CN106654529A - 一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，包括地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板和金属墙，所述地板基板上表面上设有通过金属墙组成的方形的结构，馈电基板一与馈电基板二设置在金属墙组成的方形结构的内部且与地板基板相垂直，天线基板设于馈电基板一与馈电基板二的上方，天线基板的下表面设有贴片天线，贴片天线的对角线与正交摆放的馈电基板一和馈电基板二位置相重合，馈电基板二正上方的对角线方向上的贴片天线的两个角上开有大小对称的槽。本发明的双极化微基站天线结构紧凑，制造成本低，能够满足各种环境使用，相比于其他微基站微带天线，具有良好的定向辐射特性和稳定的方向图特性。

Description

一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线
技术领域
本发明涉及基站天线技术领域，具体是一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线。
背景技术
随着移动数据业务占电信业务总量的比率也越来越高，尤其是在学校、商场、办公大楼、会议中心等公共场所；此外，一些城中村、郊区存在信号覆盖盲点。若直接通过建设宏基站来增加网络容量，成本很高，包括站址的选取，设备的采购、安装、调试和维护都要耗费大量的人力、财力、物力和时间。因此，单纯用宏蜂窝网络来兼顾区域的覆盖是一个不明智的选择。正是由于面临上述挑战，业界提出用小型基站来解决部署高速数据业务时面临的室内覆盖问题。
目前比较成熟的有Microcell、Picocell以及Femtocell这些小型基站。MicroCell往往用于较大的室外区域。因为其相比于其他两种类型的SmallCell，微基站功率较大，因此覆盖范围也较广，能够承载较多的用户。使得微基站更适合作为对宏基站覆盖能力补充的角色。
在微基站天线的设计过程中，天线的尺寸、双极化特性、方向图稳定性和增益都是重要的参数指标。微基站加强宏基站的覆盖能力，所以其覆盖频段主要在移动通信的高频段。此外，由于微基站的尺寸要小于宏基站，即要求天线的尺寸足够小。但是紧凑的结构势必会带来线极化天线之间的耦合，产生较大的交叉极化干扰。本身微带天线受到带宽和增益的限制，但是其结构简单和易加工特点普遍适用于基站天线设计。因此，如何在无线通信的微基站中设计尺寸小、足够的带宽、良好的方向图和高的隔离度的微带天线，是目前主要的设计方向。
设计良好性能的微基站天线，首先要选择紧凑型的天线结构；其次选择合适的馈电形式提高交叉极化隔离度和更多的调谐参数来展开天线的带宽；最后优化天线的方向图特性，使得天线的定向辐射和增益满足良好的性能指标。因此，小型化、高隔离度和稳定方向图特性是对设计微基站天线具有重要意义和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，包括地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板和金属墙，所述地板基板上表面上设有通过金属墙组成的方形的结构，馈电基板一与馈电基板二设置在金属墙组成的方形结构的内部且与地板基板相垂直，天线基板设于馈电基板一与馈电基板二的上方，天线基板的下表面设有贴片天线，贴片天线的对角线与正交摆放的馈电基板一和馈电基板二位置相重合，馈电基板二正上方的对角线方向上的贴片天线的两个角上开有大小对称的槽；所述馈电基板一包括正面有半包围金属微带线和背面有敷类的环形金属环一，半包围金属微带线的垂直弯折处有作切角处理，在环形金属环一内部设有类倒T型槽的镂空结构，半包围金属微带线的一端连接SMA接头二；所述馈电基板二上敷有关于基板中心镜面对称的Γ型金属微带线，Γ型的金属微带线在距离末端一定距离处设有较短的调谐金属微带线，馈电基板二的两个Γ型金属微带线底端分别通过金属铜柱与地板基板下表面的差分馈电网络连接，在地板基板的上表面设有金属基板，金属基板上金属柱与SMA接头二处进行穿孔；所述地板基板下表面的差分馈电网络的一端接金属柱与Γ型金属微带线连接，另一端与SMA接头一相连。
作为本发明进一步的方案：所述馈电基板一与馈电基板二分别在其中间处开有能够使馈电基板一与馈电基板二正交插入固定的凹槽。
作为本发明进一步的方案：所述馈电基板一与馈电基板二与贴片天线不直接连接。
作为本发明进一步的方案：所述半包围金属微带线将T型槽分割成两个部分进行耦合。
作为本发明进一步的方案：所述SMA接头一、SMA接头二均为50欧的SMA接头。
作为本发明进一步的方案：所述金属墙为金属铝材料构成，呈栅栏型，栅栏高度分别从墙的两端依次递减至第四个栅栏，其余栅栏高度一致，金属墙围在天线周围，与相邻的金属墙相连接，且与地板基板上的金属基板相连。
作为本发明进一步的方案：所述贴片天线所在的基板其敷有金属贴片天线的面朝下。
作为本发明进一步的方案：所述T型槽其竖直部分的宽度不一致，水平部分的宽度一致，且上方两个角作切角处理。
作为本发明进一步的方案：所述地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板的材料都为FRE-4，其相对介电常数为4.4。
与现有技术相比，本发明的双极化微基站天线结构紧凑，制造成本低，能够满足各种环境使用，相比于其他微基站微带天线，具有良好的定向辐射特性和稳定的方向图特性；采用多参数结构来调节微带天线，解决传统单一靠优化微带天线尺寸来降低天线谐振频率问题；利用混合耦合馈电的方式，具有较好的极化隔离度；本发明结合镜像原理增加了栅栏型高度渐变的金属墙，进而得到稳定方向图特性，整体天线剖面较低。
附图说明
图1为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线的整体结构立体图。
图2为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线的正面结构示意图。
图3为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线中馈电基板一的结构示意图。
图4为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线中馈电基板二的结构示意图。
图5为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线散射参数性能的示意图。
图6为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线在提供2.6GHz频段激励时的激励端口一的E面方向图。
图7为高隔离度的紧凑型双极化微基站天线在提供2.6GHz频段激励时的激励端口二的E面方向图。
图中：1-地板基板、2-贴片天线、3-馈电基板一、4-馈电基板二、5-差分馈电网络、6-SMA接头一、7-天线基板、8-金属墙、9-环形金属环二、10-半包围金属微带线、11-环形金属环一、13-SMA接头二、14-金属铜柱、15-Γ型金属微带线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-7，一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，包括地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板和金属墙，所述地板基板上表面上设有通过金属墙组成的方形的结构，馈电基板一与馈电基板二设置在金属墙组成的方形结构的内部且与地板基板相垂直，天线基板设于馈电基板一与馈电基板二的上方，天线基板的下表面设有贴片天线，贴片天线的对角线与正交摆放的馈电基板一和馈电基板二位置相重合，馈电基板二正上方的对角线方向上的贴片天线的两个角上开有大小对称的槽；所述馈电基板一包括正面有半包围金属微带线和背面有敷类的环形金属环一，半包围金属微带线的垂直弯折处有作切角处理，在环形金属环一内部设有类倒T型槽的镂空结构，半包围金属微带线的一端连接SMA接头二；所述馈电基板二上敷有关于基板中心镜面对称的Γ型金属微带线，Γ型的金属微带线在距离末端一定距离处设有较短的调谐金属微带线，馈电基板二的两个Γ型金属微带线底端分别通过金属铜柱与地板基板下表面的差分馈电网络连接，在地板基板的上表面设有金属基板，金属基板上金属柱与SMA接头二处进行穿孔；所述地板基板下表面的差分馈电网络的一端接金属柱与Γ型金属微带线连接，另一端与50欧SMA接头一相连。
所述馈电基板一与馈电基板二分别在其中间处开有能够使馈电基板一与馈电基板二正交插入固定的凹槽。
所述馈电基板一与馈电基板二与贴片天线不直接连接。
所述半包围金属微带线将T型槽分割成两个部分进行耦合。
所述SMA接头一、SMA接头二均为50欧的SMA接头。
所述金属墙为金属铝材料构成，呈栅栏型，栅栏高度分别从墙的两端依次递减至第四个栅栏，其余栅栏高度一致，金属墙围在天线周围，与相邻的金属墙相连接，且与地板基板上的金属基板相连。
所述贴片天线所在的基板其敷有金属贴片天线的面朝下。
所述T型槽其竖直部分的宽度不一致，水平部分的宽度一致，且上方两个角作切角处理。
所述地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板的材料都为FRE-4，其相对介电常数为4.4。
本发明高隔离度的紧凑型双极化微基站天线主要包括地板基板1、馈电基板一3、馈电基板二4、天线基板7和金属墙8四个部分。贴片天线2位于天线基板7的下表面。馈电基板二4的正上方的对角线方向，对金属的贴片天线2作挖槽处理，为两个角各有同等大小的对称槽。贴片天线2的对角线与正交摆放的馈电基板一3和馈电基板二4位置相重合，符合激励出±45°极化电场的结构。再加上混合耦合馈电的结构，这使得表面电流无法直接影响其他结构，减小了激励端口间的耦合，保证高的极化隔离度。馈电基板一3和馈电基板二4分别在其中间处有挖凹槽，使得馈电基板一3和馈电基板二4可以正交插入固定，使得双极化天线结构紧凑、结实。馈电基板一3和馈电基板二4不与贴片天线2直接连接，而是利用耦合的形式对贴片天线2进行激励。
馈电基板一3包括正面有半包围金属微带线10和背面有敷类环形金属环一11。半包围金属微带线10其垂直弯折处有作切角处理。环形金属环11内部镂空结构为类倒T型槽。T型槽其竖直部分的宽度不一致，水平部分的宽度一致，且上方两个角作切角处理。正面的半包围金属微带线10把T型槽分割成两个部分进行耦合。分割的两个缝隙可以分别等效为一个开路谐振电路和一个短路谐振电路。在天线原理上，天线结构可以等效为一个含有集总元器件的谐振电路。采用这个方式的馈电使得在调谐天线等效电路带宽上，加入了更多的可控参数来变换等效集总元件值。由于天线的谐振频率受辐射贴片尺寸影响。天线谐振频率越小，所需设计的天线尺寸越大。在传统方法上只能修改贴片天线金属的尺寸。采用修改后的馈电结构后，可以在减小顶部辐射贴片的尺寸的情况下，通过对馈电结构中合理设计，确定较优的可控参数来使天线的谐振频率减小，进而达到紧凑的效果。
半包围金属微带线10的一端直接连接50欧的SMA接头13。
馈电基板二4上敷有关于基板中心镜面对称的Γ型金属微带线15。Γ型金属微带线15在距离末端一定距离处有较短的调谐金属微带线。凸出的金属微带线的长度具有较大的并联电抗的影响，对于调节激励二的带宽有着重要的作用。使得在不需要增加天线尺寸的情况下达到较优的相对带宽。
馈电基板二4的两个Γ型金属微带线15底端分别有金属铜柱14与地板基板下表面的差分馈电网络5连接。
地板基板1的上表面有金属地板，在对应两个金属铜柱14和SMA接头二13的位置处都有做穿孔处理。
地板基板1的下表面有差分馈电网络5。分路两端接金属柱14与Γ型金属微带线15连接，另一端与50欧SMA接头一6相连。差分馈电的方法使得贴片天线2表面的高次模电流抵消，从而使激励二与激励一的端口隔离度增加。
栅栏型金属墙8的边缘处高度大于中间，呈凹型。边缘的高度较大影响天线定向辐射，提高半功率波半宽度和辐射功率的前后比。
由图5所示，基站类天线的驻波比要求是1.5，对应的散射参数为14dB。微基站是对宏基站的补充，主要满足高频段的通信频段。从图5可以看出本发明的工作频段为2.5-2.7GHz。其中曲线S11表示其他端口匹配时，激励一处的反射系数。曲线S22表示其他端口匹配时，激励二处的反射系数。曲线S12表示其他端口匹配时，激励一到激励二的正向传输系数。
由图6和图7可以看出激励一和激励二的E面半功率波半宽度都达到60°的要求。且交叉极化比在20dB以下，前后比在20dB左右，具有良好的定向辐射能力。
本发明的工作原理如下，有电磁场的基本原理可知(1)贴片天线的对角线长度影响耦合激励的电流路径的有效长度；(2)电磁耦合馈电具有宽频带特性；(3)混合耦合馈电的形式提高端口隔离度，减小电流之间的耦合；(4)差分馈电网络可以形成差分激励，差分激励可以有效抑制导体表面上的共模电流，从而可以提高天线的极化纯度；(5)利用天线和馈电结构的等效电路模型，提取更多有效参数调节天线带宽，减小对天线尺寸的依赖；(6)金属墙对天线产生类似镜像的特性，提高半功率波半宽度和前后比。
本发明的双极化微基站天线结构紧凑，制造成本低，能够满足各种环境使用，相比于其他微基站微带天线，具有良好的定向辐射特性和稳定的方向图特性；采用多参数结构来调节微带天线，解决传统单一靠优化微带天线尺寸来降低天线谐振频率问题；利用混合耦合馈电的方式，具有较好的极化隔离度；本发明结合镜像原理增加了栅栏型高度渐变的金属墙，进而得到稳定方向图特性，整体天线剖面较低。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，包括地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板和金属墙，所述地板基板上表面上设有通过金属墙组成的方形的结构，馈电基板一与馈电基板二设置在金属墙组成的方形结构的内部且与地板基板相垂直，天线基板设于馈电基板一与馈电基板二的上方，天线基板的下表面设有贴片天线，贴片天线的对角线与正交摆放的馈电基板一和馈电基板二位置相重合，馈电基板二正上方的对角线方向上的贴片天线的两个角上开有大小对称的槽；所述馈电基板一包括正面有半包围金属微带线和背面有敷类的环形金属环一，半包围金属微带线的垂直弯折处有作切角处理，在环形金属环一内部设有类倒T型槽的镂空结构，半包围金属微带线的一端连接SMA接头二；所述馈电基板二上敷有关于基板中心镜面对称的Γ型金属微带线，Γ型的金属微带线在距离末端一定距离处设有较短的调谐金属微带线，馈电基板二的两个Γ型金属微带线底端分别通过金属铜柱与地板基板下表面的差分馈电网络连接，在地板基板的上表面设有金属基板，金属基板上金属柱与SMA接头二处进行穿孔；所述地板基板下表面的差分馈电网络的一端接金属柱与Γ型金属微带线连接，另一端与SMA接头一相连。
2.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述馈电基板一与馈电基板二分别在其中间处开有能够使馈电基板一与馈电基板二正交插入固定的凹槽。
3.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述馈电基板一与馈电基板二与贴片天线不直接连接。
4.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述半包围金属微带线将T型槽分割成两个部分进行耦合。
5.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述SMA接头一、SMA接头二均为50欧的SMA接头。
6.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述金属墙为金属铝材料构成，呈栅栏型，栅栏高度分别从墙的两端依次递减至第四个栅栏，其余栅栏高度一致，金属墙围在天线周围，与相邻的金属墙相连接，且与地板基板上的金属基板相连。
7.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述贴片天线所在的基板其敷有金属贴片天线的面朝下。
8.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述T型槽其竖直部分的宽度不一致，水平部分的宽度一致，且上方两个角作切角处理。
9.根据权利要求1所述的高隔离度的紧凑型双极化微基站天线，其特征在于，所述地板基板、馈电基板一、馈电基板二、天线基板的材料都为FRE-4，其相对介电常数为4.4。
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