CN102403572A

CN102403572A - 一种宽带双频移动通信基站天线

Info

Publication number: CN102403572A
Application number: CN2011104169922A
Authority: CN
Inventors: 李融林; 崔悦慧
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: CN102403572B

Abstract

本发明适用于移动通信基站天线领域，公开了一种宽带双频移动通信基站天线，包括低频辐射单元阵列、高频辐射单元阵列、低频馈电网络、高频馈电网络、反射板。低频单元通过引入寄生辐射贴片增强带宽。高频辐射单元的二对辐射臂末端弯折，高频辐射单元阵列嵌套于低频辐射单元阵列所留空白区域中，在反射板轴向固定设置辐射单元阵列。高、低频辐射单元蚀刻于天线辐射体介质基板的同一面，L形耦合微带馈线蚀刻于天线辐射体介质基板的另一面。设置于反射板上的高、低频微带功分器通过同轴线分别与高、低频辐射单元连接，将每路信号分别等幅等相输入到各阵列对应的辐射单元上，这种对称馈电机制确保天线获得良好方向图特性。

Description

一种宽带双频移动通信基站天线

技术领域

本发明涉及一种移动通信领域使用的天线，尤其涉及一种宽带双频移动通信基站天线。

背景技术

随着移动通信技术的发展，基站天线作为移动通信无线接入系统的重要组成部分，也随着通信系统更替而改进，其性能直接影响整个无线网络的整体性能。飞速发展的移动通信技术要求基站天线小型化、宽带化、多频段化、高效率和更能适应系统的各种要求。随着用户密度的不断增加，蜂窝小区的覆盖半径减小，造成在很多地方基站林立的局面，在人口密集的城区，基站天线占地昂贵；随着人们环保意识的增加，对基站站址的选择要求越来越高；另外，由于基站天线长期处于室外，维护工作日趋繁重；因此减少天线数量已经成为选择基站天线的重要考虑。

移动通信技术发展至今，已经出现了多种通讯标准。经历了第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统、第三代个人通信系统的发展，现在已经逐渐步入下一个时代。在中国，随着3G时代的到来，出现了3G通信系统和2G通信系统共存的局面，同时由于4G通信系统的发展，对LTE2300/LTE2500频段的覆盖成为了新的需求。在日本，无线通信频段划分有900MHz/1500MHz/2000MHz等频段。随着移动用户的迅速增长，通信系统不断扩容，多种制式系统并存，多个系统共用一套天线，使得基站天线的设计要求天线能在宽频带范围内工作，支持不同的子系统。

要实现2G、3G、4G(LTE)频段的覆盖，需要天线具有824-960MHz，1.71-2.69GHz的带宽覆盖，而目前的多频宽带基站天线在带宽覆盖上都有不足。一般来说基站天线采用直立振子或者多层贴片层叠的形式，三维立体结构复杂。为方便进行波形和方图下倾控制，用于移动通信系统的基站天线一般需要采用阵列方式。组阵时，当间距的电长度大于半波长，就可能出现栅瓣。若高频辐射部分和低频辐射部分组建在同一个天线单元中，组阵时高频辐射部分和低频辐射部分的间距相同，而高频辐射单元间距的电长度大于低频辐射单元的电长度，当高频中心频率和低频中心频率比约为2:1时，等间距均匀组阵，高频段方向图可能出现大的栅瓣。因此,既保证天线结构简单，同时又避免在高频段出现大的栅瓣是要解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种全平面结构的、性能良好的宽带双频移动通信基站天线。在不增加基站天线数量和不降低天线性能指标的前提下，用一副天线同时支持GSM900/1800、CDMA、PCS、TD-SCDMA/WCDMA/cdma2000、LTE2300、LTE2500、以及日本的900MHz（810-950MHz）、1500MHz（1429-1516MHz），和2000MHz（1710-2690MHz）频段。满足移动通信系统多性能的需要，达到有效减少天线数量的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种耦合馈电、高低频辐射单元共轴嵌套排布的全平面结构的定向宽带双频基站天线。

技术方案如下：该天线包括天线辐射体、馈电网络、介质基板、反射板、支撑结构和固定结构，所述介质基板包括天线辐射体介质基板和馈电结构介质基板；馈电网络蚀刻在馈电结构介质基板上，馈电结构介质基板设在反射板上表面；天线辐射体采用印刷振子天线阵列形式，蚀刻在天线辐射体介质基板上，天线辐射体介质基板通过固定结构安装在支撑结构上，支撑结构安装在反射板正上方。

天线辐射体包括低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列，低频辐射单元阵列包括n（n=1,2,3,…）个低频辐射单元，高频辐射单元阵列包括2n个高频辐射单元；优选的, 低频辐射单元阵列包括4个低频辐射单元，高频辐射单元阵列包括8个高频辐射单元。每两个高频辐射单元分别嵌套设在同一个低频辐射单元的两侧剩余空间里；高频辐射单元阵列和低频辐射单元阵列共面且共轴线，其轴线位于反射板纵向中轴线上。相邻的高频辐射单元间距相等，相邻的低频辐射单元间距相等，低频辐射单元间距是高频辐射单元间距的2倍。

低频辐射单元包括一个低频振子、两个寄生辐射贴片、L形的第一馈线和低频辐射单元的共面微带线；低频振子由两个低频印刷半波振子并联而成；低频振子、寄生辐射贴片、共面微带线共面印刷于天线辐射体介质基板的背面，第一馈线印刷于天线辐射体介质基板的正面；两个寄生辐射贴片放置于低频振子上下两侧。寄生辐射贴片优选采用与振子臂宽度相同，长度范围为0.3λ₂~0.8λ₂的长方形贴片。低频振子的臂长基本确定了低频谐振频段800-980MHz。第一馈线的特性阻抗为50Ω，长度范围为0.1λ₂~0.3λ₂，低频辐射单元的共面微带线长度范围为0.3λ₂~0.8λ₂；其中λ₂为天线辐射体介质基板内高频段中心频率0.89GHz所对应的波长。

高频辐射单元包括高频振子、L形的第二馈线和高频辐射单元的共面微带线；高频振子由两个高频印刷半波振子并联而成，高频振子臂末端弯折。高频振子和共面微带线共面印刷于天线辐射体介质基板的背面，第二馈线印刷于天线辐射体介质基板的正面；高频辐射单元的臂长（包括弯折部分的长度）基本确定了高频谐振频段1.42-2.7GHz。第二馈线的特性阻抗为50Ω，第二馈线的长度范围为0.15λ₃~0.4λ₃，高频辐射单元的共面微带线长度范围为0.25λ₃~0.85λ₃其中λ₃为天线辐射体介质基板内高频段中心频率2.05GHz所对应的波长。

所述馈电网络包括低频馈电网络、高频馈电网络；由低频馈电网络和高频馈电网络分别对低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列进行馈电。低频馈电网络由低频微带功分器和4根等长度的同轴线构成；高频馈电网络由高频微带功分器和8根等长度的同轴线构成。

低频微带功分器为一分四微带功分器，由一分二的功分器级联构成，每个一分二的功分器都采用50-100Ω的阻抗变换器结构，每一级变换线的长度近似为馈电结构介质基板内低频段中心频率0.89GHz所对应波长的四分之一。同轴线的特性阻抗为50Ω，同轴线的内芯一端穿过低频辐射单元上非金属化过孔与第一馈线相连，另一端与低频微带功分器输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与低频辐射单元的共面微带线相连，另一端与低频微带功分器背面的金属地相连。所述连接方式，可采用焊接等电连接方法。

高频微带功分器为一分八微带功分器，由一分二的功分器级联构成，每个一分二的功分器都采用50-100Ω的二级阻抗变换器结构，每一级变换线的长度近似为高频段中心频率2.05GHz所对应馈电结构介质基板内波长的四分之一。同轴线的特性阻抗为50Ω，同轴线的内芯一端穿过高频辐射单元上非金属化过孔与第二馈线相连，另一端与高频微带功分器输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与高频辐射单元的共面微带线相连，另一端与高频微带功分器背面的金属地相连。所述连接方式，可采用焊接等电连接方法。

所述天线辐射体与反射板之间用绝缘材料的支撑结构支撑，支撑结构的长度由天线辐射体距离反射板的高度决定，所述高度为0.2λ₁~0.5λ₁，λ₁为高频段中心频率2.05GHz所对应自由空间的波长。天线辐射体和支撑结构通过固定结构固定在反射板上。所述支撑结构为塑料棒或木棒，所述固定结构为塑料螺丝。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下优点和有益效果：

多频天线的基本单元具有多谐振特性，一方面，通过对并联印刷振子进行耦合馈电的设计以及距离反射板高度的最优化，获得宽带的阻抗特性和优良的定向辐射方式；另一方面，低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列的共轴排布，使单个天线实现双频特性。

该定向高增益天线的高频辐射单元阵列和低频辐射单元阵列，嵌套共轴排布在一条直线上，在有限空间内实现整体布局。高频辐射单元的数量是低频辐射单元数量的二倍，组阵时高频辐射单元间距与低频辐射单元间距相等，可避免在高频段出现大的栅瓣。

在低频辐射单元中引入了寄生辐射贴片, 由于相互耦合的作用，在比低频振子谐振点略高的频段范围内，由寄生辐射贴片产生了另一个谐振，能拓展大概130MHz频带带宽,从而完全覆盖800-980MHz的频段。

第一馈线和第二馈线采用L形耦合馈电的方式，用一段简单的终端开路微带线实现了高、低频辐射单元并联振子对的馈电，在不用宽带巴伦等复杂馈电结构的条件下，使得阻抗带宽具宽带效果，有助于宽带的阻抗匹配，相对带宽在低频达到20%，高频达到50%。

分别设计了高频馈电网络和低频馈电网络二个并联馈电网络，对于各阵列的各个单元的馈电是完全对称的，可以保证在各个带宽内对每个阵元等幅同相馈电，从而确保天线具有良好的方向图特性。将馈电网络放置于反射板上，利用同轴线连接馈电网络输出端口和天线的各单元。

在实际应用中，高频段信号有更大的路径损耗，传输相同的间距需要更高的增益。该双频天线的高低频嵌套排列结构中，高频段的天线数比低频段的天线数量多一倍，理论上增益值比低频段增益高3dB，可很好地弥补路径损耗。

该天线结构全平面化、紧凑、易于制作并且采用了并馈模式，实现了多频段定向高增益的性能指标。用于支持全球移动通信系统GSM系统，其工作频段为824-960MHz；数字通信服务DCS系统，其工作频段为1710-1880MHz；个人通信服务PCS系统，其工作频段为1850-1990MHz、3G的TD-SCDMA/WCDMA/cdma2000系统，其工作频段为1880-2170MHz；4G的LTE2300/LTE2500系统，其工作频段分别为2305MHz-2400MHz，2500MHz-2690MHz。总体来说，该基站天线满足小型化、低成本、高增益的要求。

附图说明

图1是本宽带双频移动通信基站天线俯视图。

图2是本宽带双频移动通信基站天线侧视图。

图3是低频辐射单元正视图。

图4是高频辐射单元正视图。

图5是低频微带功分器正视图。

图6是高频微带功分器正视图。

图1～6中各附图标记说明如下：

1A～1D、低频辐射单元；2A～2H、高频辐射单元；3

、天线辐射体介质基板；3

、馈电结构介质基板；4、反射板；5、低频振子；6、寄生辐射贴片；7、第一馈线；8A、低频辐射单元上非金属化过孔；8B、高频辐射单元上非金属化过孔；9、第二馈线；10、低频微带功分器；11、高频微带功分器；12、支撑结构；13、固定结构；14、低频辐射单元共面微带线；15、高频振子；16高频辐射单元共面微带线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域普通技术人员在没有作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。

本实施实例中，高频辐射单元阵列采用8元阵，包括8个高频辐射单元；低频辐射单元阵列采用4元阵，包括4个低频辐射单元。图1为整副天线的正面俯视图，图2为整副天线侧视图。低频辐射单元1A～1D和高频辐射单元2A～2H皆沿反射板4纵轴向嵌套排列，印刷于天线辐射体介质基板3

的背面，并位于反射板4同侧，在本实施例中低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列均采用一条直线排布方式。

高频辐射单元2A～2H采用末端弯折的变形振子方案，高频辐射单元的臂长为61mm（不包括弯折部分），弯折部分长度为6mm。低频辐射单元1A～1D在低频振子5的二对辐射臂外侧4mm处分别引入两个寄生辐射贴片6，低频振子5的臂长为155mm，寄生辐射贴片6长度为115mm。寄生辐射贴片6是为扩展低频带宽而引入。

图3为低频辐射单元正面俯视图。第一馈线7是L形微带馈线，用以给低频辐射单元进行耦合馈电，第一馈线7位于天线辐射体介质基板3

的正面，特征阻抗为50Ω，长度31.6mm。图4所示为高频辐射单元正面俯视图。第二馈线9是L形微带馈线，用以给高频辐射单元进行耦合馈电，第二馈线9位于天线辐射体介质基板3的正面，特征阻抗为50Ω，长度为26.5mm。

图5所示为低频微带功分器10的正面俯视图。低频一分四微带功分器用于低频辐射单元阵列馈电，放置于反射板上。

从布局考虑，同轴线的内芯一端穿过低频辐射单元上非金属化过孔8A与第一馈线7相连，另一端与低频微带功分器10输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与低频辐射单元的共面微带线14相连，另一端与低频微带功分器10背面金属地相连。低频微带功分器10的输入口处接有SMA头。电连接的方式均采用焊接等方式。信号的路径为：SMA头→低频微带功分器10→同轴线→第一馈线7。

图6所示为高频微带功分器11的正面俯视图。高频一分八微带功分器用于高频辐射单元阵列馈电，放置于反射板上。

从布局考虑，同轴线的内芯一端穿过高频辐射单元上非金属化过孔8B与第二馈线9相连，另一端与高频微带功分器11输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与高频辐射单元共面微带线16相连，另一端与高频微带功分器11背面金属地相连。高频微带功分器11的输入口处接有SMA头。电连接的方式采用焊接等方式。信号的路径为：SMA头→高频微带功分器11→同轴线→第二馈线9。

低频辐射单元和高频辐射单元均蚀刻于天线辐射体介质基板3

，天线辐射体介质基板3

是0.76mm厚度的高频板Rogers 4350B板材，相对介电常数3.48。

同轴线采用半钢同轴RG-178，直径为2.5mm，特征阻抗为50Ω。

高频微带功分器11和低频微带功分器10均蚀刻于馈电结构介质基板3

，馈电结构介质基板3采用0.8mm厚度的Taconic TLY-5高频板材，相对介电常数2.2，损耗角正切为0.0009。选材考虑了低损耗因素。

反射板4采用平面平板结构。反射板长为830mm，宽为320mm。反射板4可采用铝板、铜板、覆铜介质基板。天线辐射体通过支撑结构12架设于反射板4正上方，距离为45mm。支撑结构12、天线辐射体以及反射板4之间通过固定结构13固定，固定结构13为塑料螺丝。反射板4的形状以及大小可根据实际需求以及实验性能进一步调整，以期得到更好的方向图特性。

高频辐射单元2A～2H，和低频辐射单元1A～1D的排布位置可以根据实验性能和空间布局灵活选择。本发明通过采用高低频嵌套的排布方式，在有限空间内实现整体布局，高频辐射单元嵌套于低频辐射单元的留空区域的中间，高频辐射单元的数量是低频单元数量的二倍。组阵时高频辐射单元之间的间距为85mm，低频辐射单元之间的间距为170mm。在频段中心频率比约为2:1的条件下，相同的电长度，可避免在高频段出现大的栅瓣。

由于采用等幅等相的对称馈电机制，对于各阵列单元的馈电是完全对称的，可以保证在整个带宽内对每个阵元的馈电都是等幅同相的，这样可确保天线具有良好的辐射方向图特性。由于此种并联振子形式的振子单元体现了高增益特性，在组阵之后增益进一步提高，可作为选择移动通信基站天线的参考。本发明可以用在一根天线中实现2G频段包括GSM900、GSM1800、3G频段包括WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000，以及LTE2300/LTE2500等4G频段的全覆盖，以及日本900MHz、1500MHz、2000MHz频段的覆盖。

Claims

1.一种宽带双频移动通信基站天线，包括天线辐射体、馈电网络、介质基板、反射板、支撑结构和固定结构，所述介质基板包括天线辐射体介质基板和馈电结构介质基板；馈电网络蚀刻在馈电结构介质基板上，馈电结构介质基板设在反射板上表面；天线辐射体蚀刻在天线辐射体介质基板上，天线辐射体介质基板通过固定结构安装在支撑结构上，支撑结构安装在反射板正上方，其特征在于所述天线辐射体包括按同一纵轴线排布的低频辐射单元阵列和高频辐射单元阵列；低频辐射单元阵列包括n（n=1,2,3,…）个低频辐射单元，高频辐射单元阵列包括2n个高频辐射单元；每两个高频辐射单元分别嵌套设在同一个低频辐射单元的两侧剩余空间里；相邻的高频辐射单元间距相等，相邻的低频辐射单元间距相等，低频辐射单元间距是高频辐射单元间距的2倍。

2.根据权利要求1所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：低频辐射单元阵列包括4个低频辐射单元，高频辐射单元阵列包括8个高频辐射单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：所述低频辐射单元包括一个低频振子和两个寄生辐射贴片；低频振子由两个低频印刷半波振子并联而成；两个寄生辐射贴片放置于低频振子两侧。

4.根据权利要求1或2所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：所述高频辐射单元包括一个高频振子；高频振子由两个高频印刷半波振子并联而成，高频振子臂末端弯折。

5.根据权利要求3或4所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征是：所述的高频辐射单元阵列和低频辐射单元阵列共面且共轴线，其轴线位于反射板纵向中轴线上。

6.根据权利要求5所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征是：所述低频辐射单元还包括L形的第一馈线和低频辐射单元的共面微带线；所述高频辐射单元还包括L形的第二馈线和高频辐射单元的共面微带线。

7.根据权利要求1～6之一所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：第一馈线、第二馈线特性阻抗为50Ω；所述天线辐射体距离反射板的高度为0.2λ₁~0.5λ₁；第一馈线的长度范围为0.1λ₂~0.3λ₂，第二馈线的长度范围为0.15λ₃~0.4λ₃；低频辐射单元的共面微带线长度范围为0.3λ₂~0.8λ₂；高频辐射单元的共面微带线长度范围为0.25λ₃~0.85λ₃其中，λ₁为高频段中心频率2.05GHz所对应自由空间的波长，λ₂为介质基板内高频段中心频率0.89GHz所对应的波长，其中λ₃为介质基板内高频段中心频率2.05GHz所对应的波长。

8.根据权利要求1或2所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：所述馈电网络包括低频馈电网络、高频馈电网络；低频馈电网络由低频微带功分器和4根等长度的同轴线构成；高频馈电网络由高频微带功分器和8根等长度的同轴线构成。

9.根据权利要求8所述的一种宽带双频移动通信基站天线，其特征在于：所述低频微带功分器为一分四微带功分器，同轴线的内芯一端穿过低频辐射单元上非金属化过孔与第一馈线相连，另一端与低频微带功分器输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与低频辐射单元的共面微带线相连，另一端与低频微带功分器背面金属地相连；所述高频微带功分器为一分八微带功分器，同轴线的内芯一端穿过高频辐射单元上非金属化过孔与第二馈线相连，另一端与高频微带功分器输出端口的微带线相连，同轴线的外导体一端与高频辐射单元的共面微带线相连，另一端与高频微带功分器背面的金属地相连。