辐射臂底面57与B极化印刷振子第一辐射臂顶面53通过贯穿介质基板6的若干第一金属化通孔61和若干第二金属化通孔62电连接，B极化印刷振子第二辐射臂底面58与B极化印刷振子第二辐射臂顶面54通过贯穿介质基板6的若干第一金属化通孔61和若干第二金属化通孔62电连接。
A极化印刷振子第一辐射臂顶面51、A极化印刷振子第二辐射臂顶面52、B极化印刷振子第一辐射臂顶面53和B极化印刷振子第二辐射臂顶面54由环状的圆形和对应的环状多边形组成。
A极化印刷振子第一辐射臂底面55、A极化印刷振子第二辐射臂底面56、B极化印刷振子第一辐射臂底面57和B极化印刷振子第二辐射臂底面58为环状的半圆形。
介质基板6为FR-4板，介质基板6的介电常数为4.4。
馈电单元包括A极化馈线顶面单元71、B极化馈线72、A极化馈线底面单元73、A极化馈电同轴线外导体焊接单元74和B极化馈电同轴线外导体焊接单元75，A极化馈线顶面单元71与B极化馈线72均设置在介质基板6的正面，A极化馈线底面单元73、A极化馈电同轴线外导体焊接单元74和B极化馈电同轴线外导体焊接单元75均设置在介质基板6的反面，A极化馈线顶面单元71与B极化馈线72相互垂直，A极化馈线顶面单元71与A极化馈电同轴线外导体焊接单元74通过贯穿介质基板6的第三金属化通孔63电连接，B极化馈线72与B极化馈电同轴线外导体焊接单元75通过贯穿介质基板6的第三金属化通孔63电连接。
其中，A极化印刷振子第一辐射臂顶面51、A极化印刷振子第二辐射臂顶面52、A极化印刷振子第一辐射臂底面55、A极化印刷振子第二辐射臂底面56、A极化馈线顶面单元71、A极化馈线底面单元73和A极化馈电同轴线外导体焊接单元74构成宽频带双极化印刷天线单元的A极化；B极化印刷振子第一辐射臂顶面53、B极化印刷振子第二辐射臂顶面54、B极化印刷振子第一辐射臂底面57、B极化印刷振子第二辐射臂底面58、B极化馈线72和B极化馈电同轴线外导体焊接单元75构成宽频带双极化印刷天线单元的B极化。
同轴馈线3包括第一同轴馈线和第二同轴馈线，第一同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔63与A极化馈线顶面单元71电连接，第一同轴馈线的外导体与A极化馈电同轴线外导体焊接单元74电连接，第二同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔63与B极化馈线72电连接，第二同轴馈线的外导体与B极化馈电同轴线外导体焊接单元75电连接。
天线辐射单元1和反射单元2之间的距离为35mm。
经过软件仿真和实物测试，在1600-2800MHz频率范围内回波损耗小于-15dB，覆盖GSM1800/PCS/3G/4G和LTE频段，隔离度大于28dB，如图6所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：包括天线辐射单元(1)、反射单元(2)、同轴馈线(3)和非金属支撑结构(4)，所述的天线辐射单元(1)通过非金属支撑结构(4)平行的安装在反射单元(2)上，所述的天线辐射单元(1)包括辐射振子、介质基板(6)和馈电单元，所述的辐射振子及馈电单元蚀刻于介质基板(6)的正反面，所述的辐射振子由正交蚀刻的两对辐射臂构成，每对辐射臂包含位于介质基板(6)正面的两个辐射臂和对应的位于介质基板(6)反面的两个辐射臂，位于介质基板(6)正面的两个辐射臂和位于介质基板(6)反面的两个辐射臂通过设置在介质基板(6)上的通孔电连接，蚀刻于介质基板(6)的正反面的馈电单元通过设置在介质基板(6)上的通孔电连接。
2.根据权利要求1所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的辐射振子包括A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)、A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)、B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)、B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)、A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)、A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)、B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)和B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)，所述的A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)、A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)、B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)和B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)均蚀刻于介质基板(6)的正面，所述的A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)、A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)、B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)和B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)均蚀刻于介质基板(6)的反面，所述的A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)和A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)关于介质基板(6)的中心对称，所述的B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)和B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)关于介质基板(6)的中心对称，所述的A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)和A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)关于介质基板(6)的中心对称，所述的B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)和B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)关于介质基板(6)的中心对称。
3.根据权利要求2所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：蚀刻于介质基板(6)的正面的A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)、A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)、B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)、B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)相邻的两者之间均设置有缝隙，蚀刻于介质基板(6)的反面的A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)、A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)、B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)和B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)相邻的两者之间均设置有缝隙。
4.根据权利要求2所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)与A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)通过贯穿介质基板(6)的若干第一金属化通孔(61)和若干第二金属化通孔(62)电连接，所述的A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)与A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)通过贯穿介质基板(6)的若干第一金属化通孔(61)和若干第二金属化通孔(62)电连接，所述的B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)与B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)通过贯穿介质基板(6)的若干第一金属化通孔(61)和若干第二金属化通孔(62)电连接，所述的B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)与B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)通过贯穿介质基板(6)的若干第一金属化通孔(61)和若干第二金属化通孔(62)电连接。
5.根据权利要求2所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的A极化印刷振子第一辐射臂顶面(51)、A极化印刷振子第二辐射臂顶面(52)、B极化印刷振子第一辐射臂顶面(53)和B极化印刷振子第二辐射臂顶面(54)由环状的圆形和对应的环状多边形组成。
6.根据权利要求2所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的A极化印刷振子第一辐射臂底面(55)、A极化印刷振子第二辐射臂底面(56)、B极化印刷振子第一辐射臂底面(57)和B极化印刷振子第二辐射臂底面(58)为环状的半圆形。
7.根据权利要求1所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的介质基板(6)为FR-4板，所述介质基板(6)的介电常数为4.4。
8.根据权利要求1所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的馈电单元包括A极化馈线顶面单元(71)、B极化馈线(72)、A极化馈线底面单元(73)、A极化馈电同轴线外导体焊接单元(74)和B极化馈电同轴线外导体焊接单元(75)，所述的A极化馈线顶面单元(71)与B极化馈线(72)均设置在介质基板(6)的正面，所述的A极化馈线底面单元(73)、A极化馈电同轴线外导体焊接单元(74)和B极化馈电同轴线外导体焊接单元(75)均设置在介质基板(6)的反面，所述的A极化馈线顶面单元(71)与B极化馈线(72)相互垂直，所述的A极化馈线顶面单元(71)与A极化馈电同轴线外导体焊接单元(74)通过贯穿介质基板(6)的第三金属化通孔(63)电连接，所述的B极化馈线(72)与B极化馈电同轴线外导体焊接单元(75)通过贯穿介质基板(6)的第三金属化通孔(63)电连接。
9.根据权利要求8所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述同轴馈线(3)包括第一同轴馈线和第二同轴馈线，第一同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔(63)与A极化馈线顶面单元(71)电连接，第一同轴馈线的外导体与A极化馈电同轴线外导体焊接单元(74)电连接，第二同轴馈线的内导体通过第三金属化通孔(63)与B极化馈线(72)电连接，第二同轴馈线的外导体与B极化馈电同轴线外导体焊接单元(75)电连接。
10.根据权利要求1所述的宽频带双极化印刷天线单元，其特征在于：所述的天线辐射单元(1)和反射单元(2)之间的距离为35mm。
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