專利名稱：一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種微帶貼片天線，具體來說是一種用于第四代無線移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced的寬帶雙極化基站天線。
背景技術(shù)：
國際電聯(lián)(ITU, International Telecom Union)于 2008 年 2 月向各國發(fā)出通函， 向各國和各標(biāo)準(zhǔn)化組織征集IMT-Advanced技術(shù)提案，2009年10月完成了新一代通信系統(tǒng) ^$ Pfeili IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication-Advanced)白勺征_ 工作。IMT-Advanced是ITU為滿足未來10 15年全球移動通信需求而啟動的，其定義為 具有超過IMT-2000能力的新能力的移動系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供廣泛的電信業(yè)務(wù)由移動和固定網(wǎng)絡(luò)支持的日益增加的基于包傳輸?shù)南冗M(jìn)的移動業(yè)務(wù)。IMT-Advanced技術(shù)需要實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)率和大的系統(tǒng)容量，目標(biāo)峰值速率為低速移動、熱點(diǎn)覆蓋場景下Kibit/s以上，高速移動、廣域覆蓋場景下100Mbit/S。作為高新技術(shù)的通信行業(yè)，因其在當(dāng)今社會有著舉足輕重的地位，已被國家列入重點(diǎn)支持的十大產(chǎn)業(yè)之一。為了確保我國在未來的通信標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研究中取得領(lǐng)先地位，必須迅速開展對IMT-Advanced相關(guān)方面的技術(shù)研究工作。 研究滿足IMT-Advanced系統(tǒng)要求的基站硬件設(shè)備則是進(jìn)行相關(guān)通信技術(shù)研究的基礎(chǔ)。IMT-Advanced系統(tǒng)具有頻帶寬，多頻段，高容量，高速率等優(yōu)點(diǎn)，并采用 MIMIO (Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)等技術(shù)來大幅提高頻譜的利用效率。在保持成本效率的條件下且綜合考慮和平衡用戶、制造商、運(yùn)營商等的相關(guān)要求， IMT-Advanced系統(tǒng)需支持從低到高的移動性的應(yīng)用和很寬范圍的數(shù)據(jù)速率，支持廣泛靈活的應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)全世界范圍內(nèi)的漫游能力和高度的通用性。為了解決傳統(tǒng)基站天線的弊端且達(dá)到IMT-Advanced系統(tǒng)的要求，有源天線作為首選方案，近年來在無線通信行業(yè)受到高度重視。阿郎，諾西等幾大設(shè)備制造商一直在進(jìn)行有源天線技術(shù)的研究工作。IMT-Advanced系統(tǒng)中基站天線的工作頻帶范圍為1710ΜΗζ4690ΜΗζ，相對頻帶寬帶達(dá)到44. 5%。在整個頻帶范圍內(nèi)，要求天線的端口電壓駐波比(VSWR)小于1. 5，要求天線的水平面半功率波瓣寬帶為65° 士6°。用于IMT-Advanced的基站天線的駐波比帶寬和方向圖帶寬是傳統(tǒng)基站天線的好幾倍，GSM900的工作頻帶范圍是885MHz-960MHz，相對頻帶寬帶為8. 1%，GSM1800的工作頻帶范圍是1710MHz-1850MHz，相對頻帶寬帶為7. 8%，第三代移動通信的TD-SCDMA的工作頻帶范圍是1880MHz-M00MHz，相對頻帶寬度為24. 3%。微帶貼片天線具有剖面低、重量輕，批量生產(chǎn)時造價便宜等優(yōu)點(diǎn)，在個人無線移動通信中應(yīng)用廣泛，但其同時也有帶寬窄、增益低等缺點(diǎn)。國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對微帶貼片天線進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Girish Kumar等寫的書“Broadband Microstrip Antennas” 中，對微帶貼片天線的發(fā)展過程，工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，同時在展寬天線帶寬方面也進(jìn)行了深入的研究，提出了很多種展寬帶寬的方法，但這些方法絕大多數(shù)僅僅適合單極化的微帶貼片天線，對于雙極化的貼片天線這些方法并不合適。艾利森電話股份有限公司在專利CN1248348中公布了一種基站天線裝置，此天線包括許多在第一頻帶輻射的第一輻射單元和大量在第二頻帶輻射的第二輻射單元。此天線的優(yōu)點(diǎn)在于可工作于兩個頻帶，但其貼片數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅僅只能單極化工作且在每個頻帶內(nèi)的帶寬均不超過10%。西安海天天線科技股份有限公司在專利CN101197470中公布了一種雙極化寬帶天饋單元，該天線單元將兩個用帶狀線饋電的對稱振子組成十字型結(jié)構(gòu)，固定在接地板上，并在與該接地板軸線成士45°的角平分線的位置處固定有隔離金屬片。此天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜且天線全由金屬構(gòu)成以至于天線顯得笨重。在駐波比小于1. 5的情況下，天線兩端口的帶寬可達(dá)到17. 4%。美國專利發(fā)明者Ippolito等在專利號6072439公開的題為“Base station antenna for dual polarization”中提出了一種士45°雙線極化的基站天線，天線單元采用印刷偶極子的形式，這種天線機(jī)構(gòu)簡單，但駐波比帶寬僅僅只有15. (1710MHz-1990MHz)。GangYi Deng 等公開的美國專利號為 US7629939B2 的題為 “Broadband dual polarized base station antenna”中發(fā)明了一種適用于基站的雙極化天線，此天線對傳統(tǒng)偶極子天線的兩臂加以改進(jìn)，能得到30dB的端口隔離度和大約23%的帶寬。Mariano Barba在IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 56, NO. 5, May 2008 ^ !! "AHigh-Isolation, Wideband and Dual-Linear Polarization Patch Anterma，，巾:了一禾中華禹☆㈣·白勺冑隔離度的寬帶雙極化基站天線，天線在駐波比小于1. 5的情況下能達(dá)到的帶寬，采用一種新穎的饋電結(jié)構(gòu)，天線兩端口能達(dá)到30dB的隔離度。此天線饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于兩饋電端口在同一平面上，故而必須用到空氣橋。Sii-Chang Gao等在IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 51, NO. 3, March 2003 ^ !! "Dual-Polarized Slot-Coupled Planar Antenna With Wide Bandwidth”中介紹了一種槽耦合的寬帶雙極化天線，此天線也采用雙層輻射貼片，在駐波比小于1. 5的情況下能達(dá)到20. 9%的帶寬，但由于此天線采用傳統(tǒng)的邊饋方式，故在實現(xiàn)士45°雙極化時必須將天線整體旋轉(zhuǎn)45°，因此組陣后天線陣列的總體長度必然增加。與上述相關(guān)的代表性發(fā)明專利和論文相比，本發(fā)明采用多層輻射貼片和一種新穎的耦合饋電槽，在駐波比小于1. 5的情況下達(dá)到了 49. 5%的實測帶寬，在要求的頻帶范圍內(nèi)，天線的半功率波瓣寬帶為65° 士6°。通過SATIMO測試系統(tǒng)測得天線在整個頻帶范圍內(nèi)的增益都高于8dBi，且天線的效率在85%左右。天線采用角饋的方式，在不需要旋轉(zhuǎn)輻射貼片的情況下就可以實現(xiàn)士45°雙極化，這種方法可有效的減少組陣后天線陣列的總體長度。此外，與傳統(tǒng)金屬做成的偶極子天線相比，本天線選用介電常數(shù)為2. 2的介質(zhì)板為材料，大大減輕了天線的重量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景實現(xiàn)，目的在于對現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題加以研究和解決，提出了一種用于IMT-Advanced的寬帶雙極化基站天線。該裝置通過對微帶貼片天線進(jìn)行研究并在饋電方式上進(jìn)行發(fā)明和創(chuàng)新，采用一種新穎的箭頭型的耦合饋電槽和大小不等的兩個輻射貼片，在駐波比小于1. 5的情況下可達(dá)到49. 5%的實測阻抗帶寬。采用角饋的方式在不旋轉(zhuǎn)天線的情況下可實現(xiàn)士45°雙極化，這有利于減少組陣后天線陣列的整體長度。該微帶貼片天線適用于第四代無線移動通信系統(tǒng)，它的基本結(jié)構(gòu)包括金屬反射板、尼龍隔離柱、饋電介質(zhì)層和兩個輻射介質(zhì)層。金屬反射板主要的作用是減小后向輻射和控制天線的半功率波瓣寬帶。尼龍隔離柱用來連接和隔離反射板、饋電介質(zhì)層和輻射介質(zhì)層。饋電層通過在地板上開槽來對輻射層進(jìn)行耦合饋電。兩輻射貼片大小不等，目的是為了使其諧振在不同的頻段以展寬帶寬。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于天線的超寬頻帶特性，在駐波比小于1.5的情況下可達(dá) 49. 5%的帶寬。采用一種新穎的箭頭型的耦合饋電槽，并使用大小不等的雙輻射貼片達(dá)到并超過的IMT-Advanced系統(tǒng)所要求的帶寬。本發(fā)明的特點(diǎn)是采用角饋的方式，傳統(tǒng)的邊饋方式要想實現(xiàn)士45°雙極化，需將天線整體旋轉(zhuǎn)45°，這必將增加組陣后天線的整體長度。采用角饋的方式則避免了將天線旋轉(zhuǎn)，這樣可減少組陣后天線陣列的長度，或者是在相同的陣列長度下，增加了陣列中天線單元間的間距，有利于提高單元間的隔離度。采用角饋時電流沿對角線方向流動，與傳統(tǒng)邊饋的方式相比，在貼片大小不變的情況下增加了電長度，有利于天線的小型化設(shè)計。本發(fā)明實施方式是電磁波由微帶線通過開槽地板對輻射貼片進(jìn)行耦合饋電。大小不等的兩輻射貼片分別諧振在高低兩個頻段，這樣可以顯著增加天線的帶寬。饋電微帶線和耦合槽均士45°放置，在避免輻射貼片的旋轉(zhuǎn)的同時也增加了電長度。通過金屬反射板來減小后向輻射和控制波瓣寬帶。該天線使用介電常數(shù)為2. 2的介質(zhì)板為材料，具有高效率、重量輕、造價便宜和便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。實測結(jié)果表明，在整個頻帶范圍內(nèi)，天線的效率均在85%左右，半功率波瓣寬帶在要求頻帶內(nèi)的帶內(nèi)波動不超過6°，波束收斂度性能優(yōu)良。


圖1為本發(fā)明——一種用于IMT-Advanced的寬帶雙極化基站天線側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明——一種用于IMT-Advanced的寬帶雙極化基站天線俯視圖；圖3為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線的饋電結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線端口 1和2的駐波比曲線圖；圖5為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線在1. 7GHz時的實測方向圖；圖6為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線在2. 2GHz時的實測方向圖；圖7為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線在2. 7GHz時的實測方向圖；圖8為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線在整個頻帶內(nèi)的實測增益曲線圖；圖9為本發(fā)明寬帶雙極化基站天線在整個頻帶內(nèi)的實測效率曲線圖。
具體實施方案圖1和圖2示例性的描述了以一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線設(shè)計裝置。依圖示描述，此裝置主要包括金屬反射板、饋電層、兩輻射層和尼龍隔離柱。金屬反射板1采用Imm厚的鋁板，反射板上鉆有四個直徑為3mm的圓孔，其作用在于方便用塑料螺絲將反射板與隔離柱固定。反射板兩邊有兩垂直的側(cè)邊，其作用是對天線的半功率波瓣寬度進(jìn)行控制，側(cè)邊高度為15mm。饋電層2由兩片介質(zhì)板組成，介質(zhì)板22上的微帶線21 為端口 1，介質(zhì)板M上的微帶線25為端口 2，23為開槽地板，21、23、25的具體形狀見于圖 3.饋電層2的兩饋電端口位于不同的平面上且被開槽地板隔開，采用這種方式可以有效增加隔離度和避免使用空氣橋。輻射層3和4中兩貼片的大小不一，兩貼可工作在不同的頻段，采用這種方法可有效增加帶寬。輻射片31和41分別位于介質(zhì)板32和42的下方，這樣介質(zhì)板可對輻射貼片起到保護(hù)的作用。尼龍隔離柱的作用是將反射板、饋電層和兩輻射層隔離開來，尼龍隔離柱上端有螺紋，底部有螺孔，這樣尼龍隔離柱之間可以相互連接，在天線的最底端用塑料螺絲將反射板和隔離柱連接，在最頂端用螺母將隔離柱和介質(zhì)板42固定，這樣整個天線就連成一體。圖3為開槽地板23和饋電微帶線21、25的形狀。本發(fā)明采用一種新穎的箭頭型的槽，與傳統(tǒng)十字型槽相比，在改善駐波比方面有顯著效果。饋電微帶線采用叉子形狀，這使得在調(diào)整天線匹配方面有了更多的設(shè)計自由度。在饋線末端有彎折，通過彎折饋線就能在不用旋轉(zhuǎn)介質(zhì)板的情況下實現(xiàn)士45°的雙極化。接下來描述的是此實施方案的具體操作。當(dāng)微波信號由饋線21進(jìn)入時，電磁能量通過開槽地板23的耦合，然后再由輻射貼片31、41輻射出去。當(dāng)微波信號由饋線25進(jìn)入時，電磁能量直接由饋線25耦合到輻射貼片進(jìn)行輻射。由以上的描述可以看出，兩端口的工作原理不盡一樣，但由實測結(jié)果可以看出， 兩端口的電特性和輻射特性均差別不大。天線工作時大部分能量都向前輻射，但會有少部分能量向后輻射，反射板的作用就是將向后輻射的能量發(fā)射以減小天線的后瓣。圖4為天線兩端口仿真和實測的駐波比。由圖可以看出在駐波比小于1. 5的情況下，端口 1的實測相對帶寬為49. 5% (1710MHZ1840MHZ)，端口 2的實測相對帶寬為52. 3% (1650MHz-2820MHz)。實測結(jié)果與仿真結(jié)果能較好吻合。圖5為天線端口 21饋電，在1. 7GHz時的實測主極化和交叉極化方向圖。天線半功率波瓣寬度為62°，在主瓣范圍內(nèi)交叉極化電平小于-15dB。端口 25的特性與端口 21 相似，這里不再累述。圖6為天線端口 21饋電，在2. 2Ghz時的實測主極化和交叉極化方向圖。天線半功率波瓣寬度為63°，交叉極化電平在主瓣范圍內(nèi)小于_20dB。圖7為天線端口 21饋電，在2. 7GHz時的實測主極化和交叉極化方向圖。天線半功率波瓣寬度為59°，交叉極化電平在主瓣范圍內(nèi)小于-17dB。圖8為分別在端口 21和25饋電時，天線在整個工作頻帶范圍內(nèi)的增益曲線。由曲線可以看出，在整個工作頻帶內(nèi)，天線的增益為8. 5dB士0. 5dB。圖9為分別在端口 21和25饋電時，天線在整個工作頻帶范圍內(nèi)的輻射效率。在 1. 7GHz到2. 7GHz的范圍內(nèi)，天線的效率在85%左右。以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對本發(fā)明及其實施方案的描述， 這些描述應(yīng)被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中的思想做具體的操作實施，自然也可以據(jù)以上所述對實施方案做一系列的變更。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
權(quán)利要求
1.一種可用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線主要包括金屬反射板、饋電層以及輻射貼片層。金屬反射板用來控制天線的半功率波瓣寬度，反射板、饋電層、輻射層通過尼龍隔離柱隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線基于多層耦合饋電微帶天線理論，其特征在于至少包括耦合饋電層和輻射貼片層，饋電層和輻射層之間為空氣且由尼龍隔離柱隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線，其特征在于采用雙層輻射貼片來達(dá)到展寬帶寬的目的，兩輻射貼片采用在介質(zhì)板上腐蝕的方法得到，這樣有利于保證加工精度和降低批量生產(chǎn)時的成本。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線，其特征在于饋電層包括兩個饋電端口，兩饋電端口位于不同的平面分層上且橫向相對位置錯開， 這樣可避免使用空氣橋且有利于增加天線的端口隔離度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線，其特征在于采用角饋的方式進(jìn)行饋電，在避免將輻射貼片旋轉(zhuǎn)45°的情況下實現(xiàn)士45°雙極化， 這樣有利于減少組陣后天線陣列的整體長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線，其特征在于饋電層中開槽地板采用一種新穎的箭頭型的槽，這種箭頭型的槽與傳統(tǒng)的十字型槽相比可顯著改善天線端口駐波比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于IMT-Advanced系統(tǒng)的寬帶雙極化基站天線，其特征在于金屬反射板可用來減少后向輻射和控制半功率波瓣寬帶，通過對反射板的合理設(shè)計， 可使在整個工作頻帶范圍內(nèi)天線的半功率波瓣寬度為65° 士6°，天線的波束收斂度性能優(yōu)良。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于第四代無線移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced的基站天線。該天線單元采用多層微帶貼片天線形式，其基本結(jié)構(gòu)包括金屬反射板、微帶饋電層、兩輻射層和多個尼龍隔離柱。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于天線的超寬頻帶特性，采用一種新穎的箭頭型的耦合饋電槽和雙層輻射貼片，在駐波比小于1.5的情況下可達(dá)49.5％的帶寬。通過對反射板的合理設(shè)計，可使在整個工作頻帶范圍內(nèi)天線的半功率波瓣寬度為65°±6°，天線的波束收斂度性能優(yōu)良。本天線采用角饋的方式進(jìn)行饋電，在避免將輻射貼片旋轉(zhuǎn)45°的情況下實現(xiàn)了±45°雙極化，這樣有利于減少組陣后天線陣列的整體長度?；诒景l(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，合理改變輻射貼片的大小、開槽地板的形狀以及各層之間的間距，即可構(gòu)成本發(fā)明的其它具體實施方案。
文檔編號H01Q5/01GK102299409SQ201110125360
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者楊仕文, 熊偉, 羅偉, 聶在平, 龔雪 申請人:電子科技大學(xué)