CN105449378B

CN105449378B - 双极化天线装置

Info

Publication number: CN105449378B
Application number: CN201410394725.3A
Authority: CN
Inventors: 黄衡; 高霞; 黎孝华; 薛泉
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: CN105449378A

Abstract

本发明公开了一种双极化天线装置，该双极化天线装置包括：正交放置的两对非对称偶极子天线单元；其中，每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂。本发明的双极化天线装置具备良好的宽频带、低剖面特性，且提供工作带宽内稳定的辐射方向图，以适应于不同的无线通信系统的基站天线。

Description

双极化天线装置

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及应用于双极化天线装置。

背景技术

当今，几乎每个人都有一部移动电话，移动电话不仅限于语音数据传输，还需要传输高分辨率图像或多媒体。这要求对所有用户有非常高的数据速率。这引导移动通信服务从2G到3G的开发，以及近几十年的LTE。提高数据速率的有效解决方案在于增大无线通信应用的带宽。在另一方面，为了增加信道容量，以减少天线元件的数量并最小化基站天线的安装区域，最可行的解决方案是应用极化分集的技术。因此，在无线通信系统中使用宽频带双极化天线能够满足上述要求。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中的宽频带双极化天线存在如下不足：宽频带、低剖面特性仍然不够理想，且工作带宽内的辐射方向图不够稳定，不能适应于不同的无线通信系统的基站天线。

发明内容

本发明实施例提供一种双极化天线装置，用以具备良好的宽频带、低剖面特性，且提供工作带宽内稳定的辐射方向图，以适应于不同的无线通信系统的基站天线，该双极化天线装置包括：

正交放置的两对非对称偶极子天线单元；其中，每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂。

一个实施例中，每个偶极子的两个臂之间的张角不等于180°。

一个实施例中，所有偶极子的较长的臂在物理上彼此连接。

一个实施例中，每个偶极子的开口端加设短截线。

一个实施例中，在每个偶极子的输出端口与功率分配器的输出端口之间还连接有平衡转换器，所述平衡转换器在物理上支撑所连接的偶极子，且用于阻抗匹配以激发所连接的偶极子。

一个实施例中，所述平衡转换器为锥形形状，横截面较小的一端支撑所连接的偶极子。

一个实施例中，所述平衡转换器向外倾斜地放置于接地平面之上，且所述平衡转换器内侧的接地平面上设有矩形槽。

一个实施例中，所述双极化天线装置的高度为0.22λ，其中λ为2.2GHz频率处的自由空间波长。

本发明实施例中的双极化天线装置包括了正交放置的两对非对称偶极子天线单元，其中每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂，使得该双极化天线装置具备良好的宽频带、低剖面特性，且提供工作带宽内稳定的辐射方向图，以适应于不同的无线通信系统的基站天线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1至图5示出了由传统偶极子天线演变为本发明实施例的双极化天线装置的示意图；

图6为本发明实施例中双极化天线装置的俯视示例图；

图7为本发明实施例中平衡转换器的示意图；

图8为本发明实施例中平衡转换器的俯视图；

图9为本发明实施例中平衡转换器的仰视图；

图10为本发明实施例中馈电网络的示意图；

图11为本发明实施例中双极化天线的俯视示例图；

图12为本发明实施例中双极化天线的侧视示例图；

图13为本发明实施例中S₁₁和S₂₂相对于频率的仿真结果图；

图14为本发明实施例中S₂₁相对于频率的仿真结果图；

图15和图16为本发明实施例中双极化天线的辐射图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人考虑到，传统偶极子天线的臂长是相等的，这使得天线的宽频带、低剖面特性不够理想，且工作带宽内的辐射方向图不够稳定，不能适应于不同的无线通信系统的基站天线，因此在本发明实施例中提供一种双极化天线装置，该双极化天线装置包括正交放置的两对非对称偶极子天线单元，其中每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂，这种配置能使该双极化天线装置具备良好的宽频带、低剖面特性，且提供工作带宽内稳定的辐射方向图，以适应于不同的无线通信系统的基站天线，尤其适应于LTE基站天线。

具体实施时，本发明实施例的双极化天线装置中，两对非对称偶极子天线单元正交放置，可以实现双极化。本发明实施例的双极化天线装置为增强宽频带特征，使用了非对称的偶极子臂长度来控制天线阻抗。具体的，每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子包括两个臂，其中一个臂较短，另一个臂较长。这与传统偶极子天线的臂长相等不同。

图1至图5示出了由传统偶极子天线演变为本发明实施例的双极化天线装置的示意图。图1中为传统的定向偶极子，可以看到，偶极子的两个臂1和2的长度是相同的。这样为了具有优良的辐射特性，偶极子应被放置在高于地面0.25λ₀。图2为本发明实施例的双极化天线装置的偶极子示意图，可以看到，偶极子的两个臂3和4的长度不相等。

与传统偶极子大部分是平面的几何形状类似，本发明实施例中的偶极子也可以是平面的几何形状，该平面的几何形状是指偶极子的两个臂延伸于一条直线上，即偶极子的两个臂之间的张角等于180°。在一个实施例中，为了对减小高度有利，也可以使偶极子具备弯曲的几何形状，实施时每个偶极子的两个臂之间的张角不等于180°。如图3所示，将偶极子的两个臂3和5进行弯曲。双极化天线装置的偶极子臂弯曲形状可以使双极化天线装置具备低剖面的特性，两个臂弯曲后的偶极子放置在接地面之上可以使双极化天线装置提供带有低剖面特性的定向辐射图。并且偶极子臂的弯曲形状能减小天线高度，从而能在设计天线阵时，大大减低天线的整体厚度，特别有利于拥有电调功能的天线设计上。

为了具有一对非对称的偶极子元件，提供图4所示结构，图4中提供一对非对称偶极子天线单元，其中两个偶极子，一个偶极子具有长度不相等的两个臂3和5，另一个偶极子具有长度不相等的两个臂7和6；该结构不仅实现了低剖面，而且还具有宽频带特性。

上述正交放置的两对非对称偶极子天线单元，每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂，该结构使双极化天线装置阻抗带宽增大，并提供工作带宽内稳定的辐射方向图。实施例中，不但偶极子的两个臂长度不相等，而且所有偶极子的较长的臂可以在物理上彼此连接。

具体实施时，在每个偶极子的输出端口与功率分配器的输出端口之间还可以连接平衡转换器(printed balun)，平衡转换器在物理上可支撑所连接的偶极子，且用于阻抗匹配以激发所连接的偶极子。图5示出了具有附图标记为8和9的平衡转换器的一对非对称偶极子天线单元，其余标记含义同图4。偶极子通过平衡转换器连接到功率分配器时，可以提供更好的阻抗匹配并实现线性极化，实现双极化天线装置的宽频带性能。实施例中平衡转换器可以将不匹配的阻抗转换为50欧，以激发所连接的偶极子。

实施例中平衡转换器可以是锥形的，横截面较小的一端支撑所连接的偶极子。

图6为本发明实施例中双极化天线装置的俯视示例图。图6中，偶极子10和12能够实现一个方向的极化，偶极子11和13能够实现另一个方向的极化。作为连接的一部分，图7为本发明实施例中平衡转换器的示意图。图7中示出了四个锥形的平衡转换器14、15、16和17。图8中示出了平衡转换器的俯视图。金属微带线18是位于印刷电路板19的上方。其中端口20是不平衡端口,而端口21是一个平衡端口。图9中示出了平衡转换器的仰视图。金属接地线22是位于印刷电路板19的下方。其中端口20是不平衡端口,而端口21是一个平衡端口。

具体实施时，在每个偶极子的开口端可以加设短截线。对于馈电网络，在偶极子的开口端加载的短截线用于加宽天线的阻抗，以便于实现宽的带宽操作。图10为本发明实施例中馈电网络的示意图。图10中包括宽频带功率分配器23和24，以及短截线25和26，该馈电网络能够在1.70GHz至2.80GHz的频带上实现S₁₁<-15dB的较宽的阻抗带宽。同时，在工作频带上相位不平衡为4-6deg。

具体实施时，平衡转换器可以向外倾斜地放置于接地面之上，且平衡转换器内侧的接地平面上可以设矩形槽。图11为本发明实施例中双极化天线的俯视示例图。图12为本发明实施例中双极化天线的侧视示例图。图12中平衡转换器内侧的接地平面上设矩形槽S₃，以避免电流流走。图11和图12中关于天线尺寸及基板的参数数值可参见表一和表二。

表一

参数	L_g	W_g	L₁	L₂	L₃	L₄	S₁
								数值/mm	160	160	14	2.0	29.50	60	11.8
数值/λ₀	1.173	1.173	0.103	0.015	0.216	0.440	0.087
								参数	S₂	S₃	W₁	W₂	W₃	W₄	h₁
数值/mm	1.0	1.35	0.21	0.4	0.46	1.95	2.8
								数值/λ₀	0.007	0.010	0.002	0.003	0.003	0.014	0.021
参数	h₂	h₃	h₄	H
								数值/mm	5.2	1.6	0.81	30.41
数值/λ₀	0.038	0.012	0.006	0.223

表二

基板	介电常数	损耗因数	厚度/mm
				FR4	4.4	0.02	1.6
Taconic RF-60	6.15	0.0028	0.81
				Duroid 6010	10.2	0.0023	1.27

利用HFSS软件对本发明实施例的双极化天线装置进行仿真，图13为本发明实施例中S₁₁和S₂₂相对于频率的仿真结果。仿真结果显示，本发明实施例的双极化天线装置在端口1处具有约48.55％(1.70～2.79GHz)的阻抗带宽(S₁₁<-10dB)，而在端口2处具有约47.87％(1.70～2.77GHz)的阻抗带宽(S₂₂<-10dB)。在这两个端口处的带宽覆盖了LTE工作频率范围。

图14为本发明实施例中S₂₁相对于频率的仿真结果。从图14中可以看出隔离度、增益与频率的关系，其中端口1与端口2之间的隔离度优于40dB，并且在工作带宽上实现稳定增益(从7.53dBi到9dBi变化)。

图15和图16分别提供针对水平面和垂直面端口1和端口2，在1.71GHz、2.2GHz和2.69GHz激发天线元件的模拟辐射图。如图15和图16所示，对于所有的情况均能实现交叉极化，且前后比例小于-20dB且高于18dB。更重要的是，辐射图在工作频带上是稳定的。

具体实施时，本发明实施例中的双极化天线装置是低剖面的，高度可以为0.22λ，其中λ为2.2GHz频率处的自由空间波长。与传统偶极子天线相比，本发明实施例中的双极化天线装置高度有所减少。

综上所述，2G、3G和LTE需要宽频带双极化天线来适应若干无线通信系统，本发明实施例中的双极化天线装置具备良好的宽频带、低剖面和双极化的特性，可以低交叉极化、对称辐射以及在工作频率范围内的稳定增益，且提供工作带宽内稳定的辐射方向图，非常适合于现代无线通信系统，可以适应于不同的无线通信系统的基站天线，尤其适用于LTE基站天线。

此外，本发明实施例中的双极化天线装置具有宽的阻抗带宽以及工作频率带上稳定的增益，这不仅允许更好地制造容差，而且还可以减少所用天线的数量，以及减少天线成本。并且，双极化天线装置的低剖面将使天线安装方便，更美观；同时双极化能够通过极化分集改善通信质量。因此，本发明实施例中的双极化天线装置在将来将具有巨大的市场。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双极化天线装置，其特征在于，包括：

正交放置的两对非对称偶极子天线单元；其中，每对非对称偶极子天线单元包括两个偶极子，每个偶极子具有长度不相等的两个臂；

每个偶极子的两个臂位于垂直于基板的面上；每个偶极子的两个臂之间的位于垂直于基板的面上的张角不等于180°；

在每个偶极子的输出端口与功率分配器的输出端口之间还连接有平衡转换器，所述平衡转换器在物理上支撑所连接的偶极子，且用于阻抗匹配以激发所连接的偶极子；其中，平衡转换器将不匹配的阻抗转换为50欧，以激发所连接的偶极子；所述平衡转换器为锥形形状，横截面较小的一端支撑所连接的偶极子；

所述双极化天线装置的高度为0.22λ，其中λ为2.2GHz频率处的自由空间波长。

2.如权利要求1所述的双极化天线装置，其特征在于，所有偶极子的较长的臂在物理上彼此连接。

3.如权利要求1所述的双极化天线装置，其特征在于，每个偶极子的开口端加设短截线。

4.如权利要求1所述的双极化天线装置，其特征在于，所述平衡转换器向外倾斜地放置于接地平面之上，且所述平衡转换器内侧的接地平面上设有矩形槽。