双频双极化振子天线的制作方法

本发明涉及移动通信天线设备与技术，特别是涉及双频双极化振子天线。

背景技术

对称振子或偶极子（dipole）是无线电工程中应用最广泛的一种天线。由它演变而来的天线变种不计其数，其中双极化交叉振子已成为移动通信基站天线的基本辐射单元。然而，目前各类基站天线中所用的交叉振子辐射单元都是单频段，如698~960/1710~2700/3400~3800mhz。如此以来，设计一副覆盖多个业务频段的高增益基站天线，则需要使用多种不同频段振子分别单独组阵。为了节省空间，将各频段阵列左右并排或上下共轴放置，比如698~960mhz频段与1710~2700mhz频段嵌套共轴排列。尽管如此，由于相邻两列振子间距不可能小到零，天线总体尺寸尚不够紧凑。然而，随着规划频段越来越多，传统宏基站天线端口数量越来越多、尺寸越来越大。这在站址资源高度紧张的今天是极不合理的设计。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明为蜂窝移动通信的双频宏基站或微基站提供一种小型化、双频段、双极化、定向性、高增益、高效率、低旁瓣，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的基本辐射单元的振子天线，并为宽带、多频振子天线的设计和改进提供有益的参考方法。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：双频双极化振子天线，设有反射板，在反射板的上方设有正交极化振子单元、上下中心加载单元、顶部边缘加载单元、两对巴仑、以及进行馈电的同轴电缆；

所述的正交极化振子单元包括设置在介质基板上的两对完全相同的半波振子，两对半波振子按正交中心线对称，两对半波振子的中心设有的馈电点分别位于介质基板的正反面上，每对半波振子通过一对巴仑短路连接在反射板上，半波振子的中间为一段沿正交中心线设置的短直开路枝节，短直开路枝节的两端分别连接一对直弯臂的始端，一对直弯臂的末端与另一振子的相临的直弯臂的末端通过集总电路元件连接；

所述的上下中心加载单元设有四组，四组完全相同的上下中心加载单元呈十字型覆盖在正交中心线上，并关于正交极化振子单元的正交中心线对称设置，每组上下中心加载单元的上中心加载单元和下中心加载单元分别平行设置在正交极化振子单元的上下两侧，上中心加载单元与下中心加载单元均包括不等高且不等宽并依次相连的多段单元，上中心加载单元与下中心加载单元的始端与所处位置的半波振子的上下面连接，上中心加载单元与下中心加载单元的其它部分分别悬置在半波振子的两侧；

所述的顶部边缘加载单元设有两组，两组完全相同的顶部边缘加载单元关于正交中心线对称并平行悬置在正交极化振子单元的直弯臂上方，顶部边缘加载单元的始端与所处位置的半波振子的直弯臂连接，顶部边缘加载单元的末端与另一组顶部边缘加载单元相临的未端连为一体。

本发明所述的短直开路枝节的两端分别连接的一对直弯臂上对称连接有至少一对开路枝节或/和至少一对短路枝节。

本发明所述的集总电路元件为片状电容或片状电感，若为电容，其电容值为20~40pf；若为电感，则电感值为10~20nh；一个交叉振子共加载4个或8个片状电容或片状电感，若一个正交极化振子单元加载8个片状电容，则8个片状电容两两并联，若一个正交极化振子单元加载8个片状电感，则8个片状电感两两串联。

本发明所述的多段单元为三段，分别为起始段、中间段和末段，起始段和末段的高度低于中间段的高度，起始段和末段的宽度小于中间段的宽度。

本发明所述的上中心加载单元的起始端由横片a和对称设置在横片a两侧的直立片a组成，两片直立片a与半波振子相连，下中心加载单元的起始端为横片b，上中心加载单元的中间段、末段和下中心加载单元的中间段、末段完全相同，中间段由横片c、直立片b和直立片c组成，横片c的一端通过直立片b与起始段连接，横片c的另一端通过直立片c与末段连接，末段为沿正交中心线设置的横片d。

本发明所述的直立片c设有三片，三片直立片c均匀设置并与横片c连接，位于中间的直立片c与横片d连接。

本发明所述的顶部边缘加载单元由正交中心线划为关于正交中心线对称的四部分，每个部分均由三个水平段加三个竖直连接片相互连接组成，每个部分的始端与所处位置的半波振子通过第一个竖直连接片连接，每个部分的末端与相临的顶部边缘加载单元的末端相连。

本发明所述的反射板呈方形，其包括底部、设置在底部四周的侧壁和朝外卷曲的弯折边，正交极化振子单元设置在侧壁围设空间内，正交极化振子单元的中心与底部的中心相重合。

本发明四根直立的金属柱构成两对巴仑，两对巴仑穿过介质基板和下中心加载单元将两个半波振子短路至反射板上。

本发明用两根标准50ω同轴电缆馈电，每条同轴电缆内外导体分别连接同一个半波振子的两臂，同轴电缆顺着巴仑一侧朝下走线穿过反射板，同轴电缆的外导体则与巴仑的其中一根金属柱完全焊接为一体。

本发明所述的介质基板材料的介电常数为εr=1~20，即包括空气在内的各种常见介质基材。

本发明有益效果是：本发明为一种双频或多频振子，使振子同时谐振于多个频段，且各频段方向图具有良好一致性，但这是非常困难的，可好处却是显而易见的。除了上述优势，多频振子还能做到物料通用、简化装配工序，从而大大降低制造成本。本发明提出了一种双频双极化振子，通过以下技术措施：1）设计双频正交极化振子单元；2）振子上下中心加载开路单元；3）振子顶部边缘加载短路单元；4）振子末端加载集总电路元件；5）振子下方设置带外折边缘的方形金属地板；6）两对巴仑将振子短路到地，并用50ω电缆中心馈电，交叉振子实现了2.20~2.43ghz和3.15~3.50ghz频段的双频、±45°双极化工作，驻波vswr≤2.0，增益g=7.8~10.4dbi，效率ηa≥88%，隔离度|s21|<-38db，交叉极化比xpd<-48db。两频段具有理想的一致性定向辐射波束，突破了交叉振子难以实现双频或多频这一技术难题。该成果在移动通信尤其是微基站天线上具有十分可观的应用前景。

附图说明

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。

图2为双频双极化振子的正交极化振子单元的俯视图。

图3为双频双极化振子天线中心的馈电点局部放大图。

图4为双频双极化振子天线的上中心加载单元的俯视图。

图5为双频双极化振子天线的上中心加载单元的侧视图。

图6为双频双极化振子天线的顶底对称的上下中心加载单元爆炸图。

图7为双频双极化振子天线的顶底对称的上下中心加载单元与介质基板的侧视图。

图8为双频双极化振子天线的正交极化振子单元带顶底对称的上下中心加载单元的侧视图。

图9为双频双极化振子天线的正交极化振子单元带顶底对称的上下中心加载单元的正视图。

图10为双频双极化振子天线的顶部边缘加载单元的俯视图。

图11为双频双极化振子天线的顶部边缘加载单元的侧视图。

图12为双频双极化振子天线的正交极化振子单元带顶部边缘加载单元的侧视图。

图13为双频双极化振子天线的正交极化振子单元带顶底对称的上下中心加载单元和顶部边缘加载单元的侧视图。

图14为双频双极化振子天线的带朝外弯折边缘的反射板的俯视图。

图15为双频双极化振子天线的带朝外弯折边缘的反射板的侧视图。

图16为双频双极化振子天线的带朝外弯折边缘的反射板的正视图。

图17为完整的双频双极化振子天线的俯视图。

图18为完整的双频双极化振子天线的侧视图。

图19为完整的双频双极化振子天线的正视图。

图20为双频双极化振子天线天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。

图21为双频双极化振子天线天线的反射系数|s11|曲线。

图22为双频双极化振子天线天线的端口隔离度|s21|曲线。

图23为双频双极化振子天线天线的驻波vswr曲线。

图24为双频双极化振子天线天线的+45°极化在频点fl=2.20ghz的增益方向图。

图25为双频双极化振子天线天线的+45°极化在频点fh=3.20ghz的增益方向图。

图26为双频双极化振子天线天线的-45°极化在频点fl=2.20ghz的增益方向图。

图27为双频双极化振子天线天线的-45°极化在频点fh=3.20ghz的增益方向图。

图28为双频双极化振子天线天线的增益g随频率f变化特性。

图29为双频双极化振子天线天线的e/h-面半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。

图30为双频双极化振子天线天线的前后比ftbr随频率f变化特性。

图31为双频双极化振子天线天线的效率ηa随频率f变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

本发明旨在为蜂窝移动通信的双频宏基站或微基站提供一种小型化、双频段、双极化、定向性、高增益、高效率、低旁瓣，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的基本辐射单元的振子天线，并为宽带、多频振子天线的设计和改进提供有益的参考方法。

双频双极化振子天线天线，设有反射板，在反射板5的上方设有正交极化振子单元2、上下中心加载单元3、顶部边缘加载单元3、两对巴仑6、以及进行馈电的同轴电缆7。

如图2所示，双频双极化振子天线，极化方式为±45°、h/v或其他任意正交线极化，工作频段至少为两个频段，采用一对共面排列、正交放置的交叉振子（正交极化振子单元）来实现；交叉振子指的是正交放置在一起的两对半波振子，交叉振子可印制于pcb板的单面或双面，若为双面，则两面通过金属化过孔相连，正交极化振子单元2包括设置在介质基板1上的两对完全相同的半波振子21，两对半波振子21按正交中心线对称，两对半波振子21的中心设有的馈电点分212、214别位于介质基板1的正反面上，每对半波振子21通过一对巴仑6短路连接在反射板5上，半波振子21的中间为一段沿正交中心线设置的短直开路枝节215，短直开路枝节215的两端分别连接一对直弯臂的始端，一对直弯臂的末端与另一振子的相临的直弯臂的末端通过集总电路元件223连接；直弯臂是一条直臂弯折而成，按图2所示，以右下的短直开路枝节215下方的直弯壁为例，直弯壁的始段沿y轴负方向设计，随后沿x轴正方向弯折，再沿—45°方向弯折之后，最后弯折向x轴负方向，右下的短直开路枝节215上方的直弯壁关于短直开路枝节215对称。

上下中心加载单元4设有四组，四组完全相同的上下中心加载单元4呈十字型覆盖在正交中心线上，并关于正交极化振子单元2的正交中心线对称设置，每组上下中心加载单元4的上中心加载单元41和下中心加载单元42分别平行设置在正交极化振子单元2的上下两侧，上中心加载单元41与下中心加载单元42均包括不等高且不等宽并依次相连的多段单元，上中心加载单元41与下中心加载单元42的始端与所处位置的半波振子21的上下面连接，上中心加载单元41与下中心加载单元42的其它部分分别悬置在半波振子21的两侧。

顶部边缘加载单元3设有两组，两组完全相同的顶部边缘加载单元3关于正交中心线对称并平行悬置在正交极化振子单元2的直弯臂上方，顶部边缘加载单元3的始端与所处位置的半波振子21的直弯臂连接，顶部边缘加载单元3的末端与另一组顶部边缘加载单元3相临的未端连为一体。

优选的，在短直开路枝节215的两端分别连接的一对直弯臂上对称连接有至少一对开路枝节或/和至少一对短路枝节。例如，如图2所示，正交极化振子单元2由中心馈电点212、214、中间短直开路枝节215、两侧直弯臂、长短不一的两对开路枝节216、217、箭头形短路枝节218、箭头形短路枝节218末端的短直开路枝节220，末端开路和短路枝节219、221、集总电路元件构成；两中心馈电点212、214分别位于介质基板1的顶底面；中间短直枝节215位于±45°中心线方向；直弯臂内侧有两对与臂垂直、且长短不一、相互平行的开路枝节216、217，两侧直弯臂末端有一箭头形枝节218相连，箭头柄（箭头形短路枝节218末端的短直开路枝节）220则深入至两臂末端间隙内部，并与间隙两侧边平行；直弯臂末端反向回转180°后，分成两对长短不等、相互平行的开路枝节221、222，相连两对长枝节的末端则通过集总电路元件223相连。

优选的，集总电路元件223为片状电容或片状电感，若为电容，其电容值为20~40pf；若为电感，则电感值为10~20nh；一个交叉振子共加载4个或8个片状电容或片状电感。若一个正交极化振子单元（2）加载8个片状电容，则8个片状电容平均分为四组，每组内的两个电容并联，若一个正交极化振子单元（2）加载8个片状电感，则8个片状电感平均分为四组，每组内的两个电感串联。

优选的，上中心加载单元41与下中心加载单元42的多段单元分为三段，分别为起始段、中间段和末段，起始段和末段的高度低于中间段的高度，起始段和末段的宽度小于中间段的宽度。上中心加载单元41与下中心加载单元42除起始段不同外，其余部分均相同，故为部分对称；上中心加载单元41与下中心加载单元42在起始段通过直立片与半波振子相连，其余部分则悬置在振子中心两侧；

优选的，上中心加载单元41的起始端由横片a410和对称设置在横片a410两侧的直立片a408组成，两片直立片a408与半波振子21相连，下中心加载单元42的起始端为横片b409，上中心加载单元41的中间段、末段和下中心加载单元42的中间段、末段完全相同，中间段由横片c412、直立片b411和直立片c414组成，横片c412的一端通过直立片b411与起始段连接，横片c412的另一端通过直立片c414与末段连接，末段为沿正交中心线设置的横片d413。横片c412和横片d413的宽度可根据顶部边缘加载单元的设计，设置到顶部边缘加载单元围成的空间内。

优选的，直立片c414设有三片，三片直立片c414均匀设置并与横片c412连接，位于中间的直立片c415与横片d413连接，这种设计使信号传输的效果更为优异。

优选的，顶部边缘加载单元3由正交中心线划为关于正交中心线对称的四部分，每个部分均由三个水平段311、313、315加三个竖直连接片310、312、314相互连接组成，每个部分的始端与所处位置的半波振子21通过第一个竖直连接片310、312、314连接，每个部分的末端与相临的顶部边缘加载单元3的末端相连。

优选的，所述的反射板5呈方形，其包括底部509、设置在底部509四周的侧壁510和朝外卷曲的弯折边511，正交极化振子单元2设置在侧壁510围设空间内，正交极化振子单元2的中心与底部509的中心相重合。

优选的，四根直立的金属柱构成两对巴仑6，两对巴仑6穿过介质基板1和下中心加载单元42将两个半波振子21短路至反射板5上，金属柱不仅起到巴仑作用，还起到固定和支撑振子的作用。

优选的，用两根标准50ω同轴电缆7馈电，每条同轴电缆7的内外导体分别连接在同一个半波振子21的两臂上，即当一根同轴电缆7的外导体与一个半波振子的一臂电连接，该同轴电缆7的内导体与该半波振子的另一臂电连接，另一根同轴电缆7同理连接另一个半波振子的两臂进行馈电，同轴电缆7顺着巴仑一侧朝下走线穿过反射板5，同轴电缆7的外导体则与巴仑6的其中一根金属柱完全焊接为一体。

优选的，介质基板1材料的介电常数为εr=1~20，即包括空气在内的各种常见介质基材，如rogers系列、taconic系列和arlon系列。

图20为双频双极化振子天线天线的输入阻抗zin的频率特性曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是阻抗zin，单位为ω；实线表示+45°，虚线表示-45°；光滑线为实部rin，加点线为虚部xin。由图知，在2.01-2.43ghz和3.159-3.495ghz频段，实部和虚部变化范围分别为：+44~+86ω、-35~+35ω和+21~+53ω、-20~+20ω，具有明显的双频阻抗特性。

图21为双频双极化振子天线天线的反射系数|s11|曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是s11的幅度|s11|，单位为db；实线表示+45°，虚线表示-45°。由图知，天线在2.01-2.43ghz和3.159-3.495ghz频段，均实现了良好的阻抗匹配（|s11|≤-10db），最低可达-31.4db，相对带宽分别为18.92%、9.32%，基本实现了双频双极化工作。

图22为双频双极化振子天线天线的端口隔离度|s21|曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是s21的幅度|s21|，单位为db。由图知，天线在2.01-2.43ghz和3.159-3.495ghz频段，±45°端口隔离度|s21|≤-38db、-45db，隔离度非常理想。

图23为双频双极化振子天线天线的驻波vswr曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是vswr；实线表示+45°，虚线表示-45°。由图知，天线在2.01-2.43ghz和3.159-3.495ghz频段，均实现了良好的阻抗匹配（vswr≤2.0），最低可达-1.05，相对带宽分别为18.92%、9.32%，实现了双频双极化工作。

图24为双频双极化振子天线天线的+45°极化在频点fl=2.20ghz的增益方向图。其中，实线表示e面，虚线表示h面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；e/h面主极化和交叉极化都几乎重合，说明两个面的方向图一致性很好，而且交叉极化xpd很低，在-48db以下。

图25为双频双极化振子天线天线的+45°极化在频点fh=3.20ghz的增益方向图。其中，实线表示e面，虚线表示h面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；e/h面主极化和交叉极化都几乎重合，说明两个面的方向图一致性很好，而且交叉极化xpd很低，在-48db以下。

图26为双频双极化振子天线天线的-45°极化在频点fl=2.20ghz的增益方向图。其中，实线表示e面，虚线表示h面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；e/h面主极化和交叉极化都几乎重合，说明两个面的方向图一致性很好，而且交叉极化xpd很低，在-48db以下。

图27为双频双极化振子天线天线的-45°极化在频点fh=3.20ghz的增益方向图。其中，实线表示e面，虚线表示h面；光滑线为主极化，点线为交叉极化；e/h面主极化和交叉极化都几乎重合，说明两个面的方向图一致性很好，而且交叉极化xpd很低，在-48db以下。

图28为双频双极化振子天线天线的增益g随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是增益g，单位是dbi。由图知，±45°极化在低高频带的增益g变化范围分别为：7.86~9.00dbi/8.12~10.4dbi、7.8~10.4dbi/8.38~10.4dbi，高低两频带和±45°极化的增益一致性都很好。

图29为双频双极化振子天线天线的e/h-面半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是波束宽度，单位是度（deg）；实线为+45°极化，虚线为-45°极化。由图知，±45°极化在低高频带的波宽hpbw=64~73°、53~60°；两极化波宽以及每个极化的e/h面波宽几乎相等。

图30为双频双极化振子天线天线的前后比ftbr随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是ftbr，单位是db；实线为+45°极化，虚线为-45°极化。由图知，±45°极化在低高频带的前后比ftbr=27.0~28.6db/28.3~31.9db、26.0~30.0db/25.0~32.6db，两极化在高低频段的前后比都很高。

图31为双频双极化振子天线天线的效率ηa随频率f变化曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为ghz；纵轴（y轴）是效率；实线为+45°极化，虚线为-45°极化。由图知，±45°极化在低高频段的效率ηa≥95%、ηa≥88%，效率很高。

本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。

双频双极化振子天线天线，包括一对印制交叉振子、四对顶底中心加载单元、两对顶部边缘加载单元、四个集总加载电路元件、两对巴仑、两根馈线电缆、一个带卷边的地板，因此，双频双极化振子天线天线的设计方法是：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造±45°极化振子单元。在xoy平面，分别沿±45°方向放置两对相同的半波振子，半波振子中心为馈电点，两个半波振子的馈电点214、216通过竖板213位于在pcb板1的正反面；两振子分别关于±45°中心线对称，振子中间为一段短直开路枝节215，短直开路枝节215两端是一对直弯臂；直弯臂始端加载长短不一的两对开路枝节216、217；直弯臂中间则有一短路枝节218，枝节末端为一短直开路枝节220；直弯臂的末端带两对开路枝节219、221和一对短路枝节222，短路枝节222与另一半波振子的短路枝节222通过集总电路元件223连接，见图2~3所示；

步骤三，构造上下中心加载单元。在步骤二的±45°极化振子单元中心线的上下两侧，并列加载一对上下对称单元，该单元包括由直立片a408、横片b409和横片a410组成的起始段，直立片b411、横片c412和直立片c414、415组成的中间段，以及横片d413组成的末段。其中，起始端的部分408、中间段的部分411，均与振子中心的短直开路枝节215连接，其余部分则悬置在振子中心线的上下两侧。需要说明的是，下单元起始端不包括408和409，其余部分则与上单元完全一样，上中心加载单元41和下中心加载单元42分别位于pcb板的顶面上方和底面下方，如图4~9所示；

步骤四，构造顶部边缘加载单元。在步骤二的±45°极化振子单元中心线两侧的直弯折臂上方，悬置另一组对称加载单元，对称加载单元的始端竖直连接片310与直弯臂在靠近开路长枝节217处相连，对称加载单元末端水平段315则和与之交叉的另一组对称加载单元的水平段315相连，两者合为一体；该单元由不等高的三段水平段311、313和315，以及三个竖直段310、312和314组成，见图10~13所示；

步骤五，设置反射板。在步骤二的±45°极化振子单元底部一侧，设置一个方形的、与±45°极化振子单元中心重合、边沿朝外卷曲的金属地板，见图14~17，地板包括底部509、侧壁510和弯折边511。然后，在交叉振子中心段215、靠近与两侧直弯段的分叉处设置四根平行的金属圆柱，用作两对交叉振子的巴仑6，金属柱将振子短路到下方的金属地板，金属柱穿过介质基板1和步骤三的下中心加载单元上的圆孔，见图17~19；金属柱不仅起到巴仑作用，还起到固定和支撑振子的作用；

步骤六，振子同轴馈电。将标准50ω同轴电缆，连接至交叉振子振子的馈电点214、212进行馈电，每条同轴电缆内外导体分别连接同一个半波振子的两臂，同轴电缆7顺着巴仑6一侧金属柱朝下走线，整段外导体都与金属柱焊接，见图3、图12、图19；

本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）设计双频交叉振子单元；2）振子上下中心加载开路单元；3）振子顶部边缘加载短路单元；4）振子末端加载集总元件；5）振子下方设置带外折边缘的方形金属地板；6）两对巴仑将振子短路到地，并用50ω电缆中心馈电，交叉振子实现了2.20~2.43ghz和3.15~3.50ghz频段的双频、±45°双极化工作，驻波vswr≤2.0，增益g=7.8~10.4dbi，效率ηa≥88%，隔离度|s21|<-38db，交叉极化比xpd<-48db，两频段具有理想的一致性定向辐射波束，突破了交叉振子难以实现双频或多频这一技术难题。该成果在移动通信尤其是微基站天线上具有十分可观的应用前景。

另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规双频基站/微基站天线的优选方案，而且对于常规宽带或多频交叉振子天线的设计和改进也是适用和有效的。