全双工应用的宽带高隔离偶极子天线及通信设备

技术领域

本发明涉及一种全双工应用的宽带高隔离偶极子天线及通信设备，属于无线通信技术领域。

背景技术

在移动通信系统中，天线作为通信前端，是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，因此基站天线是移动通信系统的重要组成部分，其特性直接影响整个无线网络的整体性能。随着无线通信系统的快速发展，带内全双工技术近年来受到广泛的关注。带内全双工通讯是指收发机可以在相同的频率和相同的时间段内进行接收和发送。相对于传统的半双工通讯（频分双工和时分双工），带内全双工通讯能够将频谱资源的利用率提高一倍，为避免发射和接收通道之间的自干扰，带内全双工系统需要实现53dB以上的高隔离。与此同时移动通信网络对通信前端设备性能提出了更高的要求，通信前端器件正朝着小型化、宽频化、高隔离、多功能化、易集成化的方向发展。偶极子天线具有较高的阻抗匹配带宽、稳定的增益平坦度、较低的交叉极化等优势，特别适用于无线移动通信系统。所以结构简单、性能优异的偶极子天线必然拥有广阔的应用前景。

但是性能良好的偶极子天线通常频段较宽，同时剖面和面积都比较大。中国专利申请号为CN201310287948.5的发明专利申请采用正交极化的偶极子天线尽可能实现了天线的小型化，通过对称且镜像的巴伦进行馈电，但其隔离度只能达到39dB以上。中国专利申请号为CN201910341834.1的发明专利申请提出了一种无外加电路的偶极子滤波天线，也是采用正交极化的方式提高端口之间的隔离，但由于引入了滤波，牺牲掉了一部分隔离，同时交叉极化也比较大。目前该领域的发明很多都是实现很宽的带宽而隔离度在40dB左右，高隔离是目前无线通信系统的发展趋势之一，因此具有稳定辐射特性的高隔离偶极子天线必然成为全双工无线通信系统的首选功能部件之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种全双工应用的宽带高隔离偶极子天线，该天线具有宽频带、高隔离的优点。

本发明的另一目的在于提供一种包含上述宽带高隔离偶极子天线的通信设备。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种全双工应用的宽带高隔离偶极子天线，包括辐射单元、功分器和第一同轴线；

所述辐射单元水平放置，辐射单元包括辐射体和辐射板，所述辐射体包括第一贴片、第二贴片、第三贴片和第四贴片，所述第一贴片、第二贴片、第三贴片和第四贴片设置在辐射板上，第一贴片和第四贴片构成一对偶极子，第二贴片和第三贴片构成另一对偶极子，两对偶极子相互正交；

所述功分器垂直设置在辐射板的下方，功分器包括第一介质板、U型馈电线、Г型馈电线和地板，所述U型馈电线和Г型馈电线相对设置在第一介质板的正面，所述地板设置在第一介质板的背面；

所述第一同轴线用于对第一贴片和第四贴片进行馈电，所述U型馈电线用于对第二贴片和第三贴片进行馈电。

进一步的，所述第一贴片、第二贴片和第三贴片设置在辐射板的上表面，所述第四贴片设置在辐射板的下表面，并与第一同轴线相连，所述第一同轴线的内导体穿过辐射板通过微带线与第一贴片相连，所述第二贴片和第三贴片分别与U型馈电线的两端相连。

进一步的，所述微带线包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线和第二微带线呈矩形结构，第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度，第一微带线与第一同轴线的内导体相连，第二微带线的一端与第一微带线相连，第二微带线的另一端与第一贴片相连。

进一步的，所述U型馈电线包括第一矩形段、第二矩形段和第三矩形段，第一矩形段的一端和第三矩形段的一端分别与第二矩形段的两端相连，第一矩形段的另一端和第三矩形段的另一端分别与第二贴片、第三贴片相连。

进一步的，所述Г型馈电线包括第四矩形段、第五矩形段、第六矩形段和圆形段，所述第四矩形段、第五矩形段、第六矩形段和圆形段依次相连，所述第五矩形段垂直于第四矩形段，第六矩形段的宽度小于第五矩形段的宽度。

进一步的，所述Г型馈电线连接有第二同轴线，所述第二同轴线激励Г型馈电线，并耦合馈电到U型馈电线激励第二贴片和第三贴片。

进一步的，所述地板上设置有同轴线激励口、第一耦合馈电孔、耦合线和第二耦合馈电孔，所述第二同轴线通过同轴线激励口激励Г型馈电线，所述第一耦合馈电孔的位置与Г型馈电线的位置对应，所述第二耦合馈电孔的位置与U型馈电线的位置对应，所述耦合线的两端分别与第一耦合馈电孔、第二耦合馈电孔相连。

进一步的，还包括反射板，所述反射板水平设置在功分器的下方，反射板包括第二介质板，所述第二介质板上设置有第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口，所述第一馈电端口和第二馈电端口为功分器馈电端口，用于差分激励第二贴片和第三贴片，所述第三馈电端口为同轴线馈电端口，用于激励第一贴片和第四贴片。

进一步的，所述第一介质板的上端设置有两个第一凸部，所述U型馈电线的两端分别位于两个第一凸部处，两个第一凸部穿过辐射板使U型馈电线与第二贴片、第三贴片相连，第一介质板的下端设置两个第二凸部，两个第二凸部分别插入第一馈电端口和第二馈电端口。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种通信设备，包括上述的宽带高隔离偶极子天线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明天线使用功分器和同轴线垂直水平放置，功分器和同轴线两种馈电方式功分器和同轴线激励的辐射贴片正交，实现垂直水平双极化辐射；同时采用宽带功分移相器，可以改善双极化的阻抗带宽，在1.7 GHz-2.7 GHz频段内，|S11|、|S22|<-10dB。带宽达到45.5%。

2、本发明天线通过在两个辐射贴片之间引入差分馈电网络，进一步提高隔离，在工作频段内，双极化辐射之间相互影响极小，从而获得大于53dB的高隔离度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的结构示意图。

图2为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的辐射体上表面结构图。

图3为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的辐射体下表面结构图。

图4为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的功分器正面结构图。

图5为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的功分器背面结构图。

图6为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的反射板结构图。

图7为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的辐射体尺寸示意图。

图8为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的功分器正面尺寸示意图。

图9为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的功分器背面尺寸示意图。

图10为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的侧视尺寸示意图。

图11为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的S系数曲线图。

图12为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线的增益曲线图。

图13为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线在中心频率为2.2GHz的水平面辐射方向图。

图14为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线在中心频率为2.2GHz的垂直面辐射方向图。

图15为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线在中心频率为2.5GHz的水平面辐射方向图。

图16为本发明实施例的全双工应用的宽带高隔离偶极子天线在中心频率为2.5GHz的垂直面辐射方向图。

其中，100-辐射体，101-第一贴片，102-第二贴片，103-第一微带线，104-第二微带线，105-第三贴片，106-第四贴片，200-辐射板，300-第一介质板，301-第一凸部，302-第二凸部，400-U型馈电线，401-第一矩形段，402-第二矩形段，403-第三矩形段，500-第一同轴线，600-反射板，700-Г型馈电线，701-第四矩形段，702-第五矩形段，703-第六矩形段，704-圆形段，800-地板，801-同轴线激励口，802-第一耦合馈电孔，803-耦合线，804-第二耦合馈电孔，900-第二同轴线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种全双工应用的宽带高隔离偶极子天线，该天线能够应用于各种通信设备中，其包括辐射单元、功分器、第一同轴线500和反射板600。

如图1~图3所示，辐射单元水平放置，辐射单元包括辐射体100和辐射板200，辐射体100包括四个金属贴片，四个金属贴片分别为第一贴片101、第二贴片102、第三贴片105和第四贴片106，第一贴片101、第二贴片102、第三贴片105和第四贴片106设置在辐射板200上，第一贴片101和第四贴片106构成一对偶极子，第二贴片102和第三贴片105构成另一对偶极子，两对偶极子相互正交，两对偶极子共同构成天线的辐射体，由于是正交极化所以显著提升了天线隔离。

如图1~图5所示，功分器垂直设置在辐射板的下方，功分器包括第一介质板300、U型馈电线400、Г型馈电线700和地板800，U型馈电线400和Г型馈电线700通过印刷的方式相对设置在第一介质板300的正面，地板800为金属地板，厚度为0.035mm，地板800通过印刷的方式设置在第一介质板300的背面，第一贴片101和第四贴片106为同轴线直接馈电，通过第一同轴线500对第一贴片101和第四贴片106进行馈电，第二贴片102和第三贴片105为功分器差分馈电，通过U型馈电线400分别对第二贴片102和第三贴片105进行馈电，有效地提高了天线隔离度。

进一步地，第一贴片101、第二贴片102和第三贴片105设置在辐射板200的上表面，第四贴片106设置在辐射板200的下表面，并与第一同轴线500相连，第一同轴线500直接激励第四贴片106，第一同轴线500的内导体穿过辐射板200通过微带线与第一贴片101相连，通过微带线激励第一贴片101，第二贴片102和第三贴片105分别与U型馈电线400的两端相连，通过U型馈电线400的两端分别激励第二贴片102和第三贴片105。

更进一步地，微带线包括第一微带线103和第二微带线104，第一微带线103和第二微带线104呈矩形结构，第一微带线103的宽度大于第二微带线104的宽度，第一微带线103与第一同轴线500的内导体相连，第二微带线104的一端与第一微带线103相连，第二微带线104的另一端与第一贴片101相连。

进一步地，U型馈电线400包括第一矩形段401、第二矩形段402和第三矩形段403，第一矩形段401的一端和第三矩形段403的一端分别与第二矩形段402的两端相连，第一矩形段401的另一端和第三矩形段403的另一端分别与第二贴片102、第三贴片105相连。

进一步地，Г型馈电线700包括第四矩形段701、第五矩形段702、第六矩形段703和圆形段704，第四矩形段701、第五矩形段702、第六矩形段703和圆形段704依次相连，第五矩形段702垂直于第四矩形段701，第六矩形段703的宽度小于第五矩形段702的宽度。

进一步地，Г型馈电线700连接有第二同轴线900，第二同轴线900直接激励Г型馈电线700，并耦合馈电到U型馈电线400激励第二贴片102和第三贴片105，对天线进行激励。

更进一步地，地板800上设置有同轴线激励口801，第二同轴线900通过同轴线激励口801直接激励Г型馈电线700。

更进一步地，地板800上还设置有第一耦合馈电孔802、耦合线803和第二耦合馈电孔804，第一耦合馈电孔802的位置与Г型馈电线700的位置对应，第二耦合馈电孔804的位置与U型馈电线400的位置对应，耦合线803的两端分别与第一耦合馈电孔802、第二耦合馈电孔804相连，Г型馈电线700可将激励信号通过耦合的方式传输到背面地板800处，通过第一耦合馈电孔802、耦合线803和第二耦合馈电孔804传输再耦合到U型馈电线400，实现功分器的等功分性能。

如图1~图6所示，反射板600水平设置在功分器的下方，反射板600包括第二介质板603，第二介质板603为FR4介质板，介电常数为4.4，厚度为1mm，第二介质板603上设置有第一馈电端口601、第二馈电端口602和第三馈电端口604，第一馈电端口601和第二馈电端口602为功分器馈电端口，用于差分激励第二贴片102和第三贴片105，第三馈电端口603为同轴线馈电端口，用于激励第一贴片101和第四贴片106。

进一步地，第一介质板300的上端设置有两个第一凸部301，U型馈电线400的两端分别位于两个第一凸部301处，两个第一凸部301穿过辐射板使U型馈电线400与第二贴片102、第三贴片105相连，第一介质板300的下端设置两个第二凸部302，两个第二凸部302分别插入第一馈电端口601和第二馈电端口602。

如图1~图10所示，四个贴片为四个菱形，其长度Ls1为36.3mm，贴片前后都有切角，切角分别为1.3mm和2mm，使用功分器馈电的一对偶极子（第二贴片102和第三贴片105）内部挖槽长度Ls4为22.2mm，宽度Ws2为14mm，两对偶极子之间的距离d为1.86mm，第一同轴线500激励的偶极子（第四贴片106）通过同轴线内导体穿过第一介质板300激励微带线从而激励另一个偶极子（第一贴片101），所用两段微带线（第一微带线103和第二微带线104）长度分别为Ls3为53mm，Ls2为2.68mm，第一同轴线馈电激励的一对偶极子（第一贴片101和第四贴片106）内部也有开槽，尺寸为Ls5为12.9mm，Ws3为6.4mm，辐射板200尺寸Lr1为84.8mm；所用功分器正面中，U型馈电线400的第一矩形段401长度L5为14.8mm，第二矩形段402长度L4为15.9mm，第四矩形段701长度L1为16.8mm，宽度W2为2.5mm，第五矩形段702长度L2为1.8mm，第六矩形段703长度L3为2.9mm，圆形段704直径R为8mm；所用功分器背面中，第二同轴线900所用圆形槽直径R0为3.55mm，耦合线803宽度d0为0.2mm，长度L6为15.1mm；辐射板200厚度h为0.035mm，第一介质板300高度L为29mm，第一凸部301宽度W3为3.5mm，第二凸部302宽度W1为7mm，反射板600宽度Ws1为178mm。

如图11所示，为本实施例的宽带高隔离偶极子天线的S系数曲线图，可以看到，天线工作频段为1.7 GHz-2.7 GHz，相对带宽为45.5 %，隔离度大于53dB；如图12所示，为本实施例的宽带高隔离偶极子天线的增益曲线图，可以看到，天线的增益高于8.4dBi；如图13~图16所示，为本实施例的宽带高隔离偶极子天线的辐射方向图，可以看到，天线具有良好的辐射特性，方向图稳定，前后比大于20dB，交叉极化小于-30dB。

综上所述，本发明天线使用功分器和同轴线垂直水平放置，功分器和同轴线两种馈电方式功分器和同轴线激励的辐射贴片正交，实现垂直水平双极化辐射；同时采用宽带功分移相器，可以改善双极化的阻抗带宽，在1.7 GHz-2.7 GHz频段内，|S11|、|S22|<-10dB。带宽达到45.5%；此外，本发明天线通过在两个辐射贴片之间引入差分馈电网络，进一步提高隔离，在工作频段内，双极化辐射之间相互影响极小，从而获得大于53dB的高隔离度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。