超宽带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，特别涉及超宽带双极化振子天线。

背景技术：

对称振子或偶极子（dipole）是无线通信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，如移动通信基站天线的基本辐射单元—双极化振子或交叉振子。然而，目前基站天线中所用的各类双极化振子大多为单频段，如698~960mhz/1710~2700mhz/3400~3800mhz频段。因此，设计一副同时覆盖多个频段，如698~960/1710~2700/3400~3800mhz，的高增益基站天线，则需要使用多种不同频段的振子分别组阵，天线整体尺寸大、重量重。为了节省空间，通常将高低频振子左右并排或上下共轴嵌套排列，比如610~900mhz频段与1710~2700mhz频段共轴嵌套排列。该排列最常见的形式是低频碗状振子（由四对振子排成方环）与高频平面振子嵌套，即高频阵列的一半振子位于低频振子内部中心，另一半则处于两相邻低频振子中间，见图2所示。由于尺寸大、高度高，低频振子对高频振子形成遮挡，造成高频振子方向图畸变，在密集排列时候尤为严重。为了解决这一问题，低频振子最好设计成细长条状的十字交叉pcb或钣金形式，即伞形振子。此外，印制pcb振子具有设计灵活性高、打样快、重量轻、低成本等优势。然而，相比传的压铸振子，印制pcb振子带宽较窄，在高度受限的情况下更窄。最后，该振子具有不低于常规振子的增益，即g=8~9dbi。满足上述各条件的pcb振子，设计上将变得十分困难。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带双极化振子天线，具有超宽带、双极化、高增益、高效率、伞状形、低剖面，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的振子辐射单元，使高频双极化振子与之共轴嵌套组阵时受其影响小，并为多频双极化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：超宽带双极化振子天线，包括水平设置的金属地板、垂直设置在金属地板上方的双极化振子以及两根同轴电缆，两根同轴电缆的内、外导体分别连接双极化振子的两个馈电端和金属地板：

所述的双极化振子设有两块竖直正交设置并且中心线完全重合的振子基板，两块振子基板的一侧均设有一个具有两振子臂的超宽带pcb对称振子，两块振子基板上的超宽带pcb对称振子完全相同，两块振子基板的另一侧设有超宽带微带馈电巴仑，两超宽带微带馈电巴仑竖直正交设置，并且其顶端位置上下错开不会相交；

所述的超宽带pcb对称振子采用其对应的超宽带微带馈电巴仑馈电，超宽带pcb对称振子的两振子臂对称并分隔设置在所处振子基板的中心线的两侧，振子臂从末端向首端弯折两次形成同纵平面并依次连接的竖直设置的巴仑臂、水平设置的水平臂和向下倾斜设置的末端臂，巴仑臂的起始端与金属地板相连，在巴仑臂的上部内边缘处开设一个l形槽，在水平臂的上边缘顺着振子臂方向开设至少两条相平行的纵向槽a，纵向槽a从水平臂的首端延伸至末端臂边缘，在水平臂的下边缘顺着振子臂方向开设至少两条相平行的纵向槽b，纵向槽a和纵向槽b将振子臂分隔为多条水平枝节，纵向槽b上下两侧的水平枝节通过至少一个导体片相连接；

所述的正极化振子的超宽带微带馈电巴仑包括相连接为一体的主馈段a和水平段a，具有馈电端a的主馈段a竖直设置，在主馈段a上连接有第一短路枝节a和至少一个水平开路枝节a，第一短路枝节a位于主馈段a下部并朝向向下，水平开路枝节a位于主馈段a上部并朝向水平，在水平段a上连接有相平行设置的具有末端开路端a的竖直开路枝节a以及第二短路枝节a；

所述的负极化振子的超宽带微带馈电巴仑包括相连接为一体的主馈段b和水平段b，具有馈电端b的主馈段b竖直设置，在主馈段b上连接有第一短路枝节b和至少一个水平开路枝节b，第一短路枝节b位于主馈段b下部并朝向向下，水平开路枝节b位于主馈段b上部并朝向水平，在水平段b上连接有相平行设置的具有末端开路端b的竖直开路枝节b以及第二短路枝节b；

所述的水平段a和水平段b呈上下设置并不相交，主馈段a的始端和主馈段b的始端不与金属地板相连。

本发明所述的水平臂的中部还开设有顺着振子臂方向延伸的纵向槽c，纵向槽c与最下方的一条纵向槽a相连接，或者纵向槽c与最下方的一条纵向槽a不连接。

本发明所述的纵向槽a为两条，最顶部的纵向槽a从靠近巴仑臂的内边缘处沿水平臂顶部边缘延伸至末端臂的末端；最下方的一条纵向槽a的起始段靠近巴仑臂内边缘并朝上延伸一段距离后，再平行于最顶部的纵向槽a延伸末端臂的末端。

本发明所述的纵向槽b为两条，位于上方的一条纵向槽b的起始端靠近振子臂巴仑外边缘沿水平臂的底部边缘延伸至末端臂的末端，位于下方的一条纵向槽b平行于上方的纵向槽b并延伸至末端臂的末端。

本发明两对称振子臂的末端臂各加载一个u形枝节。

本发明所述的主馈段a和主馈段b由多节不等长宽的导体段级联而成。

本发明所述的双极化振子的极化方式为±45°、h/v或其他任意正交线极化，双极化振子与其他高频双极化振子共轴组阵为高低频共轴或肩并肩的混排阵列，高频双极化振子为伞状形或平面形。

本发明两个所述的振子基板的中心线处开一互补槽，两个振子基板通过互补槽正交交叉设置，互补槽总长等于振子基板高度，互补槽的宽度大于等于振子基板的厚度。

本发明两根所述的同轴电缆为50ω同轴电缆。

本发明所述的振子基板材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种介质基板。

本发明的积极进步效果在于，通过采取下列措施：1）两振子基板竖直正交、中心线重合；2）超宽带pcb对称振子与超宽带微带馈电巴仑一体化印制；3）超宽带pcb对称振子表面开多条纵向槽；4）超宽带微带馈电巴仑带短路和开路枝节；5）超宽带微带馈电巴仑底部可附加水平匹配段再由同轴电缆馈电，或者超宽带微带馈电巴仑的两端口直接用50ω电缆馈电，双极化振子实现了gsm频段超宽带（vswr≤2.0，614~900mhz，bw=286mhz，37.78%）、±45°双极化工作，增益g=8~9dbi，e/h面波宽hpbw=58.5~68.8°/80.6~106°，隔离度|s21|<-25db，交叉极化比xpd<-25db，效率ηa≥80%，尺寸为0.392∙λl（长）×0.392∙λl（宽）×0.2∙λl（高）（λl为最低工作波长）。该双极化振子的成功研制，使得高低频振子能够单列或多列共轴嵌套组阵，适合应用于多频、多端口宏基站天线。

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，是取代常规双频宏基站/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。

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为常规高低频振子共轴嵌套排列的模型俯视图。

图3为高低频伞形交叉振子共轴嵌套组成单列阵的模型俯视图。

图4为高低频共面交叉振子共轴嵌套组成单列阵的模型俯视图。

图5为高低频伞形交叉振子共轴嵌套组成多列阵的模型俯视图。

图6为高低频共面交叉振子共轴嵌套组成多列阵的模型俯视图。

图7为本发明低频伞形超宽带pcb对称振子的正视图。

图8为本发明正极化振子的超宽带微带馈电巴仑的正视图。

图9为本发明负极化振子的超宽带微带馈电巴仑的正视图。

图10为本发明双极化振子的正交排列超宽带微带馈电巴仑的正视图。

图11为本发明正极化振子完整模型的正视图。

图12为本发明负极化振子完整模型的正视图。

图13为本发明负极化振子的振子基板的正视图。

图14为本发明正极化振子的振子基板的正视图。

图15为超宽带双极化振子天线的侧视图。

图16为超宽带双极化振子天线的正视图。

图17为±45°极化低频伞形振子的驻波vswr曲线。

图18为±45°极化低频伞形振子的端口隔离度|s21|曲线。

图19为+45°极化低频伞形振子在fl=617mhz的增益方向图。

图20为+45°极化低频伞形振子在fc=760mhz的增益方向图。

图21为+45°极化低频伞形振子在fh=900mhz的增益方向图。

图22为-45°极化低频伞形振子在fl=617mhz的增益方向图。

图23为-45°极化低频伞形振子在fc=760mhz的增益方向图。

图24为-45°极化低频伞形振子在fh=900mhz的增益方向图。

图25为±45°极化低频伞形振子的增益g随频率f变化特性。

图26为±45°极化低频伞形振子的e/h-面半功率波束宽度hbpw随频率f变化特性。

图27为±45°极化低频伞形振子的效率ηa随频率f变化曲线。

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。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，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多频多端口宏基站天线提供一种超宽带、双极化、高增益、高效率、伞状形、低剖面，以及低互调、高可靠、结构简单、低成本、易生产的振子辐射单元，使高频双极化振子与之共轴嵌套组阵时受其影响小，并为多频双极化振子天线的设计和改进提供有益的参考方法。

如图15、图16所示，超宽带双极化振子天线，包括水平设置的金属地板700、垂直设置在金属地板700上方的双极化振子10以及两根同轴电缆，两根同轴电缆的内、外导体分别连接双极化振子10的两个馈电端和金属地板700。

双极化振子10为细长形、伞状pcb印制振子，双极化振子10的极化方式为±45°、h/v或其他任意正交线极化，在反射板003上双极化振子10与其他高频双极化振子002共轴组阵为高低频共轴或肩并肩的混排阵列，高频双极化振子002为伞状形或平面形。具体形式如图3-图6所示，双极化振子10可作为低频双极化振子001与高频双极化振子002按图示进行共轴组阵。

所述的双极化振子10设有两块竖直正交设置并且中心线完全重合的振子基板500、600，振子基板500、600的高度大小相同，形状符合其上巴仑与振子的形状，两振子基板交叉设置之后，其顶面与底面的高度平齐，振子基板即为能实现pcb工艺的双面覆铜板，两块振子基板500、600的一侧均设有一个具有两振子臂的超宽带pcb对称振子100、200，两块振子基板500、600上的超宽带pcb对称振子100、200完全相同，两块振子基板500、600的另一侧设有超宽带微带馈电巴仑300、400，两超宽带微带馈电巴仑300、400竖直正交设置，并且其顶端位置上下错开不会相交；即振子基板500的两面分别设有超宽带pcb对称振子100和超宽带微带馈电巴仑300，振子基板600的两面分别设有超宽带pcb对称振子200和超宽带微带馈电巴仑400，完整图示如图11、12所示。

所述的超宽带pcb对称振子100、200采用其对应的超宽带微带馈电巴仑300、400馈电，即超宽带pcb对称振子100由超宽带微带馈电巴仑300馈电，超宽带pcb对称振子200由超宽带微带馈电巴仑400馈电，超宽带pcb对称振子100、200的两振子臂对称并分隔设置在所处振子基板500、600的中心线的两侧，两对称振子臂之间具有纵向缝隙102，两对对称振子臂不相交，即超宽带pcb对称振子100具有两个振子臂，超宽带pcb对称振子200具有两个振子臂，振子臂从末端向首端（从最下向上）弯折两次形成同纵平面并依次连接的竖直设置的巴仑臂101、水平设置的水平臂104和向下倾斜设置的末端臂111，巴仑臂101、水平设置的水平臂104和向下倾斜设置的末端臂111连接为一体，即为一整块覆铜板，巴仑臂101的起始端与金属地板700相连，在巴仑臂101的上部内边缘处开设一个l形槽103，即对称的另一个振子臂上的l型槽与该l型槽103相对称设置在纵向缝隙的两侧，其开设方向由巴仑臂101的内边缘水平开设后再向上垂直开设，在水平臂104的上边缘顺着振子臂方向开设至少两条相平行的纵向槽a112、116，纵向槽a112、116从水平臂104的首端延伸至末端臂111边缘，在水平臂104的下边缘顺着振子臂方向开设至少两条相平行的纵向槽b106、109，纵向槽a112、116和纵向槽b106、109将振子臂分隔为多条水平枝节，纵向槽b106、109上下两侧的水平枝节通过至少一个竖直导体片相连接；详细结构如图7所示。

如图10所示，正极化振子10-1的超宽带微带馈电巴仑300和负极化振子10-2的超宽带微带馈电巴仑400大致相同，它们的水平开路枝节和顶部水平段的位置上下错开，以免振子正交放置时彼此相交。

正极化振子10-1的超宽带微带馈电巴仑300包括相连接为一体的主馈段a301和水平段a307，水平段a307水平设置，具有馈电端a313的主馈段a301竖直设置，在主馈段a301上连接有第一短路枝节a303和至少一个水平开路枝节a304、305，第一短路枝节a303位于主馈段a301下部并朝向向下，水平开路枝节a304、305位于主馈段a301上部（接近水平段的为上部，接近馈电端a的为下部）并朝向水平，在水平段a307上连接有相平行设置的具有末端开路端a310的竖直开路枝节a309以及第二短路枝节a308；所述的负极化振子10-2的超宽带微带馈电巴仑400包括相连接为一体的主馈段b401和水平段b407，具有馈电端b403的主馈段b401竖直设置，在主馈段b401上连接有第一短路枝节b403和至少一个水平开路枝节b404、405，第一短路枝节b403位于主馈段b401下部并朝向向下，水平开路枝节b404、405位于主馈段b401上部并朝向水平，在水平段b407上连接有相平行设置的具有末端开路端b410的竖直开路枝节b409以及第二短路枝节b408；所述的水平段a307和水平段b407呈上下设置并不相交，主馈段a301的始端（馈电端a）和主馈段b401的始端（馈电端b）不与金属地板700相连。详细结构如图8、9所示。馈电端a和馈电端b可直接与同轴电缆的内导体或外导体连接，也可以在馈电端a和馈电端b的下方加入水平匹配段（微带pcb板），再由水平匹配段与同轴电缆连接，馈电端a和馈电端b的位置稍高于地板位置，两者的高度差间隙即为馈电位置。

为进一步优化，可以在水平臂104的中部开设顺着振子臂方向延伸的纵向槽c115，纵向槽c115与最下方的一条纵向槽a116相连接，或者纵向槽c115与最下方的一条纵向槽a116不连接。

如图7所示，当纵向槽a112、116为两条，最顶部的纵向槽a112从靠近巴仑臂101的内边缘处沿水平臂104顶部边缘延伸至末端臂111的末端；最下方的一条纵向槽a116的起始段靠近巴仑臂内边缘并朝上延伸一段距离后，再平行于最顶部的纵向槽a112延伸末端臂111的末端。

如图7所示，当纵向槽b106、109为两条，位于上方的一条纵向槽b109的起始端靠近振子臂巴仑外边缘沿水平臂104的底部边缘延伸至末端臂111的末端，位于下方的一条纵向槽b106平行于上方的纵向槽b109并延伸至末端臂111的末端。

如图7所示，两对称振子臂的末端臂111各加载一个u形枝节110。

主馈段a301和主馈段b401由多节不等长宽的导体段级联而成。主馈段从始端开始分别为馈电端、起始变换段、锥销段、变换段。

如图13、图14所示，两个振子基板500、600的中心线处开一互补槽501、601，两个振子基板500、600通过互补槽501、601正交交叉设置，互补槽501、601总长等于振子基板500、600高度，互补槽的宽度大于等于振子基板500、600的厚度。

两根所述的同轴电缆为50ω同轴电缆。当同轴电缆的内导体与馈电端连接时，外导体与金属地板连接，当同轴电缆的外导体与馈电端连接时，内导体与金属地板连接。

振子基板500、600材料的介电常数εr=1~20，即为包括空气在内的各种介质基板。如rogers系列、taconic系列和arlon系列。

超宽带双极化振子天线，以构造±45°极化交叉振子为例，所述超宽带双极化振子天线的设计方法包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造超宽带pcb对称振子。在xoz平面构造一对超宽带pcb对称振子，一对超宽带pcb对称振子100、200的两振子臂被中间的纵向缝隙102完全隔开，采用超宽带微带馈电巴仑300、400馈电，振子位于pcb板一侧，巴仑则位于另一侧，超宽带pcb对称振子即为超宽带微带馈电巴仑的地平面；每个振子臂包括竖直的巴仑臂101、水平臂104和向下45°倾斜的末端臂111，竖直的巴仑壁内侧开l形槽103，在水平臂104的上下边缘和中间位置共开了五条顺着振子方向的纵向槽，从上至下分别为槽112、116、115、109和106，它们从振子臂始端一直延伸至末端，其中槽112和116继续沿末端臂边缘延伸一段距离，而纵向槽c115在水平臂的约中间位置即与纵向槽a116连接贯通；相应的，以上各槽两侧即为水平枝节119、117、114、113、107和120，其中枝节113、107和107、120分别通过导体片108、118和105连接；在振子末端臂的最末端加载一u形枝节110，见图7所示；

步骤三，构造超宽带微带馈电巴仑。在步骤二的超宽带pcb对称振子另一侧即振子基板的背面，构造宽带微带馈电巴仑300和400。由于双极化工作需将两个振子基板正交放置，两巴仑外形大致一样，但细节稍有不同，故分别予以介绍，见图8~9所示。+45°极化振子的超宽带微带馈电巴仑300由馈电端a313、变换段、锥销段a302、第一短路枝节a303及其短路点312、水平开路枝节a304和305、变换段a306、水平段a307、第二短路枝节a308及其短路点311、以及竖直开路枝节a309及其末端开路端a310组成。相应地，-45°极化振子巴仑由馈电端b413、变换段、锥销段b402、第一短路枝节b403及其短路点412、水平开路枝节b404和405、变换段b406、水平段b407、第二短路枝节b408及其短路点411、以及竖直开路枝节b409及其末端开路端b410组成；两巴仑的显著区别在于，水平开路枝节304、305和404、405，以及水平段307、407的上下位置不同。跟超宽带pcb对称振子一样，两巴仑也竖直正交放置，顶端位置上下错开，故不会相交，如图10所示；±45°极化振子的完整模型，如图11、12所示；

步骤四，构造±45°极化交叉振子。将两超宽带pcb对称振子竖直正交放置，中心线则完全重合，为了使两振子基板完全叉合，分别在±45°振子基板500、600的中心线，从上往下、从下往上开缝隙501、601组成互补槽，两缝隙总长等于基板高度，缝隙宽度则大于等于基板厚度，见图13~14所示；

步骤五，设置金属地板。在步骤四的交叉振子底端下侧，设置一块足够大的金属地板700，两超宽带微带馈电巴仑的地平面均与金属地板700相连，而另一侧的超宽带微带馈电巴仑的馈电端则稍高于金属地板位置，馈电端与金属地板的高度差间隙即为馈电位置，见图15~16所示；步骤六，双同轴电缆馈电。将两根标准50ω同轴电缆，分别连接到交叉振子的馈电端313、413，同轴电缆内外导体分别连接馈电端313、413和下方的水平金属地板。

图17为±45°极化低频伞形振子的驻波vswr曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为mhz；纵轴（y轴）是vswr；实线表示+45°，虚线表示-45°。由图知，天线在610~900mhz频段，两极化均实现了良好的阻抗匹配（vswr≤2.0），最低可达1.15，相对带宽分别为38.41%、37.78%，实现了超宽带双极化工作。

图18为±45°极化低频伞形振子的端口隔离度|s21|曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为mhz；纵轴（y轴）是s21的幅度|s21|，单位为db。由图知，天线在610~900mhz频段，±45°端口的隔离度|s21|≤-25db，最低可达-43db，隔离度比较理想。

图19为+45°极化低频伞形振子在fl=617mhz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；0°交叉极化xpd水平较理想，在-28db以下；e/h面的±60°的xpd分别为22db、31db。

图20为+45°极化低频伞形振子在fc=760mhz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；0°交叉极化xpd水平理想，在-38db以下；e/h面的±60°的xpd分别为28db、30db。

图21为+45°极化低频伞形振子在fh=900mhz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；0°交叉极化xpd水平比较理想，在-25db以下；e/h面的±60°的xpd分别为17db、14db。

图22为-45°极化低频伞形振子在fl=617mhz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；0°交叉极化xpd水平较理想，在-27db以下；e/h面的±60°的xpd分别为20db、27db。

图23为-45°极化低频伞形振子在fc=760mhz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；0°交叉极化xpd水平理想，在-38db以下；e/h面的±60°的xpd分别为19db、43db。

图24为-45°极化低频伞形振子在fh=900mhz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；0°的交叉极化xpd水平很理想，在-40db以下；e/h面的±60°的xpd分别为12db、40db。

图25为±45°极化低频伞形振子的增益g随频率f变化特性。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为mhz；纵轴（y轴）是增益g，单位是dbi。由图知，±45°极化的增益g变化范围分别为：7.85~8.87dbi、8.0~8.7dbi，两极化的带内增益一致性较好。

图26为±45°极化低频伞形振子的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mhz；纵轴（y轴）是波束宽度，单位是度（deg）；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线为e面，虚线为h面。由图知，±45°极化的e/h面波宽hpbw=58.5~68.8°/80.6~106°、58.5~66.8°/80.3~104°，两极化波宽一致性较好。

图27为±45°极化低频伞形振子的效率ηa随频率f变化曲线。其中，横轴（x轴）是频率f，单位为mhz；纵轴（y轴）是效率；实线为+45°极化，虚线为-45°极化。由图知，±45°极化带内效率ηa=80%~96%、ηa=80%~98%，两极化效率较高。

交叉振子实现了gsm频段超宽带（vswr≤2.0，614~900mhz，bw=286mhz，37.78%）、±45°双极化工作，增益g=8~9dbi，e/h面波宽hpbw=58.5~68.8°/80.6~106°，隔离度|s21|<-25db，交叉极化比xpd<-25db，效率ηa≥80%，尺寸为0.392∙λl（长）×0.392∙λl（宽）×0.2∙λl（高）（λl为最低工作波长）。该振子的成功研制，使得高低频振子能够单列或多列共轴嵌套组阵，适合应用于多频、多端口宏基站天线。

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，是取代常规双频宏基站/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。

以上仅为本发明的优选实例，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。