宽带天线阵元、宽带双极化天线及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种宽带天线阵元、宽带双极化天线及其系统，宽带天线阵元包括至少两个的级联的对称振子，馈电结构以及连接两侧振子的振子臂与地板之间的金属构件；各个振子的长度互不相同，馈电结构为倒“J”型结构，两侧的微带馈线尾部横向联通，构成馈电结构的与地板平行的联通部分，馈电结构的终端与地板构成物理上的开路，馈电结构与金属构件构成微带传输线，对振子进行平衡馈电；天线的馈电方向由一侧的金属构件连接地板接口处开始向振子方向馈电，跨过馈电结构的联通部分，由另一侧的金属构件延伸至馈电结构的终端。本发明可以实现阻抗匹配频带的展宽，同时结合振子间耦合加载的作用，只要调整好带内的阻抗匹配，实现所需的宽带性能。
【专利说明】宽带天线阵元、宽带双极化天线及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动通信的基站天线【技术领域】，特别是涉及一种宽带天线阵元、宽带双极化天线及其系统。
【背景技术】
[0002]随着第三代移动通信技术已经发展成熟和广泛商用，第四代移动通信技术也开始发展，未来移动通信中，多代系统将在一个比较长的时间内共存。因此为了节省基站的站址安装资源，减少网络建设成本，移动通信基站系统被要求同时兼容多种通信标准，覆盖多种移动通信频段。
[0003]天线作为移动通信基站系统中信号转换的重要接口，其性能将对整个基站系统的性能有决定性的作用，因此能覆盖工作相应的宽频带，且辐射参数稳定的天线阵元显得很重要。
[0004]现有的多代系统覆盖的天线方案，主要是通过T型振子的技术方案，并在此基础上所做的技术方案的改进，例如专利申请号为200620018845.4的专利文献中，提供了一种工作频率为800ΜΗζ/900ΜΗζ的空气耦合T型振子基站天线解决方案，所设计空气耦合T型振子由两个半振子和馈电微带巴伦组合构成，其中两个半T型振子臂通过下侧的一体化结构底板构成振子臂互为直角的半振子，两个半振子由连接组合构件与形成直角交叉的两个Π型馈电微带巴伦连接片定为固定，并在每个振子臂顶部套有定位板。
[0005]上述的结构利用Π型馈线耦合的方式，虽然在一定程度上改善了 T型振子原有的窄带阻抗匹配，使振子工作于800ΜΗζ/900ΜΗζ频段，但目前的移动通信系统中对于频带的要求来说，上述结构的振子的相对带宽仍然过窄，无法适应新一代移动通信技术中对于振子带宽的需求。
【发明内容】
[0006]基于此，有必要针对现有天线的振子的相对带宽仍然过窄的问题，提供一种可以获得更高带宽的宽带天线、包括宽带天线阵元、宽带双极化天线及其系统。
[0007]—种宽带天线阵元，包括:至少两个的级联的对称振子，馈电结构以及连接两侧振子的振子臂与地板之间的金属构件；
[0008]各个振子的长度互不相同，馈电结构为倒“J”型结构，两侧的微带馈线尾部横向联通，构成馈电结构的与地板平行的联通部分，馈电结构一侧的终端与地板构成物理上的开路，馈电结构与金属构件构成微带传输线，对振子进行平衡馈电；
[0009]天线的馈电方向由一侧的金属构件连接地板接口处开始向振子方向馈电，跨过馈电结构的联通部分，由另一侧的金属构件延伸至馈电结构的终端。
[0010]上述宽带天线阵元通过级联多个长度互不相同的振子的方式，为天线的工作构造了多个谐振路径，馈电结构为平衡馈电的结构，采用倒“J”型平面馈电方式，可以根据带宽的需求选择级联的振子数量，不同长度的振子在工作频带内产生不重合的谐振点，多个谐振点叠加后将覆盖较宽的频带，在所需的工作频带内引入了多个谐振点，从而实现阻抗匹配频带的展宽，同时可以结合振子间耦合加载的作用，只要调整好带内的阻抗匹配，就可以实现所需的宽带性能。
[0011]一种宽带双极化天线，包括两个如上述的宽带天线阵元，两个宽带天线阵元正交放置组合，实现-45°与+45°的双极化性能。
[0012]上述宽带双极化天线，由两个单极化天线正交组合后所构成，使得通过正交放置方式组合的两个单极化天线的振子成为所需要性能相同的双极化振子，以一个极化方向上的振子与馈线为单位，通过正交放置两个单极化天线的方式，可以实现-45°与+45°的双极化性能。
[0013]一种宽带双极化天线系统，包括如上述的宽带双极化天线和地板，宽带双极化天线设于地板上，宽带双极化天线的馈电端口设于馈电结构的一侧接近地板的终端。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的宽带天线阵元的结构示意图；
[0015]图2为馈电结构的结构示意图；
[0016]图3为一个实施例的宽带天线阵元的结构示意图；
[0017]图4、图5为正交放置组合的两个宽带天线阵元的结构示意图；
[0018]图6为宽带双极化天线正交放置组合的立体示意图；
[0019]图7为宽带双极化天线的回波损耗的仿真效果图；
[0020]图8为本发明的宽带双极化天线系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的宽带天线阵元、宽带双极化天线及宽带双极化天线系统的【具体实施方式】作详细描述。
[0022]实施例一
[0023]本发明的宽带天线阵元包括:至少两个的级联的对称振子10，馈电结构20以及连接振子臂10a、IOb与地板30之间的金属构件40。参考图1所示，图1为宽带天线阵元的结构示意图，图中以3个振子为例。
[0024]各个振子10的长度互不相同，馈电结构20为倒“J”型结构，两侧的微带馈线20a、20b尾部横向联通，构成馈电结构20的与地板30平行的联通部分20c，馈电结构的微带馈线20b部分的终端与地板30构成物理上的开路，馈电结构20与金属构件40构成微带传输线，对振子10进行平衡馈电。
[0025]天线的馈电方向由一侧的金属构件40a连接地板30接口处开始向振子10方向馈电，跨过馈电结构20的联通部分20c，由另一侧的金属构件40b延伸至馈电结构20的终端。
[0026]本发明的宽带天线阵元通过级联多个长度互不相同的振子的方式，为天线的工作构造了多个谐振路径，馈电结构为平衡馈电的结构，采用倒“J”型平面馈电方式，将同轴线的不平衡馈电转换为平衡馈电，实现对振子进行平衡馈电。天线可以根据带宽的需求选择级联的振子数量，不同长度的振子在工作频带内产生不重合的谐振点，多个谐振点叠加后将覆盖较宽的频带，在所需的工作频带内引入了多个谐振点，从而实现阻抗匹配频带的展宽，同时可以结合振子间耦合加载的作用，只要调整好带内的阻抗匹配，就可以实现所需的宽带性能。
[0027]作为其中一种实施方式，参考图2所示，图2为馈电结构的结构示意图，所述馈电结构的拐角处外侧为切角形状设计(参见虚线框内部分)。其中，切角的形状根据天线的阻抗匹配来决定，在实际应用是可以进行调整，在本实施例中，通过切角形状设计，可以对振子10的阻抗参数进一步进行匹配，从而可以实现所需的宽频带功能。
[0028]进一步地，如图2所示，馈电结构20上还可以设置阶梯阻抗变换器。优选的，在馈电结构的两侧20a、20b上分别设置有阶梯阻抗变换器50a和阶梯阻抗变换器50b。本实施例中，通过阶梯阻抗变换器50，用于对振子10的阻抗参数进一步进行匹配，实现所需的宽频带功能。在实际应用中，馈电结构20可以同时合理地利用拐角处的切角形状及阶梯阻抗变换器对振子阻抗参数进行匹配，最终实现所需要的宽频带性能。
[0029]另外，本发明的宽带天线阵元的还可以包括金属构件40连接的地板30，地板30与金属构件40可以以焊接方式连接。
[0030]进一步地，参考图3所示，本发明提供的宽带天线阵元还可以包括垂直于地板30的介质基板60,其中，宽带天线的振子10及金属构件40印刷在介质基板60的其中一个板面上(参见图3-1)，馈电结构20印刷在介质基板60的另一个板面上(参见图3-2)。
[0031]上述宽带天线，是一种垂直结构的宽带天线阵元，天线的振子单元与馈线分别被印刷在介质基板的两个面上，与铸件形式的垂直结构基站天线阵元比较，本发明的宽带天线利用平面印刷天线结构，大大降低了加工成本及天线重量，同时使用介质基片作为承载的方式对介质基板进行了有效的利用，降低了空气耦合馈线的安装难度，有利于生产的便利性及成本的控制。
[0032]实施例二
[0033]本发明的宽带双极化天线包括两个宽带天线阵元，两个宽带天线阵元正交放置组合，实现-45°与+45°的双极化性能。
[0034]进一步地，基于印刷在介质基板60的宽带天线，两个宽带天线阵元的馈电结构20的联通部分20c的高度错开；参考图4、图5所示，图示宽带天线阵元是以2个振子为例，如图4所示，联通部分20c的高度较低的宽带天线阵元，其介质基板60的中线上靠近振子10的一侧通过开槽的方式构成用于组装固定的榫位601 (参见虚线框内部分)，联通部分的高度较高的宽带天线，其介质基板60的中线上靠近地板30的一侧通过开槽的方式构成用于组装固定的榫位602 (参见虚线框内部分)，两个宽带天线阵元的榫位正交放置组合，参考图6所示，图6为正交放置组合的宽带天线阵元(A、B)示意图。
[0035]本发明的宽带双极化天线，由两个宽带天线阵元正交组合后所构成，在两块介质基板上通过开槽的方式构成榫位，用于组装固定，在正交放置时，通过将两个极化方向上振子的馈电结构错开，两个极化方向的振子的馈电部分高度不同，避免馈线与另一极化方向上的振子短路，在实现宽带双极化天线时，通过馈线部分的调整获得两个性能相似的振子，最后通过正交放置两个宽带天线阵元的方式获得性能满足要求的双极化振子，以一个极化方向上的振子与馈线为单位，通过正交放置两个宽带天线阵元的方式，可以实现-45°与+45°的双极化性能。
[0036]进一步地，如图4所示，联通部分的高度较低的宽带天线阵元，其两侧的金属构件40的两边设有对称的凹槽401。通过对金属构件的形状的调整，有助于获得两个性能相似的振子。
[0037]参考图7所示，图7为宽带双极化天线的回波损耗的仿真效果图，纵坐标的sll表示测的是网络的回波损耗值，横坐标表示回波损耗的衰减值(freq)，从图中可以看出，对应为+45°极化的宽带天线阵元的天线的相对带宽为45.2%。，实现了所需的宽带性能。
[0038]实施例三
[0039]参见图8所示，图8为宽带双极化天线系统的结构示意图，该宽带双极化天线系统包括上述的宽带双极化天线和地板30，宽带双极化天线设于地板30上，宽带双极化天线的馈电端口 201设于馈电结构20的一侧接近地板30的终端。
[0040]进一步地，宽带双极化天线系统还可以包括同轴线，所述宽带双极化天线的馈电端口通过同轴线与基站连接。
[0041]本发明的技术通过多节振子级联的方式为不同的工作频点提供了不同的独立谐振路径，并结合由拐角和阶梯阻抗变换器构成的倒“J”型馈线的应用，在工作频带内引入了多个谐振点，最终实现了宽带性能。同时，使用以介质基片为基础的平面阵元结构，简化了馈线与振子耦合在实现中的误差，保证了不同天线阵元间性能的一致性，为LTE(Long TermEvolution，长期演进)系统提供了一种可以实现宽带匹配的平面阵元解决方案。
[0042]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种宽带天线阵元，其特征在于，包括:至少两个的级联的对称振子，馈电结构以及连接两侧振子的振子臂与地板之间的金属构件； 各个振子的长度互不相同，馈电结构为倒“J”型结构，两侧的微带馈线尾部横向联通，构成馈电结构的与地板平行的联通部分，馈电结构一侧的终端与地板构成物理上的开路，馈电结构与金属构件构成微带传输线，对振子进行平衡馈电； 天线的馈电方向由一侧的金属构件连接地板接口处开始向振子方向馈电，跨过馈电结构的联通部分，由另一侧的金属构件延伸至馈电结构的终端。
2.根据权利要求1所述的宽带天线阵元，其特征在于，所述馈电结构的拐角处外侧为切角形状设计。
3.根据权利要求1所述的宽带天线阵元，其特征在于，馈电结构上设置有阶梯阻抗变换器。
4.根据权利要求3所述的宽带天线阵元，其特征在于，馈电结构的两侧分别设置有阶梯阻抗变换器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的宽带天线阵元，其特征在于，还包括垂直于地板的介质基板，其中，宽带天线阵元的振子及金属构件印刷在介质基板的其中一个板面上，馈电结构印刷在介质基板的另一个板面上。
6.一种宽带双极化天线，其特征在于，包括两个如权利要求6所述的宽带天线阵元，两个宽带天线阵元正交放置组合，实现-45°与+45°的双极化性能。
7.根据权利要求6所述的宽带双极化天线，其特征在于，两个宽带天线阵元的馈电结构的联通部分的高度错开； 联通部分的高度较低的宽带天线阵元，其介质基板的中线上靠近振子的一侧通过开槽的方式构成用于组装固定的榫位，联通部分的高度较高的宽带天线阵元，其介质基板的中线上靠近地板的一侧通过开槽的方式构成用于组装固定的榫位，两个宽带天线阵元的榫位正交放置组合。
8.根据权利要求7所述的宽带双极化天线，其特征在于，联通部分的高度较低的宽带天线阵元，其两侧的金属构件的两边设有对称的凹槽。
9.一种宽带双极化天线系统，其特征在于，包括如权利要求6至8任一项所述的宽带双极化天线和地板，宽带双极化天线设于地板上，宽带双极化天线的馈电端口设于馈电结构的一侧接近地板的终端。
10.根据权利要求9所述的宽带双极化天线系统，其特征在于，还包括同轴线，所述宽带双极化天线的馈电端口通过同轴线与基站连接。
【文档编号】H01Q21/24GK103700926SQ201310737460
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】褚庆昕, 徐宁, 涂治红, 董锦渊 申请人:广州杰赛科技股份有限公司, 华南理工大学