CN105789871A - 一种适用于4g lte通信低剖面平面偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于4G LTE通信低剖面平面偶极子天线，将传统的对偶极子天线进行变形，偶极子之间部分类似于Vivadi天线的辐射形式，在平面偶极子天线下方放置一个反射背腔，在反射背腔与平面偶极子天线之间加入一频率选择性表面反射板。本发明能够在实现单向辐射的同时可以显著提高天线增益，使天线在高频增益显著提高，使得天线在4G LTE通信频段内(700MHz‑3200MHz)保持良好的波束收敛性和较高的增益、前后比、交叉极化比特性。

Description

一种适用于4G LTE通信低剖面平面偶极子天线
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种应用于4G移动通信的线极化平面偶极子天线。
背景技术
随着人们对移动通讯业务能力的需求越来越高，在常规2G、3G的基础上，作为准4G的LTE波段已开始投入商用；从运营商的角度来讲，为节省投资及考虑后续如何实现可扩容性、兼容性、多系统、多制式共存已越来越成为一种趋势。如此对基站天线也提出了更高的要求，为满足不同制式的频率，700、1710、2690MHZ频段等超宽频带基站天线被广泛提出并且应用；与此同时，基站天线宽带化也有助于减少移动通信设备，减少天线数量，并减少安装、维护的工程量，从而减少了各运营商的运营成本，而要实现基站天线的宽带化，首先要面临的就是作为其核心部件的辐射单元的带宽扩展问题，如何在整个宽带频带内，保持较高增益、波束收敛一致性、良好的前后比特性及高交叉极化比是一个不小的挑战。
文献1“Shi-Gang Zhou,Member,IEEE,and Jian-Ying Li,”Low-Profile and WidebandAntenna”,IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.10,2011,Pages:(373-376)”采用了微带线馈电展宽对偶极子天线带宽的技术，但是其在频带内增益变化较大。
文献2“S.W.Qu,J.L.Li,Q.Xue,and C.H.Chan,“Wideband cavity-backed bowtieantenna with pattern improvement,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.56,no.12,pp.3850–3854,Dec.2008.”采用了微带巴伦馈电，并使用了圆形反射背腔。但其天线驻波无法满足4G天线带宽，并且其最大增益在高频段较低。
文献3“T.G.Ma and S.K.Jeng,“A printed dipole antenna with tapered slot feed forultrawide-band applications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.53,no.11,pp.3833–3836,Nov.2005.”中天线通过SMA头与微带线馈电将能量传输到两个相互堆叠的微带贴片上，天线带宽满足要求，但该方法不能保证天线的单向辐射，所以天线增益较低。
综上所述，现有文献未能提出有效的实现带宽较宽情况下的较高增益、波束收敛的线极化天线.
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种平面偶极子超宽带天线，具有高增益、波束收敛一致、良好的前后比特性以及高交叉极化比的特点，能够满足4G LTE天线带宽及带宽内增益的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括平面偶极子天线、频率选择性表面反射板和金属反射背腔。
所述的平面偶极子天线包括圆形金属耦合贴片、一号方形介质基板、微带传输线、圆柱形金属柱、SMA接头和两片椭圆形金属贴片；所述的两片椭圆形金属贴片紧贴在一号方形介质基板下表面，且两片椭圆形金属贴片相互不连通；一号方形介质基板上表面紧贴有圆形金属耦合贴片，圆形金属耦合贴片的径向连接微带传输线一端，微带传输线另一端连接圆柱形金属柱，圆柱形金属柱穿过一号方形介质基板和一片椭圆形金属贴片，连接SMA接头；
所述的频率选择性表面反射板包括二号方形介质基板和若干金属贴片，金属贴片等间距周期性排列在二号方形介质基板上表面，二号方形介质基板正对SMA接头的位置开有通孔，且通孔不被金属贴片覆盖；
所述的金属反射背腔包括底部反射板与侧部金属板，底部反射板上正对SMA接头开有通孔；侧部金属板围合在底部反射板上表面的四周，平面偶极子天线和频率选择性表面反射板固定于底部反射板与侧部金属板围合的空间内，平面偶极子天线和频率选择性表面反射板的几何中心投影在底部反射板的几何中心上。
本发明的有益效果是：在线极化对偶极子4G LTE天线底部加入金属反射背腔，在实现单向辐射的同时可以显著提高天线增益，并在其之间加入FSS反射表面，可以使天线在高频增益显著提高，结合上述两种反射板结构，可以使得天线在4G LTE通信频段内(700MHz-3200MHz)保持良好的波束收敛性和较高的增益、前后比、交叉极化比特性。
附图说明
图1是本发明对偶极子天线俯视图。
图2是本发明对偶极子天线整体剖面图。
图3是本发明对偶极子天线FSS反射结构。
图4是本发明对偶极子天线金属背腔反射结构。
图5是本发明4G LTE天线的驻波VSWR。
图6是本发明4G LTE天线的在700MHz频点处的辐射方向图。
图7是本发明4G LTE天线的在1200MHz频点处的辐射方向图。
图8是本发明4G LTE天线的在1700MHz频点处的辐射方向图。
图9是本发明4G LTE天线的在2200MHz频点处的辐射方向图。
图10是本发明4G LTE天线的在2700MHz频点处的辐射方向图。
图11是本发明4G LTE天线的在3200MHz频点处的辐射方向图。
图12是本发明4G LTE天线的最大辐射方向增益随频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明超宽带平面偶极子天线其特征在于，一方面将传统的对偶极子天线进行变形，偶极子之间部分类似于Vivadi天线的辐射形式，第二方面是在平面偶极子天线下方放置一个反射背腔，第三方面是在反射背腔与天线之间加入一次FSS(Frequencyselective surface)。从这三个方面达到了展宽天线辐射带宽，提高天线整个频带内定向增益的目的。
本发明主要包含三个主要部分：平面偶极子天线、频率选择性表面(FSS)反射板、金属反射背腔。这三个部分从上到下的安装顺序分别为平面偶极子天线-频率选择性表面(FSS)反射板-金属反射背腔，它们的中心都处于同一垂直线上。
平面偶极子天线由圆形金属耦合贴片1、一号方形介质基板2、微带传输线3、圆柱形金属柱4、第一椭圆形金属贴片5、第二椭圆形金属贴片6、SMA接头7组成。一号方形介质基板2下表面紧贴有第一椭圆形金属贴片5和第二椭圆形金属贴片6，第一椭圆形金属贴片5和第二椭圆形金属贴片6相互不连通。一号方形介质基板2上表面紧贴有圆形金属耦合贴片1，圆形金属耦合贴片1的径向连接微带传输线3一端，微带传输线3另一端连接圆柱形金属柱4，圆柱形金属柱4穿过一号方形介质基板2和第二椭圆形金属贴片6，连接SMA接头7。一号方形介质基板2的四角分别开有通孔10。
频率选择性表面(FSS)反射板由二号方形介质基板8以及等相距周期性间隔排列在二号方形介质基板8上表面的金属贴片9组成。其中二号方形介质基板8的中部开有通孔13(通孔不得被金属贴片覆盖)，通孔位置正对SMA接头7。二号方形介质基板8四角分别开有通孔10，位置正对一号方形介质基板2的通孔10。
金属反射背腔由底部反射板与侧部金属板12组成，底部反射板上开有通孔14，通孔位置正对SMA接头7。侧部金属板12围合在底部反射板上表面的四周，平面偶极子天线和频率选择性表面(FSS)反射板置于底部反射板与侧部金属板12围合的空间内，且支撑柱穿过一号方形介质基板2和二号方形介质基板8四角的通孔10，固定在底部反射板上。
本实施例中，天线中心频点为2000MHz，其中一号方形介质基板2采用介电常数εr＝2.2的材料，底面长度w为220.0mm，高度h为1.0mm；紧贴其上方的金属贴片1为圆形，金属贴片的半径R1为16.5mm，金属贴片的几何中心距离一号方形介质基板2的几何中心20.4mm；微带传输线3的一端与圆形金属贴片1径向相连，另一端距离一号方形介质基板2的几何中心31.6mm；圆柱形金属柱4与上层微带线3相接，距离一号方形介质基板2的几何中心30.6mm，并穿过一号方形介质基板2与SMA接头7相连；紧贴于方形介质基板2下方的椭圆形金属贴片5、6的短轴长度34.0mm，长短轴之比为1.2，椭圆形金属贴片5、6之间缝隙相距0.6mm，一号方形介质基板2距离边沿3.0mm的位置打有半径R2＝1.25mm的四个通孔10。
二号方形介质基板8采用介电常数εr＝4.4的材料，它的底面长度w为220.0mm，高度h1为1.0mm，与一号方形介质基板2距离h2为33.0mm，紧贴其上方的若干金属贴片9为正方形，边长w3均为为14.0mm，各个金属贴片9之间的间距为24.0mm，二号方形介质基板8上通孔10的位置大小与方形介质基板2上的相同，方形介质基板8上开有通孔13，半径R3为6.0mm，通孔13的几何中心距离二号方形介质基板8的几何中心30.6mm。
金属反射背腔12的底部反射板的边长w4为227.0mm，与方形介质基板2的距离h3为61.0mm，侧部金属壁高度h4为83.5mm，金属反射背腔12底部开有通孔14，半径R4为6.0mm，距离几何中心30.6mm。结构如图1、2、3及图4所示。本发明具体性能如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示，对比结果正与有益效果所描述的一致。

Claims (1)

1.一种适用于4G LTE通信低剖面平面偶极子天线，包括平面偶极子天线、频率选择性表面反射板和金属反射背腔，其特征在于：所述的平面偶极子天线包括圆形金属耦合贴片、一号方形介质基板、微带传输线、圆柱形金属柱、SMA接头和两片椭圆形金属贴片；所述的两片椭圆形金属贴片紧贴在一号方形介质基板下表面，且两片椭圆形金属贴片相互不连通；一号方形介质基板上表面紧贴有圆形金属耦合贴片，圆形金属耦合贴片的径向连接微带传输线一端，微带传输线另一端连接圆柱形金属柱，圆柱形金属柱穿过一号方形介质基板和一片椭圆形金属贴片，连接SMA接头；所述的频率选择性表面反射板包括二号方形介质基板和若干金属贴片，金属贴片等间距周期性排列在二号方形介质基板上表面，二号方形介质基板正对SMA接头的位置开有通孔，且通孔不被金属贴片覆盖；所述的金属反射背腔包括底部反射板与侧部金属板，底部反射板上正对SMA接头开有通孔；侧部金属板围合在底部反射板上表面的四周，平面偶极子天线和频率选择性表面反射板固定于底部反射板与侧部金属板围合的空间内，平面偶极子天线和频率选择性表面反射板的几何中心投影在底部反射板的几何中心上。
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