CN104900998A - 低剖面双极化基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面双极化基站天线，用于解决现有基站天线剖面高、反射板尺寸大的问题。包括±45°双极化平面振子(1)、±45°平面馈电探针(2)、人工磁导体反射板(3)、同轴线(4)、支撑柱(5)和介质材料板(6)；介质材料板(6)的上表面印制+45°的平面馈电探针，下表面印制-45°平面馈电探针和±45°双极化平面振子；介质材料板(6)通过支撑柱(5)固定在人工磁导体反射板(3)的正上方，该人工磁导体反射板(3)包括反射板介质板(31)、方形贴片(32)和地板(33)；同轴线(4)用于实现对天线的激励。本发明具有剖面低、反射板尺寸小的特点，适用于移动通信基站天线。

Description

低剖面双极化基站天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种双极化基站天线，特别涉及一种基于人工磁导体反射板的低剖面双极化基站天线，可应用于移动通信基站天线领域中。

背景技术

移动通信技术给人类带来了快捷的信息沟通，同时需求的增加亦推动了移动通信技术的蓬勃发展。第一代的模拟移动通信系统逐渐淡出我们的视野，到第二代的数字移动通信系统方兴未艾，再到第三代的宽带移动通信系统全世界范围内建设，第四代移动通信技术的试验和建设也如火如荼。近年来，为了实现频率复用、减小基站尺寸、抵抗多径衰落和提高通信系统容量，±45°双极化天线的极化分集技术逐渐代替单极化天线的空间分集技术。但是，移动通信技术的快速发展也使得现有基站的数量成倍的增加。选址、安装困难，视觉污染，用户对基站辐射的担忧成为亟待解决的问题。这就要求天线在实现宽频带、双极化的同时具有小型化、低剖面、经济、环境友好等特点。

传统的双极化基站天线分为贴片基站天线和交叉振子基站天线两类。为了实现宽带双极化，贴片基站天线多采用多层介质板叠加的结构形式，使得天线损耗大且隔离度低。交叉振子基站天线包括辐射振子、馈电巴伦、反射板三部分，馈电巴伦多采用直立结构，介于反射板和辐射振子之间，起到不平衡-平衡馈电和支撑辐射振子的作用。反射板采用大尺寸带边墙的电导体结构。如中国专利，授权号CN202004160U名称为“双极化组合T型匹配振子基站天线”，该发明公开了一种宽带高增益高隔离度双极化天线，其结构如图1所示，该天线包括T型匹配辐射振子、金属平衡-不平衡转换器、接地板三部分。四个T型匹配振子在馈电端串联连接并组成双极化天线单元。两个金属平衡-不平衡转换器相互正交，起到对T型匹配振子的平衡激励和支撑作用。接地板设置有边墙，且距离T型匹配振子的高度大约为四分之一中心频率波长，用于调节波瓣宽度。在特定的工作频段内，该基站天线的剖面较高且反射板尺寸较大，不利于基站天线的小型化，限制了其在新一代移动通信基站天线领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有基站天线存在的缺陷，提出一种低剖面双极化基站天线，用于解决现有双极化基站天线剖面较高、反射板尺寸较大所带来的不利于小型化的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种低剖面双极化基站天线，包括辐射振子、馈电巴伦和反射板；所述辐射振子采用±45°双极化平面振子1，所述馈电巴伦采用±45°平面馈电探针2，所述反射板采用人工磁导体反射板3；在该人工磁导体反射板3的正上方设置有通过四个支撑柱5固定的介质材料板6；在该介质材料板6的上表面印制有+45°平面馈电探针，在其下表面印制有-45°平面馈电探针和±45°双极化平面振子，两个平面馈电探针在竖直投影方向上正交；两个平面振子均通过同轴线4激励，该同轴线4输出端的内芯和外芯分别与±45°平面馈电探针2和±45°双极化平面振子1相连。

上述的低剖面双极化基站天线，人工磁导体反射板3包括反射介质板31、方形贴片32和地板33；所述反射介质板31的厚度为h1，4.4mm≤h1≤5.2mm；其上表面印制有N×N个方形贴片32阵列，方形贴片的边长为L4，14mm≤L3≤16mm，相邻方形贴片间距为g1，1mm≤g1≤1.2mm，方形贴片阵列的阶数为N，6≤N≤8；反射介质板31的下表面印制有地板33。

上述的低剖面双极化基站天线，介质材料板6下表面和人工磁导体反射板3上表面之间的距离为H，H的取值范围为9.5～11.5mm。

上述的低剖面双极化基站天线，±45°双极化平面振子1均由两个关于介质材料板6中心对称的近似八边形振子臂组成，该近似八边形振子臂的中心位置设置有空隙，用于实现小型化；四个近似八边形振子臂排列成一个中心留有正方形区域的十字型结构。

上述的低剖面双极化基站天线，±45°平面馈电探针2均采用矩形结构，其长度L3取值范围为4～6mm，宽W3取值范围为1～1.5mm，±45°平面馈电探针2分别关于介质材料板6中心对称，其竖直投影位于四个近似八边形振子臂围成的正方形区域内。

上述的低剖面双极化基站天线，同轴线4的输入端分别与各自对应的SMA接头相连，该SMA接头置于人工磁导体反射板3下方，形成底部馈电结构。

上述的低剖面双极化基站天线，支撑柱(5)采用非金属材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明的反射板由于采用在反射介质板的上下表面分别印制周期性贴片单元和地板的结构，该结构具有磁导体的零反射相位特性和波束聚集特性，相对于现有的金属反射板，零反射相位特性能缩短入射波与反射波同相叠加的波程，进而有效地降低天线的剖面高度；波束聚集特性能控制天线的波瓣宽度，进而缩减反射板的尺寸。

2)本发明的±45°双极化平面振子由于在中心位置设置有空隙，在同等面积下延长了电流路径，保证辐射性能的同时，实现了辐射振子的小型化，有利于进一步地缩减反射板的尺寸。

3)本发明的±45°双极化平面振子和±45°平面馈电探针由于均印刷在同一个介质材料板上，并直接由同轴线激励，无需额外的匹配网络，与现有技术采用的平衡-不平衡转换器的馈电结构相比，实现了天线的平面化，有效地增加了天线的可集成性，降低了大规模制造的成本。

附图说明

图1是现有基站天线的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明辐射振子和馈电探针结构仰视示意图；

图4是本发明人工磁导体反射板结构示意图；

图5是本发明实施例1的反射系数和隔离度的仿真曲线图；

图6是本发明实施例1的+45°振子单端口馈电，在不同频点时的水平面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图2，本发明包括±45°双极化平面振子1、±45°平面馈电探针2、人工磁导体反射板3、同轴线4、支撑柱5和介质材料板6；介质材料板6采用介电常数为2.2的Rogers 5880材料，表面形状为正方形，其边长L为37.4mm，厚度h为0.508mm，在其+45°角平分线上开有金属化通孔；在该介质材料板6的上表面印制+45°平面馈电探针，在其下表面印制-45°平面馈电探针和±45°双极化平面振子，用于实现平面化，降低大规模加工的成本；人工磁导体反射板3由上层贴片、中层介质和下层地板构成，其中心设置有馈电通孔，该人工磁导体反射板3通过四个支撑柱5固定在该介质材料板6正下方，用于形成单向反射，两者距离H为10.5mm，并且人工磁导体反射板3的四边与介质材料板6的四边平行，用于保证辐射方向图的对称性；所述支撑柱5采用塑料材质，也可以采用其他非金属材料，用于避免影响天线辐射性能；两个同轴线4输出端的内芯和外芯分别与±45°平面馈电探针2和±45°双极化平面振子1相连，其输入端分别与相对应的SMA接头相连并置于所述人工磁导体反射板3正下方，形成底部馈电结构，减小了馈源辐射对天线性能的影响。

参照图3，±45°双极化平面振子1由辐射振子臂a1、a2、a3和a4组成，该四个辐射振子臂a1、a2、a3和a4均采用金属镀铜，排列成一个中心留有正方形区域的十字型结构；辐射振子臂a1和a2、a3和a4分别关于介质材料板中心对称并分别构成±45°极化平面振子；其中，辐射振子臂a1和a3呈正交关系，即夹角θ为90°，辐射振子臂a1和a3构成长度L2为9.3mm，宽度W2为1mm的缝隙，用于调节天线阻抗带宽；辐射振子臂a1和a4、a2和a3、a2和a4的关系同辐射振子臂a1和a3相同；辐射振子臂a1是由边长为18.2mm的正方形分别切去四个直角所构成的近似八边形振子臂，其中+45°角平分线上的两个切角边长均为2mm，-45°角平分线上的两个切角边长均为7mm；辐射振子臂a1的中心位置开有空隙a11，以在同等面积下延长电流路径，实现天线小型化，空隙a11形状为箭头型，空隙a11也可采用圆形、矩形或其他形状。辐射振子臂a2和a4分别在±45°角平分线靠近中心处蚀刻有半径为1.5mm的馈电半圆孔，以分别焊接与其对应的两个同轴线4的外芯。±45°平面馈电探针2均为长L3为4.24mm，宽W3为0.86mm的矩形，并在竖直投影方向上位于上述正方形区域内，其中-45°平面馈电探针与辐射振子臂a3形成一体化结构，+45°平面馈电探针至上而下穿过所述金属过孔与辐射振子臂a1连接。

参照图4，人工磁导体反射板3包括反射介质板31、方形贴片32、地板33，反射介质板31采用介电常数为4.4的FR-4材料，其边长L1为112mm，厚度h1为5mm；其上表面印制有N×N个方形贴片32阵列，方形贴片32阵列阶数N＝7，方形贴片32的边长L4为15mm，相邻贴片间距g1为1.1mm，反射介质板31的边长L1由L4和g1共同决定；反射介质板31的下表面印制有地板33。该人工磁导体反射板3通过所述三层结构，同现有金属反射板相比，具有零反射相位特性和波束控制特性，有效地实现了低剖面、小型化的目的。

实施例2:

实施例2与实施例1结构相同，仅对以下参数做修改：方形贴片的边长L4＝14mm，相邻方形贴片间距g1＝1mm，方形贴片阵列的阶数N＝6，馈电探针的长度L3＝4mm，宽度W3＝0.5mm，介质材料板下表面与人工磁导体反射板上表面的距离H＝10mm，反射介质板的厚度h1＝4.5mm。

实施例3：

实施例3与实施例1结构相同，仅对以下参数做修改：方形贴片的边长L4＝17mm，相邻方形贴片间距g1＝1.2mm，方形贴片阵列的阶数N＝8，平面馈电探针的长度L3＝4.5mm，宽度W3＝1mm，介质材料板下表面与人工磁导体反射板上表面的距离H＝11mm，反射介质板的厚度h1＝5.5mm。

本发明的优点可通过实施例1的仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件HFSS对上述实施例1进行仿真。其端口反射系数和隔离度如图5所示；在+45°振子单端口馈电时，2.4GHz、2.6GHz两个频点处的水平面远场辐射方向图如图6所示；±45°双极化振子在不同频点的3dB水平波束宽度、3dB垂直波束宽度、主方向交叉极化比、单元增益的指标汇总结果如表1所示。

2、仿真结果

参照图5，为本发明实施例1的端口反射系数和隔离度仿真曲线图。可以看出在反射系数小于-10dB的工作频带为2.30GHz～2.75GHz，隔离度大于25dB。包含移动通信工作频段LTE2300、WLAN、LTE2500。说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。

参照图6，为本发明实施例1在+45°振子单端口馈电时，在2.4GHz和2.6GHz频点处的水平面方向图(xoz)，分别对应图6(a)、图6(b)，方向图中包含主极化和交叉极化。可以看出在工作频段内，主极化方向图稳定。

参照表1，为本发明实施例1的±45°振子在不同频点的3dB水平波束宽度、3dB垂直波束宽度、主方向交叉极化比、单元增益的指标汇总。从表中可以看出，3dB水平波束宽度和3dB垂直波束宽度变化平缓，本发明满足整个宽频带内均满足70°±2°，说明天线同样具有良好的方向图带宽稳定性。交叉极化比大于28dB，具有较低的交叉极化。增益稳定且大于8dB。

表1

以上仿真结果说明本发明在实现低剖面、小型化的前提下具有宽频带、高隔离度、辐射性能稳定等优点。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低剖面双极化基站天线，包括辐射振子、馈电巴伦和反射板；其特征在于：所述辐射振子采用±45°双极化平面振子(1)，所述馈电巴伦采用±45°平面馈电探针(2)，所述反射板采用人工磁导体反射板(3)；在该人工磁导体反射板(3)的正上方设置有通过四个支撑柱(5)固定的介质材料板(6)；在该介质材料板(6)的上表面印制有+45°平面馈电探针，在其下表面印制有-45°平面馈电探针和±45°双极化平面振子，两个平面馈电探针在竖直投影方向上正交；两个平面振子均通过同轴线(4)激励，该同轴线(4)输出端的内芯和外芯分别与±45°平面馈电探针(2)和±45°双极化平面振子(1)相连。

2.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于人工磁导体反射板(3)包括反射介质板(31)、方形贴片(32)和地板(33)；所述反射介质板(31)的厚度为h1，4.4mm≤h1≤5.2mm；其上表面印制有N×N个方形贴片(32)阵列，方形贴片的边长为L4，14mm≤L3≤16mm，相邻方形贴片间距为g1，1mm≤g1≤1.2mm，方形贴片阵列的阶数为N，6≤N≤8；反射介质板(31)的下表面印制有地板(33)。

3.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于介质材料板(6)下表面和人工磁导体反射板(3)上表面之间的距离为H，H的取值范围为9.5～11.5mm。

4.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于±45°双极化平面振子(1)均由两个关于介质材料板(6)中心对称的近似八边形振子臂组成，该近似八边形振子臂的中心位置设置有空隙，用于实现小型化；四个近似八边形振子臂排列成一个中心留有正方形区域的十字型结构。

5.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于±45°平面馈电探针(2)均采用矩形结构，其长度L3取值范围为4～4.5mm，宽W3取值范围为0.7～1mm，±45°平面馈电探针(2)分别关于介质材料板(6)中心对称，其竖直投影位于四个近似八边形振子臂围成的正方形区域内。

6.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于同轴线(4)的输入端分别与各自对应的SMA接头相连，该SMA接头置于人工磁导体反射板(3)下方，形成底部馈电结构。

7.根据权利要求1所述的低剖面双极化基站天线，其特征在于支撑柱(5)采用非金属材料。