一種低剖面寬帶雙極化全向天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低剖面寬帶雙極化全向天線，該天線由垂直極化單極子天線和水平極化環(huán)天線平排組成，其中環(huán)天線由四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形偶極子構(gòu)成。通過在單極子饋電探針外包裹一個(gè)金屬圓柱體的方法拓展單極子帶寬，通過在偶極子臂外加載寄生單元和引向器的方法拓展環(huán)天線的阻抗帶寬并減小了其在方位面的增益不圓度。其基本結(jié)構(gòu)包括上層介質(zhì)板(1)、下層介質(zhì)板(2)、塑料螺釘(3)、圓形貼片(4)、環(huán)形貼片(5)、饋電探針(6)、金屬圓柱體(7)、金屬地板(8)、金屬短路柱(9)、弧形印刷偶極子(10)、Γ形饋電巴倫(11)、寄生單元(12)、引向器(13)、同軸線(14)、100歐姆微帶線(15)、金屬小圓片(16)。
【專利說明】-種低剖面寬帶雙極化全向天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種寬帶全向天線，具體來說是一種可用 于無線通信領(lǐng)域的低剖面寬帶高隔離度雙極化全向天線。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展，微基站因?yàn)榫哂幸惑w化、小型化、低成本、安裝維護(hù)方 便等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。設(shè)計(jì)微基站天線的難點(diǎn)之一在于在滿足天線性能同時(shí)要 求盡可能的降低天線的剖面高度和成本。通常微基站天線要求雙極化、高端口隔離度、寬 帶、低剖面等特點(diǎn)。適用于安裝在室內(nèi)屋頂?shù)奈⒒局?，還要求天線具有水平全向方向圖的 特性，以實(shí)現(xiàn)360度均勻全覆蓋。為了滿足4G通信LTE的1710-2690MHZ頻帶要求，天線的 帶寬要達(dá)到45%。為了實(shí)現(xiàn)極化分集，要求天線能同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直極化和水平極化。
[0003] 單極子天線能夠很好的實(shí)現(xiàn)垂直極化全向方向圖，K. Lau等人在IEEE Trans. Antennas Propag. (vol. 53, no. 3, ρρ· 1004 - 1010, Mar. 2005)上發(fā)表的題為 "A monopolar patch antenna with very wide impedance bandwidth" 中介紹了一種低剖面超寬單極 子天線，該天線在138 %的帶寬內(nèi)駐波比小于2,該天線由4個(gè)梯形正交連接在一起，上 端放置一個(gè)圓形貼片，圓形貼片通過4個(gè)短路探針連接在地板上。J. Zhao等人在IEEE Trans.Antennas Propag. (νο1·60，ηο·12，ρρ· 5578 - 5586, Dec. 2012.)上發(fā)表 了題為 "Design optimization of a low-profile UWB body-of-revolution monopole antenna，' 的文章，系統(tǒng)的研究了 body-of-revolution(BoR)形式的單極子天線設(shè)計(jì)過程，不過這 種BoR單極子依賴于進(jìn)化算法，造型特別，不易加工。美國(guó)D.W. Aten等人在IEEE Trans. Antennas Propag. (vol. 60，ηο·10，ρρ· 4485 _ 4491，0ct. 2012)發(fā)表了"A wideband, low profile, shorted top hat monocone antenna"一文，該天線內(nèi)導(dǎo)體采用倒錐形結(jié)構(gòu)，倒錐形 結(jié)構(gòu)上面加一個(gè)金屬帽沿，通過短路探針連接到地板上。
[0004] 環(huán)天線能夠?qū)崿F(xiàn)水平極化全向方向圖，不過環(huán)天線的帶寬一般很窄，不超過10 %。 清華大學(xué) K. Wei 等人在 IEEE Antennas Wireless Propag(vol. 11，ρρ· 49 - 52, 2012.)發(fā) 表了 "Design of a wideband horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna"一文，該文章通過周期性的電容加載，實(shí)現(xiàn)了 31%的帶寬。華南理工大學(xué)的李榮林 教授在 Progr. Electromagn. Res.，（vol. 128, ρρ· 441 - 456, 2012.)上發(fā)表了 "Development of a broadband horizontally polarizedomnidirectional planar antenna and its array for base stations"一文，該文章采用4個(gè)印刷偶極子天線圍成一個(gè)圓環(huán)，形成一個(gè) 近似環(huán)天線，天線帶寬達(dá)到了 25%。
[0005] 將單極子天線和環(huán)天線結(jié)合在一起可以實(shí)現(xiàn)雙極化全向天線。例如李榮林教授發(fā) 表在 IEEE Trans. Antennas Propag. (vol. 61，ρρ· 943 - 947, Feb. 2013.)上 "A broadband dual-polarized omnidirectional antenna for base stations,，'一文中將一個(gè)單極子天 線和一個(gè)環(huán)天線縱向疊加在一起形成一個(gè)雙極化天線，并進(jìn)行組陣。這種疊層方式明顯增 加了天線的厚度，不適合于微基站天線中，因?yàn)槲⒒咎炀€的厚度一般要求限制在30mm以 下。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在雙極化全向天線剖面 高、帶寬不足的問題，提出了一種低剖面高隔離度寬帶雙極化全向天線。該天線單元在 1. 7GHz-2. 7GHz頻段內(nèi)回波損耗大于14dB (對(duì)應(yīng)駐波比小于1. 5)，并且在工作頻帶內(nèi)天線 單元的不同極化端口隔離度達(dá)到45dB，剖面高度為20mm，適合于微基站天線的要求。該天 線通過底饋的方式饋電，兩個(gè)極化單元集成在兩塊厚度為1mm的FR4介質(zhì)板上，易于批量生 產(chǎn)和低成本化。
[0007] 該天線適用于第四代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)，特別適合于微基站天線，請(qǐng)一并參考圖1 至圖4,它的基本結(jié)構(gòu)包括上層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板、六個(gè)塑料螺釘、單極子天線的中心位置 圓形貼片、環(huán)形貼片、單極子天線的饋電探針以及包裹探針的金屬圓柱體、金屬地板、連接 環(huán)形貼片和金屬地板的4根金屬短路柱、4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形印刷偶極子及其Γ形饋電巴 倫、4對(duì)弧形寄生單元、3對(duì)弧形引向器、連接偶極子和金屬地板的同軸線、連接4個(gè)Γ形饋 電巴倫的100歐姆微帶線、用于焊接同軸線內(nèi)導(dǎo)體的金屬小圓片。
[0008] 本發(fā)明的創(chuàng)新主要有以下四點(diǎn)：1)為了拓展垂直極化天線的阻抗帶寬，在單極子 饋電探針?biāo)闹馨艘粋€(gè)金屬圓柱體；2)為了拓展水平極化天線的阻抗帶寬，在四個(gè)旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱的弧形印刷偶極子臂外2. 5mm處加載了四對(duì)弧形寄生單元；3)為了減小環(huán)天線在方位 面的方向圖不圓度，分別在上邊、右邊、下邊三個(gè)方向圖的弧形印刷偶極子臂外15mm處加 載了三對(duì)弧形引向器；4)為了減小剖面高度，將單極子天線和環(huán)天線并排放置。
[0009] 本發(fā)明的特點(diǎn)是單極子天線和環(huán)天線并排放置，印制在兩塊FR4介質(zhì)板上，其中 在單極子饋電探針?biāo)闹馨艘粋€(gè)金屬圓柱體，環(huán)天線由四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形印刷偶極子 天線構(gòu)成，在偶極子臂外2. 5mm處有四對(duì)弧形寄生單云，在偶極子臂外15mm處有三對(duì)弧形 引向器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0011] 圖1是本發(fā)明一種實(shí)施方式提供的一種寬帶低剖面雙極化全向天線透視示意圖；
[0012] 圖2是圖1所示的上層介質(zhì)板的俯視圖；
[0013] 圖3是圖1所示的下層介質(zhì)板的仰視圖；
[0014] 圖4是圖1所示三維結(jié)構(gòu)的正視圖；
[0015] 圖5是雙極化全向天線兩個(gè)端口的回波損耗以及隔離度仿真結(jié)果示意圖；
[0016] 圖6是雙極化全向天線兩個(gè)端口的回波損耗以及隔離度測(cè)試結(jié)果示意圖；
[0017] 圖7是圖1所示的雙極化全向天線的左邊單極子天線（垂直極化）在方位面的主 極化和交叉極化仿真結(jié)果示意圖；
[0018] 圖8是圖1所示的雙極化全向天線的右邊環(huán)天線（水平極化）在方位面的主極化 和交叉極化仿真結(jié)果示意圖；
[0019] 圖9是左邊單極子天線在有無金屬圓柱體時(shí)回波損耗仿真結(jié)果對(duì)比示意圖；
[0020] 圖10是右邊環(huán)天線在有無寄生單元和引向器時(shí)回波損耗仿真結(jié)果對(duì)比示意圖；
[0021] 圖11是右邊環(huán)天線在有無引向器時(shí)方位面方向圖仿真結(jié)果對(duì)比示意圖； 具體實(shí)施方案
[0022] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本 發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí) 施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023] 請(qǐng)一并參考圖1至圖4,為本發(fā)明實(shí)施方式提供的寬帶低剖面雙極化全向天線。所 述雙極化天線依圖1至圖4所示描述主要包括：上層介質(zhì)板1、下層介質(zhì)板2、六個(gè)塑料螺釘 3、單極子天線的中心位置圓形貼片4、環(huán)形貼片5、單極子天線的饋電探針6以及包裹探針 的金屬圓柱體7、金屬地板8、連接環(huán)形貼片5和金屬地板8的4根金屬短路柱9、4個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱的弧形印刷偶極子10及其Γ形饋電巴倫11、4對(duì)弧形寄生單元12、3對(duì)弧形引向器13、 連接偶極子10和金屬地板8的同軸線14、連接4個(gè)Γ形饋電巴倫的100歐姆微帶線15、 用于焊接同軸線內(nèi)導(dǎo)體的金屬小圓片16。
[0024] 上層介質(zhì)板1和下層介質(zhì)板2通過六個(gè)塑料螺釘3支撐，高度為20mm。單極子天 線的中心位置的圓形貼片4和環(huán)形貼片5印制在上層介質(zhì)板1的上表面，金屬地板8由兩 個(gè)圓片組成，中間通過一個(gè)條狀線連接，印制在下層介質(zhì)板2的下表面，單極子天線的微波 接頭外導(dǎo)體和金屬地板8相連接，內(nèi)導(dǎo)體饋電探針6直接和單極子天線中心位置的圓形貼 片4連接，在饋電探針6的外面包裹著一個(gè)實(shí)心的金屬圓柱體7,饋電探針6外壁有外螺紋， 金屬圓柱體7中心有一個(gè)小孔，小孔內(nèi)壁有內(nèi)螺紋，饋電探針6和金屬圓柱體7通過類似于 螺絲與螺帽的形式連接在一起，金屬圓柱體高度14mm，緊貼著上層介質(zhì)板1的下表面，和下 層介質(zhì)板2的上表面距離4mm。在圓形貼片4外有一個(gè)環(huán)形貼片5,環(huán)形貼片5通過四根金 屬短路柱9連接到金屬地板8上。
[0025] 在單極子天線的右側(cè)是環(huán)天線，環(huán)天線由四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形印刷偶極子10構(gòu) 成，每個(gè)偶極子10由一個(gè)Γ形饋電巴倫11饋電，四個(gè)Γ形饋電巴倫11通過100歐姆的 微帶線15連接在環(huán)天線中心位置的一個(gè)金屬小圓片16上，在每個(gè)偶極子臂外2. 5_處各 有一對(duì)弧形的寄生單元12,在上邊、右邊、下邊三個(gè)方向的偶極子臂外15mm處各有一對(duì)弧 形的引向器13,其中饋電巴倫11、100歐姆微帶線15、金屬小圓片16印制在上層介質(zhì)板的 上表面，四個(gè)偶極子10、四對(duì)寄生單元12、三對(duì)引向器13印制在上層介質(zhì)板的下表面，環(huán)天 線通過同軸線14)饋電，其中同軸線的內(nèi)導(dǎo)體焊接在環(huán)天線中心位置的金屬小圓片16上， 外導(dǎo)體同時(shí)連接偶極子10和金屬地板8。
[0026] 該天線結(jié)構(gòu)為雙極化天線，左邊單極子天線工作于垂直極化狀態(tài)，右邊環(huán)天線工 作于水平極化狀態(tài)。對(duì)于工作于垂直極化的左側(cè)單極子天線來說，饋電探針和包裹探針的 金屬圓柱體通過螺紋的形式連接在一起，因?yàn)轲侂娞结樅荛L(zhǎng)很細(xì)，饋電端口的輸入阻抗在 高頻呈感性，在探針的上部包裹一個(gè)金屬圓柱體可以抵消輸入阻抗的感性，使得天線的帶 寬拓寬。對(duì)于工作于水平極化的右側(cè)環(huán)天線來說，它是由四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形印刷偶極子 構(gòu)成，每個(gè)偶極子的結(jié)構(gòu)相同，在每個(gè)偶極子臂外2. 5mm處緊貼著一對(duì)寄生單元，用于拓展 天線的帶寬。由于四個(gè)偶極子的饋電幅度相同，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，偶極子臂上邊的表面電流沿著一 個(gè)方向（順時(shí)針或者逆時(shí)針）流動(dòng)，和傳統(tǒng)的環(huán)天線上表面電流分布類似，因此四個(gè)偶極子 天線整體可以看作是一個(gè)近似的環(huán)天線。在環(huán)天線上邊、右邊、下邊三個(gè)方向的偶極子各有 一對(duì)弧形引向器，用于提高這三個(gè)方向的天線輻射能力，減小環(huán)天線在水平面的方向圖不 圓度。
[0027] 圖5是圖1所示的雙極化天線兩個(gè)端口（左邊端口編號(hào)為1，右邊端口編號(hào)為2)的 回波損耗和隔離度仿真結(jié)果示意圖，在1. 7GHz至2. 7GHz范圍內(nèi)，兩個(gè)端口的回波損耗都大 于14dB(對(duì)應(yīng)電壓駐波比小于1. 5)，隔離度大于45dB。圖6是兩個(gè)端口的回波損耗和隔離 度實(shí)測(cè)結(jié)果。在工作頻帶1. 7GHz?2. 7GHz內(nèi)，實(shí)測(cè)回波損耗大于12dB，隔離度達(dá)到35dB。 圖7是圖1所示的左邊單極子天線饋電時(shí)，在1. 7GHz，2. 2GHz，2. 7GHz三個(gè)頻點(diǎn)仿真得到的 方位面方向圖，三個(gè)方向圖都很穩(wěn)定，主極化方向圖對(duì)應(yīng)的方向圖不圓度為〇. 5dB，最小輻 射方向增益為OdBi。圖8是圖1所示的右邊環(huán)天線饋電時(shí)，在1. 7GHz，2. 2GHz，2. 7GHz三個(gè) 頻點(diǎn)仿真得到的方位面方向圖，三個(gè)方向圖都很穩(wěn)定，主極化方向圖對(duì)應(yīng)的方向圖不圓度 為4dB，最小輻射方向增益為-2dBi。
[0028] 為了和已經(jīng)公開的天線技術(shù)效果作對(duì)比，本專利公開了其中三點(diǎn)創(chuàng)新的具體技術(shù) 效果。圖9為單極子天線在有無金屬圓柱體時(shí)回波損耗仿真結(jié)果對(duì)比，通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn) 通過加載一個(gè)金屬圓柱體后，單極子天線的阻抗帶寬明顯提高。圖10是環(huán)天線在有無寄 生單元和引向器時(shí)回波損耗仿真結(jié)果對(duì)比，通過加載寄生單元，天線-10dB帶寬由原來的 1. 75GHZ-2. 5GHz擴(kuò)展到1. 68GHZ-2. 74GHz。圖11是環(huán)天線在有無引向器時(shí)方位面主極化 方向圖的仿真結(jié)果對(duì)比，通過加載三對(duì)引向器，天線在方位面最小輻射方向的增益提高了 3 個(gè)dB，也就是說方向圖不圓度減小了 3dB。
[0029] 以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方案的描述， 這些描述應(yīng)被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中的 思想做具體的操作實(shí)施，自然也可以據(jù)以上所述對(duì)實(shí)施方案做一系列的變更。上述這些都 應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種低剖面寬帶雙極化全向天線，由垂直極化的單極子天線和水平極化的環(huán)天線 并排而成，其特征在于所述天線用塑料螺釘（3)固定上層介質(zhì)板（1)和下層介質(zhì)板（2)，單 極子天線中心位置的圓形貼片（4)和外圍的環(huán)形貼片（5)印制在上層介質(zhì)板（1)上，在饋 電探針（6)外包裹一個(gè)金屬圓柱體（7)，用四根金屬短路柱（9)連接環(huán)形貼片（5)和金屬地 板（8)，環(huán)天線由四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的弧形印刷偶極子（10)及其Γ形饋電巴倫（11)構(gòu)成，在印 刷偶極子臂外有四對(duì)弧形寄生單元（12)和三對(duì)弧形引向器（13)，四個(gè)Γ形饋電巴倫（11) 由100歐姆微帶線（15)連接并最終與金屬小圓片（16)相連，同軸線（14)的內(nèi)導(dǎo)體焊接在 金屬小圓片（16)上，外導(dǎo)體連接偶極子（10)和金屬地板（8);所述天線顯著特征是在單極 子天線的饋電探針（6)外面包裹著一個(gè)金屬圓柱體（7)，金屬圓柱體（7)和金屬地板（8)之 間保持5_間隙，在每個(gè)偶極子（10)外各有一對(duì)弧形的寄生單元（12)，在環(huán)天線的上、右、 下三個(gè)方向各有一對(duì)弧形的引向器（13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面寬帶雙極化全向天線，其特征在于其單極子天線 的內(nèi)導(dǎo)體饋電探針外包裹著一個(gè)金屬圓柱體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面寬帶雙極化全向天線，其特征在于其弧形印刷偶 極子外加載有四對(duì)弧形寄生單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面寬帶雙極化全向天線，其特征在于其弧形印刷偶 極子外上、右、下三個(gè)方向加載有三對(duì)弧形引向器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面寬帶雙極化全向天線，其特征還在于其單極子天 線和環(huán)天線通過并排的方式印制在兩塊介質(zhì)板上。
【文檔編號(hào)】H01Q21/24GK104103900SQ201410328185
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】楊仕文, 陳宗, 朱全江, 過繼新 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)