应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线。本天线包括垂直辐射的角锥天线和水平辐射的偶极子天线阵两部分。角锥天线周围使用圆形套筒结构增强带宽，顶部加载的圆环通过不同直径的金属短路柱与地平面连接。馈电部分采用角锥与通过地平面打孔的SMA接头同轴探针相连。偶极子天线阵在介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形辐射单元，形成对称的偶极子天线阵。中心的圆形贴片和渐变的微带线是平衡不平衡转换器用以调节偶极子的阻抗带宽。通过在圆盘周围加谐振带实现带宽变宽、提高全向辐射方向图圆度的特性。馈电部分采用中心同轴馈电。本发明实现了一种低剖面全向的双极化天线，解决了在室内基站对低剖面全向双极化天线的需求。
【专利说明】
应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线
技术领域
[0001]本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线。【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的发展，在2G、3G的发展基础上，4G技术也被广泛应用。因此要求基站天线具有宽频带、低剖面、双极化、全向辐射的特性。典型的双极化MIM0天线系统包含垂直极化的角锥天线元素和水平极化的偶极子天线阵元素。由于两个天线元素一起调和比较困难，使得阻抗匹配失调、带宽较窄。角锥天线的带宽受到角锥高度的影响，为了达到宽频特性，天线的高度也比较高。
【发明内容】
[0003]针对上述的缺陷，本发明提供一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，能够实现宽频、低剖面、双极化、以及全向辐射的特性。
[0004]根据本发明的实施例，提供应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，包括:
[0005]角锥天线；
[0006]所述角锥天线包括地平面、角锥、套筒、顶部圆环以及短路柱。圆形套筒结构围绕在角锥天线周围。角锥顶部加载圆环，其通过六个不同直径的短路柱与地平面短路，从而降低天线高度。馈电部分采用角锥与通过地平面的SMA接头同轴探针相连。
[0007]偶极子天线阵
[0008]所述偶极子天线阵位于角锥天线上方。在FR4介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵，单个偶极子单元的弧长为四分之一中心频点波长。中心圆形贴片和渐变的微带线是平衡不平衡转换器，用以调节偶极子的阻抗带宽。 在圆盘周围加谐振带增强带宽、提高全向辐射方向图的圆度。
[0009]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述偶极子天线阵的馈电方式为中心馈电， 在偶极子天线阵的中心馈电点焊接同轴线，于偶极子天线阵的地平面将其引出，然后向下穿过角锥天线的短路柱，在角锥天线的地平面与SMA接头相连进行馈电。
[0010]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述角锥天线顶部加载的短路环，其环内径和顶部偶极子的介质板半径相同。
[0011]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述短路环采用的是介电常数4.4的射频板材，上下两层为金属贴片。
[0012]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述角锥天线采用六个短路柱连接地平面和顶部环形贴片，分别以60度的角度对称分布在角锥周围。
[0013]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述角锥天线周围套筒结构的高度为8?20毫米。
[0014]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述偶极子天线阵在介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵。
[0015]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述偶极子天线阵中，在介质基板中心处放置的圆形贴片。
[0016]根据本发明的全向双极化宽带天线，所述偶极子阵和角锥天线的距离为40?52毫米。
[0017]根据本发明的各实施例提供的一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，本天线包括垂直辐射的角锥天线和水平辐射的偶极子天线阵两部分。角锥天线周围使用圆形套筒结构增强带宽，顶部加载的圆环通过不同直径的金属短路柱与地平面连接。馈电部分采用角锥与通过地平面打孔的SMA接头同轴探针相连。偶极子天线阵在介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形辐射单元，形成对称的偶极子天线阵。中心的圆形贴片和渐变的微带线是平衡不平衡转换器用以调节偶极子的阻抗带宽。通过在圆盘周围加谐振带实现带宽变宽、提高全向辐射方向图圆度的特性。馈电部分采用中心同轴馈电。本发明实施例所述的低剖面全向双极化天线，解决了在室内基站对低剖面全向双极化天线的需求。【附图说明】
[0018]为了更清楚说明本发明的实施例的技术方案，以下将对本发明的实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显然，以下描述中的附图仅用于例示本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图中所示实施例得到其它的实施例及其附图。
[0019]图1是根据本发明的实施例的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的结构示意图。
[0020]图2是根据本发明的实施例的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的频率特性仿真图。
[0021]图33、313、4&、413、4(3、4(1、53、513、5(3、5(1、是根据本发明的实施例的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的两个天线在工作频段内几个频率点的两个主平面(E面和H面)的方向图。[〇〇22]附图标记说明；[〇〇23]11-渐变偶极子天线单元[0〇24]12-偶极子金属谐振带
[0025]13-顶部短路圆环
[0026]14-角锥
[0027]15-金属袖套[〇〇28]16-金属短路柱[〇〇29]h5_角锥整体高度
[0030]h_天线整体高度【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定细节也可以实现本发明的这些方面。
[0032]以下通过具体的实施例对本发明的一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的结构及工作原理进行详细解释。
[0033]本发明提供一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，能够实现宽频、低剖面、 双极化、以及全向辐射的特性。
[0034]根据本发明的实施例，提供一种应用于室内屋顶全向双极化宽带天线，包括以下: [〇〇35]角锥天线；
[0036]所述角锥天线包括地平面、角锥、套筒、顶部圆环以及短路柱。圆形套筒结构围绕在角锥天线周围。角锥顶部加载圆环，其通过六个不同直径的短路柱与地平面短路，从而降低天线高度。馈电部分采用角锥与通过地平面的SMA接头同轴探针相连。[〇〇37]偶极子天线阵[〇〇38]所述偶极子天线阵位于角锥天线上方。在FR4介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵，单个偶极子单元的弧长为四分之一中心频点波长。中心圆形贴片和渐变的微带线是平衡不平衡转换器，用以调节偶极子的阻抗带宽。 在圆盘周围加谐振带增强带宽、提高全向辐射方向图的圆度。
[0039]优选的，所述偶极子天线阵的馈电方式为中心馈电，在偶极子天线阵的中心馈电点焊接同轴线，于偶极子天线阵的地平面将其引出，然后向下穿过角锥天线的短路柱，在角锥天线的地平面与SMA接头相连进行馈电。
[0040]优选的，所述角锥天线顶部加载的短路环，其环内径和顶部偶极子的介质板半径相同。
[0041]优选的，所述短路环采用的是介电常数4.4的射频板材，上下两层为金属贴片。 [〇〇42]优选的，所述角锥天线采用六个短路柱连接地平面和顶部环形贴片，分别以60度的角度对称分布在角锥周围。[〇〇43]优选的，所述角锥天线周围套筒结构的高度为8?20毫米。
[0044]优选的，所述偶极子天线阵在介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵。
[0045]优选的，所述偶极子天线阵中，在介质基板中心处放置的圆形贴片。[〇〇46]优选的，所述偶极子阵和角锥天线的距离为40?52mm。
[0047]下面通过一具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0048]实施例1
[0049]图1是根据本发明的实施例的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的结构示意图。其包含有:
[0050]角锥天线
[0051]如图1所示，由于单锥天线与加载在角锥周围的袖套结构的耦合，袖套内壁有与单锥相反的电流分布，外壁为相同的电流分布，从而使得天线的带宽增强。在角锥顶部加载短路贴片会降低角锥高度。由于角锥天线和偶极子天线之间存在互耦，会干扰彼此特性，为了降低对偶极子天线阵的干扰，将顶部加载的短路平面挖掉一个与偶极子介质板相同半径的圆，形成一个圆环。连接短路贴片和金属地平面的短路柱，会影响天线阻抗带宽的低频特性，低频时电流主要分布在短路柱和角锥底部馈电点处。
[0052]偶极子天线阵
[0053]采用旗子形状的元素在介质板两边镜像对称，形成偶极子单元，其总长度为中心频点的半波长。将偶极子单元绕Z轴依次旋转90度、180度、270度形成顺时针旋转的偶极子天线阵。利用渐变的传输线和中心贴片形成平衡不平衡装换器。介质板两侧的圆形贴片可以有效的调节偶极子的阻抗带宽。为了调节偶极子天线的方向图的不圆度，在辐射单元周围加载谐振带来调节天线的方向图，且其具有增宽带宽的特性。[〇〇54]如图1所示，本案例中将水平偶极子天线放在垂直极化的角锥天线上方。由于两个天线存在互耦，一般将其之间的间距设为V4。两天线结合到一起，彼此会受到互耦影响，角锥天线阻抗带宽会向高频偏移，偶极子天线阵特性会受到两天线间距之间的影响。
[0055]本发明已经进行了多次试验，仿真实施试验的情况证明了本发明提供的全向双极化宽带天线的优越性。
[0056]图2是根据本发明的实施例的全向双极化宽带天线的频率特性实测图。[〇〇57]参见图2,其中显示出本发明实施例的频率特性，S卩，回波损耗参数的实验结果。图 2中的横坐标为频率分量，单位为GHz ;纵坐标为回波损耗参数的幅度分量，单位为dB。本发明的实施例中，所述全向双极化宽带天线垂直极化的角锥天线工作频段为0.87?2.75GHz; 水平极化的偶极子天线工作频段为1.59?2.87GHz。在工作频带内两个天线之间的隔离小于39dB，性能良好。[〇〇58] 图33、313、4&、413、4(3、4(1、53、513、5(3、5(1、是根据本发明的实施例的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线的两个天线在工作频段内几个频率点的两个主平面(E面和H面)的方向图。图3a、3b为角锥天线在0.88GHz E平面和H平面的方向图，图4a、4b为角锥天线在 2.2GHz E平面和H平面的方向图，图4c、4d为偶极子天线阵天线在2.2GHz E平面和H平面的方向图，图5a、5b为角锥天线在2.7GHz E平面和H平面的方向图，图5c、5d为偶极子天线阵天线在2.7GHz E平面和H平面的方向图。
[0059]参见图 33、313、4&、413、4(3、4(1、53、513、5(3、5(1、显示出本发明的实施例在0.886取、 2.2GHz、2.7GHz这几个主要频点上的两个天线元素的主平面方向图、以及两个主平面上方向图不圆度的对比。从图中可以看出，本发明的实施例在几个主要工作频点上的两个天线元素在主平面方向图的圆度<_3dB，实现了全向辐射的效果，因此，本发明各实施例具有良好的性能，实现了发明目的。
[0060]本发明提供了一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，采用结合偶极子天线阵元素和角锥天线元素，实现水平极化和垂直极化相结合。调节两天线之间的距离，使其在不影响偶极子天线阵元素的情况下，角锥天线不仅能够实现103%的带宽，而且在工作频带内天线的主平面H面-3dB波束带宽最大相差2.25度。与此同时，偶极子天线实现57%的带宽，而且在工作频带内天线的主平面E面-3dB波束带宽最大相差0.76度，实现了全向辐射特性。两个天线在工作频带的隔离不低于39dB。将偶极子天线的馈电同轴线通过角锥天线的短路铜柱连接到角锥天线的地平面。使得在角锥天线的地平面使用两个无线电天线接口 SMA馈电，与其他同类天线相比，结构简单，功能实用，易于封装。
[0061]根据本发明的各实施例提供的应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，能够实现双极化、宽带特性的同时实现全向的辐射特性。
[0062]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线，其特征在于，该天线结构包括垂直极 化的角锥和水平极化的偶极子天线阵两部分。角锥天线所述角锥天线包括地平面、角锥、套筒、顶部圆环以及短路柱。圆形套筒结构围绕在角 锥天线周围。角锥顶部加载圆环，其通过六个不同直径的短路柱与地平面短路，从而降低天 线高度。馈电部分采用角锥与通过地平面的SMA接头同轴探针相连。偶极子天线阵所述偶极子天线阵位于角锥天线上方。在FR4介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧 形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵，单个偶极子单元的弧长为四分之一中心频点波 长。中心圆形贴片和渐变的微带线是平衡不平衡转换器，用以调节偶极子的阻抗带宽。在圆 盘周围加谐振带增强带宽、提高全向辐射方向图的圆度。2.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述偶极子天线 阵的馈电方式为中心馈电，在偶极子天线阵的中心馈电点焊接同轴线，于偶极子天线阵的 地平面将其引出，然后向下穿过角锥天线的短路柱，在角锥天线的地平面与SMA接头相连进 行馈电。3.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述角锥天线顶 部加载的短路环，其环内径和顶部偶极子的介质板半径相同。4.根据权利要求3所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述短路环采用的是介电常数4.4的射频板材，上下两层为金属贴片。5.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述角锥天线采 用六个短路柱连接地平面和顶部环形贴片，分别以60度的角度对称分布在角锥周围。6.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述角锥天线周 围套筒结构的高度为8?20毫米。7.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述偶极子天线 阵在介质基板的两侧分别顺时针排列四个弧形的辐射单元，形成对称的偶极子天线阵。8.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述偶极子天线 阵中，在介质基板中心处放置的圆形贴片。9.根据权利要求1所述的全向双极化宽带天线的设计方案，特征在于，所述偶极子阵和 角锥天线的距离为40?52mm。
【文档编号】H01Q21/24GK106099325SQ201610375011
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】苏明, 白霞, 刘元安, 王卫民, 吴永乐, 黎淑兰, 于翠屏
【申请人】北京邮电大学