專利名稱：一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種偶極子天線，更具體的說，本發明主要涉及一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線。
背景技術：
基站天線在移動通信系統中扮演著承上啟下的作用，是電磁波發射和接受的傳感器。天線的性能對整個通信系統起著決定性的作用，其成本投入僅占到整個基站總成本的百分之幾的天線，然而其性能的優良卻可影響基 站系統可靠性的30% 50%，因此，一副高性能的天線可放寬系統的設計要求且提高整個系統的性能。隨著3G在我國的廣泛使用，用于下一代移動通信的 IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication -Advanced)通信系統的研究成為現階段的重中之重。新一代通信系統(IMT-Advanced又稱4G)具有寬頻帶，多頻段，高質量，高容量，高速率(要求支持高達lGbit/S的傳輸速率)等特點，并米用MIMO (Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)和OFDMA (正交分頻多工存取)等技術來提高頻譜的利用效率。此外智能天線、波束形成也被認為是新通信系統的重要技術。MT-Advanced系統要求基站天線工作在1710MHz 2690MHz頻段內，相對帶寬為44.5%。電壓駐波比(VSWR)小于1.5。在寬波束應用場合下要求天線水平面半功率波瓣寬度在整個工作頻帶內達到90度至110度范圍以內。在移動通信中，印刷偶極子天線因其具有體積小、重量輕，結構簡單、易于集成、易于批量生產的優點而被廣泛應用。一般的印刷偶極子天線帶寬較窄，要在很寬的頻帶內實現寬波束則更為困難，不適合于寬帶寬波束的基站天線應用場合。為此，在實現寬頻帶寬波束天線方面，廣東通宇通訊股份有限公司在專利CN201887149U中公布了一種采用U型輻射臂的寬波束雙極化偶極子輻射單元，通過調節U型的寬窄可以調節天線的半功率波瓣寬度。該天線單元在780MHz 987MHz頻帶范圍內的半功率波瓣寬度為86. 4度 89. 5度，可以滿足寬波束基站天線應用要求，但工作帶寬較窄。上海大學在專利CN101710649A中公布了一種帶條形地板和覆介質反射板的寬波束天線單元，通過寄生貼片和條形地板來展寬天線的波束寬度。該天線回波損耗小于-IOdB的帶寬為17. 8GHz 18. 2GHz。在中心頻率處E面波束寬度達到225度，H面達到92度。但該天線帶寬較窄，且不具有雙極化特性。Zhen Qi Kuai在MicrowaveConference Proceedings, 2005. APMC 2005. Asia-Pacific Conference Proceedings 發表的題為 “A wide beam, dual polarization and high gain antenna for WCDMA basestation application”中介紹了一種帶有寄生金屬柱的寬波束寬帶印刷偶極子天線單元，該天線單元工作帶寬為1920MHz 2170MHz，半功率波束寬度達到120度。但寄生金屬柱的引入會使得天線的阻抗匹配某些頻段惡化，不能保證在工作頻帶內達到電壓駐波比小于I. 5的要求。
發明內容
本發明的目的之一在于解決上述不足，提供一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線，以期望解決現有技術中因隔離度不夠而造成偶極子天線中相鄰的單元互耦，且天線運行帶寬不夠等技術問題。為解決上述的技術問題，本發明采用以下技術方案本發明一方面提供了一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，包括天線罩板、反射板以及呈交叉固定的第一天線介質板與第二天線介質板，所述的第一天線介質板與第二天線介質板安裝在反射板上，且所述天線罩板由至少三個支撐柱支撐并置于反射板以及第一天線介質板與第二天線介質板的上方；所述反射板的上部設置有饋電介質層，底部設置有若干微帶饋電線，所述第一天線介質板與第二天線介質板的其中一面上均設有偶極子臂，第一天線介質板與第二天線介質板的邊緣上還設有諧振裝置；所述的偶極子臂均通過饋電巴倫與所述微帶饋電線相連接，且饋電巴倫經過設在反射板上與其相配合的通孔，所述的饋電巴倫的其中一段貼附在偶極子臂上；所述第一天線介質板與第二天線介質板的外部還設有齒狀圍欄，所述齒狀圍欄與呈交叉固定的第一天線介質板、第二天線介質板之間保持間隙，并且也安裝在反射板上。進一步的技術方案是所述的第一天線介質板與第二天線介質板呈十字形交叉固·定，且第一天線介質板的上方中心處與第二天線介質板的下方中心處設置有相互配合的開口 ；所述第一天線介質板與第二天線介質板交叉固定后其上端面與下端面齊平。進一步的技術方案是所述的第一天線介質板與第二天線介質板的幾何大小完全相同；所述饋電巴倫的其中一段呈彎折的貼附在偶極子臂上，且其經過設在反射板上通孔的面積大于饋電巴倫的橫截面面積。更進一步的技術方案是所述的偶極子臂呈左右對稱的T字型；所述的諧振裝置是固定在第一天線介質板、第二天線介質板上端與兩側邊緣的寄生金屬條。更進一步的技術方案是所述的第一天線介質板與第二天線介質板其中一面上設置的偶極子臂為正負45度。更進一步的技術方案是所述的齒狀圍欄整體呈矩形狀，且其上方還設有多個矩形齒，且每個矩形齒的間距都相等。更進一步的技術方案是所述的相互交叉固定的第一天線介質板、第二天線介質板分別與矩形齒狀圍欄的兩條對角線相平行或重合。更進一步的技術方案是所述的齒狀圍欄的下方還設置有呈90度彎折的固定腳，齒狀圍欄通過該固定腳以焊接或螺釘的方式固定在反射板上。本發明另一方面提供了一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線，其包括上述的天線單元，所述多個天線單元呈線型排列，且其上方至少設置有兩個不同極化的輸入端口，每個輸入端口通過微帶功分器至少接入五個所述天線單元；所述的輸入端口用于以微帶饋電線通過微帶功分器向饋電巴倫輸入饋電，微帶饋電線與反射板上的通孔相連接，并與反射板上的饋電介質層形成電磁場過度結構，電磁波通過微帶饋電線傳輸至所述通孔，再通過該通孔將電磁波過渡至饋電巴倫，進而通過饋電巴倫向對應極化的偶極子臂饋電。進一步的技術方案是所述的微帶功分器也設置在反射板的底部，其一端通過反射板底部的微帶饋電線接入各個天線單元中反射板上設置的通孔，另一端接入輸入端口。與現有技術相比，本發明的有益效果之一是通過在偶極子天線介質板的周圍增設齒狀圍欄，有效的擴展天線運行展寬波束寬度，天線單元在駐波小于1.4的情況下覆蓋了 1710MHz-2690MHz頻段，并且在工作頻帶內，天線水平面半功率波瓣寬度達到90度以上，同時齒狀圍欄在天線中也起到相應的隔離作用，減少相鄰天線單元之間互耦，并且本發明天線介質板上的偶極子臂可通過印刷而成，其通過微帶饋電線和反射板上設置的邊緣金屬化的通孔直接饋電，易于加工，有利于實現組陣后天線與饋電網絡的集成，應用范圍廣闊。
圖I為用于說明本發明一個實施例的偶極子天線單元結構的示意圖；圖2為用于說明本發明一個實施例中偶極子天線單元中的第一天線介質板的結構示意圖；圖3為用于說明本發明一個實施例中偶極子天線單元中的第二天線介質板的結構示意圖；圖4為用于說明本發明一個實施例中的齒狀圍欄的部分結構示意圖； 圖5為用于說明本發明一個實施例中寬帶寬波束印刷偶極子天線單元回波損耗實驗的實測結果坐標圖；圖6為用于說明本發明一個實施例中寬帶寬波束印刷偶極子天線單元隔離度實驗實測結果坐標圖；圖7為用于說明本發明一個實施例中偶極子天線單元接入饋電時偶極子天線天線單元水平面半功率波瓣寬度實驗的實測結果坐標圖；圖8為用于說明本發明另一個實施例中的偶極子天線結構示意圖；圖9為用于說明本發明另一實施例中的偶極子天線回波損耗仿真實驗的實測結果坐標圖；圖10為用于說明本發明另一實施例的偶極子天線隔離度仿真實驗的實測結構坐標圖；圖11為用于說明本發明另一實施例的偶極子天線在+45度極化端口饋電時組陣面方向坐標圖；圖12為用于說明本發明另一實施例的偶極子天線在+45度極化端口饋電時水平面方向坐標圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步闡述。圖I示出了本發明一個實施例的整體結構示意圖，參考圖I所示，本發明的一個實施例是一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，該天線單元中設有天線罩板I、反射板2以及呈交叉固定的第一天線介質板3與第二天線介質板4,所述的第一天線介質板3與第二天線介質板4安裝在反射板2上，且所述天線罩板I由至少三個支撐柱5支撐并置于反射板2以及第一天線介質板3與第二天線介質板4的上方；正如圖I所示出的，此處優選的技術方案是將支撐柱設置為四個，并且分布在矩形天線罩板I的四個角附近。所述反射板2的上部設置有饋電介質層21，底部設置有若干微帶饋電線22，所述第一天線介質板3與第二天線介質板4的其中一面上均設有偶極子臂6,第一天線介質板3與第二天線介質板4的邊緣上還設有諧振裝置；所述的偶極子臂6均通過饋電巴倫7與所述微帶饋電線22相連接，且饋電巴倫7經過設在反射板2上與其相配合的通孔8，并且饋電巴倫7的其中的一段貼附在偶極子臂6上；所述第一天線介質板3與第二天線介質板4的外部還設有齒狀圍欄9，所述齒狀圍欄9與呈交叉固定的第一天線介質板3、第二天線介質板4之間保持間隙，并且也安裝在反射板2上。基于上述實施例，本發明的關鍵技術手段之一是在第一天線介質板3與第二天線介質板4的外部設置齒狀圍欄9，齒狀圍欄9圍欄上的鋸齒狀的金屬條起到了寄生單元的作用，配合天線單元四周的寄生條進一步展寬了天線帶寬；并起到陣列中隔離欄的作用，減少陣元間的互耦，提高隔離度。而前述的齒狀圍欄9的其中一種結構是將其整體設置為矩形狀，且其上方還設有多個矩形齒91，且每個矩形齒91的間距都相等。并且為增加其與上固定的第一天線介質板3與第二天線介質板4之間的適應性，在齒狀圍欄9和第一天線介質板3、第二天線介質板4在反射板2上具體安裝時，最好將第一天線介質板3、第二天線介質板4的位置分別與矩形齒狀圍欄9的兩條對角線相平行或重合。 參考圖4所示，齒狀圍欄9在反射板2上的固定方式優選為在齒狀圍欄9的下方設置呈90度彎折的固定腳92，齒狀圍欄9通過該固定腳92以焊接或螺釘的方式固定在反射板2上。再參考圖I所示，為保證饋電巴倫7對偶極子臂6的饋電效果，最好將饋電巴倫7的其中一段呈彎折的形式貼附在偶極子臂6上，以增加其與偶極子臂6的接觸面，并且其經過設在反射板2上通孔8的面積大于饋電巴倫7的橫截面面積。結合圖2與圖3所示，本發明用于解決技術問題更加優選的一個實施例是在上述的基礎之上，將第一天線介質板3與第二天線介質板4呈十字形相互交叉固定，其目的為使其在安裝時更易實現上述的與矩形齒狀圍欄9的兩條對角線相平行或重合；且第一天線介質板3與第二天線介質板4之間固定的方式為在第一天線介質板3的上方中心處與第二天線介質板4的下方中心處設置有相互配合的開口 10 ;所述第一天線介質板3與第二天線介質板4交叉固定后其上端面與下端面齊平，即如圖I所示出的形式。基于前述所提到的第一天線介質板3與第二天線介質板4的結構，更加優選的實施方式是將它們的幾何大小設置為完全相同。另外，上述所提到的偶極子臂6在本實施例中設置為呈左右對稱的T字型；具體的，在本實施例中，使用時可以將第一天線介質板3與第二天線介質板4上的偶極子臂6正負設置，例如將第一天線介質板3與第二天線介質板4其中一面上的偶極子臂6為設置為正負45度；進一步來說偶極子臂6比較簡單的方式是直接印制在第一天線介質板3與第二天線介質板4上。再次參考圖2與圖3所示，所述諧振裝置的作用是在受到來自于微帶饋電線22結合饋電巴倫7與偶極子臂6耦合而來的電磁場時，產生高頻諧振，與齒狀圍欄9的低頻諧振相配合，通過雙諧振效應可進一步展寬天線帶寬，其具體的適時方式可采用能產生諧振的各類裝置，而發明人在具體實驗過程中，認為比較優選的一種諧振裝置結構是在第一天線介質板3與第二天線介質板4的上端與兩側的邊緣固定寄生金屬條11。圖8示出了偶極子天線結構的結構示意圖，本發明與上述不同類型的另一個實施例是一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線，其包括多個本發明上述的實施例中所記載的天線單元13，而在本實施例的一種實施方式中，以將天線單元設置為十個為例進行說明，并且將這十個天線單元13呈線型排列，且其上方設置有兩組不同極化的輸入端口 12，例如圖5所示出的四個輸入端口 12，每個輸入端口 12通過微帶功分器接入五個天線單元13 ;輸入端口12用于以微帶饋電線22通過微帶功分器向饋電巴倫7輸入饋電，微帶饋電線22與反射板2上的通孔8相連接，并與反射板2上的饋電介質層21形成電磁場過度結構，電磁波通過微帶饋電線22傳輸至所述通孔8，再通過該通孔8將電磁波過渡至饋電巴倫7，進而通過饋電巴倫7向對應極化的偶極子臂6饋電。基于本發明的上述實施例，優選的技術方案是將微帶功分器也設置在反射板2的底部，其一端通過反射板2底部的微帶饋電線22接入各個天線單元13中反射板2上設置的通孔8，另一端接入輸入端口 12。圖5中的其中兩個輸入端口同時饋電實現正45度極化輻射，另外兩個輸入單口同時饋電實現負45度極化輻射。天線運行過程為電磁波從微帶功分器輸入端口饋入，通過微帶功分器的路徑后，按比例向每個天線單元13饋電，從而各個單元同時工作，形成陣列波束。對于天線單元，電磁波通過背面的微帶饋電線22傳輸至通孔6處后，又過渡至饋電巴倫7的輸入端。在饋電巴倫7上傳輸至兩個偶極子臂的中間開槽處又耦合至偶極子 臂。偶極子臂產生諧振(諧振越強，阻抗匹配越好，能量天線結構中反射回去的越小，輻射出去的越多)，從而電磁波通過偶極子臂輻射出去。輻射的部分電磁波又耦合至上面的寄生金屬橫條，再從橫條輻射出去。偶極子臂稍長，諧振在低頻段，而寄生金屬橫條諧振在高頻段。此雙諧振效應展寬了天線工作頻帶范圍。偶極子臂周圍的寄生金屬縱條用于控制方向圖形狀，鋸齒狀金屬圍欄一方面相當于金屬反射板的縱向延伸，進一步拉寬波束。一方面這樣的電磁波散射結構有利于進一步改善天線阻抗匹配，增加了工作帶寬。而寬帶寬波束雙極化偶極子天線工作頻段覆蓋3G至4G整個頻段，主要應用于有寬波束要求的第四代移動通信系統基站的應用場合。基站天線多為正負45度極化，以此系統多提供一個通道，提高系統容量。寬波束主要用于基站天線要求工作覆蓋范圍廣的場合，如郊區那些小區范圍較大的地方。基站天線希望將更多的能量輻射至地面，波束需要下傾。但波束下傾時副瓣升高會降低天線增益，副瓣需要抑制。這些功能可通過不等分功率、各端口相位依次遞變的微帶功分器實現。本發明的發明人在其實驗過程中，基于本發明思想設計出的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元回波損耗實測結果參考圖5所示，在回波損耗小于-15. 6dB(對應電壓駐波比
I.4)的情況下，兩個端口的相對帶寬均達到51. 1% (I. 6GHz 2. 7GHz)。隔離度實測結果參考圖6所示，在工作頻帶I. 71GHz 2. 69GHz內，隔離度均達到_30dB以下。當微帶饋電線22饋電時，天線的水平面半功率波瓣寬度實測結果圖7所示，在工作頻帶內，波束寬度均達到90度以上。更進一步的，基于本發明的思想設計出的寬帶寬波束雙極化偶極子天線的回波損耗仿真曲線圖如圖9所示，在工作頻帶I. 71GHz 2. 69GHz內，電壓駐波比均小于I. 5。其隔離度仿真曲線圖如圖10所示，在工作頻帶I. 71GHz 2. 69GHz內，同極化端口間隔離度達到-28dB以下，交叉極化端口間隔離度達到-17dB以下。當寬帶寬波束雙極化偶極子天線在+45度極化端口饋電時，其組陣面方向如圖11所示，而正如圖11所示出的，本發明上述實施例中的十個天線單元的寬帶寬波束雙極化偶極子陣列在波束下傾10度時具有良好的低副瓣特性。當寬帶寬波束雙極化偶極子天線在+45度極化端口饋電時，其水平面方向圖參見圖12所示，本發明上述實施例中的十個天線單元寬帶寬波束雙極化偶極子陣列在波束下傾10度時具有良好的寬波束特性。還需要說明的是，在本說明書中所談到的“一個實施例”、“另一個實施例”、“實施例”、等，指的是結合該實施例描述的具體特征、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一實施例描述一個具體特征、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特征、結構或者特點也落在本發明的范圍內。盡管這里參照本發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解， 本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開、附圖和權利要求的范圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對于本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。
權利要求
1.一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，包括天線罩板(I)、反射板(2)以及呈交叉固定的第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4),所述的第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4 )安裝在反射板(2 )上，且所述天線罩板(I)由至少三個支撐柱(5 )支撐并置于反射板(2)以及第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)的上方；其特征在于所述反射板(2)的上部設置有饋電介質層(21)，底部設置有若干微帶饋電線(22)，所述第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)的其中一面上均設有偶極子臂(6)，第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)的邊緣上還設有諧振裝置；所述的偶極子臂(6)均通過饋電巴倫(7)與所述微帶饋電線(22 )相連接，且饋電巴倫(7 )經過設在反射板(2 )上與其相配合的通孔(8 )，所述的饋電巴倫(7)的其中一段貼附在偶極子臂(6)上；所述第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)的外部還設有齒狀圍欄(9)，所述齒狀圍欄(9)與呈交叉固定的第一天線介質板(3)、第二天線介質板(4)之間保持間隙，并且也安裝在反射板(2)上。
2.根據權利要求I所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)呈十字形交叉固定，且第一天線介質板(3)的上方中心處與第二天線介質板(4)的下方中心處設置有相互配合的開口(10);所述第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)交叉固定后其上端面與下端面齊平。
3.根據權利要求I所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)的幾何大小完全相同；所述饋電巴倫(7)的其中一段呈彎折的貼附在偶極子臂(6)上，且其經過設在反射板(2)上通孔(8)的面積大于饋電巴倫(7)的橫截面面積。
4.根據權利要求I所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的偶極子臂(6)呈左右對稱的T字型；所述的諧振裝置是固定在第一天線介質板(3)、第二天線介質板(4)上端與兩側邊緣的寄生金屬條(11)。
5.根據權利要求I或4所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的第一天線介質板(3)與第二天線介質板(4)其中一面上設置的偶極子臂(6)為正負45度。
6.根據權利要求I所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的齒狀圍欄(9)整體呈矩形狀，且其上方還設有多個矩形齒(91)，且每個矩形齒(91)的間距都相等。
7.根據權利要求6所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的相互交叉固定的第一天線介質板(3)、第二天線介質板(4)分別與矩形齒狀圍欄(9)的兩條對角線相平行或重合。
8.根據權利要求I或6所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線單元，其特征在于所述的齒狀圍欄(9)的下方還設置有呈90度彎折的固定腳(92)，齒狀圍欄(9)通過該固定腳(92)以焊接或螺釘的方式固定在反射板(2)上。
9.一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線，其特征在于其包括多個權利要求I至8所述的天線單元(11 )，所述多個天線單元(11)呈線型排列，且其上方至少設置有兩個不同極化的輸入端口( 12)，每個輸入端口( 12)通過微帶功分器至少接入五個所述天線單元(13);所述的輸入端口(12)用于以微帶饋電線(22)通過微帶功分器向饋電巴倫(7)輸入饋電，微帶饋電線(22)與反射板(2)上的通孔(8)相連接，并與反射板(2)上的饋電介質層(21)形成電磁場過度結構，電磁波通過微帶饋電線(22 )傳輸至所述通孔(8 )，再通過該通孔(8 )將電磁波過渡至饋電巴倫(7)，進而通過饋電巴倫(7)向對應極化的偶極子臂(6)饋電。
10.根據權利要求9所述的寬帶寬波束雙極化偶極子天線，其特征在于所述的微帶功分器也設置在反射板(2 )的底部，其一端通過反射板(2 )底部的微帶饋電線(22 )接入各個天線單元(13)中反射板(2)上設置的通孔(8)，另一端接入輸入端口(12)。
全文摘要
本發明公開了一種寬帶寬波束雙極化偶極子天線，屬一種偶極子天線，包括天線罩板、反射板以及呈交叉固定的第一天線介質板與第二天線介質板，所述的第一天線介質板與第二天線介質板安裝在反射板上，且所述天線罩板由至少三個支撐柱支撐并置于反射板以及第一天線介質板與第二天線介質板的上方；所述第一天線介質板與第二天線介質板的外部還設有齒狀圍欄，并且齒狀圍欄也安裝在反射板上。通過在偶極子天線介質板的周圍增設齒狀圍欄，有效的擴展天線運行展寬波束寬度，天線單元在駐波小于1.4的情況下覆蓋了1710MHz-2690MHz頻段，其通過微帶饋電線和反射板上設置的邊緣金屬化的通孔直接饋電，易于加工，有利于實現組陣后天線與饋電網絡的集成，應用范圍廣闊。
文檔編號H01Q1/52GK102800965SQ20121025546
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者楊仕文, 李冰, 郭曉東, 袁龍, 姚瑞林, 朱全江, 何若愚 申請人:電子科技大學