一种十六分之一波长超低剖面双极化振子单元及基站天线的制作方法
本发明涉及天线及通讯技术领域，具体涉及一种十六分之一波长超低剖面双极化振子单元及基站天线。
背景技术：
基站天线是移动通信系统中，用户终端与基站的空中电气桥梁，是整个天馈系统中最关键的部件，基站天线的质量直接影响通信质量。随着通信技术的发展，基站选址和布局愈发困难，小区愈发密集。因此基站天线的小型化迫在眉睫。
现有小型化基站天线主要存在的缺点在于，实现形式及组装工艺复杂，多采用金属压铸振子实现，需要复杂的馈电网络，比如需要使用4根同轴电缆实现馈电。即便采用pcb印刷工艺实现的宽带天线，在低剖面即八分之一波长(天线距离反射板高度小于等于八分之一波长)的结构形式下，难以实现在宽频带(690-960mhz或者1710-2700mhz)条件下，电气性能指标满足基站天线行业标准的要求。而十六分之一波长的超低剖面双极化基站天线，尚未见到相关报道。
技术实现要素：
针对现有技术中的天线难以达到十六分之一波长的超低剖面的问题，本发明提供了一种十六分之一波长超低剖面双极化振子单元，包括有振子组件以及用于对所述振子组件进行馈电的巴伦支撑部，所述振子组件包括有介质基板和设置有所述介质基板上的辐射片；所述辐射片包括：
两对偶极子天线臂，呈正负45°正交布置在所述介质基板的正面；所述偶极子天线臂靠近正交中心的一端为馈电端，每个所述偶极子天线臂上远离正交中心的终端上设置有向相邻偶极子天线一侧延伸的凸起枝节；
四个金属带，布置在所述介质基板的背面；四个所述金属带分别位于相邻偶极子天线臂下方，且所述金属带在每个凸起枝节上存在相同的投影重叠区域，所述凸起枝节与所述金属带之间耦合形成电流通路。
较佳地，每个偶极子天线臂上设置有开槽，所述开槽上远离正交中心的一端开口；所述开槽靠近馈电端的宽度大于开口端的宽度。
较佳地，每个偶极子天线臂上均设置有两个所述凸起枝节，所述开口的两端上均延伸有一所述凸起枝节，且两凸起枝节关于所述开槽对称设置；相邻偶极子天线上相对的两凸起枝节沿中轴线呈镜像对称设置。
较佳地，所述介质基板呈正方形，所述凸起枝节、所述金属带沿所述介质基板的边缘设置。
较佳地，所述金属带的两端分别位于相邻偶极子天线臂上的凸起枝节的下方。
较佳地，所述金属带呈“t”型。
较佳地，四个所述金属带的两端分别延伸至相邻偶极子天线臂上开口端部的下方，且相互连接构成一矩形框。
较佳地，相邻偶极子天线之间相互靠近形成窄缝，实现两对偶极子天线臂之间的正交极化的强耦合。
较佳地，所述巴伦支撑部的高度为工作中心波长的十六分之一。
较佳地，所述巴伦支撑部包括有相互正交连接的第一巴伦支撑臂和第二巴伦支撑臂，所述第一巴伦支撑臂和第二巴伦支撑臂分别为两对偶极子天线臂馈电；所述第一巴伦支撑臂和第二巴伦支撑臂的一侧上设置有与所述偶极子天线臂的馈电连接或耦合的微带线巴伦，另一侧上设置有与所述偶极子天线臂的馈电点连接或耦合的巴伦地线。
较佳地，所述第一巴伦支撑臂和所述第二巴伦支撑臂的中心处分别设置有第一卡槽和第二卡槽，所述第一巴伦支撑臂和所述第二巴伦支撑臂通过第一卡槽和第二卡槽相互配合卡接在一起。
较佳地，所述第一巴伦支撑臂和第二巴伦支撑臂的上端均设置有用于与所述偶极子天线臂焊接固定的焊接支撑点。
本发明还提供了一种基站天线，包括有功率分配板、反射板和至少一个以上所述的十六分之一波长超低剖面双极化振子单元，所述巴伦支撑部设置在所述功率分配板的上表面，所述反射板设置在所述功率分配板的上表面或下表面。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、本发明提供的十六分之一波长超低剖面双极化振子及基站天线中，四个金属带与凸起枝节之间投影的重叠区域可以引导偶极子天线臂上的电流感应到下方的金属带，从而实现电磁耦合，形成电流通路，完成辐射，并且提高了振子的前后比和交叉极化比；
2、本发明提供的十六分之一波长超低剖面双极化振子及基站天线中，通过凸起枝节的设置，进一步加强了振子组件正面的偶极子天线与背面的金属带之间的耦合，有利于引导电流流向偶极子天线臂的开口处；适当的调整凸起枝节的尺寸有利于实现整个工作频带内的阻抗匹配，实现超宽带工作；
3、本发明提供的十六分之一波长超低剖面双极化振子及基站天线中，相邻偶极子天线臂之间靠近形成很窄的缝隙，窄缝的形成有利于实现两路正交极化的强耦合，将两路极化的偶极子天线臂表面电流集中于缝隙两侧，且电流方向相反，实现在空中远场上的低交叉极化特性，提高了在整个工作频段内的隔离度；这与常规基站天线中的正交振子间隙越大隔离度越好的理论相反，而这恰是能实现超低剖面的关键；
4.本发明提供的十六分之一波长超低剖面双极化振子及基站天线中，每个偶极子天线臂上设置有开槽，且靠近馈电端的开槽的宽度大于靠近终端的开槽；馈电处的较大开槽，用于保证馈电点附近的大电流尽可能的流向偶极子天线臂两边缘，便于集中在相邻两偶极子天线臂之间的窄缝隙附近，同时在振子臂末端的较窄开槽，保证末端的电流尽可能的集中，可以改善前后比和交叉极化比；
综合以上4个点，加上精细优化设计的辐射振子尺寸，实现了超低剖面，将传统结构下的0.25波长天线高度降低到0.0625波长，并整体减小了天线的高度尺寸；同时保证了天线具有超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度的特点。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为本发明中十六分之一波长超低剖面双极化振子单元的结构示意图；
图2为实施例1中振子组件的正面示意图；
图3为实施例1中振子组件的反面示意图；
图4为实施例1中金属带投影到振子组件上的示意图；
图5为实施例1中第一巴伦支撑臂的正面示意图；
图6为实施例1中第一巴伦支撑臂的反面示意图；
图7为实施例1中第二巴伦支撑臂的正面示意图；
图8为实施例1中第二巴伦支撑臂的反面示意图；
图9为实施例2中振子组件的结构示意图；
图10为实施例3中振子组件的结构示意图；
图11为实施例4中振子组件的结构示意图；
图12为实施例5中本发明提供的基站天线的结构示意图；
图13为实施例5中功率分配板的结构示意图
图14为基站天线中反射板具有翻边的结构示意图；
图15为本发明实施例中基站天线的驻波比示意图；
图16为本发明实施例中基站天线的隔离度示意图；
图17为本发明实施例中基站天线的水平面波束宽度示意图；
图18为本发明实施例中基站天线的水平面前后比和交叉极化比示意图；
图19为本发明实施例中基站天线的增益曲线示意图。
具体实施方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
传统天线理论认为，定向天线为了实现良好辐射，需要满足辐射面距离底部反射板四分之一波长的间距要求，以实现反射波在辐射面的同相叠加，这是受到普通金属导体的180度反射相位的理论限制。传统天线如果不做任何创新设计，单纯的降低到十六分之一高度，均会不同程度的造成阻抗带宽及方向图带宽恶化，交叉极化比尤其差。而其他现有的一些结束采取的超材料技术、高介电常数的厚介质衬底基板等等，均是为了突破180度反射相位，实现近似的零反射相位，从而降低天线的高度，实现低剖面，然而实际效果并不理想。
本发明采用一种全新的设计，从工程实用性角度出发，不增加任何成本的情况下，实现传统基站天线的真正意义上的超低剖面设计，满足基站天线行业标准，用于基站天线的小型化设计，实现更紧凑小巧的结构。
具体的，本发明提供了一种十六分之一波长超低剖面双极化振子单元，以及采用该十六分之一波长超低剖面双极化振子单元的基站天线；十六分之一波长超低剖面双极化振子单元包括有包括有振子组件以及用于对所述振子组件进行馈电的巴伦支撑部，振子组件包括有介质基板和设置有所述介质基板上的辐射片，辐射片包括两对偶极子天线臂和四个金属带；两对偶极子天线臂呈正负45°正交布置在介质基板的正面；偶极子天线臂靠近正交中心的一端为馈电端，每个偶极子天线臂上远离正交中心的终端上设置有向相邻偶极子天线一侧延伸的凸起枝节；四个金属带置在介质基板的背面，四个金属带分别位于相邻偶极子天线臂下方，且金属带在每个凸起枝节上存在相同的投影重叠区域，凸起枝节与金属带之间耦合形成电流通路。
本发明发明提供的十六分之一波长超低剖面双极化振子单元，通过对振子组件上偶极子辐射臂以及金属带的设置，在将高度降低到十六分之一波长的情况下，依旧能够实现超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度的要求，从而实现了超低剖面；而且结构简单美观，易于工程实现，适合大批量生产，降低生产成本，电气性能指标满足普通宏基站天线行业标准。
下面就具体实施例作进一步的说明：
实施例1
参照图1-8，本实施例提供了一种双极化振子单元，包括有振子组件1和巴伦支撑部，巴伦支撑部设置在振子组件1的下方，且相互垂直连接。
振子组件1包括有介质基板101，介质基板101的正面(即背向巴伦支撑部的一面)上设置有四个偶极子天线臂102-105，反面设置有四个金属带110。具体的，介质基板101可以为pcb板(印刷电路板)制成，偶极子天线臂102-105直接印刷在介质基板101的上表面上，金属带110直接印刷在介质基板101上，在本实施例中偶极子天线臂和金属带具体可为印刷金属铜层。
在本实施例中，四个偶极子天线臂构成两对，且两对偶极子天线臂呈正负45°正交布置，正45°为一对，负45°为一对，即偶极子天线臂105与偶极子天线臂103为一对，偶极子天线臂104和偶极子天线臂102为一对，每对偶极子天线臂在相对的对角位置，构成两路极化正交，如图2中所示。每个偶极子天线臂靠近正交中心的一端为馈电端(即如图2中109处所示)与巴伦支撑部之间实现馈电，在远离正交中线的一端断开，即为终端。
其中，相邻偶极子天线臂之间靠近形成很窄的缝隙，即图2中的窄缝106；窄缝的形成有利于实现两路正交极化的强耦合，将两路极化的偶极子天线臂表面电流集中于缝隙两侧，实现在空中远场上的低交叉极化特性，提高了在整个工作频段内的隔离度；这与常规基站天线中的正交振子间隙越大隔离度越好的理论相反，而这恰是能实现超低剖面的关键。
在本实施例中，如图2中所示每个偶极子天线臂上还设置有开槽108，开槽108位于正交中心线上，开槽108自馈电端延伸到终端并在终端断开。进一步的，靠近馈电端的开槽108的宽度大于靠近终端的开槽108；馈电端的开槽较宽，可以使得馈电点处的强电流往开槽两侧分流，这就造成相邻偶极子天线臂的电流较强，且相邻偶极子天线臂上的电流方向相反，配合相邻偶极子天线臂之间的窄缝106的作用，极大的削弱了交叉极化分量，降低了两路极化通道之间的耦合；根据偶极子天线原理，振子臂上的电流强度从馈电点到末端逐渐减弱，因此振子臂末端辐射强度最低，为了加强末端辐射，需要加大末端电流强度，偶极子天线臂末端的开槽较窄形成窄缝隙，使得末端电流更加集中于窄缝隙两侧，进一步加强辐射效果，提高增益，同时较窄的开槽集中的电流使得后向辐射降低，提高了天线的前后比。
在本实施例中，每个偶极子天线臂上还加载有凸起枝节107；具体的，每个偶极子天线上均设置有两个凸起枝节107，两凸起枝节107设置在偶极子天线上开口的两侧并向相邻的偶极子天线臂一侧延伸设置，凸起枝节107与偶极子天线臂连为一体；同一偶极子天线臂上加载的两个凸起枝节107关于开槽108对称设置，相邻偶极子天线上的相对的两凸起枝节107沿中轴线(90°轴线或0°轴线)呈镜像对称设置，且相邻偶极子天线上相对的两凸起枝节断开，没有电连接。本发明通过凸起枝节的设置，进一步加强了振子组件正面的偶极子天线臂与背面的金属带110之间的耦合，有利于引导电流流向偶极子天线臂的开口处；适当的调整凸起枝节的尺寸有利于实现整个工作频带内的阻抗匹配，实现超宽带工作。
其中，凸起枝节107可以为如图2中所示的矩形，也可以为直角梯形或者其他的几何形状，此处不做限制。
在本实施例中，介质基板的背面布置有四个金属带110，金属带110沿辐射面中心呈90°分布；参照图4，从振子组件的正面投影来看，金属带110与偶极子天线臂上的凸起枝节存在重叠区域，且每个金属带与每个凸起枝节间投影的重叠区域相同；在本实施例中，金属带的两端分别位于相邻偶极子天线臂上相对的凸起枝节的下方，当然在其他实施例中，金属带的两端还可延长，此处不做限制。
进一步的，四个金属带与凸起枝节之间投影的重叠区域可以引导偶极子天线臂上的电流感应到下方的金属带，从而实现电磁耦合，形成电流通路，完成辐射，并且提高了振子的前后比和交叉极化比；另外，本发明将金属天线与偶极子天线臂上的凸起枝节之间的投影重合区域设置为相同，可以实现双极化振子单元的辐射图形绕中心点呈旋转对称的效果，进而实现±45°两路极化方向图的一致性。
在本实施例中，介质基板呈正方形，凸起枝节均沿着介质基板正面的边缘设置，金属带沿着介质基板背面的边缘设置。当然，在其他实施例中介质基板的形状也不局限于以上所说，此处不做限制。
在本实施例中，巴伦支撑部的高度为工作中心波长的十六分之一，实现低剖面。
进一步的，巴伦支撑部包括有相互正交连接的第一巴伦支撑臂201和第二巴伦支撑臂202，第一巴伦支撑臂201和第二巴伦支撑臂022分别为两对偶极子天线臂馈电；第一巴伦支撑臂201和第二巴伦支撑臂202的一侧上设置有与偶极子天线臂的馈电端连接或耦合的微带线巴伦，另一侧上设置有与偶极子天线臂的馈电端连接或耦合的巴伦地线。其中，第一巴伦支撑臂201为偶极子天线臂105、103馈电，第二巴伦支撑臂202为偶极子天线臂102、104馈电。
结合图5-8，第一巴伦支撑臂201的中间竖向设置有第一卡槽2012，第一卡槽2012的槽口朝向下侧，第二巴伦支撑臂202的中间竖向设置有第二卡槽2022，第二卡槽2022的槽口朝向上侧；第一巴伦支撑臂201与第二巴伦支撑臂202之间通过第一卡槽2012与第二卡槽2022配合卡接在一起，以实现正交连接。当然，第一巴伦支撑臂201与第二巴伦支撑臂202之间的正交连接方式，并不局限于以上所述，此处不做限制。
第一巴伦支撑臂201和第二巴伦支撑臂202的上端还均设置有两焊接支撑点2013、2023，便于巴伦支撑部与振子组件的支撑连接；第一巴伦支撑臂201上的两焊接支撑点2013分别连接偶极子天线臂105、103的馈电端，第二巴伦支撑臂202上的两焊接支撑点2023分别连接偶极子天线臂102、104的馈电端。
再参照图5-6，设置在第一巴伦支撑臂201正面的微带线巴伦2011呈
再参照图7-8，设置在第二巴伦支撑臂201正面的微带线巴伦2021也呈
实施例2
参照图9，本实施例是在实施例1的基础上进行的修改。
具体的，在本实施例中，四个金属带110a的两端分别延伸至相邻偶极子天线臂上开口端部的下方，且相互连接构成一矩形框，适当的调整尺寸参数可达到实施例1中金属带的效果。
实施例3
参照图10，本实施例是在实施例1或2的基础上进行的修改。
具体的，在本实施例中，偶极子天线臂呈圆弧花瓣形，适当的调整尺寸参数可达到实施例1中所示的偶极子天线臂的效果。
实施例4
参照图11，本实施例是在实施例1或3的基础上进行的修改。
具体的，在本实施例中，金属带110b呈“t”型，金属带110b的横向部分相当于实施例1中的金属带，金属带110b的竖向部分位于相邻偶极子天线臂之间；适当的调整尺寸参数，可达到实施例1中金属带的效果。
实施例5
参照图12，本发明还提供了一种基站天线，包括至少一个实施例1或实施例2或实施例3或实施例4所述的十六分之一波长超低剖面双极化振子单元，以及功率分配板3、反射板4。巴伦支撑部2设置在功率分配板3的上表面，反射板4设置在功率分配板3的上表面或下表面。基站天线还包括有天线罩(图中未示出)，所述天线罩罩住所述基站天线用于进行保护。
其中，十六分之一波长超低剖面双极化振子单元由振子组件1和巴伦支撑部2构成，此处不再赘述。
其中，功率分配板3由印刷电路板制成，如图13中所示；采用更多的功率分配板3和振子单元，将实现更多单元，不同增益及波束宽度的基站天线。
其中，反射板4的两边可无需垂直翻边，如图12中所示，也可以设置有垂直翻边，用于调整天线的水平面波束宽度，如图14中所示，此处不做限制。
此外，整体组装方式上，振子单元可以先与功率分配板3安装，然后整体与反射板4通过螺钉或者铆钉固定，此种情况下功率分配板2位于反射板正面；当然，也可以将功率分配板3置于反射板4背面，这种情况下：先将功率分配板3通过螺钉或者铆钉固定于反射板4背面，然后将振子组件单元穿过反射板4上的槽位，实现背面安装；具体的安装方式可根据具体情况来进行调整，此处不做限制，这取决于具体的安装方式。
本发明提出的超低剖面基站天线，结构组装部件及实现形式与常规宏基站天线没有差异，没有增加任何额外的部件及工艺复杂性；与现有技术相比，通过创新的辐射图形形式突破了四分之一波长理论高度限制，整体剖面降低到中心频率十六分之一波长，远远小于现有技术中的低剖面双极化基站天线，且无需额外的任何附加零件，装配工艺简单，结构轻巧，适合大批量生产，且电气性能优于现有技术达到的效果。
对本发明实施例中的基站天线进行仿真，结合图15-19，给出相关的电性能数据。
参照图15，两对偶极子天线臂形成两路极化波，两路端口驻波比小于1.5，且在工作频率2.3ghz到2.69ghz范围内匹配良好。
参照图16，两路极化端口的隔离度大于28db，隔离度好。
参照图17，在2.3ghz～2.69ghz工作频带范围内，水平面波束收敛性很好，波束宽度在60°～63°之间。
参照图18，在2.3ghz～2.69ghz，工作频带范围内，总功率前后比大于28db，主极化前后比大于30db；交叉极化比(轴向)大于30db，交叉极化比(扇区)大于17db。
参照图19，在2.3ghz～2.69ghz，工作频带范围内，增益大于11db，随着频率增加，不断增大。
由上述数据我们可以看出，本发明提供的天线，可以实现超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度、低剖面的优点。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内作出变化和修改。
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