一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，包括金属反射板及两副双层印刷偶极子天线单元；每一副双层印刷偶极子天线单元均包括SMA接头和两介质板。通过于辐射贴片单元的双臂顶端各添加T型短路振子结构，以展宽带宽。天线由两个双层贴片结构十字交叉组成，在馈电巴伦底部采取梯形弯曲结构，提高双端口的隔离度，并便于组装。实测结果表明，天线两端口VSWR≤2的带宽均达到了66.7%(1.65-3.3GHz)，带宽内隔离度大于25dB，带内增益为4.1-8.3dBi。该双极化天线具有频带宽、尺寸小、低剖面、结构简单和质量轻优点，符合当前天线小型化、宽带化设计要求，其可应用于WCDMA、TD-CDMA等2G/3G/4G(LTE)通信标准网络中。
【专利说明】一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及天线工程【技术领域】，尤其是指一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其具有频带宽、双极化、高隔离度优点，适用于2G/3G/LTE移动通信基站设备等无线通信领域。
【背景技术】
[0002]随着无线电通信技术的快速发展，比如2G的GSM1800和GSM1900，3G (CDAM-2000、WCDMA和TD-SCDMA)和LTE这些通信系统的通信频段主要为1.7-2.8GHz。双极化天线在移动通信中应用较广泛，使用双极化天线实现极化分集技术可以抗多径衰落，降低呼损，减小干扰，并且提高通信容量。为适应多网融合的发展趋势以及通信网络的后续演进，设计多网络可共用的的天线，减少天线架设的数量，在不增加新基站的基础上实现站址共享，避免重复建设和投资。因此，近年来，宽频带、高隔离度、双极化、小型化基站天线日益受到人们的青睐。
[0003]目前，从已经公开的基于对称偶极子结构的双极化天线相关资料来看，实现的形式有金属结构、印制天线以及两者相结合使用这三种实现方式。香港城市大学的Bi Qun Wu等人在 “A Broadband Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole Antenna With SimpleFeeds” (Bi Qun Wu, and Kwa1-Man Luk, IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters, vol.8, pp.60 - 63, 2009)提出了一种双倒L型馈电结构的±45°双极化天线，实现了 65.9%的阻抗带宽(双端口 VSWR〈2，1.7185-3.409GHz)和双端口隔离度优于36dB，整个频带内增益和方向图较为稳定。但是该天线存在一些不足，比如:馈电线与支撑柱间的距离很小，对阻抗特性影响很大，不利于安装、调试；专利号为CN 101707291，CN 103066376，CN 102117961A等发明专利以及CN 201584503U等实用专利均提出了带宽为1.7-2.7GHz性能良好的压铸金属结构的宽带双极化天线单元，但是这些采用金属成型结构的双极化天线重量较大，对后期的天线的支撑承重设计提出了挑战。华南理工大学的陈辉等人在“一种新颖的宽频带双极化印刷偶极子基站天线”(陈辉，薛锋章，重庆邮电大学学报(自然科学版)，第23卷第I期，2011年2月)提出的双极化印刷偶极子基站天线具有良好的带宽(双端口 VSWR〈1.5，1.63-28GHz频段)，隔离度小于_28dB，交叉极化小于_20dB，最大增益约为IldBi,但是其双倒L型馈电线仍是压铸的金属结构，并不利于集成化设计。
[0004]在现有的印制偶极子双极化天线中，采用常规印制振子结构天线的带宽较窄。华南理工大学的 YueHui Cui 等人在 “A Novel Broadband Planar Antenna for 2G/3G/LTEBase Stations” (YueHui Cui, RongLin Li, Peng Wang, IEEE Transactions on Antennasand Propagation, pp.2767 - 2774, May2013)提出了一种性能优异的平面折叠印制偶极子结构的双极化基站天线，覆盖1.65 - 2.85GHz (VSWR<1.5)，单元增益为9dBi。但是该天线单元上剖面较大，不利于防风设计。
[0005]偶极子结构天线是平衡结构，同轴线是不平衡结构，在设计馈电结构是需要设计性能良好的馈电巴伦，实现平衡-不平衡变换，并且有较好的阻抗匹配。因此设计高隔离度、宽频带、加工简单、易于装配、成本低廉、结构紧凑、质量轻的双极化印制偶极子双极化天线来满足移动通信技术的发展，具有重要的意义。
【发明内容】
[0006]鉴于上述技术背景，本发明对现有的印刷偶极子双极化天线的不足加以解决，提出了一种宽频带的加载T型短路振子结构的双层印制偶极子天线单元，以及采用该单元设计成的结构紧凑的、低剖面集成馈电巴伦的宽带双极化印刷偶极子天线。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案:
[0008] 一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，包括金属反射板以及设置于金属反射板上的两副双层印刷偶极子天线单元；该两副双层印刷偶极子天线单元呈十字交叉相互嵌入在一起，每一副双层印刷偶极子天线单元均包括有SMA接头和两介质板，该两介质板彼此叠合形成双层介质板，双层介质板竖向设置于金属反射板上，双层介质板的外侧面印制有辐射贴片单元，该辐射贴片单元的双臂顶端各加载有T型短路振子结构，双层介质板的中间夹层印制有馈电巴伦，前述辐射贴片单元和馈电巴伦分别对应与SMA接头的外部和内芯焊接进行馈电。
[0009]作为一种优选方案，所述馈电巴伦为带状线馈电巴伦。
[0010]作为一种优选方案，所述馈电巴伦的底端折弯形成梯形结构。
[0011]作为一种优选方案，所述两介质板上开设有通孔，塑料螺丝穿过通孔将两介质板紧固一起。
[0012]作为一种优选方案，所述介质板选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板。
[0013]作为一种优选方案，所述金属反射板中间开设有十字形缝隙，前述两副双层印刷偶极子天线单元插装于十字形缝隙中固定。
[0014]作为一种优选方案，所述两副双层印刷偶极子天线单元高低错位设置。
[0015]本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知:
[0016]通过在辐射贴片单元的双臂顶端各添加T型短路振子结构，使之产生高频段的谐振点以扩展天线的工作带宽，将两个采用双层介质板辐射贴片结构的线极化偶极子天线正交地嵌在一起构成双极化，梯形带状线馈电巴伦底部的S弯折结构将天线馈电点移到一侧减少了双端口的能量的耦合，提高了双端口隔离度，并且利于后期天线阵的安装。
[0017]本发明技术原理是:微波信号由馈电巴伦传输，通过正面开缝电磁耦合到的振子双臂贴片上，再由振子臂辐射到自由空间，由馈电巴伦实现平衡-不平衡转换。目前的研究大量采用的普通结构的印制偶极子天线单元所能提供的阻抗带宽有限，并且设计成双极化天线时，由于双天线之间的耦合使得带宽很窄，本发明在振子双臂上端各加一段T型短路振子结构使之谐振在原来的带宽高频段产生新的谐振点，扩展天线的带宽。把带状线馈电巴伦底部弯折，形成梯形S状结构将天线馈电点移到一侧减少了双端口的能量的耦合，提闻了隔尚度。
[0018]本天线所加工实物介质板材料的介电常数是4.4，双端口 VSWR≤2(1.65-3.3GHz)的阻抗带宽为66.7%，实验结果与理论值相吻合，验证了该设计的有效性。充分覆盖了GSM1800、GSM1900、CDMA-2000、WCDMA、TD-SCDMA, TD-LTE 的工作频带，克服了传统的印制偶极子带宽窄的问题，实现多天线复用，符合当前天线小型化、宽带化设计要求。该该发明双极化天线具有结构紧凑，体积小，带宽宽，实现简单，成本低廉和便于批量生产的优点。
[0019]为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明:
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线的整体立体结构图；
[0021]图2是本发明加载T型短路振子结构单层印刷偶极子天线单元的结构示意图；
[0022]图3是本发明加载T型短路振子结构双层印刷偶极子天线单元的侧视结构示意图；
[0023]图4是本发明双层印刷偶极子天线单元的正反面示意图；
[0024]图5是本发明双层印刷偶极子天线单元的中间夹层示意图；
[0025]图6是本发明双极化印刷偶极子天线的双十字交叉结构的两副双层印刷偶极子天线单元组件结构正反面的正视图；
[0026]图7是本发明双极化印刷偶极子天线的双十字交叉结构的两副双层印刷偶极子天线单元组件结构双层介质板的中间夹层的正视图；
[0027]图8是本发明双极化印刷偶极子天线的金属反射板结构示意图；
[0028]图9是本发明双层印刷偶极子天线单元与普通双层印刷偶极子天线单元的
1.2-3.6GHz仿真的驻波比对比图；
[0029]图10是本发明双极化印刷偶极子天线的1.6-3.3GHz双端口驻波比仿真与测试曲线图；
[0030]图11是本发明双极化印刷偶极子天线的1.6-3.2GHz双端口隔离度仿真与测试曲线图；
[0031]图12是本发明双极化印刷偶极子天线1.6-3.0GHz的双端口增益仿真与测试曲线图；
[0032]图13是本发明双极化印刷偶极子天线端口 I在1.6GHz,2.2GHz和3.0GHz的实测E面方向图；
[0033]图14是本发明双极化印刷偶极子天线端口 I在1.6GHz,2.2GHz和3.0GHz的实测H面方向图；
[0034]图15是本发明双极化印刷偶极子天线端口 2在1.6GHz,2.2GHz和3.0GHz的实测E面方向图；
[0035]图16是本发明双极化印刷偶极子天线端口 2在1.6GHz,2.2GHz和3.0GHz的实测H面方向图。
[0036]附图标识说明:
[0037]1、介质板 2、辐射贴片单元
[0038]3、馈电巴伦4、金属反射板
[0039]5、SMA接头 6、塑料螺丝
[0040]7、通孔【具体实施方式】
[0041]请参照图1至图5所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括金属反射板4以及设置于金属反射板4上的两副双层印刷偶极子天线单元；该两副双层印刷偶极子天线单元呈十字交叉相互嵌入在一起，每一副双层印刷偶极子天线单元均包括有SMA接头5和两介质板I，该两介质板I彼此叠合而形成双层介质板，双层介质板竖向设置于金属反射板4上，双层介质板的外侧面印制有辐射贴片单元2，如图2所示，该辐射贴片单元2的双臂顶端各加载有T型短路振子结构，双层介质板的中间夹层印制有馈电巴伦3，如此使得馈电巴伦3印在双层介质板的中间夹层上，并使得该结构单元天线具有超宽带特性，前述辐射贴片单元2和馈电巴伦3分别对应与SM接头5的外部和内芯焊接进行馈电。在本实施例中，该馈电巴伦3为带状线馈电巴伦，为了方便天线的组装，对馈电巴伦3的底端进行折弯形成梯形结构，如图3所示。辐射单元贴片2分别印制在两块介质板的外面，馈电巴伦3印在双层介质板的中间夹层，在双层介质板上开通孔7，并用塑料螺丝6穿过通孔将两介质板11紧固在一起，使之紧密的贴合在一起组成如图3双层印刷偶极子天线单元。
[0042]如图6至图8所示，通过调整两副双层印刷偶极子天线单元高低位置，使得带状线的馈电巴伦3高低错位，使一副双层印刷偶极子天线单元的带状线馈电巴伦3的位置较高，另外一副双层印刷偶极子天线单元的带状线馈电巴伦3的位置较低。在带状线馈电巴伦3位置较低的那一副双层印刷偶极子天线单元的辐射贴片单元2中间、带状线馈电巴伦3的上端中心位置开缝；在带状线馈电巴伦3位置较高的那一副双层印刷偶极子天线单元的辐射贴片单元2、带状线馈电巴伦3的下端中心位置开缝。两副不同的双层印刷偶极子天线单元中间缝隙的宽为双层介质板的厚度。然后将两副带状线集成巴伦高低错位的双层印刷偶极子天线单元十字交叉相互嵌入在一起，即可实现双极化，最后插入如图8所示的金属反射板4中间的十字形缝隙中固定。最后考虑到双极化天线的安装与装配需要，并减小双端口的距离以减少双端口能量 的耦合，提高双端口隔离度，对带状线馈电巴伦3的底端弯折以形成梯形结构。双层印刷偶极子天线单元正反面贴片和双层介质板的中间夹层的馈电巴伦3分别与SMA接头5的外部和内芯焊接进行馈电。
[0043]根据上述天线单元与宽带双极化天线结构，本发明给出以下天线实例:
[0044]为了调整带宽，两副带状线集成巴伦高低错位的双层印刷偶极子天线单元除了图4中正反面T型短路振子结构和图5中的带状线馈电巴伦3结构尺寸参数不一样之外，其他结构参数都相同。
[0045]结合图4至图7的结构定义本设计两副双层印刷偶极子天线单元相同的参数:介质板I选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板,金属反射板4上面部分介质板长为88mm、宽为56mm,插入金属反射板4的下面的介质板H6=12mm, L6=60mm。福射贴片单元2底部宽D=30mm，辐射臂宽度H2=21mm，辐射双臂长为1^=68111111，在辐射贴片单元2中间开有宽为L4=4.4mm、长为H3=35mm的槽缝，辐射贴片单元2在金属反射板4上部的高度为氏=55臟，T型短路振子结构的下端外端边沿距离辐射臂外端边沿的距离为L5=6.9mm。
[0046]结合图4至图7的结构定义本设计两副双层印刷偶极子天线不同的参数:如图6(a)和图7(a)微带线集成巴伦较低的一副双层印刷偶极子天线单元的T型短路振子结构贴片下端宽L3=18mm,高H4=8mm,T型上端长1^=21臟,宽为H5=6mm ;其中间夹层的带状线馈电巴伦 3 结合图 4 结构参数如下:1=2.3mm, W2=L 4mm, W3=0.5mm, H7=8.7mm, T,7=8.0mm, H8=IOmm,H9= 13mm, H10=9mm, L8= 18mm, Hn=9mm。参照图6(b)和图7(b)微带线集成巴伦位置较高的一副双层印刷偶极子天线的T型短路振子结构贴片下端宽L3=18mm,高H4=6mm, T型上端长L2=21mm,宽为H5=8mm ;其中间夹层的带状线馈电巴伦3结合图5结构参数如下#=2.3mm,W2=L 4mm, W3=0.5mm, H7=8.7mm, L7=8.0mm, Hs=I 0mm, H3=I 4mm, H10=Ilmm, L8=18mm, Hn=9.5mm。
[0047]结合图6和图7，为了设计成双极化，可以利用双臂之间的缝隙，裁掉双臂之间缝隙介质板I 一部分，使得两副双层印刷偶极子天线单元十字交叉相互嵌入在一起。其中带状线馈电巴伦位置较高的双层印刷偶极子天线单元裁缝开在下端，其长为S=45mm，宽为双层直接板的厚度W5=3_ ;对应的另外一幅带状线馈电巴伦位置较低的双层印刷偶极子天线单元裁缝开在上端，那么裁掉的槽缝长为23mm,宽也为3.0mm。
[0048]在本实施例中，请参照图4，本发明紧固双介质板的通孔位置对天线性能影响不大，但是以不破坏天线的辐射贴片单元2等结构和方便安装为前提，本设计通孔大小R=2.5mm,采用M2.5的尼龙材质塑料螺丝6紧固双介质板。参照图8中金属反射板4的材质为2.0mm厚度的招板,外形为160_X160mm,中心位置的十字形开缝长为L9=L6=60mm,宽为W4=3.0mm0
[0049]最后，将两副带状线集成巴伦高低错位的双层印刷偶极子天线单元十字交叉相互嵌入在一起，插入如图7所示的金属反射板4的中间的十字形缝隙中。
[0050]如图9所示，基于本发明思想设计出的加载T型短路振子结构的集成巴伦馈电的双层宽带印刷偶极子天线与普通双层印刷偶极子天线的驻波比仿真结果对比图，可以看至IJ，本发明显著的扩展了带宽。
[0051]如图10所示，基于本发明思想提出的操作实例的宽带双极化印刷偶极子天线双端口驻波比的理论结果与实测结果对比图，可以看到实测结果与仿真结果相吻合，VSffR ( 2 相对带宽达 66.7%(1.65-3.3GHz)。
[0052]如图11所示，操作实例的宽带双极化印刷偶极子天线双端口的隔离度理论结果与实测结果对比图，两者基本相吻合，在2.2GHz低频段的差异主要是双贴片之间存在空气缝隙，使得在2.1GHz频段内实测隔离度相对要差，性能只有_25dB。
[0053]如图12所示，是操作实例的宽带双极化印刷偶极子天线双端口的增益随频率变化的理论结果与实测结果对比图，带内增益为4.1-8.3dBi。
[0054]如图13和图14所示，分别是天线端口 I在1.6GHz、2.2GHz和3.0GHz的实测E面、H面方向图，图15、图16分别是天线端口 2在1.6GHz,2.2GHz和3.0GHz的实测E面、H面方向图。可以观察到，在带内，天线实例E面具有类似“8”形状的方向图，H面具有全向辐射性，最大辐射方向稳定。
[0055]本发明的设计重点在于:
[0056]通过在辐射贴片单元的双臂顶端各添加T型短路振子结构，使之产生高频段的谐振点以扩展天线的工作带宽，将两个采用双层介质板辐射贴片结构的线极化偶极子天线正交地嵌在一起构成双极化，梯形带状线馈电巴伦底部的S弯折结构将天线馈电点移到一侧减少了双端口的能量的耦合，提高了双端口隔离度，并且利于后期天线阵的安装。
[0057]本发明技术原理是:微波信号由馈电巴伦传输，通过正面开缝电磁耦合到的振子双臂贴片上，再由振子臂辐射到自由空间，由馈电巴伦实现平衡-不平衡转换。目前的研究大量采用的普通结构的印制偶极子天线单元所能提供的阻抗带宽有限，并且设计成双极化天线时，由于双天线之间的耦合使得带宽很窄，本发明在振子双臂上端各加一段T型短路振子结构使之谐振在原来的带宽高频段产生新的谐振点，扩展天线的带宽。把带状线馈电巴伦底部弯折，形成梯形S状结构将天线馈电点移到一侧减少了双端口的能量的耦合，提闻了隔尚度。
[0058]本天线所加工实物介质板材料的介电常数是4.4，双端口 VSWR≤2(1.65-3.3GHz)的阻抗带宽为66.7%，实验结果与理论值相吻合，验证了该设计的有效性。充分覆盖了GSM1800、GSM1900、CDMA-2000、WCDMA、TD-SCDMA, TD-LTE 的工作频带，克服了传统的印制偶极子带宽窄的问题，实现多天线复用，符合当前天线小型化、宽带化设计要求。该该发明双极化天线具有结构紧凑，体积小，带宽宽，实现简单，成本低廉和便于批量生产的优点。
[0059]以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明天线的实例的描述，需要申明的是这些描述应该被视为说明性，而非限定性，不构成对本发明的任何限制，显然在不脱离本发明原理的前提下，工程技术人员可以根据此发明权利要求书中对本发明的结构和参数进行具体的调整操作进而得到本发明天线的其他的实施方案的变更，这些都应被视为本发明的涉及范围之内，均在本发明的保护之列。
【权利要求】
1.一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:包括金属反射板以及设置于金属反射板上的两副双层印刷偶极子天线单元；该两副双层印刷偶极子天线单元呈十字交叉相互嵌入在一起，每一副双层印刷偶极子天线单元均包括有SMA接头和两介质板，该两介质板彼此叠合形成双层介质板，双层介质板竖向设置于金属反射板上，双层介质板的外侧面印制有辐射贴片单元，该辐射贴片单元的双臂顶端各加载有T型短路振子结构，双层介质板的中间夹层印制有馈电巴伦，前述辐射贴片单元和馈电巴伦分别对应与SMA接头的外部和内芯焊接进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述馈电巴伦为带状线馈电巴伦。
3.根据权利要求2所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述馈电巴伦的底端折弯形成梯形结构。
4.根据权利要求1所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述两介质板上开设有通孔，塑料螺丝穿过通孔将两介质板紧固一起。
5.根据权利要求1所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述介质板选用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR4介质板。
6.根据权利要求1所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述金属反射板中间开设有十字形缝隙，前述两副双层印刷偶极子天线单元插装于十字形缝隙中固定。
7.根据权利要求1所述的一种集成巴伦馈电的宽带双极化印刷偶极子天线，其特征在于:所述两副双层印刷偶极子天线单元高低错位设置。
【文档编号】H01Q13/08GK103490152SQ201310418214
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】葛悦禾, 王灿 申请人:华侨大学