CN107123858A - 高性能小型化共轴基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能小型化共轴基站天线，包括：天线辐射单元，所述天线辐射单元包括：高频辐射单元和低频辐射单元；其中：所述高频辐射单元包括：辐射贴片、馈电结构、外围金属墙；所述低频辐射单元包括：辐射体、反射板、外围金属墙。本发明提供的高性能小型化的双频共轴基站天线，基于当前对宽频带、小型化、高性能基站天线的现实需求，整体结构更加小巧，其双频带可以覆盖2G/3G/4G移动通信频段，并且在共轴小型化条件下兼有良好的辐射特性和电路特性。

Description

高性能小型化共轴基站天线
技术领域
本发明涉及无线技术领域，具体地，涉及高性能小型化共轴基站天线。
背景技术
基站天线的易于集成、基站空间的有效利用、复杂环境下电磁性能稳定性的实现需求是天线小型化发展的主要动力。然而，目前被广泛使用的三频天线，大都采用并排方案，即两列高频天线和一列低频天线并排排放，这样的结构设计限制了天线阵列的小型化。国内外在终端小型化多频段天线方面有很多文献，通过对现有技术检索发现如信息技术2011-12-25发表的文章：小型化基站天线带来的影响。文中介绍了一种用于三个频段的基站天线，体积为1340×380×100mm3。但对于小型化要求日益提高的基站天线设计，该天线的体积仍然过大，天线的小型化仍然是结构设计面临的重点、难点。
现代移动通信的飞速发展和广泛应用，随之而来的是人们对高性能通信质量的迫切需求，使得小型化条件下的高性能天线设计具有重大意义。针对上述需求，当前国内外业界工作者提出了很多创新结构并不断深化对其认识。其中，LUK教授在2006年提出倒Г型金属结构馈电电磁偶极子天线在业界引起了很大的反响，后续众多学者在此基础上进一步深化、创新。这一类天线普遍具有宽阻抗带宽、稳定的辐射特性等优越特性。然而，这种片状金属结构也限制了其大规模集成，在实际工作环境下的系统稳定性也难以保证。所幸的是，李勇教授在2008年研究设计了一种宽带双极化印刷振子天线并对其展现的宽带特性进行了理论研究，其将馈电网络和辐射贴片加载在单块PCB板的两层的设计方案能有效解决天线的高密度集成问题。但随之而来的是介质加载带来的增益损耗、辐射效率的显著降低。因此，小型化、高密度集成条件下设计具有良好电性能、辐射性能的天线依然是当前移动通信发展面临的挑战。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高性能小型化共轴基站天线。
根据本发明提供的高性能小型化共轴基站天线，包括：天线辐射单元，所述天线辐射单元包括：高频辐射单元和低频辐射单元；其中：
所述高频辐射单元包括：辐射贴片、馈电结构、外围金属墙；所述低频辐射单元包括：辐射体、反射板、外围金属墙。
优选地，所述高频天线单元的辐射贴片和馈电网络分别集成在单块PCB板的上下两层，两块垂直交叉的PCB板竖立在反射板上构成双极化高频天线。
优选地，所述辐射贴片是以半波振子为等效模型的两片对称放置矩形贴片。
优选地，所述馈电结构为类Г型馈电网络，即在Г型馈电网络传输段，靠近激励源一段添加匹配双枝节。
优选地，所述低频辐射单元的辐射体包括：垂直电振子组、水平磁振子，所述垂直电振子组与水平磁振子构成空间电磁耦合结构。
优选地，所述垂直电振子组包括：4个T型导电结构，其中每个T型导电结构为顶部加载水平圆柱体结构的垂直金属棒。
优选地，所述水平磁振子为八边形金属环结构。
优选地，所述水平磁振子还作为高频辐射单元的反射板。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的高性能小型化的双频共轴基站天线，基于当前对宽频带、小型化、高性能基站天线的现实需求，整体结构更加小巧，其双频带可以覆盖2G/3G/4G移动通信频段，并且在共轴小型化条件下兼有良好的辐射特性和电路特性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为共轴天线总体示意图；
图2为共轴天线低频单元示意图；
图3为共轴天线高频单元示意图；
图4为共轴天线低频电路参数随频率变化的示意图；
图5为共轴天线高频频电路参数随频率变化的示意图；
图6为共轴天线低频0.69GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图7为共轴天线低频0.8GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图8为共轴天线低频0.9GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图9为共轴天线低频0.96GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图10为共轴天线高频1.71GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图11为共轴天线高频2.17GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图12为共轴天线高频2.4GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图；
图13为共轴天线高频2.69GHz，Phi＝0/90度时的增益方向图。
图中：
1-八边形磁振子；
2-差分激励端口；
3-T型电振子；
4-顶/底层介质板；
5-半波振子；
6-类Γ性馈电网络；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的高性能小型化共轴基站天线，包括：天线辐射单元，所述天线辐射单元包括：高频辐射单元和低频辐射单元；其中：
所述高频辐射单元包括：辐射贴片、馈电结构、外围金属墙；所述低频辐射单元包括：辐射体、反射板、外围金属墙。
所述高频天线单元的辐射贴片和馈电网络分别集成在单块PCB板的上下两层，两块垂直交叉的PCB板竖立在反射板上构成双极化高频天线。
所述辐射贴片是以半波振子为等效模型的两片对称放置矩形贴片。
所述馈电结构为类Г型馈电网络，即在Г型馈电网络传输段，靠近激励源一段添加匹配双枝节。
所述低频辐射单元的辐射体包括：垂直电振子组、水平磁振子，所述垂直电振子组与水平磁振子构成空间电磁耦合结构。
所述垂直电振子组包括：4个T型导电结构，其中每个T型导电结构为顶部加载水平圆柱体结构的垂直金属棒。
所述水平磁振子为八边形金属环结构。
所述水平磁振子还作为高频辐射单元的反射板。
下面结合附图对本发明中的技术方案做更加详细的说明。
如图1所示，本发明中的基站天线主要由辐射单元、馈电结构和反射板三部分构成。
天线辐射单元可以分为低频辐射单元和高频辐射单元。其中，低频辐射单元包括垂直电振子组和水平磁振子，二者通过空间电磁耦合构成双极化的电磁偶极子天线。高频辐射单元由加载在PCB一侧的水平对称振子构成。
天线馈电结构主要关注高频馈网。高频馈网是由Г型微带线构成的巴伦，其底端连接同轴线激励源，并实现对半波振子的中心激励。值得注意的是，其靠近同轴激励源一端引入双枝节匹配高阻线以实现阻抗匹配。低频辐射单元则通过垂直电振子组底部的理想端口差分激励。
反射板是平面结构。低频反射板上下平面附有两层F4B介质板，可用以加载低频微带馈网。高频反射板与低频的水平磁振子共用。
本发明提出了一种高性能小型化双频共轴基站天线，天线整体尺寸为314mm×314mm×81mm，其实现的双频带690～960MHz、1710～2690MHz可以覆盖2G/3G/4G移动通信频段，兼有良好的辐射特性和电路特性。
如图1所示，所发明天线整体包括三部分。第一部分为低频单元(详见图2)；第二部分为高频单元(详见图3)；第三部分为反射板，反射板尺寸为314mm×314mm×1.5mm，其四周立有低频墙以控制波束形成，反射板上下两层附有F4B介质板(εr＝2.65,tanδ＝0.003)可以加载低频前后馈电网络。
图2所示为系统第一部分，即低频辐射单元。低频辐射单元由一组T-Feeder(T型垂直电振子)和上层一水平磁振子两部分构成，每个T-Feeder由垂直的金属柱顶层加载金属圆盘构成。本发明中，金属柱是半径为3.7mm，高度为35.6mm的圆柱体；顶层圆盘是半径为5.5mm，高度为2mm的圆柱体；水平磁振子是金属八边形盘，两组边长分别为47mm、66mm。实际工作过程中，加载在反射板和T型结构底部间的理想馈电端口实现对T型电振子的差分激励，该T型结构的顶层圆片通过空间电磁耦合实现对磁偶极子的激励，通过上述二者的联合作用，实现低频电磁偶极子的能量辐射。
图3所示为系统第二部分，即高频辐射单元和高频馈电网络。高频辐射单元是中心馈电的对称振子，两振子辐射壁长度均为34mm(约为1/4波长)。高频馈电为类Г型结构，可将同轴线激励信号转换为对称振子的中心激励信号。整个馈网可由三部分构成，第一部分是长度为38mm(约为1/4波长)的微带传输线，实现激励信号到对称振子等效激励源的传输。值得注意的是，该部分添加双匹配枝节实现宽带匹配。第二部分作为半波振子等效激励源，其物理尺寸为14mm×1.6mm，这部分的感抗特性会使得馈线失配；第三部分是尺寸为9.4mm×0.65mm的传输线构成的开路负载，其容抗可以抵消第二部分的感抗，使天线整体实现匹配。高频辐射单元和馈电网络分别加载在垂直介质板的两层，这样两片高度为35.7mm、厚度为0.8mm的F4B介质板交叉放置就构成双极化高频单元。实际工作过程中，高频馈电端口通过加载在介质板一侧的类Г型馈电网络实现对介质板另一侧的半波振子中心激励，其靠近激励源段引出的短路匹配枝节和尾部开路负载有助于电路参数设计。
图4～13所示为该发明的仿真验证。图4和图5分别为低频、高频电路参数，可以看出低频段反射系数Sii<-9.7dB；高频段反射系数Sii<-12dB，隔离Sij<-26dB。图6～13分别为0.69、0.8、0.96、1.71、2.17、2.4、2.69GHz频点处的辐射方向图。容易看到，低频增益>8.8dBi；高频增益>8.0dBi。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，包括：天线辐射单元，所述天线辐射单元包括：高频辐射单元和低频辐射单元；其中：
所述高频辐射单元包括：辐射贴片、馈电结构、外围金属墙；所述低频辐射单元包括：辐射体、反射板、外围金属墙。
2.根据权利要求1所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述高频天线单元的辐射贴片和馈电网络分别集成在单块PCB板的上下两层，两块垂直交叉的PCB板竖立在反射板上构成双极化高频天线。
3.根据权利要求1所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述辐射贴片是以半波振子为等效模型的两片对称放置矩形贴片。
4.根据权利要求1所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述馈电结构为类Г型馈电网络，即在Г型馈电网络传输段，靠近激励源一段添加匹配双枝节。
5.根据权利要求1所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述低频辐射单元的辐射体包括：垂直电振子组、水平磁振子，所述垂直电振子组与水平磁振子构成空间电磁耦合结构。
6.根据权利要求5所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述垂直电振子组包括：4个T型导电结构，其中每个T型导电结构为顶部加载水平圆柱体结构的垂直金属棒。
7.根据权利要求5所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述水平磁振子为八边形金属环结构。
8.根据权利要求5所述的高性能小型化共轴基站天线，其特征在于，所述水平磁振子还作为高频辐射单元的反射板。
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