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CN114639950A - 双极化天线 - Google Patents

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CN114639950A
CN114639950A CN202111482267.5A CN202111482267A CN114639950A CN 114639950 A CN114639950 A CN 114639950A CN 202111482267 A CN202111482267 A CN 202111482267A CN 114639950 A CN114639950 A CN 114639950A
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CN
China
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polarized antenna
dual polarized
elements
circuit board
antenna according
Prior art date
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Application number
CN202111482267.5A
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English (en)
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弗拉基米尔·塔拉年科
李梓萌
斯列德科夫·维克托·阿莱克桑德罗维奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Sinan Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Sinan Technology Co ltd
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Publication date
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Priority to PCT/CN2021/137141 priority patent/WO2023102905A1/zh
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Abstract

一种双极化天线，包含由四个导电元件构成的辐射单元、四个支撑元件、馈电单元和反射板；辐射单元中心的十字开口槽把四个导电元件相互分开，四个支撑元件的顶端与导电元件相连，四个支撑元件固定在反射板上；馈电单元包含放置在辐射单元的中心区域的印刷电路板和两个沿着支撑元件放置的同轴电缆，通过外导体连接到覆盖印刷电路板下表面的导电层上，通过内导体连接到位于印刷电路板上表面的两条带状线的第一端，印刷电路板上的导电层及两条带状线与两条同轴电缆形成了匹配辐射单元的两个匹配电路；覆盖印刷电路板下表面的导电层包含十字开口槽，将导电层分成四个部分，与四个导电元件相对应放置；带状线穿过十字开口槽，且第二端与耦合元件相连接。

Description

双极化天线
发明领域
本发明涉及到一种双极化天线，尤其是，涉及到一种可以在垂直和水平方向或者+/-45度倾角发射/接收两个正交极化的天线。
背景技术
在智能手机被广泛使用的今天，市场需要大量的双极化天线，因此，该领域投入了大量的人力和物力，来研发具有指定波束宽度、良好的交叉极化鉴别率和通过宽频带与馈电电缆匹配良好的天线，且这些天线易于生产制造。
由于交叉偶极子在水平面产生过宽的波束，因此发明了更复杂的辐射器来减小波束宽度。美国专利US5940044描述了一种双斜极化天线，在水平面中具有大约65度的半功率波束宽度。该天线包括多个偶极子阵列，每个子阵列包括四个排列成菱形(钻石形)的偶极子。美国专利US6333720B1、US6529172B2和US2010/0309084A1中包含具有偶极方形形状的其他辐射器的图。偶极子的巴伦倾斜到偶极方阵的中心以简化制造，但尽管采用了这种新形状，但这些设备制作起来仍然很复杂。
美国专利了US6313809B1描述了包括四个偶极子的双偏振辐射器(双极化辐射器)，均匀地布置在反射器上方并且从俯视图看是偶极子方阵型。在US6940465B2、US7688271B2、CN202423543U、CN202268481U、CN101916910A、CN102097677A、CN102694237A、CN710714、CN717214中描述了这种偶极子。大多数已知的偶极方阵的双极化辐射器是由四根同轴电缆激发的，这些同轴电缆通过它们的内,外导体焊接到辐射器上，如专利中CN102013560A描述的双极化天线。
已知双极化天线的第一个缺陷是复杂的馈电网络，其包括连接四个偶极子的四根电缆和波束形成网络，通常放置在反射板的另一侧。这些电缆大多数与连接到波束形成网络的另一条电缆并联连接。第二个缺点是由于馈电电缆直接连接到偶极子，因此工作频带受到限制，导致该天线在偶极子和馈电电缆之间没有匹配电路。此外，铝制辐射器必须用锡膜覆盖以焊接电缆。需要使用镀锡工艺是第三个缺点，因为大型辐射器的镀锡会增加制造成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术和其他已知双极化天线的缺点。
从之前提到的现有技术出发，本发明的第一个目的是研发一种简单连接波束形成网路的宽带双极化天线，第二个目的就是减少大型天线运行频率低于1GHz制作成本，第三个目的是减少双极化天线的背向辐射。
本发明提供了一种双极化天线，包含由四个导电元件构成的辐射单元、四个支撑元件、馈电单元和反射板；其中所述辐射单元中心的十字开口槽把四个导电元件相互分开，所述四个支撑元件的顶端直接与导电元件一一相连，所述四个支撑元件的底部固定在所述反射板上；其中所述馈电单元包含放置在导电元件上表面的辐射单元的中心区域的印刷电路板和两个同轴电缆，所述两个同轴电缆沿着所述支撑元件放置，并通过外导体连接到覆盖所述印刷电路板下表面的导电层上，同时通过其内导体连接到位于所述印刷电路板上表面的两条带状线的第一端，所述印刷电路板上的导电层及两条带状线与两条同轴电缆形成了匹配所述辐射单元的两个匹配电路；其中覆盖所述印刷电路板下表面的导电层包含了一个十字开口槽，十字开口槽将导电层分成四个部分，与辐射单元的四个导电元件相对应放置；其中所述带状线在十字开口槽的中心穿过十字开口槽，且所述带状线的第二端与耦合元件相连接。
反射板包含设置在支撑元件的底端之间的十字形开口槽。
图1-15示出了一种双极化天线的一些实施例。
与传统解决方案相比，根据本发明的双极化天线提供更宽的频带，结果馈电元件包括连接在辐射装置和馈电同轴电缆之间的匹配电路。因此，通过调整形成匹配电路的带状线的尺寸，可以更好地匹配双极化天线与馈电同轴电缆通过宽频带。
与传统解决方案相比，根据本发明的双极化天线可以具备更少的背向辐射优势，结果是在支撑元件底端之间的反射板中的十字开口槽在背向产生额外的辐射，从而抑制辐射单元所产生的背向辐射。
附图说明
图1是根据本发明的双极化天线的第一实施例的侧视图，其中辐射单元由两个交叉的偶极子组成，两个交叉的偶极子由位于反射板上方的支撑元件表面上的偶极子臂上的馈电单元激发。
图2是图1中所示的双极化天线的一部分的图示侧视图。
图3是另外一个偶极子臂和支撑元件的侧视图。
图4a-4f分别是印刷电路板的俯视图和底视图，包含了形成匹配电路的带状线和不同形态的耦合元件。
图5是双极化天线的另一个实施例的侧视图，交叉偶极子的每一个臂包含两个侧金属件，和一个连接侧金属件的中间金属件。反射板包含支撑元件之间的十字开口槽。
图6是双极化天线的另一个实施例的侧视图，每一个交叉偶极子臂包含两个连接支撑元件的侧金属件，附加金属件与两个侧金属件连接并用介电薄膜隔开。
图7是双极化天线的另一个实施例的侧视图，辐射单元包含以偶极方阵列排列的四个偶极子，被馈电单元激发，并与对称线相连，对称线是由导体和相邻导电支撑元件形成。
图8是双极化天线的另一实施例的侧视图，偶极子臂以偶极阵列排列，并从对称线所在的平面弯曲，指向反射板方向。
图9是双极化天线的另一案例的侧视图，偶极子臂以偶极阵列排列，并从对称线所在的平面弯曲，背离反射板反向。
图10是双极化天线的另一个实施例的侧视图，每个偶极子的臂由对称线馈电，且臂朝向辐射单元中心弯曲，背离反射板方向。
图11是图10所示的辐射单元的一部分侧视图，由一块金属板制成。
图12是双极化天线的另一实施例的侧视图，辐射单元包含四个折合偶极子，并以偶极方阵排列，与对称线相连，由馈电单元激发。
图13是双极化天线的另一种侧视图，折合偶极子臂端部的导体从对称线所在的平面弯曲，且朝向反射板方向。
图14是双极化天线的另一实施例的侧视图，折合偶极子包含介电元件，并从对称线所在的平面弯曲，且背离反射板方向。
图15是双极化天线的另一实施例的侧视图，支撑元件和包含四个折合偶极子的辐射单元是由一块金属板制成。
具体实施方式
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与下面给出的本发明的总描述一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的双极化天线的第一实施例的侧视图。本发明提供一种双极化天线包含辐射单元，该辐射单元包含1-4四个导电元件，分别被辐射单元中心的十字开口槽5独立隔开，4个支撑元件6a-6d的顶端直接与导电元件相连，底端与反射板7相连并固定在反射板上，还包括馈电单元。馈电单元包含放置在辐射单元中间、位于导电元件1-4上表面的印刷电路板8，和沿着支撑元件6a和6b放置的两条同轴电缆9a和9b，同轴电缆9a和9b通过外导体连接到覆盖印刷电路板8底面的导电层。同轴电缆9a和9b的内导体10a和10b连接到放置在印刷电路板8上表面的带状导体12a和12b的第一端11a和11b，所述印刷电路板8上的导电层及带状导体12a和12b与同轴电缆9a和9b形成与辐射单元相匹配的两个匹配电路。耦合元件13a和13b在带状导体12a和12b的第二端与导电元件3之间产生电容耦合，因此当同轴电缆9a被激发时，由导电元件1和3形成的第一辐射单元辐射电磁波。辐射的第一个电磁波的E矢量沿箭头Ea指向。当同轴电缆9b被激发时，由导电元件2和4形成的第二辐射单元辐射电磁波。辐射的第二个电磁波的E矢量沿着箭头Eb指向并垂直于箭头Ea。因此，根据本发明的双极化天线辐射具有正交极化的两个电磁波。
辐射波束的形状取决于辐射单元的形状。所提供的双极化天线可以包括不同种类的辐射单元。图1所示的导电元件1-4形成两个交叉偶极子。支撑元件6a-6d形成这些偶极子的两个交叉偶极子。支撑元件6a是图2所示的导电元件1(偶极子臂)的一部分，导电元件1(偶极子臂)包含14a和14b两个侧金属件。
偶极子臂和支撑元件的另一种形状如图3所示，其侧金属件15a和15b具有直线形状。在其边缘的金属部分16a和16b向下弯曲以增加交叉偶极子臂之间的耦合。在支撑元件18的边缘处的金属部分17a和17b弯曲以增加与沿支撑元件18布置的同轴电缆的耦合并增加对沿同轴电缆的外导体传播的泄漏波的抑制。具有这种形状的臂的交叉偶极子可以用作双波段天线的低波段辐射元件，因为在低波段和高波段辐射元件之间提供空间。
图4a和4b分别是是图1所示的印刷电路板8的俯视图和仰视图。放置在印刷电路板8上表面的带状导体12a和12b形成矩形板形状的耦合元件13a和13b和两个匹配电路。金属化孔19将带状导体12b连接到设置在印刷电路板8的底表面处的带状导体20。金属化孔21将带状导体20连接到耦合元件13b。覆盖印刷电路板底部的导电层包含十字开口槽22，将导电层分成四个部分23a-23d，分别放置在四个导电元件1-4的对立面。带状导体20设置在十字开口槽22的中心。十字开口槽22的分支设置在十字开口槽5的分支的对立面。印刷电路板8通过塑料螺钉或铆钉(未示出)固定到导电元件1-4布置在孔24中。
辐射单元的阻抗取决于其形状和运行频带，因此形成匹配电路的带状导体和不同辐射单元的耦合元件具有不同的配置并且可以包括不同的元件。
图4c和4d分别是本发明的另一个实施例的俯视图和仰视图，其中印刷电路板25包括开路枝节的耦合元件26a和26b，在十字开口槽22附近产生短路。耦合元件26a和26b将带状导体27a和27b与覆盖印刷电路板25底面的导电层的部分23d和23c相应地连接。这种依赖于频率的连接在较高频率产生衰减极点。短路枝节28a和28b在工作频带内充当匹配元件并在较高频率产生衰减极点。因此，耦合元件26a和26b以及短路枝节的28a和28b可以形成抑制比工作频带高大约两倍的频带的电磁波辐射的滤波器。因此，匹配电路的这种配置可用于双频带天线的低频带辐射器。
图4e和4f是本发明的另一个实施例的俯视图和底视图，其中印刷电路板30其中带状导体31a和31b形成包括短路枝节32a和32b的匹配电路。十字开口槽34将导电层分成四个部分35a-35d。金属化孔33a和33b相应地将枝节32a和32b的端部连接到部分35a和35b。同轴电缆的内导体连接到带状导体31a和31b的第一端。金属化孔36a和36b形状的耦合元件相应地将带状导体的第二端连接到部分35c和35d。同轴电缆的外导体连接到部分35a和35b。
匹配电路还可以包含其他元件，以匹配不同的辐射单元与馈电同轴电缆。所提供的双极化天线能与馈电同轴电缆很好地匹配，因此可以直接连接到包含功率分配器、滤波器和匹配电路其他元件的印刷电路板。为了可以在匹配电路中添加更多元件，可以增加介电基板的尺寸。
图5是双极化天线的另一个实施例的图示侧视图，其中交叉偶极子的每个臂由连接到支撑元件38的两个侧金属件37a和37b和连接到侧金属件37a和37b的中间金属件39组成。带有中间金属件39的偶极子与同轴电缆的匹配优于如图1-3中所示的不带中间金属件的偶极子与同轴电缆的匹配。与印刷电路板8的尺寸相比，印刷电路板40的尺寸更大，并且其角部设置在十字开口槽41的枝节相对处。耦合元件42a和42b具有三角形形状。介电薄膜43设置在支撑元件38的底端与反射板之间以防止产生无源互调产物。反射板44包含设置在支撑元件底端之间的十字开口槽45。由支撑元件激发的十字开口槽45在背部产生额外的辐射。与来自辐射单元的辐射相比，这种辐射具有不同的相位，辐射单元围绕反射板44向后扩散，因此来自十字开口槽45的辐射部分抑制了由辐射单元产生的背向辐射，并提高了所描述的双极化天线的前后比。
图6是双极化天线的另一个实施例的图示侧视图，其中交叉偶极子的臂包含侧金属件46a和46b,同时连接到支撑元件47.附加金属件48是独立元件与侧金属件之间用介质薄膜49隔开。与图5所示的中间金属件39相比，中间金属件48的这种形状不限制支撑元件47的长度。因此，因此图6中的支撑元件47可以更长。放在反射板上方的交叉偶极子提供更宽的波束宽度和能与馈电同轴电缆更好的匹配。
图7是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中印刷板电路50设置在辐射单元的中间，由四个偶极子51a-51d组成，这些偶极子51a-51d排列成偶极阵列形状并连接到对称线52a-52d，该对称线由连接到相邻支撑元件53a-53d的金属导体形成。对称线52a-52d是印刷板电路50上的匹配电路的一部分。馈电同轴电缆(未示出)连接到设置在印刷板电路50上表面上的带状导体54a和54b。偶极方阵型的辐射单元提供更窄的波束宽度，因此与交叉偶极子相比，这种天线提供更多增益。
图8是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中以偶极方阵排列的偶极子55a-55d的臂从对称线56a-56d设置的平面朝向倾斜，且朝向反射板方向。偶极子55a-55d的这种倾斜增加增益并改善双极化天线的前后值。
图9是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中以偶极阵列排列的偶极子57a-57d的臂从对称线58a-58d所在的平面上弯曲90度，且朝向反射板方向。这种形状增加了对称线58a-58d的长度以及偶极子57a-57d与反射板之间的距离，改善了双极化天线与连接到带状导体59a和59b的同轴电缆(未示出)的匹配。
图10是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中偶极子60a-60d的臂从对称线61a-61d所在的平面弯曲90度，且背离反射板方向，并朝向辐射单元中心。这种辐射单元的外轮廓看起来像一个八边形。这种形状增加了对称线61a-61d的长度以及偶极子60a-60d与反射板之间的距离，改善了双极化天线与连接到带状导体62a和62b的同轴电缆(未示出)的匹配。
图11是图10所示的辐射单元的一部分的侧视图，这一部分是由一块金属板冲压而成，因此这种天线的制作成本很便宜。
图12是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中辐射单元由四个折合偶极子63a-63d组成，这些偶极子以偶极阵型排列并连接到由馈电元件激发的对称线上。连接折合偶极子端部的带状导体64a-64d增加了偶极子的阻抗，因此馈电折合偶极子的对称线65a-65d与图7-10中所示的常用偶极子的对称线相比具有更大的阻抗。它们的导体之间的间隙更大，因此阻抗对生产公差的依赖性较小。同轴电缆(未示出)连接到带状导体66a和66b，与对称线65a-65d一起形成匹配电路。
图13是双极化天线的另一个实施例的图示侧视图，其中连接折合偶极子端部的带状导体67a-67d从对称线68a-68d和偶极子69a-69d所在的平面倾斜，且指向向反射板的方向。带有倾斜带状67a-67d的辐射单元更牢固，比图12所示的辐射单元尺寸更小。
图14是双极化天线的另一个实施例的侧视图，其中折合偶极子71a-71d从对称线所在的平面弯曲，且背离反射板方向。介电元件72设置在折叠偶极子71a-71d的臂之间，介电元件73设置在相邻折叠偶极子的端部之间，以保持对称线的尺寸并增加辐射单元的耐用性。
图15是双极化天线的另一个实施例的图示侧视图，其中支撑元件和包括四个折合偶极子的辐射单元都是由一块金属冲压而成。折合偶极子从对称线所在的平面弯曲，且指向反射板方向，以提高前后比并增加增益。
具有不同形状的辐射单元提供不同的辐射模式，因此根据本发明的双极化天线可用于创建不同的天线阵列。
与传统解决方案相比，根据本发明的双极化天线提供更宽的频带，馈电元件包括连接在辐射单元和馈电同轴电缆之间的匹配电路。因此，通过调整形成匹配电路的带状线的尺寸，可以使双极化天线与馈电同轴电缆通过宽频带进行良好匹配。
根据本发明的双极化天线的制造成本与传统解决方案相比较低，因此辐射单元的所有元件和支撑元件都不需要镀锡并且可以用铝片通过冲压制成。
与传统解决方案相比，根据本发明的双极化天线提供更少的背向辐射，在支撑元件底端之间的反射板中的十字开口槽在背向产生额外辐射，从而抑制辐射单元所产生的背向辐射。
虽然本发明已经通过其实施例的描述进行了说明，并且虽然已经详细描述了实施例，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到这样的细节中。本领域的技术人员更容易地理解本发明额外的优点和所作的一些修改。因此，本发明描述更广泛不限于所示和描述的具体细节、代表性装置和说明性示例。因此，在不背离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (30)

1.一种双极化天线，其特征在于，包含由四个导电元件构成的辐射单元、四个支撑元件、馈电单元和反射板；
其中所述辐射单元中心的十字开口槽把四个导电元件相互分开，所述四个支撑元件的顶端直接与导电元件一一相连，所述四个支撑元件的底部固定在所述反射板上；
其中所述馈电单元包含放置在导电元件上表面的辐射单元的中心区域的印刷电路板和两个同轴电缆，所述两个同轴电缆沿着所述支撑元件放置，并通过外导体连接到覆盖所述印刷电路板下表面的导电层上，同时通过其内导体连接到位于所述印刷电路板上表面的两条带状线的第一端，所述印刷电路板上的导电层及两条带状线与两条同轴电缆形成了匹配所述辐射单元的两个匹配电路；
其中所述印刷电路板下表面上的导电层包含了一个十字开口槽，十字开口槽将导电层分成四个部分，且与辐射单元的四个导电元件相对应放置；
其中所述印刷电路板上的带状线在十字开口槽的中心穿过十字开口槽，且所述带状线的第二端与耦合元件相连接。
2.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述匹配电路包含开路枝节线。
3.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述匹配电路包含短路枝节线。
4.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，穿过所述导电层的所述十字开口槽的带状线的一部分位于所述印刷电路板下表面，且通过所述印刷电路板上的金属化孔与带状线连接。
5.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，介电薄膜放置在反射板和支撑元件底部之间。
6.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，介电薄膜放置在支撑元件和印刷电路板之间。
7.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，设置在印刷电路板的上表面的耦合元件呈导电板的形态。
8.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，耦合元件具有带开口端的带状线的形态。
9.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，印刷电路板上的耦合元件具有金属化孔的形态。
10.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，反射板包含有位于支撑元件底部之间的十字开口槽。
11.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，辐射单元包含两个交叉偶极子。
12.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，所述交叉偶极子的每个臂包含连接支撑元件的两个侧金属件。
13.如权利要求11所述的双极化天线，其特征在于，交叉偶极子的每个臂包含连接支撑元件的两个侧金属件和连接侧金属件的中间金属件。
14.如权利要求13所述的双极化天线，其特征在于，介电薄膜放置在中间金属件和侧金属件之间。
15.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，辐射单元包含四个放置在反射板上方的偶极子，并以偶极子阵列排列。
16.如权利要求15所述的双极化天线，其特征在于，每一个偶极子连接到由导体形成的对称线上，所述导体连接到相邻的支撑元件。
17.如权利要求16所述的双极化天线，其特征在于，偶极子与对称线在同一平面内。
18.如权利要求16所述的双极化天线，其特征在于，偶极子从对称线所在的平面弯曲30-90度，且朝向反射板方向。
19.如权利要求16所述的双极化天线，其特征在于，偶极子从对称线所在的平面弯曲30-90度，且背离反射板方向。
20.如权利要求15-19任一项所述的双极化天线，其特征在于，每一个偶极子的臂弯向辐射单元的中心位置。
21.如权利要求11-19任一项所述的双极化天线，其特征在于，支撑元件和其所连接的辐射单元的所有部分都是由一块金属板冲压而成。
22.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，辐射单元包含放置在反射板上方的四个折合偶极子，且以偶极子阵列排列。
23.如权利要求22所述的双极化天线，其特征在于，每一个折合偶极子连接到由两个导体形成的对称线上，该导体连接到相邻的两个支撑元件上。
24.如权利要求23所述的双极化天线，其特征在于，每一个折合偶极子与对称线在同一平面上。
25.如权利要求23所述的双极化天线，其特征在于，折合偶极子的末端导体从对称线所在的平面弯曲，且朝向反射板方向。
26.如权利要求23所述的双极化天线，其特征在于，折合偶极子从对称线所在的平面弯曲30-90度，且朝向反射板方向。
27.如权利要求23所述的双极化天线，其特征在于，折合偶极子从对称线所在的平面弯曲30-90度，且背离反射板方向。
28.如权利要求22-27任一项所述的双极化天线，其特征在于，支撑元件和辐射单元是由同一块金属板冲压而成。
29.如权利要求22-27任一项所述的双极化天线，介电元件放置在偶极子末端相邻间隙之间。
30.一种双极化天线阵列，包含至少两种如权利要求1所述的双极化天线。
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