一种宽带双极化天线阵列
技术领域
本实用新型属于无线通信领域,具体涉及一种宽带双极化天线阵列。
背景技术
随着移动通信***的迅速发展,***的复杂度越来越高,天线作为其重要组成部分也面临着严峻的考验。目前,天线正朝着宽频带、小型化、高效率的方向发展。如何设计出高性能、低成本的天线,也已经成为天线设计者的重要研究方向。近年来,由于双极化天线自身特有的优点,能接收电磁波中全部极化信息。因其具有强抗干扰、高的***灵敏度和能构成变极化***等能力,进而,获得了科研人员的广泛关注。此外,由于双极化天线在同一带宽内能发射两种信号,并同时工作在收发双工模式下,可以节省单个定向基站的天线数量,因此,双极化天线已经成为移动基站设计中的优选天线。然而,以阵列形式出现的基站天线所占体积较大,这势必给安装固定带来一定的难度,同时会不可避免的造成视觉污染,因此,天线的宽带化、小型化已经成为天线领域内一项重要的研究课题。
实用新型内容
本实用新型目的在于解决现有技术存在的不足,提供一种小型宽带双极化天线阵列。与传统阵列尽量减少阵元间耦合不同,本实用新型合理地利用单元间的耦合,拓展天线阵列的工作频段,同时改善工作频带内的阻抗匹配特性,从而实现天线阵列的小型化。
本实用新型提供的一种小型化宽带双极化天线阵列,在保证天线性能的前提下降低天线的尺寸,可广泛应用于移动通信基站天线。
为达到上述目的,本实用新型是按照以下技术方案实施的:
一种宽带双极化天线阵列,包括多个成阵列排布的双极化偶极子天线阵子单元;所述的双极化偶极子天线阵子单元包括两个偶极子、两个金属条带、介质基板、两个同轴电缆、两个金属柱、反射板;两个同轴电缆和两个金属柱位于介质基板与反射板之间,两个偶极子相互垂直,且分别位于介质基板的上下表面,每个偶极子均包括两个[型金属贴片,每个[型金属贴片是偶极子的一个臂;两个金属条带分别位于介质基板的上下表面;金属柱与同轴电缆关于偶极子中心对称;在介质基板上表面,第一同轴电缆的外皮连接第二偶极子的一个臂,内芯通过第一金属条带连接另一个臂;在介质基板下表面,第二同轴电缆的外皮通过第二金属条带连接第一偶极子的一个臂,内芯连接另一个臂。
所述介质基板(1)的上表面设置有第一偶极子(3)、第一金属条带(7),下表面设置有第二偶极子(4)、第二金属条带(8);第一偶极子(3)和第二偶极子(4)均包括两个[型金属贴片,每个偶极子中的两个[型金属贴片的均开口朝外背对放置,每个[型金属贴片是该偶极子的一个臂;第一金属条带(7)的末端与第一同轴电缆的内芯焊接在一起,同时连接第二偶极子(4)的一个臂(41),第二偶极子(4)的另一个臂(42)与第一同轴电缆的外皮连接;第二金属条带(8)的末端与第二同轴电缆的外皮焊接在一起,同时连接第一偶极子(3)其中的一个臂(32),第二偶极子(3)的另一个臂(31)与第二同轴电缆的内芯连接。
所述介质基板(1)采用介电常数为8的矩形陶瓷板材,厚度为1.5mm,在距离矩形介质板高度为H=32mm处设置一块矩形反射板以获得定向辐射特性。
所述第一金属条带(7)和第二金属条带(8)的宽度均为2mm。
所述阵子单元之间的间距为S,所述S的范围为0.55-0.7,为工作频段的中心频率。
所述金属柱的半径与同轴电缆的外径相等。
与现有技术相比,本实用新型具有以下有益效果:
1、本实用新型利用印刷金属条带结构,通过调节金属条带的宽度可以控制振子臂的电磁耦合强度,以便获得较好的匹配特性。
2、本实用新型由于引入和同轴电缆半径等同的金属柱,很好地改善了交叉极化,使得天线的辐射方向图并未偏离边射方向。
3、本实用新型由于刻意减小了阵间距,从而增强了阵元间的电磁耦合,改善了阻抗匹配,使工作频率向低频移动。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)分别为天线单元的顶层俯视图、侧视图和底层仰视图;
图2为天线单元的端口回波损耗图;
图3为天线单元的端口隔离度图;
图4为天线单元在2.2GHz的水平面方向图;
图5为天线单元在2.2GHz的垂直面方向图;
图6为天线阵列的顶层俯视图、侧视图和底层仰视图;
图7为面阵+45°极化天线阵列端口的有源驻波图;
图8为面阵的+45°极化天线阵列在2.2GHz处的方向图;
图9为面阵-45°极化天线阵列端口的有源驻波图;
图10为面阵的-45°极化天线阵列在2.2GHz处的方向图;
图示说明:1、FR4介质基板;2、反射板;3、第一偶极子;4、第二偶极子;5、同轴电缆;6第一金属柱;7、第一金属条带;8、第二金属条带;9、阵列反射板;31、第一偶极子辐射贴片一臂;32、第一偶极子辐射贴片另一臂;41、第二偶极子辐射贴片一臂;42、第二偶极子辐射贴片另一臂;51、第一SMA端口;52、第二SMA端口;61、第二金属柱。
具体实施方式
通过现有HFSS软件仿真,得出了本实用新型的阵子在2.2GHz频点处的S参数曲线、隔离度、有源驻波及辐射方向图。
下面通过附图,来对本实用新型进行详细说明:
本实用新型的阵子单元包括两个偶极子、两个金属条带、介质基板、两个同轴电缆、两个金属柱、反射板;两个偶极子单元相互垂直并且分别放置于介质两侧,形成双极化天线单元。
如图1所示:偶极子天线单元包括一对[型对偶极子(3)和(4)、金属条带(7)和(8)、介质基板(1)、同轴电缆(5)金属柱(6),反射板(2),其中两[型对偶极子分别位于介质板的上下表面;金属条带分别位于介质板的上下表面,用于馈电及增强电磁耦合;金属柱与同轴电缆关于偶极子中心对称,用于改善天线的交叉极化,同时保证了天线的最大辐射方向不会偏离边射方向;第一金属柱(6)的一端通过介质基板上表面的第一金属条带(7)与第一同轴电缆的内芯相连,另一端固定在反射板(2)上;第二金属柱(61)的一端通过与介质基板下表面的第二金属条带(8)与第二同轴电缆的外皮相连,另一端固定在反射板(2)上。
如图6所示,将以上的双极化单元形成1*10面阵,双极化天线阵列主要包括阵列反射板(9)和10个双极化天线单元,通过控制振子间距S来控制单元与单元之间的耦合强度,利用电磁耦合效应形成容抗分量,用以抵消天线单元与反射板之间的感抗分量,从而实现天线阵列的频带展宽,工作频带会向低频延展并同时改善工作频带内的阻抗匹配特性,实现低剖面宽带天线阵列,通过减小天线剖面高度和阵元间距实现基站天线阵列的小型化。
图1和图6分别为双极化天线阵子单元和阵列,其中每两个相邻的双极化单元相距S=90mm,每个双极化单元是由图1所示的偶极子单元形成的,在矩形介质基板(1)上下表面分别印制有每个双极化单元的金属条带(7)和(8)以及[型对偶极子(3)和(4);金属条带结构通过其宽度,保证天线在一定的工作频段内有着较好的阻抗匹配特性;金属条带结构(8)的末端与第二同轴电缆的外皮焊接在一起,同时连接第一[型偶极子其中一个臂(32),第一[型偶极子其中另一个臂(31)与第二同轴电缆(5)内芯连接,金属条带结构(7)的末端与第一同轴电缆的内芯焊接在一起,同时连接第二[型偶极子其中一个臂(42),第二[型偶极子其中另一个臂(41)与第一同轴电缆外皮连接,矩形介质基板采用介电常数为8的陶瓷板材,厚度为1.5mm,在距离矩形介质板高度为H=32mm处放置一块矩形反射板获得定向辐射特性。参照图1,金属条带(7)和(8)的宽度均为2mm;第一同轴电缆对应第一SMA端口(51),第二同轴电缆对应第二SMA端口(52)。
图2为天线单元的端口回波损耗,以小于-10 dB为标准,实施方式中所选取的双极化天线单元,-45°极化天线工作频段为1.7GHz-2.75GHz,+45°极化天线工作频段为1.7GHz-2.9GHz,其公共相对带宽为47.2%。
图3为天线单元的端口隔离度,所选取的双极化单元的两个输入端口之间的隔离度在整个工作频段(1.88-2.69GHz)内均高于30 dB,表明双极化天线两端口间有较高的隔离度,保证两个端口工作时互不干扰。
图4天线单元在2.2GHz的水平面方向图,从图中看出的最大辐射方向始终与Z轴平行,没有任何偏离,交叉极化低于主极化至少20 dB,表明双极化单元具有较低的交叉极化。
图5天线单元在2.2GHz的垂直面方向图,从图中看出的最大辐射方向始终与Z轴平行,没有任何偏离,交叉极化低于主极化至少30 dB,表明双极化单元具有较低的交叉极化。
图7面阵+45°极化天线阵列端口的有源驻波,可以看出阵列端口的有源驻波在1.88到2.69GHz频段内都基本低于1.5,高频处略微高于1.5,但其基本不影响阵列的基本性能。
图8面阵的+45°极化天线阵列在2.2GHz处的方向图,从图中可以看出阵列的最大增益均大于17dBi,且水平波瓣宽度均大于65度。同时最大辐射方向始终与Z轴平行,没有任何偏离,前后比大约为25dB。
图9面阵-45°极化天线阵列端口的有源驻波,可以看出阵列端口的有源驻波在1.88到2.69GHz频段内都基本低于1.5,高频处略微高于1.5,但其基本不影响阵列的基本性能。
图10面阵的-45°极化天线阵列在2.2GHz处的方向图,从图中可以看出阵列的最大增益均大于17.5dBi,且水平波瓣宽度均大于65度。同时最大辐射方向始终与Z轴平行,没有任何偏离,前后比大约为20dB。
本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形,均落入本实用新型的保护范围之内。