CN109509970A

CN109509970A - 双极化天线

Info

Publication number: CN109509970A
Application number: CN201811557585.1A
Authority: CN
Inventors: 科莫夫·弗拉季斯拉夫·维亚切斯拉沃维奇; 维克托·亚历山德罗维奇·斯莱德科夫; 李梓萌
Original assignee: Guangzhou Sinan Antenna Design Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Sinan Antenna Design Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2019-03-22

Abstract

本发明涉及一种双极化天线，包括辐射装置和馈电元件，所述辐射装置由四个振子臂组成，它们放置在与反射导电板平行的平面上，并通过在相邻振子臂之间产生电容耦合的间隙彼此分离；所述馈电元件由两条设置有内导体的馈电线和两个垂直的巴伦组成，两个垂直的巴伦有一个公共基座放置在反射导电板上，通过其顶端与辐射装置连接；所述馈电元件具有四个纵向孔，所述馈电线的内导体放置在两个纵向孔内；所述馈电线的内导体通过导电桥连接到辐射装置。此宽带双极化天线容易制造，至少具有46％的带宽，有高交叉极化鉴别率及良好的匹配。

Description

双极化天线

技术领域

本发明涉及双极化天线，更具体地说，本发明涉及发射或接收两个正交极化的双极化天线，例如垂直的，水平的或+/-45度倾斜的。

背景技术

专利US3740754是最早描述双极化天线的专利之一，此项专利中两个偶极子由金属管制成，彼此成直角布置在反射板上方，并由两对同轴线馈电，之后，工程师们一直在不断改进双极化天线。专利号US4184163详述了一种宽带双极化天线，其偶极子臂由具有环形或方形框架的金属环构成。专利号US5481272、US796372、US5952983、US6028563和US6072439详述了几种不同类型的偶极子，包括折叠网格偶极子、蝶形偶极子，以及具有附加印刷电路板巴伦(平衡 -不平衡转换器)的偶极子。

如今移动电话使用越来越普遍，市场每年需要大量的宽带双极化天线，因此为了研制出容易投入生产的天线，工程师们在这个领域投入了很多精力。大多数基站天线必须提供65度波束宽度，良好的交叉极化鉴别率，并能通过馈电电缆匹配宽频频段。由巴伦支撑的交叉偶极子是最简单的双极化天线，因此为了扩展其频带并降低生产成本，工程师们发明了数百种这样的天线。专利号 US6933906B2、US7132995B2、US2012/0235873A1、CN102074779A、CN10215783A、 CN10170791A、CN101572446A、CN20171796U、CN10154663A、CN10167881A、 CN10187735A、CN20215554U、CN102246352A、CN102484321A、CN20242451U、CN102544764A和CN10170787A分别详述了许多不同种类振子臂构成的交叉偶极子。

已知的交叉偶极子在磁(H)平面的波束宽度大于在电(E)平面的波束宽度。最大的差异在其工作频带内的最低频率点产生大的波束，大的波束宽度在 H平面产生低交叉极化鉴别率以及用这些振子组成的天线阵列，其相邻天线之间产生有害的耦合。因此，需要减小H面波束宽度，提高交叉极化鉴别率，并且减少天线阵中相邻天线间的耦合，同时需要天线与馈电电缆相匹配。

如图1所示，专利CN204424435 U中描述的这种辐射体是现有技术。本发明的目的是克服现有技术和其他已知的双极化天线的不足。

发明内容

鉴于以上提到的现有技术，本发明的第一个目的是创造一种宽带定向天线，该天线辐射两种线性极化，且具有比已知天线更好的交叉极化鉴别率和更宽的频段并能用馈线匹配。本发明的第二目的是创造一种在天线阵中的相邻天线之间提供较少不必要的耦合的天线。

为了实现本发明的技术效果，采用以下技术方案予以实现：

一种双极化天线，其特征在于，包括辐射装置和馈电元件，

所述馈电元件由两条设置有内导体的馈电线和两个垂直的巴伦组成，两个垂直的巴伦有一个公共基座放置在反射导电板上，通过其顶端与辐射装置连接；

所述辐射装置由四个振子臂组成，它们放置在与反射导电板平行的平面上，并且由在相邻振子臂之间产生电容耦合的间隙把它们彼此分各自分离开；

所述其中每个振子臂包括构成该振子臂的中空外部台面的外导体，以及放置在中空外部台面内部的三个附加导体、其第一端相互连接在一起，而其第二端分别与外导体连接；

所述外导体包括由其第一端连接到巴伦的两个直线型导体和两个弧形导体组成，其中弧形导体部分的第一端与直线导体部分的第二端相连接；

所述附加导体包括两个弧形附件导体和一个直线型的第一附加导体；

所述直线型的第一附加导体与所述外导体连接，且位于两个弧形导体之间，同时也位于所述两个弧形附加导体之间，两个弧形附加导体与所述外导体的直线型导体的第二端连接在一起。

所述振子臂的宽度大于辐射装置宽度的二分之一。

所述巴伦内部馈电元件具有四个纵向孔，所述馈电线的内导体放置在两个纵向孔内；

所述馈电线的内导体通过导电桥连接到辐射装置。

作为进一步的改进，所述第一个附加导体具有凸出导体，置于辐射装置底部表面并指向反射导电板。

作为进一步的改进，所述第一个附加导体具有放置在辐射装置上表面的凸出导体，并指向向上方。

作为进一步的改进，所述外导体的直线型部分具有指向相邻振子臂之间的间隙的凸台导体。

作为进一步的改进，所述相邻振子臂之间的间隙中放置有电介质元件。

作为进一步的改进，所述导电桥的第二端直接连接到辐射装置。

作为进一步的改进，所述导电桥的第二端连接到放置在纵向孔内的导体，并在导电桥和辐射装置之间产生电容耦合。

作为进一步的改进，所述巴伦的公共基座具有两个被反相切除的纵向孔，纵向孔没有馈电线的内导体。

作为进一步的改进，所述三个附加导体的形状可以是弧形，直线，折线，曲线等形状。

作为进一步的改进，所述至少两个辐射装置和馈电元件放置在反射导电板上方，形成天线阵列。

本发明所述的双极化天线包含两种辐射元件，第一种辐射元件是激励偶极子的两振子臂。第二种辐射元件由受激振子臂和邻近振子臂构成。外导体的直线导体由中间的馈电元件激励形成两条传输线，弧形导体形成四个大的圆角，且放置在与馈电元件相匹配的每个传输线两端。因此，优选的辐射装置充当不同元件辐射的小天线阵列。

与常规解决方案相比，本发明所述的双极化天线在H平面提供了更窄的波束宽度，其结果是，相邻振子臂比已知天线辐射更多的功率，已知天线在受激振子臂和邻近振子臂之间具有小的耦合，并且主要由受激振子臂辐射。因此，与传统解决方案相比，本发明的双极化天线改进了交叉极化鉴别率。

与常规天线相比，本发明所述的双极化天线在天线阵列的相邻天线之间提供了较少的不必要有的耦合，其结果是，相邻振子臂的辐射减小了H平面处的波束宽度，并且沿着放置相邻天线的导电反射板辐射。

与常规解决方案相比，本发明所述的双极化天线改进了回波损耗或拥有更宽的频带，结果就是，第二类辐射元件的阻抗对频率的依赖性不同于受激振子臂的阻抗，因此新的辐射装置的阻抗对频率的依赖性较小。

附图说明

图1a是已有技术专利号CN 204424435U设计的双极化天线，该双极化天线包括两个交叉偶极子，两个交叉偶极子包含四个等振子臂，四个等振子臂由空心心形的外导体组成，并且由沿对称轴放置的附加导体分隔成两个相等部分。；

图1b是已有技术专利号CN 204424435U的其它实施例的俯视图，其中交叉偶极子的振子臂仅由空心心脏形状的外部导体形成；

图2a是根据本发明设计的双极化天线，包括新形状的辐射装置和两个馈电元件，馈电元件由两条馈电线和两个垂直巴伦组成，它们有一个公共基座放置在反射板上，并且通过顶端与辐射装置相连；

图2b是图2a所示辐射装置的俯视图；

图3显示了辐射装置辐射垂直E场的电场和电流的分布，如图2b所示；

图4a描述了本发明所述的双极化天线与已有技术的双极化天线，两个实施例在H平面和E平面上计算的半功率波束宽度与频率的相关性关系；

图4b描述了本发明所述的双极化天线和已有技术的双极化天线，两个实施例的方位角波束与频率变化关系；

图4c描述了本发明所述的双极化天线和已有技术的双极化天线，两个实施例的增益与频率变化关系；

图5a-5c描述了本发明所述的双极化天线(实线)和已有技术的双极化天线(虚线)，两个实施例在水平面上的主极化和交叉极化方向图的对比；

图6是根据本发明设计的，由其他形状的圆弧导体形成的辐射装置的俯视图；

图7是辐射装置的立体图，其中直线型附加导体具有凸起部，被放置在辐射装置的底面上并且指向反射板；

图8是辐射装置的立体图，其中直线型附加导体具有凸起部，被放置在辐射装置的上表面上并指向上方；

图9是辐射装置的立体图，其中外部导体的直线导体在相邻振子臂的间隙之间具有凸起部；

图10是辐射装置的俯视图，其中电介质被放置在相邻振子臂之间的间隙中；

图11是通过纵向孔的双极化天线的横截面，其中导电桥的一端直接连接到巴伦；

图12是通过纵向孔的双极化天线的横截面，其中导电桥的一端连接到放置在纵向孔内的导体上，导电桥和辐射装置之间产生电容耦合；

图13是包含本发明所述双极化天线的矩形天线阵列。

具体实施方式

结合附图说明本发明的实施例，以下详细解释了本发明的原理。

图1a以立体图展示，并说明了本发明和已有技术专利CN204424435U的区别，已知的天线由四个等振子臂2组成，它们由对称巴伦4支撑在反射板1的上方，并由连接到馈电线的导体5激励。每个振子臂由外导体2和沿对称振子臂轴线放置的导体3构成，并将振子臂的远端部分与巴伦4连接。导体3改善了已知天线与馈电线的匹配，但减少了在导体2中流动的电流，并减少了相邻振子臂之间的耦合，因此相邻振子臂产生的辐射较少。结果是含有导体3的已知天线在H平面具有宽的波束。

图1b以俯视图形式展示了已有技术的另一个实施例-没有导体3的实施例，其中A表示辐射装置的宽度，W表示振子臂的宽度。仅包含导体2的辐射装置在H平面提供较窄的波束宽度，但是由于中空振子臂的阻抗更依赖于频率，因此与馈电线匹配很差。由于图 1b所示的辐射装置具有尺寸W<A/2的激励振子臂与相邻振子臂具有非常小的耦合，流经相邻振子臂的电流也非常小，因此H平面处的波束宽度比E平面处的波束宽度要宽得多。

图2a和图2b分别以立体图和俯视图形式展示本发明的双极化天线。辐射装置和巴伦是由厚导电材料的整体制成的。该天线包括辐射装置和馈电元件，该馈电元件由两条馈电带状线和两个垂直巴伦14组成，两个垂直巴伦14有一个共同的基座15放置在反射板11上，并且通过顶端13与辐射装置相连。辐射装置由四个振子臂12组成，振子臂12与反射板11所在平面平行，并通过间隙8彼此分开。馈电元件包括在巴伦14内部制成的纵向孔9。馈电线的内导体放置在孔9的内部，并通过导电桥10连接到辐射装置。

每个振子臂12的外部台面由两个直线导体6a和两个弧形导体6b构成，弧形导体6b与位于中间的振子臂12的两端连接在一起。直线导体6a的一端连接到巴伦14的顶端13 和另一端与导体6b的第二端连接在一起，直线型附加导体7a和两个弧形附加导体7b放置在空心外台面的内部。附加导体7a和7b的第一端相互连接在一起，其第二端与外导体6 连接。外导体由连接到巴伦14顶端的两个直线导体6a和两个弧形导体6b组成，这两个弧形导体6b导体呈两个弧形且与直线导体6a连接在一起。直线型附加导体7a连接在弧形导体6b和弧形附加导体7b之间，通过直线导体6a的第二端紧密连接。

在图2b中，A表示辐射装置的宽度，W表示振子臂的宽度。由于辐射振子臂W>A/2，且窄间隙8把长而直导体6a隔开，这样在激发振子臂和邻近振子臂之间提供强耦合。

图3显示了辐射装置从图2b经由馈电点16和17被激励和辐射垂直E场。流经该辐射装置的电压和电流分别用箭头，带虚线箭头和虚线表示。激励垂直振子臂12和相邻的水平振子臂12具有不同的电流分布，因此新的辐射装置包含两种辐射元件。第一种辐射元件是在直线型附加导体7a上具有垂直电流的激励垂直振子臂12，激励垂直振子臂12的末端与弧形导体6b连接，在弧形导体6b部分形成的电流流向方向相反。

第二种辐射元件是由外部导体的弧形导体6b部分形成的喇叭18。由间隙8分开的直线导体6a在馈电激励时形成匹配喇叭18的传输线。因此，新的辐射装置的这部分构成了扁平喇叭或辐射鳍状线，其通过由直线导体6a形成的变换部分与馈线连接。因此，新的辐射布置作为一个小天线阵列，包含相互耦合的不同辐射元件。

导电桥10激励两个垂直振子臂12和由直线导体6a形成并由间隙8分开的四条转换线。两条变换线并联，另一条串联，因此所有变换线的公共阻抗等于一条变换线的阻抗。变换线与两个垂直振子臂平行连接，因此辐射装置的输入阻抗取决于间隙8的长度和宽度以及喇叭18的形状。与已知的天线相比，新的辐射装置具有更长的直线导体6a，更好地匹配喇叭18与馈线，并将更多的功率引导到喇叭18，从而增加沿相同方向流动的垂直电流，这些垂直电流沿形成相邻水平振子臂的远端的弧形导体6b流动。结果是，这些电流产生的辐射降低了H平面处的波束宽。

通过计算三种不同形状、相同尺寸A＝65mm的辐射装置天线，从而验证了上述解释。这些天线由尺寸为144x144mm的反射导电板上的同一巴伦(平衡-不平衡转换器)支撑。计算结果如图4a～4c和图5a-5c所示，其中连续线是图2a和2b中所示的双极化天线的结果。短线和虚线以及点和点线分别是图1a和1b中所示的双极化天线的结果。

图4a描述了通过频率计算的H平面和E平面的半功率束宽度的依赖关系。计算相关性表明，根据本发明设计形状辐射装置通过工作频带1.69-2.69GHz显著减小H平面和E平面的半功率束宽度之间的差异，并且在频率2.3GHz提供相等的半功率束宽度。

图4b描述了通过频率计算出的方位波束偏移依赖关系。计算的相关性表明，根据本发明设计形状的辐射装置显著减小了方位角波束偏移，特别是在2.69GHz时，已知技术具有很大的方位角波束偏移。

图4c描述了通过频率计算的依赖性增益。计算的相关性显示根据本发明设计形状的辐射装置与已有技术的实施例相比增加了增益。在于频率2.69GHz时喇叭18的辐射比频率 1.69GHz时更有效，其最大的差别有0.4dB。

图5a-5c描述了在水平面上计算的主极化方向图和交叉极化方向图。经过计算的方向图显示本发明的辐射装置的形状减小了水平面上的交叉极化，这一点对专门为基站提供移动通信服务的天线尤为重要。

与已知的天线相比，本发明的双极化天线改进了交叉极化比，其结果是，新形状的辐射装置在激发振子臂和邻近振子臂之间提供更多的耦合，因此相邻振子臂产生更多的辐射，在E平面和H平面上的波束宽度几乎相同。

与已知天线相比，本发明所述的双极化天线在天线阵列的相邻天线之间提供了较少的不必要的耦合，其结果是，相邻振子臂的辐射在H平面上减小了波束宽度，在放置相邻天线的导电反射板上减小了辐射。因此，本发明所述的双极化天线更适合于多行天线并排放置的天线阵列的设计。

与常规解决方案相比，本发明的双极化天线改进的回波损耗或更宽的频带，其结果是，第二类辐射元件的阻抗对频率的依赖性不同于激励振子臂阻抗对频率的的依赖性，因此天线的公共阻抗对频率的依赖性较小。

图6至图12描述了本发明双极化天线的几个示例性实施例(典型实例)。

俯视图6展示了是本发明辐射装置的第二个实施例，其中由7b部分形成的电弧具有更大的直径，而7a部分更短。6a、6b、7a和7b部分的尺寸变化允许在H平面处减小波束宽度，同时通过宽带使天线与馈电线匹配。

立体图7展示了辐射装置的第三个实施例，其中第一个附加导体7a具有位于其底面上并朝向反射导电板的凸起部19。凸起部19增加了E平面处的波束宽度，改善了交叉极化鉴别率，但降低了增益。

图8以立体图展示了辐射装置的第四个实施例，其中第一个附加导体7a在其顶表面上放置有凸起部20，并且向上引导。凸起部20减小了H平面处的波束宽度，并改善了交叉极化鉴别率。凸起部20减小了激励振子臂的阻抗，并改进了天线与馈电电缆的匹配。

在辐射装置的第五个实施例中，外导体的直线部分具有指向相邻振子臂之间的间隙8 的凸起部21，在图9中以俯视图示出。凸起部21增加了相邻振子臂之间的耦合，并且创建了延迟结构，增加了变换部分的电长度，并且更好地将喇叭18与馈线匹配。因此，喇叭 18辐射更多的能量，含凸起部21的天线在H平面的波束宽度小于没有凸起的天线在H平面的波束宽度。

图10展示了辐射装置的第六个实施例，其中电介质22放置在相邻振子臂之间的间隙 8中。电介质增加了相邻振子臂之间的耦合和变换线长度，因而喇叭18辐射更多的能量，含电介质22的天线在H平面的波束宽度小于没有凸起的天线在H平面的波束宽度。

图11展示了通过孔9的横截面，导电桥10的第二端直接连接到巴伦上。这种连接造成直流短路。因此，天线不需要额外的电路来产生直流短路。底座15切割了23相对的空洞9。这种切割改善了天线阵列端口之间的隔离，因为不对称形状的巴伦部分补偿了形成阵列的相邻天线之间的不必要的耦合。同时减少天线的重量和制造成本。

图12展示了通过孔9的横截面，导电桥10的第二端直接连接到导体24顶端。导体24底端是开放的，因此导体24在导电桥10和辐射装置之间产生电容耦合。因此，不需要将导电桥焊接到厚巴伦上。这些部件之间没有直接接触简化了天线组装，并且使通过将导电桥焊接到厚金属巴伦顶部来产生无源互调产品的机会最小化。

图13是双极化天线阵列的立体图，其包含根据本发明设计的四行天线辐射装置。该阵列从矩形反射板的侧面辐射两个相互垂直的电场，E矢量指向+45和-45度。辐射装置的新形状改善了天线阵列的输出之间的隔离，并减少了旁瓣，结果在相邻天线之间产生较少的不希望的耦合。

根据本发明我们设计了半功率波束宽度为60-69度的双极化天线的几个样本，用于从 1695MHz到2690MHz频带。所有样品的极化隔离度均大于32dB，VSWR优于1.3。一种包含10个天线的+/-45度斜极化天线阵列的样本提供极化隔离优于30dB和VSWR优于1.3。该天线阵主方向交叉极化鉴别率为-23dB，扇形+/-60度边缘为-10dB。

虽然本发明已经对其实施例进行了包括细节在内的详细的描述。但申请人无意限制此类细节的专利申请范围。所述技术领域的技术人员有可能对本发明做出改进。因此，本发明在更广泛的方面并不局限于所展示和描述的具体细节、代表性装置和说明性例子。相应的，在不背离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims

1.一种双极化天线，其特征在于，包括辐射装置和馈电元件，

所述振子臂的宽度大于辐射装置宽度的二分之一。

所述馈电线的内导体通过导电桥连接到辐射装置。

2.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述第一个附加导体具有凸出导体，置于辐射装置底部表面并指向反射导电板。

3.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述第一个附加导体具有放置在辐射装置上表面的凸出导体，并指向向上方。

4.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述外导体的直线型部分具有指向相邻振子臂之间的间隙的凸台导体。

5.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述相邻振子臂之间的间隙中放置有电介质元件。

6.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述导电桥的第二端直接连接到辐射装置。

7.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述导电桥的第二端连接到放置在纵向孔内的导体，并在导电桥和辐射装置之间产生电容耦合。

8.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述巴伦的公共基座具有两个被反相切除的纵向孔，纵向孔没有馈电线的内导体。

9.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述三个附加导体的形状可以是弧形，直线，折线，曲线等形状。

10.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于,所述至少两个辐射装置和馈电元件放置在反射导电板上方，形成天线阵列。