CN106356618B - 一种微波高频段双极化小基站平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波高频段小基站平板天线，包括两层微波介质基片、印刷在下层介质基片正面按两行八列排布的切角正方形主辐射金属贴片和与±45°双极化对应的两组紧凑型树状等功率分配网络，印刷在上层介质基片的与主辐射金属贴片中心严格对准的按两行八列排布的正方形寄生辐射金属贴片，两组等功分网络均为1分16路，其16路分支末端与主辐射金属贴片逐一相连且呈现正交馈电，总馈端口采用一对SMA型同轴接头连接。本发明利用完全印刷电路工艺，设计实现了具有低剖面、驻波小、低互耦、低前后比和高效率的双极化小基站平板天线，适用于第五代移动通信在微波高频段建立小基站的潜在应用需求，本发明天线的3dB波束为30°×7°，可以采用12片本发明的天线实现全小区360°连续覆盖。

Description

一种微波高频段双极化小基站平板天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种应用于第五代无线移动通信(5G)的微波高频段双极化平板小基站天线。

背景技术

据统计，目前全球范围内约有68亿移动电话(终端)用户正在使用第二、三和四代无线移动通信技术所提供的语音、数据以及视频等数据业务。可以预计，未来无论是用户数量，还是用户数据量都将呈现飞跃式的发展。只有第五代移动通信技术(5G)的网络能力才能满足未来应用和各种商业场景需求，这是全球范围内移动业务运营商、标准组织、设备厂商以及相关的科研院所在内的产学研多方所达成的共识。对于5G的频谱，虽然当前国际无线电联盟并未给出具体的规划和定义，但是可以肯定的是只有利用微波高频段和毫米波频段频谱，才能有效的提升网络通信速率，实现每秒若干Gbit的数据传输。

此外，在第四代移动通信技术(4G)时代，小基站技术作为对宏基站覆盖的补充，主要应用在补盲场景中。可以预计的是，在5G时代，随着通信频率的升高，小基站将因其可以有效提高整体系统容量的本质，而成为无线网络的核心技术。另一方面，在应用微波高频段或者毫米波频段后，相应的基站天线尺寸可以实现有效的小型化，从而实现视觉隐藏等，可以有效降低基站建设和基站天线架设成本，也能很大程度上改善民众对基站天线的恐慌情绪。

目前，5G相关技术处于研究和形成阶段，因此相关的基站天线，尤其是高频段和毫米波段的小基站天线设计也十分鲜见。随着工作频率的升高，在带来小型化的同时，可以预见对基站天线的设计难点如下：

1.随着工作频率升高和相应工作波长的变短(<3cm或mm量级)，目前在商用频段(3GHz以下)以压铸或金属板状的天线单元形式将无法继续使用，主要因其加工和装配的难度和误差均会增加，从而降低天线效率；

2.传统的电缆组成馈电网络方式也将因装配误差以及电缆与阵子间的转接损耗过大原因而不能继续沿用；

3.在微波高频段，采用基于印刷电路技术的贴片天线阵列将引起高精度和易加工特性而广泛采用。但是，由于基站天线中阵子间距有限，当阵子数量较多、组阵复杂时，将极大的制约馈线的排布方式。馈线间的互耦和串扰将极大影响天线的辐射特性和极化隔离特性。同时，贴片天线固有的表面波问题，也将会影响天线的辐射特性。

本发明针对上述问题，在潜在的5G应用频段15GHz这一频段上，设计并实现了具有±45°双极化特性的低极化互耦的小基站平板天线。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对毫米波高频段小基站天线的需求和相关产品空白，提供一种适用于13.8-15.4GHz、具有低剖面、驻波小(<1.5)、低互耦(<-25dB)、低前后比(>25dB)和高效率(增益>18dBi)的±45°双极化小基站天线，具有精度高、加工简单、适宜批量生产的优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种微波高频段双极化小基站平板天线，包括下层介质基片、上层介质基片、印刷在下层介质基片正面按两行八列排布的旋转45°的切角正方形主辐射金属贴片、印刷在上层介质基片下表面并且与主辐射金属贴片中心严格对准的按两行八列排布的旋转45°的正方形寄生辐射金属贴片、以及印刷在下层介质基片正面的两组紧凑型第一树状等功分网络和第二树状等功分网络，下层介质基片背面完全为金属层，第一树状等功分网络的总馈电端与穿过下层介质基片和下层介质基片背面的金属层的第一同轴型接头内导体相连接，第二树状等功分网络的总馈电端与穿过下层介质基片和下层介质基片背面的金属层的第二同轴型接头内导体相连接；所述第一同轴型接头和第二同轴型接头的外导体与下层介质基片背面金属层焊接在一起；所述第一树状等功分网络和第二树状等功分网络均为由1组1分2等功分器、2组1分2等功分器和4组1分2等功分网络按顺序级联所构成的1分16的等功分网络，两组树状等功分网络的16个分支末端分别与主辐射金属贴片逐一相连，并且第一树状等功分网络和第二树状等功分网络的分支末端按照正交的方式分别连接在每一个主辐射金属贴片的一对正方形临边上。

进一步的，所述的主辐射金属贴片采用了切角正方形形状，所述切角正方形形状就是将正方形的四个顶角分别切除掉一个等腰三角形，所述等腰三角形的边长不超过正方形边长的1/7。

进一步的，所述的第一树状等功分网络位于主辐射金属贴片所排成的两行内侧，其分支末端均与主辐射金属贴片的相同边上的相同位置连接，均为等幅度同相位馈电。

进一步的，所述的第二树状等功分网络位于主辐射金属贴片所排成的两行的外侧，其分支末端与上下两行主辐射金属单元分别连接在上下对称的一对正方形边上，为等幅度馈电；构成第二树状等功分网络的第一级1分2等功分器为等幅反相输出，使得所构成的第二树状等功分网络的上下两行分支末端互为相位相反。

工作原理：目前，基站天线通常要求具有±45°双极化辐射特性，目前常用的基站天线广播波束宽度在30°/45°/60°，垂直波束在7°-9°。参照目前5G研究内容，未来小基站的扇区划分将更为密集，因此确定了设计基站天线的波束宽度为30°×7°，其余设计指标，如驻波、副瓣、前后比等指标均参照现有基站产品。根据业内公知，贴片天线具有良好辐射特性，正方形贴片天线易于实现正交极化。为此，选用旋转45°的正方形贴片用于实现±45°双极化辐射。为了实现上述波束要求，并有效降低阵列复杂度，提出了采用寄生辐射贴片方式来增加单元增益，从而避免采用过多数量的阵元，同时可以有效降低阵元间表面波的影响程度。按照波束方向图要求，设计阵列为8×2排布，采用了两组树状等功分网络作为双极化馈电网络。馈电网络的设计嵌入在贴片阵列之间。由于贴片间距有限，因此采用了紧凑型的树状等功分网络。同时，为了避免馈电网络的交织，将一组等功分网络设计于两行贴片之间，该等功分网络与每个贴片的连接点保持严格相同，因此该功分网络为严格的等幅同相馈电；另一组馈电网络则完全在贴片阵列外围，该等功分网络与每个贴片的连接呈现上下不同，与上行贴片的馈电边和下行贴片的馈电边呈现对称分布，因此该馈电网络按上下两部分为等幅反相馈电。这样设计，可以使得当任意一个等功分网络激励时，此时耦合到另一个等功分网络的信号呈现等幅反相，从而耦合信号相互抵消，因此可以实现较低的互耦。在设计构成中，由于该频段波长的限制，馈电网络和贴片之间呈现紧耦合结构，因此对于馈电网络的分布按照驻波、方向图等要求进行了优化。天线的最终馈电采用了同轴接头方式，可以参照现有的基站天线方式与远端射频单元进行连接，也可以根据小基站的射频与天线一体化设计要求，进行共基片集成设计。

有益效果：与现有技术相比，本发明针对微波高频段(10-30GHz)的特点，利用完全印刷电路工艺，设计实现了具有低剖面、驻波小(<1.5)、低互耦(<-25dB)、低前后比(>25dB)和高效率(增益>18.5dBi)的双极化小基站天线，适用于第五代(5G)移动通信在微波高频段建立小基站的潜在应用需求，本发明天线的3dB波束为30°×7°，可以采用12片本发明的天线实现全小区域覆盖。该天线具有精度较高，重复性好的特性，同时还具有成本低、便于批量生产等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2(a)为本发明的内部树状功分网络示意图；

图2(b)为本发明的外部树状功分网络示意图；

图3为实施例1中天线的S参数测试与仿真结果；

图4(a)为实施例1的端口1激励时垂直平面的归一化方向图测试与仿真结果(14.6GHz)；

图4(b)为实施例1的端口1激励时水平平面的归一化方向图测试与仿真结果(14.6GHz)；

图5(a)为实施例1的端口2激励时垂直平面的归一化方向图测试与仿真结果(14.6GHz)；

图5(b)为实施例1的端口2激励时水平平面的归一化方向图测试与仿真结果(14.6GHz)；

图6为实施例1的端口1和端口2激励时的实测增益。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：如图1所示，一种微波高频段双极化小基站平板天线，包括下层介质基片1、上层介质基片2、印刷在下层介质基片1正面按两行八列排布的旋转45°的切角正方形主辐射金属贴片3、印刷在上层介质基片2下表面并且与主辐射金属贴片3中心严格对准的按两行八列排布的旋转45°的正方形寄生辐射金属贴片4、以及印刷在下层介质基片1正面的两组紧凑型第一树状等功分网络5和第二树状等功分网络6，下层介质基片1背面完全为金属层，第一树状等功分网络5的总馈电端与穿过(无电气连接)下层介质基片1和下层介质基片背面的金属层的第一同轴型接头7内导体相连接，第二树状等功分网络6的总馈电端与穿过(无电气连接)下层介质基片1和下层介质基片背面的金属层的第二同轴型接头8的内导体相连接；所述第一同轴型接头7和第二同轴型接头8的外导体与下层介质基片1背面金属层焊接在一起；所述第一树状等功分网络5和第二树状等功分网络6均为由1组1分2等功分器、2组1分2等功分器和4组1分2等功分网络按顺序级联所构成的1分16的等功分网络，两组树状等功分网络的16个分支末端分别与主辐射金属贴片3逐一相连，并且第一树状等功分网络5和第二树状等功分网络6的分支末端按照正交的方式分别连接在每一个主辐射金属贴片1的一对正方形临边上。所设计天线尺寸为50mm×140mm×2mm。

如图2(a)和图2(b)所示，所述第一树状等功分网络5和第二树状等功分网络6均为1分16的等功分网络，其中第一树状等功分网络5为严格等幅同相馈电，树状等功分网络安装上下分为两组反相等副馈电。

如图3所示，所设计天线在13.8-15.4GHz频段内驻波小于-15dB(驻波比小于1.5)，极化端口隔离度优于30dB。

如图4(a)和图5(a)所示，所设计天线在端口1和端口2激励时，在垂直平面的3dB波束宽度为30°左右，第一副瓣电平为-13dB，前后优于25dB。

如图4(b)和图5(b)所示，所设计天线在端口1和端口2激励时，在水平平面的3dB波束宽度为7°左右，第一副瓣电平为-12.5dB，(60°-90°)范围内副瓣低于-25dB，前后优于25dB。

如图6所示，所设计天线在端口1和端口2激励时，增益水平均大于18dBi。

图3-6的结果表明，所设计天线具有良好的带内驻波、增益、副瓣电平和前后比特性，波束宽度满足设计要求，适用于5G移动通信技术需求。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种微波高频段双极化小基站平板天线，其特征在于：包括下层介质基片(1)、上层介质基片(2)、印刷在下层介质基片(1)正面按两行八列排布的旋转45°的切角正方形主辐射金属贴片(3)、印刷在上层介质基片(2)下表面并且与主辐射金属贴片(3)中心严格对准的按两行八列排布的旋转45°的正方形寄生辐射金属贴片(4)、以及印刷在下层介质基片(1)正面的两组紧凑型第一树状等功分网络(5)和第二树状等功分网络(6)，下层介质基片(1)背面完全为金属层，第一树状等功分网络(5)的总馈电端与穿过下层介质基片(1)和下层介质基片背面的金属层的第一同轴型接头(7)内导体相连接，第二树状等功分网络(6)的总馈电端与穿过下层介质基片(1)和下层介质基片背面的金属层的第二同轴型接头(8)内导体相连接；所述第一同轴型接头(7)和第二同轴型接头(8)的外导体与下层介质基片(1)背面金属层焊接在一起；所述第一树状等功分网络(5)和第二树状等功分网络(6)均为由1组1分2等功分器、2组1分2等功分器和4组1分2等功分网络按顺序级联所构成的1分16的等功分网络，两组树状等功分网络的16个分支末端分别与主辐射金属贴片(3)逐一相连，并且第一树状等功分网络(5)和第二树状等功分网络(6)的分支末端按照正交的方式分别连接在每一个主辐射金属贴片(3)的一对正方形邻边上；

所述的第一树状等功分网络(5)位于主辐射金属贴片(3)所排成的两行内侧，其分支末端均与主辐射金属贴片(3)的相同边上的相同位置连接，均为等幅度同相位馈电；

所述的第二树状等功分网络(6)位于主辐射金属贴片(3)所排成的两行的外侧，其分支末端与上下两行主辐射金属贴片(3)分别连接在上下对称的一对正方形边上，为等幅度馈电；构成第二树状等功分网络的第一级1分2等功分器为等幅反相输出，使得所构成的第二树状等功分网络的上下两行分支末端互为相位相反。

2.根据权利要求1所述的一种微波高频段双极化小基站平板天线，其特征在于：所述的主辐射金属贴片(3)采用了切角正方形形状，所述切角正方形形状就是将正方形的四个顶角分别切除掉一个等腰三角形，所述等腰三角形的边长不超过正方形边长的1/7。

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