双极化加载天线辐射单元

摘要

一种双极化加载天线辐射单元，包括天线底板和两个彼此垂直交叉设置的偶极子，偶极子为板状并垂直于天线底板设置，每个偶极子包括两个半偶极子，每个半偶极子均包括辐射部、支撑部、馈电结构和基部，基部连接到天线底板上；还包括一个调谐片，馈电结构包括两个垂直交叉但彼此不连接的馈电片，每个偶极子的两个半偶极子位于对应馈电片的不同侧，两个馈电片的交叉位置对应整个辐射单元的中心。本发明使得辐射单元在性能满足的情况下高度大大降低。本发明还提高了辐射单元的隔离性能，使得高阶交调可控，馈电线的馈电走线变得自由，最终取得令人满意的阻抗匹配，结构上也比较简单。

权利要求

1.一种双极化加载天线辐射单元，包括天线底板和两个彼此垂直交叉设置的偶极子，所述偶极子为板状并垂直于该天线底板设置，每个偶极子包括两个半偶极子，每个半偶极子均包括辐射部、支撑部、馈电结构和基部，该基部连接到所述天线底板上；其特征在于，还包括一个调谐片，所述调谐片绝缘固定于偶极子辐射部的顶部并与偶极子辐射部绝缘连接；所述馈电结构包括两个垂直交叉但彼此不连接的馈电片，分别绝缘固定连接于每个偶极子的两个半偶极子并给对应的两个半偶极子馈电，每个馈电片起始于对应偶极子中一个半偶极子的支撑部，在上方弯折经过另一半偶极子的辐射部、支撑部并在天线底板上方或下方最终弯折为与底板平行的馈电网络，每个偶极子的两个半偶极子位于对应馈电片的不同侧，两个馈电片的交叉位置对应整个辐射单元的中心。

2.权利要求1所述的双极化加载天线辐射单元，其特征在于，两个偶极子由一个单片金属片折叠整合而成，所述偶极子基部包括一个将四个半偶极子连接的连接部和位于连接部四个末端并略高于连接部的四个脚，安装时所述连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽中，并确保馈电结构与底板平行部分与底板之间保持一定距离，所述四个脚通过介质螺钉与天线底板固定连接。

3.权利要求1所述的双极化加载天线辐射单元，其特征在于，所述两个偶极子的四个半偶极子分别由四个独立的金属片弯折而成，所述偶极子的基部包括四个脚，并通过介质螺钉将该四个脚与天线底板固定连接，天线底板上开有缝隙槽，与天线辐射单元一侧的所述馈电片通过缝隙槽穿过天线底板形成所述馈电网络给每个偶极子馈电。

4.权利要求1所述的双极化加载天线辐射单元，其特征在于，所述两个偶极子分别由两个独立的金属片弯折而成，所述偶极子的基部包括连接两个相邻半偶极子的连接部和位于连接部末端并略高于连接部的四个脚，安装时所述连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽中，并确保馈电片与底板平行部分与底板之间保持一定距离，所述四个脚通过介质螺钉与天线底板固定连接，与天线辐射单元一侧的所述馈电片通过缝隙槽穿过天线底板形成所述馈电网络给每个偶极子馈电。

5.一种双极化天线，其特征在于，包括权利要求1所述双极化加载天线辐射单元。

说明书

双极化加载天线辐射单元

技术领域

[0001] 本发明涉及移动通信用双极化板状天线，尤其涉及双极化板状天线的辐射单元。 背景技术

[0002] 用于无线电信系统中的天线具有发射和接收电磁信号的能力，所接收信号由接收机进行处理并馈给通信网络。所发射信号以不同于所接收信号的频率发射。在不同种类的移动通信天线中，双极化天线由于具有频率再用和极化分集的功能，以至于它已经成为一项十分重要的研究课题并且需求日益增加。但目前常用的双极化天线由于其辐射单元结构的原因通常具有以下不足：

[0003] 首先，由于双极化天线的大量应用，减小每个天线的尺寸来减少制造成本成为制造商的目标之一；同时，在移动通信基站中，通过使用更小的基站天线来减小塔的尺寸，由此减小这些塔在社区中的视觉影响也成为业界人士关注的问题之一，这样，具有低姿势的天线越来越成为一种趋势，但目前常用的双极化天线由于其辐射单元结构等原因并不符合这一要求，比如在800MHz～900MHz频段，传统双极化天线辐射单元的辐射部分要距离底板近似四分之一波长高度，这样整个天线辐射单元往往还要比四分之一波长还要高很多，由此造成了辐射单元与外罩成本的增加，并且不利于视觉效果，而通过单纯改变辐射单元形状的方法来降低天线高度有相当大的难度，况且在天线高度降低的同时，其隔离度会随即变差；

[0004] 其次，传统的双极化天线辐射单元基本为单片金属折叠而整合成的辐射单元和贴片单元，但使用这两种辐射单元的天线的隔离度指标均不高，尤其折叠双极化天线辐射单元多采用两个偶极子位于馈电片在同一侧的结构，由此，因正交极化的两个馈电片相互影响而造成隔离度变差；

[0005] 再者，传统的双极化天线折叠辐射单元由于多采用单片金属折叠整合而成，其与天线底板的焊接范围较大并需要较多的紧固件固定连接，其工艺复杂性限制了批量生产；同时，这些紧固件和焊点引入了很多触点固定不牢及不同金属交界面松动的隐患，由此产生了不希望看到的交调产物。如此，为了获得好的端口间隔离特性和小的交调产物，整个阵列中的所有辐射单元都要求稳固的固定及尽可能小的连接界面就变得相当重要。 发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸减小、隔离度高并且使交调降低的双极化板状天线辐射单元。

[0007] 本发明的技术方案是：双极化加载天线辐射单元包括天线底板和两个彼此垂直交叉设置的偶极子，所述偶极子为板状并垂直于该天线底板设置，每个偶极子包括两个半偶极子，每个半偶极子均包括辐射部、支撑部、馈电结构和基部，该基部连接到所述天线底板上；还包括一个调谐片，调谐片绝缘固定于偶极子辐射部的顶部并与偶极子辐射部绝缘连接，馈电结构包括两个垂直交叉但彼此不连接的馈电片，分别绝缘固定连接于每个偶极子的两个半偶极子并给对应的两个半偶极子馈电，每个馈电片起始于对应偶极子中一个半偶极子的支撑部，在上方弯折经过另一半偶极子的辐射部、支撑部并在天线底板上方或下方最终弯折为与底板平行的馈电网络，每个偶极子的两个半偶极子位于对应馈电片的不同侧，两个馈电片的交叉位置对应整个辐射单元的中心。

[0008] 在上述方案中，两个偶极子可以由一个单片金属片折叠整合而成，偶极子基部包括一个将四个半偶极子连接的连接部和位于连接部末端并略高于连接部的四个脚，安装时连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽中，并确保馈电结构与底板平行部分与底板之间保持一定距离，四个脚通过介质螺钉与天线底板固定连接；

[0009] 在上述方案中，两个偶极子的四个半偶极子也可以由四个独立的金属片弯折而成，偶极子的基部包括四个脚，并通过介质螺钉将该四个脚与天线底板固定连接，天线底板上开有缝隙槽，与天线辐射单元一侧的所述馈电片通过缝隙槽穿过天线底板形成所述馈电网络给每个偶极子馈电；

[0010] 在上述方案中，两个偶极子还可以分别由两个独立的金属片弯折而成，偶极子的基部包括连接两个相邻半偶极子的连接部和位于连接部末端并略高于连接部的四个脚，安装时所述连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽中，并确保馈电片与底板平行部分与底板之间保持一定距离，所述四个脚通过介质螺钉与天线底板固定连接，与天线辐射单元一侧的所述馈电片通过缝隙槽穿过天线底板形成所述馈电网络给每个偶极子馈电。 [0011] 本发明通过在传统辐射单元顶部加装一个金属加载片，从而使得辐射单元在性能满足的情况下高度大大降低，使得辐射单元整体高度可以做到六分之一波长高度。通过采用使偶极子的有源和无源两部分相对于馈电片交错排列的结构，大大提高了辐射单元的隔离性能。通过底部连接部分的弯折设计，使得辐射单元基部下陷入底 板的缝隙槽中从而紧固部分面积大大减小，由此大大减小了交调产物，使得高级交调可控；同时这样的下陷设计，也使得馈电线的馈电走线变得自由，最终取得令人满意的阻抗匹配，好的端口隔离度，容易控制的方向图和水平波束宽度，足够宽的频带范围和足够小的交调产物，同时结构上也保证了加工的简易度。

[0012] 附图说明

[0013] 图1为应用本发明的天线阵立体图；

[0014] 图2为本发明第一实施例立体图；

[0015] 图3为本发明第一实施例组装图；

[0016] 图4为本发明第一实施例去掉调谐片后的俯视图；

[0017] 图5(a)为本发明第二实施例的侧视图；

[0018] 图5(b)为本发明第二实施例安装在底板上后的仰视图；

[0019] 图5(c)为本发明第二实施例去掉调谐片后的俯视图；

[0020] 图6(a)为本发明第三实施例去掉调谐片后的俯视图；

[0021] 图6(b)为本发明第三实施例去掉调谐片后的立体图。

[0022] 具体实施方式

[0023] 图1为应用本发明所述双极化天线加载辐射单元的天线阵立体图；天线包括多个双极化天线加载辐射单元。

[0024] 图2-图4所示是本发明所述双极化加载天线辐射单元第一实施例的结构图。本实施例的两个偶极子由一个单片导电材料折叠而成，导电材料可以是铜、青铜、导电塑料、铝、铝合金等。图中，10为天线底板，双极化加载天线辐射单元，包括各由两个半偶极子组成的两个偶极子，以及一个通过介质片及介质螺钉固定于偶极子顶部并与偶极子绝缘连接的调谐片30。每个半偶极子均包括辐射部、支撑部、馈电结构和基部。21、22、23、24分别为各半偶极子辐射部。辐射单元的基部包括四个脚25、26、27、28及连接四个脚25、26、27、28的连接部。四个脚25、26、27、28略高于连接部，安装时所述连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽12中。缝隙槽12要保留一定的富余间隙从而使得辐射单元与底板之间不会在不需要的地方接触，以免产生不需要的交调干扰。各半偶极子辐射部与基部之间的竖直部分为支撑部。辐射单元还包括馈电结构，所述馈电结构为空气微带结构，包括两个垂直交叉但彼此不连接的馈电片41和42，分别通过介质螺钉固定连接于每个偶极子并给偶 极子中的半偶极子馈电，每个馈电片起始于对应偶极子中一个半偶极子的支撑部，在上方弯折经过另一半偶极子的辐射部、支撑部并最终在底板下方弯折为与底板平行的馈电网络。45、46为馈电片弯折与底板平行的部分，也是馈电网络的一部分。每个偶极子的两个半偶极子位于对应馈电片41、42的不同侧。两个馈电片41、42的交叉位置对应整个辐射单元的中心并确保45、46与底板之间保持一定距离，可以通过均匀介质隔离，例如空气、泡沫塑料等。辐射单元的四个脚25、26、27、28通过金属固定装置与天线底板10上的固定孔13、14、15、16短路连接。这种金属固定装置可以用螺母、螺丝、螺钉、铆钉或任何其他适合的固定方法，如焊接、铜焊、冷加工连接等，可以实现辐射单元辐射部分与底板10之间机械和电两者的连接。因此，使用这种辐射单元的天线可以防止过压或者过大电流，这种过压和过大连流的产生原因可能是闪电等原因。当然采用不同的固定方式对天线的交调会产生不同程度的影响。
在材料性能允许的情况下尽量采用比如焊接等使交调最小的连接方式。

[0025] 馈电结构与底板10平行的弯折部分都是在距离底板10一定间隔下给辐射部分馈电的，该间隔的保证是通过小的介质层实现，介质层通常是介质垫片，由塑料钉、塑料垫、塑料套组成的塑料三件套也可实现这一功能，介质层通常与铆钉配合固定连接底板和馈电结构，塑料三件套则可直接固定连接底板和馈电结构。馈电部分弯折后与传输线电连接，传输线采用空气微带线或同轴线。传输线通常与RF设备连接，例如发射机或接收机。馈电片四分之一波长部分43、44亦是通过介质层隔离固定在辐射部分上，通过四分之一波长开路实现巴伦结构。

[0026] 整个辐射单元辐射部分之上固定一个调谐片30，该调谐片的形状和大小由辐射单元谐振决定，通过它能够使调节辐射单元的驻波比和隔离度等性能变得简单。实验证明，通过改变隔离片形状、大小以及与辐射部分高度等因素可以方便地实现所需的驻波比和隔离特性。该隔离片的最重要的作用是实现了降低正交类辐射单元高度的目的。通过试验获知：普通未加调谐片的正交双极化辐射单元几乎无法实现在824～960MHz频段中高度低于90mm，而本发明的辐射单元却可以在该频段轻易实现60mm的高度，从而大大降低了整个天线的体积，节省了成本，加强了天线外形美观的可行性，本发明中示例的调谐片形状是经过优化选用的，当然也可以选用其它不同形状的调谐片，包括方形、圆形、十字形等等。 [0027] 调谐片通过设计一定的介质支撑来保证其固定和与辐射单元辐射部分的隔离，介质结构通过辐射部分上面加工的固定凸起组来固定。

[0028] 图5(a)、图5(b)、图5(c)为本发明所述双极化加载天线辐射单元第二实施例的结 构视图。图中带上标一撇的标记对应于第一实施例图中相同数字的标记。

[0029] 本实施例与第一实施例不同的是，组成两个偶极子的四个半偶极子由四个独立的导电片弯折而成，所述偶极子的基部包括四个脚25’、26’、27’、28’，无连接部，该四个脚通过介质螺钉与天线底板10’固定连接，天线底板10’上开有缝隙槽12’，与天线辐射单元异侧的馈电网络通过缝隙槽12’穿过底板10’形成馈电片给每个偶极子馈电。 [0030] 本实施例中也需要缝隙槽12’间隙足够大以保证馈电部分41’、42’从底板10’底部能够在不接触底板10’的条件下伸展到底板10’下面，从而给半偶极子21’、22’、23’、24’组成的偶极子实现馈电。本实施例中明显看出馈电结构的弯折部分，即与底板平行的馈电部分45’、46’在底板10’的下方，与底板保持至少2mm的间隙。

[0031] 图6(a)和图6(b)为本发明所述双极化天线加载辐射单元第三实施例去掉调谐片后的俯视图。图中带上标两撇的标记对应于第一实施例图中的相同数字的标记。 [0032] 本实施例与第一和第二实施例不同的是，组成两个偶极子的四个半偶极子21”、22”、23”、24”分别由两个独立的导电片弯折而成，所述偶极子的基部包括连接两个相邻半偶极子的连接部和位于连接部末端并略高于连接部的四个脚25”、26”、27”、28”，安装时所述连接部陷于天线底板上的相应形状的缝隙槽中，所述四个脚25”、26”、27”、28”通过介质螺钉与天线底板10”固定连接，与天线辐射单元异侧的馈电网络通过缝隙槽穿过底板10”形成馈电片给每个偶极子馈电。

[0033] 本发明可以广泛应用于无线、广播、军用和其它通信系统中。可用于基站中，也可以用于其它电信系统。并能够适应不同的频带，例如，824～896MHz频率的北美蜂窝频段，806～896MHz的北美中继系统频段，870～960MHz的全球移动电信系统(GSM)频段。也可用于无线波段上，例如1850～1900MHz的个人通信系统(PCS)频段，1710～1880MHz个人通信网络(PCN)频段和1885～2170MHz的通用移动电信系统(UMTS)频段。采用本发明所述的辐射单元的天线可以保持非常宽的阻抗带宽，通过从该天线可以调节的最高频率减去最低频率然后除以该天线的中心频率计算出阻抗带宽，例如，当天线工作在PCS、PCN和UMTS频带上时，其阻抗带宽是：

[0034] (2170MHz-1710MHz)/1940MHz＝24％

[0035] 而在低频段的一个实施例中，该天线的阻抗带宽是：

[0036] (960MHz-806MHz)/892MHz＝17.3％