CN112768884B - 双极化高隔离度室内分布天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极化高隔离度室内分布天线，其特征在于，包括：垂直极化天线，其包括两个相互垂直的半圆形铜片以及位于所述半圆形铜片上方的圆形铜片，通过位于介质板中心的馈电孔馈电；水平极化天线，其由位于介质板的上表面和下表面的两部分构成，在所述介质板的上表面设置有四个印刷偶极子、四个弧形寄生贴片以及四个金属条，在所述介质板的下表面设有一个一分四的功分器，所述印刷偶极子的中间设置有由缝隙和矩形孔隙构成的哑铃型结构。本发明能同时覆盖1.71‑2.69GHz和3.3‑3.6GHz频段的应用于3G/LTE/5G的室内分布天线，其具备高端口隔离度，低不圆度、低剖面的特性。

Description

双极化高隔离度室内分布天线
技术领域
本发明涉及适用于无线宽带通信***的天线技术领域，具体涉及一种双极化高隔离度的室内分布天线。
背景技术
随着5G大规模商用的开启，5G天线的应用变得普遍。而在通信***的频率不断向5G演进的同时，2G/3G/LTE频段在通信技术演进过程中仍然发挥着重要作用。在室内上网需要室分***来给信源和信宿来进行信号传输，除了5G信号的覆盖外，2G/3G/LTE频段频段的信号也需要保留，因此，开发覆盖2G/3G/LTE/5G频段的天线具有很好的应用前景。室内分布天线需要具备全向辐射的特性，使得每一个信宿都能够接收到良好的信号，因而要求室内分布天线的辐射在XOY面具有较好的不圆度。不圆度是衡量一个全向天线在XOY面辐射是否具有良好的全向特性的一个指标。不圆度越低，表明天线全向性越好，所以对研究不圆度性能好的室内分布天线是很有必要的。
在设计室内分布天线时，为了能够更大限度地使用频谱资源，一般采用双极化的方式来提高天线的信道容量。然而，在采用双极化设计的时候，会衍生出极化之间隔离度的难点。隔离度越低说明两个天线之间的耦合程度越低，是衡量两个天线之间互耦的一个重要指标。在设计天线的时候，两个天线的耦合程度越低越好，工业界会提出隔离度低于-28dB的设计要求。所以提高两个天线的隔离度是设计室内分布天线的难点。
室内分布天线实现双极化时，一般由垂直极化天线和水平极化天线两个全向辐射单元来完成。垂直极化天线可以利用锥体结构很好的实现，而水平极化天线方面，实现覆盖2G/3G/LTE/5G频段的71.7％(1.7GHz-3.6GHz)宽带宽是一个难点，而且在实现天线宽带宽的基础上还要在水平面上构建环形电流以实现良好的全向特性，即在整个频段内实现所有频点的不圆度≤3dB也是一个难点。
发明内容
本发明的目的在于，实现一款能同时覆盖1.71-2.69GHz和3.3-3.6GHz频段的应用于2G/3G/LTE/5G的室内分布天线。该天线同时具备高端口隔离度，低不圆度、低剖面的特性。
为了达到上述目的，本发明的双极化高隔离度室内分布天线，其特征在于，包括：垂直极化天线，其包括两个相互垂直的半圆形铜片以及位于所述半圆形铜片上方的圆形铜片，通过位于介质板中心的馈电孔馈电；水平极化天线，其由位于介质板的上表面和下表面的两部分构成，在所述介质板的上表面设置有四个印刷偶极子、四个弧形寄生贴片以及四个金属条，在所述介质板的下表面设有一个一分四的功分器，所述印刷偶极子的中间设置有由缝隙和矩形孔隙构成的哑铃型结构。
而且，在所述水平极化天线中，所述四个印刷偶极子以所述馈电孔为中心，均匀分布在所述介质板的上表面，所述四个弧形寄生贴片以所述馈电孔为中心，均匀分布在所述介质板的上表面，且每个弧形寄生贴片配置在每个所述印刷偶极子的径向外侧，以与所述印刷偶极子的两臂耦合，所述四个金属条以所述馈电孔为中心，以放射状均匀分布在所述介质板的上表面，且每个金属条配置在相邻的两个所述印刷偶极子之间。
另外，在所述垂直极化天线中，所述两个半圆形铜片配置成以所述馈电孔为中心，与所述介质板垂直且位于所述金属条的正上方。
另外，所述功分器的末端的四个微带导体分别形成四个U形条形导体，所述U形条形导体配置在与所述介质板的上表面的所述矩形孔隙对应的位置上，从而与所述印刷偶极子进行耦合。
为了天线的垂直极化实现宽带宽的全向辐射特性，通常会采用锥体作为辐射结构来实现。而本发明使用两个半圆铜片和一个小圆铜片组合成垂直极化天线的辐射结构，这样在保持很好的全向特性的同时也减少了和水平极化天线的耦合，提升了隔离度性能，并且能够实现宽带宽。通过在45°、135°、225°、315°引入金属条来延长水平极化天线的接地板，有效引导了垂直极化天线的接地板电流，改善垂直极化天线的阻抗匹配。
为了天线的水平极化实现宽带宽的全向辐射特性，通常会采用功分器的馈电网络和同心放置的环偶极子形成环形电流来实现。而本发明在F4B介质板的上表面的以X轴为基准时的0°、90°、180°、270°处配置四个印刷偶极子，在下表面放置一个一分四的功分器，通过微带巴伦的形式对印刷偶极子的狭缝进行耦合，以对平衡偶极子产生有效的馈送。这个巴伦结构具有优化水平极化带宽的作用。同时将四个弧形寄生贴片刻蚀在印刷偶极子的正前方。弧形寄生贴片与印刷偶极子的两臂耦合，激发后补充偶极子中间缝隙前方的辐射。这能够改善水平极化天线的阻抗匹配，改善水平极化天线辐射的不圆度。
本发明采用两个半圆铜片和一个小圆铜片组合成垂直极化天线的辐射结构，两个半圆片状铜片将同轴线传输上来的电流引导在以X轴为基准时的45°、135°、225°、315°所在的切面上，这样在保持很好的全向特性的同时也减少了和水平极化天线的耦合，提高了天线的隔离度。同时片状结构的半圆化设计能够有效延长电长度，拓展了垂直极化天线的低频带宽。上方的圆形铜片既能固定半圆片状铜片，也能改善优化垂直极化天线的高频性能。通过在以X轴为基准时的45°、135°、225°、315°引入金属条来延长水平极化天线的接地板，有效引导了垂直极化天线的接地板电流，改善垂直极化天线的阻抗匹配。
本发明通过微带巴伦的形式对在介质板的上表面的印刷偶极子的狭缝进行耦合，以对平衡偶极子产生有效的馈送。这个巴伦结构具有优化水平极化带宽的作用。同时加入四个弧形寄生贴片在印刷偶极子的正前方，使其与印刷偶极子的两臂耦合，激发后补充偶极子中间缝隙前方的辐射。这能够改善水平极化天线的阻抗匹配，并且改善水平极化天线辐射的不圆度。
附图说明
图1是本发明涉及的双极化高隔离度室内分布天线的结构透视图，其中(a)是整体结构图，(b)为结构分解示意图。
图2是垂直极化天线的详细结构透视图。
图3是水平极化天线的详细结构透视图，(a)为介质板的上表面示意图，(b)为介质板的下表面的示意图
图4是本发明的双极化高隔离度室内分布天线的仿真S参数曲线图。
图5是本发明的双极化高隔离度室内分布天线的增益图。
图6是本发明的双极化高隔离度室内分布天线的不圆度示意图。
图7是本发明的双极化高隔离度室内分布天线的两个极化的方向图。
附图标记：
1：垂直极化天线 2：水平极化天线
3：介质板 11：半圆形铜片
12：圆形铜片 21：印刷偶极子
22：金属条 23：弧形寄生贴片
24：缝隙 25：矩形孔隙
26：条形空隙 27：功分器
具体实施方式
参照附图，详细说明这些实施例，以使本领域技术人员能够充分实施本发明。应当理解，虽然本发明的多个实施例彼此不同，但是不相互排斥。例如，在此记载的特定形状、结构及特性与一实施例相关，在不脱离本发明的精神及范围下，能够实现为其他实施例。并且，在不脱离本发明的精神及范围下，可对实施例中的个别构成要素的位置或配置进行变更。
图1是本发明涉及的双极化高隔离度室内分布天线的结构透视图，其中(a)是整体结构图，(b)为结构分解示意图。本发明的双极化高隔离度室内分布天线包括垂直极化天线1和水平极化天线2两部分。其中，垂直极化天线1的第一部分是由两片互相垂直的半圆形铜片11构成。
图2为垂直极化天线1的详细结构图。半圆形铜片11可以将同轴线传输上来的电流引导在以X轴为基准时的45°、135°、225°、315°所在的切面上，从而减少和水平极化天线2的耦合，提高两个天线的隔离度。垂直极化天线1的第二部分是一片圆形铜片12，所述圆形铜片12配置在两个半圆形铜片11上方，这样既能固定半圆形铜片11，也起到改善优化垂直极化天线1的高频性能的作用。
图3为水平极化天线2的详细结构透视图。其中(a)为F4B介质板的上表面示意图，(b)为介质板的下表面的示意图。水平极化天线2刻蚀在介质板3的上表面和下表面。如图3所示，圆形结构的介质板3的上表面上，四个印刷偶极子21以X轴为基准，沿着顺时针方向同心均匀分布在0°、90°、180°、270°位置上，这样使得印刷偶极子21的辐射臂形成一个环，从而实现全向的辐射方向图。印刷偶极子21的中间是一个由缝隙24和矩形孔隙25构成的哑铃型结构，用于和巴伦馈电网络耦合。同时，每个印刷偶极子21的前面设置了弧形寄生贴片23，印刷偶极子21的两臂耦合，从而补充偶极子中间的缝隙24前方的辐射。这种结构能够改善水平极化天线2的阻抗匹配，改善水平极化天线2辐射的不圆度。在以X轴为基准时的45°、135°、225°、315°位置上分别设置有金属条22，通过拓展接地板，能够改善垂直极化天线的带宽。在金属条22后面的条形空隙26和位于印刷偶极子21后面的矩形空隙25，具有引导接地板电流的作用。
介质板3的下表面设置有一个一分四的功分器27，功分器27末端的微带导体形成一个U形条形导体，配置在与介质板3上表面的矩形孔隙25对应的位置上，以完成与印刷偶极子21的耦合。通过耦合的方式给水平极化天线2的辐射臂来传输平衡的能量，这样使得辐射臂的电流形成一个环，能够实现良好全向的辐射方向图。
图4为本发明的双极化高隔离度室内分布天线的仿真S参数(散射参数)曲线图，其中垂直极化的阻抗带宽S22为81.1％(1.68GHz-3.97GHz)，水平极化的阻抗带宽S11为81.3％(1.54GHz-3.65GHz)，两个极化的阻抗带宽的重叠部分为73.9％(1.68GHz-3.65GHz)。两个极化的隔离度小于-45dB，具有高的隔离度。
图5为本发明的双极化高隔离度室内分布天线的增益图，其中垂直极化天线的增益在有效频带内变化范围为1.27dBi-5.41dBi，水平极化天线的增益在有效频带内变化范围为1.14dBi-2.93dBi。
图6为本发明的双极化高隔离度室内分布天线的不圆度示意图，图6的(a)表示水平极化的不圆度，(b)表示垂直极化的不圆度。图中可知在两个极化的不圆度均大于-3dBi，满足工业设计要求。
图7为本发明的双极化高隔离度室内分布天线的两个极化的方向图，通过该图可知其XOY面具有良好的全向的特性，其交叉极化小于-16dB。
如上所述，本发明虽然列举了优选的实施例，但并非限定于所述实施例，在不脱离本发明的精神及范围内，本领域技术人员可进行各种变形和变更，这种变形例及变更例落在本发明及其所附的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种双极化高隔离度室内分布天线，其特征在于，包括：
垂直极化天线，其包括两个相互垂直的半圆形铜片以及位于所述半圆形铜片上方的圆形铜片，通过位于介质板中心的馈电孔馈电；
水平极化天线，其由位于介质板的上表面和下表面的两部分构成，在所述介质板的上表面设置有四个印刷偶极子、四个弧形寄生贴片以及四个金属条，在所述介质板的下表面设有一个一分四的功分器，
所述印刷偶极子的中间设置有由缝隙和矩形孔隙构成的哑铃型结构，
在所述水平极化天线中，所述四个印刷偶极子以所述馈电孔为中心，均匀分布在所述介质板的上表面，使得所述四个印刷偶极子的辐射臂形成一个环，所述四个弧形寄生贴片以所述馈电孔为中心，均匀分布在所述介质板的上表面，且每个弧形寄生贴片配置在每个所述印刷偶极子的径向外侧，以与所述印刷偶极子的两臂耦合，所述四个金属条以所述馈电孔为中心，以放射状均匀分布在所述介质板的上表面，且每个金属条配置在相邻的两个所述印刷偶极子之间，
在所述垂直极化天线中，所述两个半圆形铜片配置成以所述馈电孔为中心，与所述介质板垂直且位于所述金属条的正上方，并且所述两个半圆形铜片配置为直径所在的边朝上设置。
2.如权利要求1所述的双极化高隔离度室内分布天线，其特征在于，
所述功分器的末端的四个微带导体分别形成四个U形条形导体，所述U形条形导体配置在与所述介质板的上表面的所述矩形孔隙对应的位置上，从而与所述印刷偶极子进行耦合。
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