CN206585077U

CN206585077U - 一种宽带双极化天线阵列

Info

Publication number: CN206585077U
Application number: CN201621447904.XU
Authority: CN
Inventors: 李鑫; 张申科; 丁勇; 袁鹏亮; 丁晋凯
Original assignee: Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: CICT Mobile Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2026-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种应用于LTE无线通信***基站中的宽带双极化天线阵列，单元包括介质基板、C型对称振子、同轴馈电和SMA同轴转换接头，C型对称振子金属贴片分别放置于介质基板的两面，通过同轴线和金属条带连接位于介质基板两面的对称振子。本实用新型针对现有基站天线体积大、剖面高的问题，通过引入金属柱来改善天线的交叉极化并保证主辐射方向不偏离边射方向，再基于天线单元之间的部分耦合作用对天线阵列阵间距进行合理设计，拓展了工作频带，并改善了工作频带内的阻抗匹配特性，从而实现了天线阵列的小型化。与现有技术相比，本实用新型结构简单，容易加工，体积小并且可实现宽频段的无线通信***，减少通信***的天线复杂性。

Description

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。

Claims

1.一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：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），第一偶极子（3）的另一个臂（31）与第二同轴电缆的内芯连接。

3.根据权利要求2所述的一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：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。

4.根据权利要求2所述的一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：所述第一金属条带（7）和第二金属条带（8）的宽度均为2mm。

5.根据权利要求2所述的一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：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。

6.根据权利要求2所述的一种宽带双极化天线阵列，其特征在于：所述金属柱的半径与同轴电缆的外径相等。