CN106229668A - 一种宽带极化可重构基站天线 - Google Patents

一种宽带极化可重构基站天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带极化可重构基站天线，包括第一振子单元、第二振子单元、馈电网络及介质基板，所述第一振子单元及第二振子单元相互正交嵌套固定在介质基板的上表面，所述馈电网络印刷在介质基板的下表面，所述第一及第二振子单元均包括印刷振子、寄生单元、馈电微带线及振子单元介质基板，所述印刷振子及寄生单元印刷在振子单元介质基板的上表面，所述寄生单元位于印刷振子的上方，所述馈电微带线位于振子单元介质基板的下表面，馈电微带线与馈电网络连接。本天线带宽可基本覆盖698‑960MHz，可基本覆盖GSM900与LTE700频段。

Description

一种宽带极化可重构基站天线
技术领域
本发明涉及移动通信基站天线领域，特别涉及一种宽带极化可重构基站天线。
背景技术
基站天线作为移动通信系统的重要组成部分，其性能对移动通信系统有决定性作用。相比于普通天线，极化可重构天线可以提高空间自由度以便于提高无线通信系统的系统容量，提高频谱利用率，改善通信系统的传输速率。另外，极化可重构天线对于多径效应造成的信号衰落也有一定的抑制作用，提高系统对干扰信号的免疫能力。
目前主要是通过可控馈电系统和可控缝隙来实现天线的极化可重构。前者对馈电系统加载可变电抗或者切换馈电位置，产生不同工作模式的相位差，来实现极化的可重构。后者则是在天线合适的位置刻蚀缝隙，利用射频开关改变天线电流的流动路径，实现天线极化可重构。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带极化可重构基站天线。
本发明采用如下技术方案：
一种宽带极化可重构基站天线，包括第一振子单元、第二振子单元、馈电网络及介质基板，所述第一振子单元及第二振子单元相互正交嵌套固定在介质基板的上表面，所述馈电网络印刷在介质基板的下表面，所述第一及第二振子单元均包括印刷振子、寄生单元、馈电微带线及振子单元介质基板，所述印刷振子及寄生单元印刷在振子单元介质基板的上表面，所述寄生单元位于印刷振子的上方，所述馈电微带线位于振子单元介质基板的下表面，馈电微带线与馈电网络连接。
第一及第二振子单元的印刷振子包括振子单元左臂、振子单元右臂及槽线，所述振子单元左臂及振子单元右臂关于振子单元介质基板纵向中线镜像对称，所述槽线位于振子单元介质基板的纵向中线。
第一及第二振子单元还包括开槽，所述开槽位于振子单元介质基板的纵向中线上，第一振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的上部，第二振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的下部；
第一振子单元的开槽位于第一振子单元介质基板纵向中线的下部，第二振子单元的开槽位于第二振子单元介质基板纵向中线的上部。
所述馈电微带线包括第一匹配段、第二耦合段及第三匹配段，所述第一耦合段分别垂直于第一及第三匹配段，所述第二耦合段垂直于振子单元介质基板纵向中线。
第一振子单元的第二耦合段在耦合点处向上凸起，第二振子单元的第二耦合段在耦合点处向下凸起。
所述馈电网络具体为威尔金森功分器，包括馈电端口、输出支路、四分之一波长传输线，支路、第一分支、第二分支、第三分支及第四分支，所述第一分支及支路分别与四分之一波长传输线连接，所述输出支路由相互平行的第一输出支路和第二输出支路构成，所述第二分支、第三分支由支路分出，所述馈电端口位于介质基板的中央，所述馈电端口的左右两侧设置用于进行线极化与圆极化切换的第一及第二开关，所述第一开关位于馈电端口左侧与第四分支之间，所述第二开关位于馈电端口右侧与四分之一波长传输线之间，第四分支与第一及第二输出支路之间分别设置第三及第四开关，所述第一分支与第二输出支路之间设置第五开关，所述第二分支、第三分支与第一输出支路之间分别设置第六及第七开关，所述支路与第二分支、第三分支之间分别设置第八及第九开关。
所述第一分支及第二分支长度相差四分之一个λg，所述第一分支及第三分支长度相差四分之一个λg，λg对应天线中心频率820MHz在介质中的波长，所述四分之一波长传输线的特征阻抗70.7Ω，各分支其特性阻抗均为50Ω。
当第二开关、第五开关、第七开关及第九开关同时打开，实现左旋圆极化；当第二开关、第五开关、第六开关及第八关凯同时打开，实现右旋圆极化；
当第一开关及第三开关同时打开时，电流通过第一输出支路，天线实现+45°线极化；当第一开关及第四开关同时打开时，电流通过第二输出支路，天线实现-45°线极化。
所述开槽与振子单元介质基板的厚度相同。
所述第一及第二振子单元的高度均为0.3λ0～0.5λ0，λ0为365.9mm，所述寄生单元关于振子单元介质基板的纵向中线对称。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用两个平面结构的振子单元相互正交嵌套，结构简单，二个振子单元之间只需要穿插嵌套在一起，固定在介质板上。
(2)采用寄生单元进一步拓宽阻抗带宽；
(3)馈电结构为一印刷宽带巴伦与改进型威尔金森功分器的结合，实现左右旋和土45°四种极化方式的宽带极化可重构天线。天线带宽可基本覆盖698-960MHz，可基本覆盖GSM900与LTE700频段。
附图说明
图1是本发明一种宽带极化可重构基站天线的结构示意图；
图2是本发明图1中第一振子单元的结构示意图；
图3是本发明图1中第二振子单元的结构示意图；
图4是本发明图1中馈电网络的结构示意图；
图5是本发明的圆极化宽带图；
图6是本发明的圆极化轴比带宽图；
图7是本发明的土45°极化带宽图；
图8是本发明的一种宽带极化可重构基站天线呈左旋圆极化时在820MHz辐射方向图；
图9是一种宽带极化可重构基站天线呈右旋圆极化时在820MHz辐射方向图；
图10是一种宽带极化可重构基站天线呈+45°极化时在820MHz辐射方向图；
图11是一种宽带极化可重构基站天线呈-45°极化时在820MHz辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种宽带极化可重构基站天线，包括第一振子单元1、第二振子单元2、馈电网络及介质基板3，所述第一振子单元1及第二振子单元2相互正交嵌套固定在介质基板3的上表面，所述馈电网络印刷在介质基板3的下表面，所述第一及第二振子单元均包括印刷振子、寄生单元、馈电微带线及振子单元介质基板，所述印刷振子及寄生单元印刷在振子单元介质基板的上表面，所述寄生单元位于印刷振子的上方，所述馈电微带线位于振子单元介质基板的下表面，介质基板正面覆铜，馈电微带线通过金属化过孔与馈电网络连接。
所述第一、第二振子单元的高度为0.3λ0～0.5λ0，λ0为365.9mm。
如图2所示是第一振子单元的结构，如图3是第二振子单元的结构，第一振子单元与第二振子单元的结构基本相同，第一及第二振子单元的印刷振子包括振子单元左臂、振子单元右臂及槽线，所述振子单元左臂及振子单元右臂关于振子单元介质基板纵向中线镜像对称，所述槽线位于振子单元介质基板的纵向中线。
如图2所示，第一振子单元的结构包括第一振子单元的印刷振子、第一振子单元的寄生单元4C、第一振子单元的馈电微带线及第一振子单元的振子单元介质基板7，所述第一振子单元的印刷振子包括第一振子单元左臂4A、第一振子单元右臂4B及第一振子单元的槽线5，所述第一振子单元的寄生单元位于第一振子单元的印刷振子的上方，第一振子单元的印刷振子关于第一振子单元的振子单元介质基板的纵向中线对称。
如图3所示，第二振子单元的结构包括第二振子单元的印刷振子、第二振子单元的寄生单元9C、第二振子单元的馈电微带线及第二振子单元的介质基板12，所述第二振子单元的印刷振子包括第二振子单元左臂9A、第二振子单元右臂9B及第一振子单元的槽线10。
如图2所示，第一振子单元的馈电微带线包括第一振子单元的第一匹配段8A、第一振子单元的第二耦合段8B及第一振子单元的第三匹配段8C构成。所述第一振子单元第一匹配段和第一振子单元第三匹配段分别垂直于第一振子单元第二耦合段，所述第一匹配段8A长为0.1～0.3λ0，其特性阻抗为50Ω，第三匹配段8C长为0.05～0.15λ0，其特性阻抗为50Ω，所述第一振子单元的第二耦合段在耦合点处向上凸起。
如图3所示，第二振子单元的馈电微带线包括第二振子单元的第一匹配段13A、第二振子单元的第二耦合段13B及第二振子单元的第三匹配段13C。所述第二振子单元的第一匹配段和第二振子单元的第三匹配段分别垂直于第二振子单元的第二耦合段，所述第二振子单元的第二耦合段在耦合点处向下凸起。
为了留出空间实现两个振子单元的相互嵌套，分别在所述第一振子单元介质基板7中间向下开有等于介质板厚度的第一振子单元的开槽6。如图3所示，所述第二振子单元介质板上开有等于介质板厚度的第二振子单元的开槽11，第一振子单元的开槽及第二振子单元的开槽均位于所在介质基板的中线处，相对应的第一振子单元的第二耦合段8B于耦合点处向下凹，第二振子单元的第二耦合段13B于耦合点处向上凹。
第一振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的上部，第二振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的下部；
第一振子单元的开槽位于第二振子单元介质基板纵向中线的下部，第二振子单元的开槽位于第二振子单元介质基板纵向中线的上部。
如图4所示，介质基板3的下表面设置馈电网络，具体为一个改进的威尔金森功分器，包括馈电端口、输出支路、四分之一波长传输线，第一分支14A、第二分支14B1、第三分支14B2及第四分支14C，所述输出支路由相互平行的第一输出支路14D和第二输出支路14E构成，所述第二分支14B1、第三分支14B2由支路14B分出，所述馈电端口15位于介质基板的中央，所述馈电端口的左右两侧设置用于进行线极化与圆极化切换的第一及第二开关，所述第一开关S1位于馈电端口左侧与第四分支14C之间，所述第二开关S2位于馈电端口右侧与四分之一波长传输线之间，第四分支14C与第一及第二输出支路14D、14E之间分别设置第三及第四开关，所述第一分支14A与第二输出支路14E之间设置第五开关S5，所述第二分支14B1、第三分支14B2与第一输出支路14D之间分别设置第六及第七开关，所述支路14B与第二分支14B1、第三分支14B2之间分别设置第八及第九开关。
所述第一分支及第二分支长度相差四分之一个λg，所述第一分支及第三分支长度相差四分之一个λg，λg对应天线中心频率820MHz在介质中的波长，所述四分之一波长传输线的特征阻抗70.7Ω，各分支其特性阻抗均为50Ω，所述第一分支与支路分别与四分之一波长的传输线连接，所述四分之一波长的传输线为矩形。
功分器的第一分支14A段和第三分支14B2段相差四分之一λg长度差，从而产生90°相位差，当第二开关、第五开关、第七开关及第九开关同时打开，实现左旋圆极化；
功分器的第一分支14A段和第二分支14B1段相差四分之一λg长度差，同样产生90°相位差，当第二开关、第五开关、第六开关及第八开关同时打开，实现右旋圆极化；
当第一开关及第三开关同时打开时，电流通过第一输出支路14D，天线实现+45°线极化；当第一开关及第四开关同时打开时，电流通过第二输出支路14E，天线实现-45°线极化。
本实施例中第一振子单元介质板7和第二振子单元介质板12以及水平面介质板3均采用高频板材RO4350B，厚度1.52mm，相对介电常数3.48。
本实施例的第一振子单元1和第二振子单元2的高约为0.2～0.4λ0，长约为0.4～0.5λ0。
本实施例中第一、第二振子单元的第一匹配段的长度为0.1～0.3λ0，宽度为3.5mm，第二耦合段长度为27mm，宽度为2.5mm，第三匹配段长度为0.05～0.15λ0，宽度为2.5mm。
本实施例中介质板3长度为350mm，宽度为250mm。功分器的四分之一波长传输线的宽度为2.5mm,其余部分的宽度均为3.5mm。
功分器两侧的分支其特性阻抗均为50Ω，且存在四分之一λg长度差，从而产生90°相位差。分支14A比分支14B2长四分之一λg，分支14B比分支14A长四分之一λg，为了节省空间，微带线进行了弯折。在馈电端口上端引出了分支14D和分支14E，实现两种线极化。在馈电网络的适当位置处共设置了九个开关，实现四种极化方式的可重构。
如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，本发明采用九个开关实现了四种极化方式的可重构，馈电结构为一印刷宽带巴伦与改进型功分器的结合，天线带宽可覆盖698-960MHz，带宽大、辐射方向图稳定、增益高，真正意义上实现了宽带极化可重构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，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。

Claims (10)

1.一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，包括第一振子单元、第二振子单元、馈电网络及介质基板，所述第一振子单元及第二振子单元相互正交嵌套固定在介质基板的上表面，所述馈电网络印刷在介质基板的下表面，所述第一及第二振子单元均包括印刷振子、寄生单元、馈电微带线及振子单元介质基板，所述印刷振子及寄生单元印刷在振子单元介质基板的上表面，所述寄生单元位于印刷振子的上方，所述馈电微带线位于振子单元介质基板的下表面，馈电微带线与馈电网络连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，第一及第二振子单元的印刷振子包括振子单元左臂、振子单元右臂及槽线，所述振子单元左臂及振子单元右臂关于振子单元介质基板纵向中线镜像对称，所述槽线位于振子单元介质基板的纵向中线。
3.根据权利要求2所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，第一及第二振子单元还包括开槽，所述开槽位于振子单元介质基板的纵向中线上，第一振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的上部，第二振子单元的槽线位于第一振子单元介质基板纵向中线的下部；
第一振子单元的开槽位于第一振子单元介质基板纵向中线的下部，第二振子单元的开槽位于第二振子单元介质基板纵向中线的上部。
4.根据权利要求1所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，所述馈电微带线包括第一匹配段、第二耦合段及第三匹配段，所述第一耦合段分别垂直于第一及第三匹配段，所述第二耦合段垂直于振子单元介质基板纵向中线。
5.根据权利要求4所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，第一振子单元的第二耦合段在耦合点处向上凸起，第二振子单元的第二耦合段在耦合点处向下凸起。
6.根据权利要求1所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，所述馈电网络具体为威尔金森功分器，包括馈电端口、输出支路、四分之一波长传输线，支路、第一分支、第二分支、第三分支及第四分支，所述第一分支及支路分别与四分之一波长传输线连接，所述输出支路由相互平行的第一输出支路和第二输出支路构成，所述第二分支、第三分支由支路分出，所述馈电端口位于介质基板的中央，所述馈电端口的左右两侧设置用于进行线极化与圆极化切换的第一及第二开关，所述第一开关位于馈电端口左侧与第四分支之间，所述第二开关位于馈电端口右侧与四分之一波长传输线之间，第四分支与第一及第二输出支路之间分别设置第三及第四开关，所述第一分支与第二输出支路之间设置第五开关，所述第二分支、第三分支与第一输出支路之间分别设置第六及第七开关，所述支路与第二分支、第三分支之间分别设置第八及第九开关。
7.根据权利要求6所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，所述第一分支及第二分支长度相差四分之一个λg，所述第一分支及第三分支长度相差四分之一个λg，λg对应天线中心频率820MHz在介质中的波长，所述四分之一波长传输线的特征阻抗70.7Ω，各分支其特性阻抗均为50Ω。
8.根据权利要求6所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，当第二开关、第五开关、第七开关及第九开关同时打开，实现左旋圆极化；
当第二开关、第五开关、第六开关及第八关凯同时打开，实现右旋圆极化；
当第一开关及第三开关同时打开时，电流通过第一输出支路，天线实现+45°线极化；当第一开关及第四开关同时打开时，电流通过第二输出支路，天线实现-45°线极化。
9.根据权利要求3所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，所述开槽与振子单元介质基板的厚度相同。
10.根据权利要求1所述的一种宽带极化可重构基站天线，其特征在于，所述第一及第二振子单元的高度均为0.3λ0～0.5λ0，λ0为365.9mm，所述寄生单元关于振子单元介质基板的纵向中线对称。
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