本實用新型涉及移動通信領(lǐng)域，尤其涉及一種雙極化介質(zhì)諧振器天線單元及基站天線。

背景技術(shù)：

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及移動通信市場的不斷擴大，人們迫切需求更加小型化的基站天線，同時也希望基站天線的損耗越來越小，以減小耗能。

介質(zhì)諧振器天線正是基站天線小型化和節(jié)能要求的技術(shù)發(fā)展方向之一。一方面，使用高介電常數(shù)材料能大大縮短電磁波在空間中的等效波長，利用這一基本原理設(shè)計的介質(zhì)諧振器天線單元，較常規(guī)基站天線單元要小許多；另一方面，在高頻段，介質(zhì)諧振器天線的損耗要比常規(guī)的金屬半波振子單元在毫米波段的損耗要小20％到30％，符合節(jié)能的要求。

然而，介質(zhì)諧振器天線單元的設(shè)計面臨著不少困難，例如，工作頻段較窄、增益較低、某些形式的介質(zhì)諧振器單元的饋電結(jié)構(gòu)較難用于工程實踐等。

目前關(guān)于介質(zhì)諧振器天線實用新型的研究雖然較多，但是都僅局 限于某一方面或某些方面，例如，局限在單極化或圓極化等只有一個或幾個單元的小型天線上，或局限在X波段、Ku波段等尚未應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域的超高頻、極高頻的毫米波波段，等等。

存在相關(guān)的研究雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的學(xué)術(shù)論文，提出了利用介質(zhì)諧振器的高階模式，不僅擴展了介質(zhì)諧振器天線的帶寬，而且提高了相應(yīng)頻段的增益，但同時也存在明顯的缺陷，即介質(zhì)諧振器單元剖面高度大于四分之一個波長，相比同頻段的常規(guī)天線單元剖面高度要高二分之一以上。

此外，雙極化天線對極化之間的隔離度和交叉極化有比較嚴格的要求，為實現(xiàn)介質(zhì)諧振器天線的雙極化目的，就必須設(shè)計能夠?qū)ΨQ饋電且隔離度較好的饋電結(jié)構(gòu)。

因此，提供一種低剖面且高增益的、饋電結(jié)構(gòu)對稱的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元及相應(yīng)的基站天線是非常有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本實用新型的首要目的旨在提供一種低剖面且高增益的、饋電結(jié)構(gòu)對稱的、且在移動通信頻段內(nèi)自由設(shè)計的雙頻或?qū)掝l的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元。

本實用新型的另一目的旨在提供一種采用上述的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的基站天線。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供以下技術(shù)方案：

本實用新型提供的一種雙極化介質(zhì)諧振器天線單元，包括由下而 上依次連接的基板、介質(zhì)諧振器和引向器，所述基板的上表面設(shè)有接地面，并且接地面內(nèi)蝕刻有縫隙，基板下表面蝕刻有與所述縫隙相匹配并用于饋電的微帶饋線；所述介質(zhì)諧振器及所述引向器在所述基板上的投影覆蓋所述縫隙。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)諧振器的幾何中心在所述基板上的投影與所述縫隙的中心重合。

優(yōu)選地，所述引向器在所述介質(zhì)諧振器上的投影位于所述介質(zhì)諧振器端面的中部，并且引向器的中心在基板上的投影與所述縫隙的中心重合。

較佳地，所述介質(zhì)諧振器的高度小于六分之一個波長。

可選地，所述縫隙包括與兩個極化相對應(yīng)的第一縫隙和第二縫隙，所述微帶饋線包括對應(yīng)為所述第一、第二縫隙饋電的第一、第二饋線。

進一步地，所述第一縫隙和第二縫隙相互垂直且平分。

進一步地，所述第一、第二縫隙的長度均為雙頻或?qū)掝l帶中的低頻中心頻率所對應(yīng)的等效波長。

進一步地，所述第一饋線和第二饋線均構(gòu)成一分二功分器，各自對應(yīng)為一個極化的縫隙兩端等幅同相饋電。

進一步地，所述微帶饋線還包括設(shè)在其中一條饋線上的空氣跳線，并且所述空氣跳線設(shè)于兩條饋線交匯處。

另一種方式中，所述縫隙包括呈中心對稱且每相鄰兩個之間相互垂直的第一、第二、第三和第四縫隙，所述第一、第二、第三和第四 縫隙到其對稱中心的距離相等。

進一步地，所述第一、第二、第三、第四縫隙均為H形縫隙，所述H形縫隙的等效長度為雙頻或?qū)掝l帶中的低頻中心頻率所對應(yīng)的等效半波長。

進一步地，所述微帶饋線包括均構(gòu)成一分二功分器的第一饋線和第二饋線，各自對一個極化的兩個縫隙等幅同相饋電。

本實用新型提供的一種基站天線，包含上述技術(shù)方案中任意一項所述的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

1.本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元包含引向器，能實現(xiàn)高增益。所述介質(zhì)諧振器天線單元的剖面高度在八分之一波長至六分之一波長之間，相對常規(guī)基站天線單元剖面高度大大降低，即實現(xiàn)了低剖面。本實用新型實現(xiàn)所述介質(zhì)諧振器天線單元高增益的方法，相對于已有研究的諸如角反射器、高階模等提高介質(zhì)諧振器天線單元增益的方法而言更簡單易行。

2.本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元提供了兩種易于裝配的對稱饋電結(jié)構(gòu)，其中一種饋電結(jié)構(gòu)避免了空氣跳線，使饋電結(jié)構(gòu)得到了簡化。

3.本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元可工作在移動通信頻段內(nèi)自由設(shè)計的雙頻或?qū)掝l頻帶，實現(xiàn)了雙極化介質(zhì)諧振器天線單元在0.5GHz至3GHz頻段內(nèi)的雙頻及寬頻帶應(yīng)用，填補了基站雙極化介質(zhì)諧振器天線在該頻段的空白。

本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

本實用新型上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解。

圖1是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的立體圖；

圖2是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的分解圖；

圖3是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的一個實施例的基板下表面示意圖；

圖4是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的一個實施例的蝕刻有對應(yīng)于第一、第二縫隙的微帶饋線的基板下表面的俯視圖；

圖5是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的另一個實施例的基板下表面示意圖；

圖6是本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的另一個實施例的蝕刻有對應(yīng)于第一、第二、第三、第四縫隙的微帶饋線的基板下表面的俯視圖；

圖7是本實用新型的工作在1880MHz～1920MHz頻段的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的增益在水平面的方向圖；

圖8是本實用新型的工作在2496MHz～2690MHz頻段的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元的增益在水平面的方向圖；

圖9是本實用新型的Band39/41雙頻雙極化介質(zhì)諧振器天線單元 的駐波曲線圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。若已知技術(shù)的詳細描述對于示出本實用新型的特征是不必要的，則將其簡要概述或省略。

以下描述的兩個實施例，主要是針對中國移動F頻和D頻兩個頻段，即1880MHz～1920MHz頻段(即Band39)和2496MHz～2690MHz頻段(即Band41)而言的，但這并不排除本實用新型在其他頻段適用的可能性。為了描述方便，在以下給出的實施例中所涉及的頻段均指F頻和/或D頻，而不再作具體說明。

實施例一

請結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，本實用新型的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元100(為方便描述，以下簡稱“天線單元100”)，包括由下而上依次連接的基板6、介質(zhì)諧振器3和引向器1。

所述基板6優(yōu)選PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)基板，其上表面設(shè)有接地面，并且接地面內(nèi)蝕刻有與兩個極化相對應(yīng)的縫隙5；所述基板6的下表面蝕刻有與所述縫隙相匹配的微帶饋線7，以用于與外部饋電網(wǎng)絡(luò)(圖未示)連接而為所述天線單元100饋電。

所述介質(zhì)諧振器3固定于所述基板6的上表面，并且覆蓋所述縫隙。

所述引向器1固定于所述介質(zhì)諧振器3的上方，并且其在所述基板6上的投影覆蓋所述縫隙5。

通過在介質(zhì)諧振器3上設(shè)置所述引向器1充當寄生單元，保證較強的方向性，進而提高所述天線單元100的增益。在需要達到相同增益的前提下，加載引向器1的介質(zhì)諧振器天線單元100可以減小其所需的剖面高度降低了所述介質(zhì)諧振器天線單元的高度，實現(xiàn)了低剖面，有利于實現(xiàn)天線的小型化和高增益。

優(yōu)選地，所述基板6采用低介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)材料，以保證振子帶寬和增益。

所述基板6上表面蝕刻有表現(xiàn)為十字縫隙的所述縫隙5。所述十字縫隙5包括相互垂直且平分的第一縫隙(未標號，下同)和第二縫隙(未標號，下同)，分別與兩個正交的極化相對應(yīng)，且所述十字縫隙5的第一、第二縫隙的長度均為所需設(shè)計頻段的低頻中心頻率所對應(yīng)的等效波長，即其中λ₁為所需設(shè)計頻段的低頻中心頻率對應(yīng)的波長，ε為所述介質(zhì)諧振器3的相對介電常數(shù)。

所述微帶饋線7包括與兩個正交極化相對應(yīng)的第一饋線(未標號，下同)和第二饋線(未標號，下同)，所述第一、第二饋線均構(gòu)成一分二功分器，各自對一個極化方向的縫隙的兩端等幅同相饋電，即第一饋線通過其兩個輸出端與第一縫隙的兩端對應(yīng)連接而為所述第一縫隙饋電，而第二饋線通過其兩個輸出端與第二縫隙的兩端對應(yīng) 連接為第二縫隙饋電。

通過在所述基板6的上表面蝕刻包括相互垂直且平分的第一、第二縫隙的所述縫隙5，以及在所述基板6的下表面相應(yīng)蝕刻包括第一、第二饋線的所述微帶饋線7，形成了對稱的饋電結(jié)構(gòu)，且便于裝配。并且，由于所述第一、第二縫隙相互垂直正交，可以有效避免第一、第二縫隙相互之間的極化影響，保證了兩個極化之間的隔離度。

進一步地，所述微帶饋線7還包括設(shè)置在其中一條饋線上的空氣跳線4，且所述空氣跳線4設(shè)于所述微帶饋線7的兩條饋線的交匯區(qū)域9處，用以避免兩條饋線的相互干涉，從而保證了饋電結(jié)構(gòu)對稱且正交。

更進一步地，所述微帶饋線7末端為若干開路或短路枝節(jié)，以通過調(diào)節(jié)微帶饋線的線長、線寬和開路或短路枝節(jié)，可以使天線帶寬匹配到50歐姆，以通過50歐姆同軸線或微帶線與外部的饋電網(wǎng)絡(luò)連接而為該天線單元100饋電。因此，所述第一、第二饋線的饋電端口8(相當于功分器的輸入端口)通過50歐姆同軸電纜或50歐姆微帶饋線與外部的饋電網(wǎng)絡(luò)連接。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)諧振器3的幾何中心在所述基板6上的投影與所述縫隙5的中心重合。

所述介質(zhì)諧振器3選取相對介電常數(shù)在6至15之間的材料，其形狀包括但不限于圓柱、長方體和錐臺等旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，在本實施例中選擇圓柱形的介質(zhì)諧振器。所述介質(zhì)諧振器3的高度h和半徑a均 為高頻中心頻率對應(yīng)的等效半波長，即為其中，ε為所述介質(zhì)諧振器3的相對介電常數(shù)，λ₂為所需設(shè)計頻段的高頻中心頻率對應(yīng)的波長。

以上圓柱形的介質(zhì)諧振器的高度h和半徑a也可以通過另一方式計算得出，并且計算結(jié)果可以達到更加精確，參考K.M.Luk教授和K.W.Leung教授的英文書籍Dielectric Resonator Antennas中計算介質(zhì)諧振器的HEM111基模的諧振頻率的經(jīng)驗估計公式：

其中f為介質(zhì)諧振器的HEM111基模的諧振頻率，ε為介質(zhì)諧振器的相對介電常數(shù)，在f、ε已知的情況下，優(yōu)化設(shè)計即可得到在所需頻段工作的介質(zhì)諧振器尺寸，比如，將h的值設(shè)置在八分之一至六分之一波長之間，即可對應(yīng)計算出半徑a的值，從而確定在所需頻段工作的所述介質(zhì)諧振器3的尺寸。

當所述介質(zhì)諧振器3為非圓柱形的旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)時，只要相應(yīng)基模諧振在設(shè)計的高頻頻段，那么在計算諧振頻率所需的介質(zhì)諧振器的尺寸時依然可以使用上述的經(jīng)驗公式，再結(jié)合所述十字縫隙的長寬確定低頻諧振頻率，綜合考慮所述引向器1和陣列邊界條件則可優(yōu)化設(shè)計出相應(yīng)的雙頻或?qū)掝l天線單元，其中寬頻天線單元的-10DB以下阻抗帶寬可達500MHz，相對帶寬達到30％。

由于所述介質(zhì)諧振器3選取相對介電常數(shù)為6至15的材料，從而可保證相應(yīng)的帶寬。同時，通過上述設(shè)計，可使得所述介質(zhì)諧振器3的高度在八分之一至六分之一波長之間，即減小了所述介質(zhì)諧振器3的尺寸，實現(xiàn)了所述天線單元100的小型化。

優(yōu)選地，所述引向器1在所述介質(zhì)諧振器3上的投影位于所述介質(zhì)諧振器3端面的中部，且所述引向器1的中心在所述基板6上的投影與所述縫隙5的中心重合。

所述引向器1選取金屬或相對介電常數(shù)大于50的材料，其形狀包括但不限于十字形、圓環(huán)形、方形和方框形等旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。所述引向器1的長度與所述介質(zhì)諧振器3的長度接近。

所述引向器1通過支撐柱2固定于所述介質(zhì)諧振器3的上方。所述支撐柱2中空并設(shè)有螺紋，其高度大于0.02個波長。所述支撐柱2優(yōu)選相對介電常數(shù)小于3的塑料，且所述支撐柱2對所述天線單元100的電路參數(shù)和輻射參數(shù)均無顯著影響。通過塑料螺釘貫穿所述基板6和所述介質(zhì)諧振器3，進而將塑料螺釘與所述支撐柱2鎖緊，即可將基板6與所述引向器1和所述介質(zhì)諧振器3固定。

所述引向器1可提高所述天線單元100的增益。同時，由于所述引向器1的參數(shù)會影響雙頻中的高頻的諧振頻率，因此在設(shè)計時要綜合考慮整體因素。

實施例二

請結(jié)合圖5和圖6，實施例二與實施例一類似，其不同之處在于，所述基板6上提供了另一種縫隙5’以及與之匹配的微帶饋線7’。

所述縫隙5’包括呈中心對稱且每相鄰兩個縫隙之間相互垂直的第一、第二、第三和第四縫隙，所述第一、第二、第三和第四縫隙到其對稱中心的距離相等，也即四個縫隙之間呈旋轉(zhuǎn)對稱關(guān)系。所述第一、第二、第三、第四縫隙優(yōu)選為相同的H形縫隙，并且每條H形縫隙的等效長度均為所需設(shè)計的低頻中心頻率所對應(yīng)的等效半波長，即其中λ₁為所需設(shè)計頻段的低頻中心頻率對應(yīng)的波長，ε為所述介質(zhì)諧振器3的相對介電常數(shù)。

相應(yīng)地，所述基板6的下表面與所述縫隙5’相對應(yīng)的位置處蝕刻有微帶饋線7’，所述微帶饋線7’包括與所述第一、第二、第三和第四縫隙相對應(yīng)的第一饋線和第二饋線，所述第一、第二饋線均構(gòu)成一分二功分器(即具有一個輸入支路和兩個輸出支路)，各自對相互平行的兩條H形縫隙等幅同相饋電，也即一條饋線對一個極化的兩個縫隙等幅同相饋電。所述兩條饋線中，其中一條饋線的一個輸出支路穿過所述縫隙5’在所述基板6下表面投影的中心。所述第一、第二饋線的饋電端口8’分別通過50歐姆同軸電纜或50歐姆微帶饋線與外部的饋電網(wǎng)絡(luò)連接。

通過上述設(shè)計，本實施例中的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元也具有實施例一中的天線單元所具有的功能。同時，本實施例中的饋電結(jié)構(gòu)避免了空氣跳線，使饋電結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，從而簡化了所述天線單元100的裝配。

通過上述的實施方式，本實用新型提供了便于饋電的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元，其實現(xiàn)了低剖面和高增益，從而使本實用新型的天 線單元在1880MHz～1920MHz頻段和2496MHz～2690MHz的增益均達到了8DBi左右，對應(yīng)的水平方向圖如圖7和圖8所示，對應(yīng)的駐波曲線如圖9所示。

此外，本實用新型還提供了一種基站天線，其應(yīng)用了上述的雙極化介質(zhì)諧振器天線單元100，并具備所述天線單元100的功能，由于具有較低的剖面而實現(xiàn)了小型化。

以上所述僅是本實用新型的部分實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。