CN105762508A - 一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，属于移动通信基站天线设计与制造技术领域。该天线单元从上往下依次包括馈电结构、介质板、蝶形辐射结构、短金属柱、同轴线、塑料支撑柱和金属反射板；所述馈电结构和蝶形辐射结构按同一摆放方向分别位于介质板上下表面，所述短金属柱附着在蝶形辐射结构上，上述部分依靠四根塑料支撑柱固定在金属反射板上；所述同轴线穿过金属反射板，其内芯与馈电结构相连，外芯与蝶形辐射结构相连。该天线单元具有宽频带、高隔离度、低交叉极化、结构紧凑和低成本等特点，符合当前基站天线的发展趋势，具有较好的实用价值。

Description

一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元

技术领域

本发明属于移动通信基站天线设计与制造技术领域，涉及一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元。

背景技术

基站天线作为移动基站的核心部分，建立起基站与服务区域内各移动站之间的无线电传输线路，其性能的好坏直接影响着整个通信***的质量。双极化天线作为一种新型天线，其原理是两副极化方向相互正交的天线同时工作于收发双工模式，可有效抵抗多径衰落，增加通信***容量，减少天线安装数目，被广泛应用在基站天线的设计中。为解决当前多网络、多运营商共站以及基站天线扇面位置紧张的现状，移动通信基站天线朝着多频化/宽频化、小型化等方向发展。

目前，双极化天线的实现形式可大致分为三类：双馈微带贴片天线、对称振子天线和互补天线。双馈微带贴片天线具有剖面低、结构简单的优点，但带宽较窄，不利于多频段的覆盖；对称振子天线辐射性能好，加工简单，但是较微带贴片天线而言，尺寸较大。互补天线将电偶极子与磁偶极子相结合，能够实现较宽的频带，在整个工作频段能获得稳定的增益和方向图。但其金属结构导致天线不可避免的尺寸大，质量重。在实际应用中，双极化天线作为基站天线的首选，要同时兼顾其带宽、隔离度、交叉极化、增益等特性，依然存在很大的困难。此外，基站天线的小体积、低成本也是市场化的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，能够实现双极化天线宽频带、高隔离度、低交叉极化以及小型化的性能，同时具备低成本的市场竞争力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，该天线单元从上往下依次包括馈电结构、介质板、蝶形辐射结构、短金属柱、同轴线、塑料支撑柱和金属反射板；

所述馈电结构和蝶形辐射结构按同一摆放方向分别位于介质板上下表面，所述短金属柱附着在蝶形辐射结构上，上述部分依靠四根塑料支撑柱固定在金属反射板上；所述同轴线穿过金属反射板，其内芯与馈电结构相连，外芯与蝶形辐射结构相连。

进一步，所述馈电结构包括+45°“T”型微带线和-45°“T”型微带线，两条微带线交错垂直位于介质板上层中心位置，分别与两根同轴线内芯直接相连。

进一步，所述-45°“T”型微带线为了避免与+45°“T”型微带线在空间上重合，故分为微带线一、探针一、微带线二、探针二、微带线三五个部分；所述微带线一，微带线三覆在介质板上层，与+45°“T”型微带线共面；探针一和探针二通过介质板上开有的两个非金属化通孔，将位于介质板下方1mm的微带线二两端分别与微带线一、微带线三连接。

进一步，所述介质板采用FR4板材，厚度为0.5mm，其上开有四个非金属化通孔，两两相同，其中，两个为所述馈电结构中探针一和探针二所用，另外两个为同轴线内芯连接馈电结构所用。

进一步，所述蝶形辐射结构包括+45°蝶形辐射振子和-45°蝶形辐射振子，两蝶形辐射振子交错垂直位于介质板下层中心位置，分别与+45°“T”型微带线和-45°“T”型微带线按同一方向摆放；每个蝶形辐射振子包括两个类扇形贴片振子臂，以中心对称的形式沿介质板下表面对角线位置摆放。

进一步，所述类扇形贴片振子臂包括一个半圆贴片和一个等腰梯形贴片，半圆的半径和等腰梯形的高之和取值范围在27mm～40mm。

进一步，所述类扇形贴片振子臂上都刻有一个类似“U”型槽，该类似“U”型槽是将“U”型结构底部的圆弧连接变成直线连接，其凹口指向介质板中心。

进一步，所述每个类扇形贴片振子臂下都附着了五根相同的短金属柱，按照“一三一”的位置围绕“U”型槽周围摆放，这里短金属柱为圆柱体，采用铜质材料。

进一步，所述四根塑料支撑柱为圆柱体，分别位于介质板四个顶角下方，其高度(即介质板距离金属反射板的高度)一致，取值范围在32mm～38mm。

进一步，所述金属反射板是矩形平面结构，中间开有两个非金属化通孔，以便同轴线穿过金属反射板对天线进行馈电，可采取铜质、铝质等金属材料。

本发明的有益效果在于：

1)该天线介质板采用FR4板材，厚度为0.5mm，其馈电结构和蝶形辐射结构均采用平面贴片形式，使天线整体结构紧凑，加工简单，降低了制造成本。

2)通过采用两条正交“T”型微带线对±45°交叉放置的蝶形振子进行耦合，同轴线直接激励的方式进行馈电，实现了天线的双极化辐射。同时，当一个极化工作时，另一个极化所代表的蝶形振子相当于寄生贴片，有利于天线获得宽频带的特性。

3)所述馈电结构中“T”微带线为避免空间重合，采用的空气桥形式，有效提高了天线的隔离度，同时降低了传统基站天线采用多层叠结构的复杂性，简化了天线结构。

4)所述馈电结构中微带线采用的“T”型结构和所述蝶形辐射结构采用的类扇形结构，有助于天线带宽的拓展。

5)由于每个类扇形贴片振子臂都刻有类似“U”型槽，改变了贴片表面电流路径，可以有效改善天线的阻抗匹配，通过合理调节类似“U”型槽的参数，可以使天线的阻抗改变，使天线在所需频点处阻抗匹配。

6)加载在蝶形辐射结构下的短金属柱，相当于电抗元素的引入，不仅能够改善天线的阻抗匹配，还可以通过改变金属柱高度和数量来调节天线的中心频率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的馈电结构示意图；

图3为本发明的蝶形辐射结构示意图；

图4为本发明实施例中±45°极化的电压驻波比(VSWR)和增益(Gain)曲线图；

图5为本发明实施例中±45°极化间隔离度(S₂₁)曲线图；

图6为本发明实施例中+45°极化在1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz的水平面方向图；

其中：1是馈电结构，2是介质板，3是蝶形辐射结构，4是短金属柱，5是同轴线，6是塑料支撑柱，7是金属反射板，11是微带线一，12是探针一，13是微带线二，14是探针二，15是微带线三，31、32、33、34分别是类扇形贴片振子臂，311、321、331、341分别是每个类扇形贴片振子臂上的类似“U”型槽，332、342分别是开在类扇形贴片振子臂33,34的圆孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的整体结构示意图，如图1所示，本发明提供的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，包括从上往下依次的馈电结构1，介质板2，蝶形辐射结构3，短金属柱4，同轴线5，塑料支撑柱6，金属反射板7。所述馈电结构1包括两条相互正交的“T”型微带线，所述蝶形辐射结构3包括两副±45°交叉放置的蝶形振子，所述馈电结构1和蝶形辐射结构3按同一摆放方向分别位于介质板2上下表面，介质板2介电常数为4.4，厚度为0.5mm，损耗正切角为0.02，俯视形状呈边长为58mm的矩形，中间开有四个非金属化通孔，两两相同。其中，两个为馈电结构1中探针一11和探针二12所用，另外两个为同轴线5内芯连接馈电结构1所用。所述馈电结构1包括两条相互正交的“T”型微带线，所述蝶形辐射结构3包括两副±45°交叉放置的蝶形振子，所述短金属柱4为圆柱体，附着在蝶形辐射结构3下，每五根相同的短金属柱4为一组，按照“一三一”的位置围绕类似“U”型槽周围摆放，这里短金属柱4采用铜质材料。短金属柱4的高度为5mm，半径为1.5mm。上述部分依靠四根塑料支撑柱6固定在金属反射板7上。所述塑料支撑柱6为圆柱体，高度为36mm。金属反射板7为180mm×180mm矩形平面结构，中间开有两个非金属化通孔，可采取铜质、铝质等金属材料。所述两条同轴线5都采用特征阻抗为50欧姆的同轴线，穿过金属反射板7上的通孔，下端连接馈源，上端其内芯再穿过介质板2上的两个非金属化通孔分别与馈电结构1中的两条“T”型微带线相连，外芯与相对应的蝶形辐射结构3相连。

图2为本发明的馈电结构示意图，如图2所示，所述馈电结构1包括+45°“T”型微带线和与之正交的-45°“T”型微带线，所有微带线宽度为1.69mm。其中，所述-45°“T”型微带线为了避免与+45°“T”型微带线在空间上重合，故分为微带线一11，探针一12，微带线二13，探针二14，微带线三15。所述微带线一11，微带线三15覆在介质板上层，与+45°“T”型微带线共面。探针一12和探针二14通过介质板2上的两个非金属化通孔，将位于介质板2下方1mm的微带线二13两端分别与微带线一11、微带线三15连接。

如图3所示，所述蝶形辐射结构3包括两幅相互正交的±45°蝶形振子，每个蝶形辐射振子包括两个类扇形贴片振子臂。类扇形贴片振子臂31,33形成+45°极化，类扇形贴片振子臂32,34形成-45°极化。所述类扇形贴片振子臂31包括一个半圆形贴片和一个等腰梯形贴片，这里取半圆形的半径为15.8mm，等腰梯形的高为12.5mm。此外，类扇形贴片振子臂31上刻有一个类似“U”型槽311，该类似“U”型槽311是将“U”型结构底部的圆弧连接变成直线连接，其凹口指向介质板2中心，其槽宽3mm，类似“U”型槽311底部长为20mm，翘边长为14.7mm。图3中阴影部分为五根短金属柱4围绕类似“U”型槽“一三一”形式的摆放位置。类扇形贴片振子臂32,33,34与类扇形贴片振子臂31相同，类似“U”型槽321,331,341与类似“U”型槽311相同。此外，类扇形贴片振子臂33，34上还各开有一个圆孔332，342，其大小和位置与介质板2中两个供同轴线5内芯穿过的通孔一致。类扇形贴片振子臂33，34在圆孔处与两根同轴线外芯直接相连。

如图4所示，为本发明±45°极化的电压驻波比(VSWR)和增益(Gain)实测图，可以得出结论：±45°极化在1.6GHz-2.8GHz宽频范围内VSWR<2，能够覆盖当前2G/3G/4移动通信频段，并且在此频率范围内增益平均值在8.2dBi。

如图5所示，为本发明±45°极化间隔离度(S₂₁)的实测图，可以看出在整个工作频段内两极化间隔离度大于30dB。

如图6所示，为本发明实施例中+45°极化在1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz实测的水平面方向图；可以看出本发明具有稳定的方向性，3dB波瓣宽度在65°±5°范围内，符合当前“三扇区”的基站建址要求，并且交叉极化比小于-25dB。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：该天线单元从上往下依次包括馈电结构、介质板、蝶形辐射结构、短金属柱、同轴线、塑料支撑柱和金属反射板；

所述馈电结构和蝶形辐射结构按同一摆放方向分别位于介质板上下表面，所述短金属柱附着在蝶形辐射结构上，上述部分依靠四根塑料支撑柱固定在金属反射板上；所述同轴线穿过金属反射板，其内芯与馈电结构相连，外芯与蝶形辐射结构相连。

2.根据权利要求1所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述馈电结构包括+45°“T”型微带线和-45°“T”型微带线，两条微带线交错垂直位于介质板上层中心位置，分别与两根同轴线内芯直接相连。

3.根据权利要求2所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述-45°“T”型微带线为了避免与+45°“T”型微带线在空间上重合，故分为微带线一、探针一、微带线二、探针二、微带线三五个部分；所述微带线一，微带线三覆在介质板上层，与+45°“T”型微带线共面；探针一和探针二通过介质板上开有的两个非金属化通孔，将位于介质板下方1mm的微带线二两端分别与微带线一、微带线三连接。

4.根据权利要求3所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述介质板采用FR4板材，厚度为0.5mm，其上开有四个非金属化通孔，两两相同，其中，两个为所述馈电结构中探针一和探针二所用，另外两个为同轴线内芯连接馈电结构所用。

5.根据权利要求3所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述蝶形辐射结构包括+45°蝶形辐射振子和-45°蝶形辐射振子，两蝶形辐射振子交错垂直位于介质板下层中心位置，分别与+45°“T”型微带线和-45°“T”型微带线按同一方向摆放；每个蝶形辐射振子包括两个类扇形贴片振子臂，以中心对称的形式沿介质板下表面对角线位置摆放。

6.根据权利要求5所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述类扇形贴片振子臂包括一个半圆贴片和一个等腰梯形贴片，半圆的半径和等腰梯形的高之和取值范围在27mm～40mm。

7.根据权利要求5所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述类扇形贴片振子臂上都刻有一个类似“U”型槽，该类似“U”型槽是将“U”型结构底部的圆弧连接变成直线连接，其凹口指向介质板中心。

8.根据权利要求7所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述每个类扇形贴片振子臂下都附着了五根相同的短金属柱，按照“一三一”的位置围绕“U”型槽周围摆放，这里短金属柱为圆柱体，采用铜质材料。

9.根据权利要求1所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述四根塑料支撑柱为圆柱体，分别位于介质板四个顶角下方，其高度(即介质板距离金属反射板的高度)一致，取值范围在32mm～38mm。

10.根据权利要求1所述的一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，其特征在于：所述金属反射板是矩形平面结构，中间开有两个非金属化通孔，可采取铜质、铝质等金属材料。