CN107230840B - 高增益宽带微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高增益宽带微带贴片天线，其包括地板、设置在地板上的介质板、主辐射贴片，该主辐射贴片位于地板上方距离H_p处，形状为矩形，在该主辐射贴片上方距离H_s处设有顶部寄生贴片，形状同样为矩形，在该主辐射贴片四周边缘外侧D_p处，设置四个距离地板高度为H_c，长宽分别为L_s、W_s的矩形水平寄生贴片，在该主辐射贴片上设置有馈电点，该馈电点连接至所述介质板的馈电网络。也即是该主辐射贴片与地板之间留有距离，该顶部寄生贴片与该主辐射贴片之间留有距离。本发明为微蜂窝移动通信提供一种高增益、宽频带、双极化、低或无旁瓣、高交叉极化、高隔离、宽波束、小型化、低剖面、低成本、易生产的基站天线。

Description

高增益宽带微带贴片天线

【技术领域】

本发明涉及一种移动通信微基站天线设备与技术，特别是涉及高增益宽带微带贴片及其技术。

【背景技术】

随着网络部署密度不断增大，移动通信已基本实现信号广域连续覆盖。然而，受限于工作频带和覆盖区域的限制，宏蜂窝难以满足高数据传输率和大系统容量的需求，而且尺寸大、选址难、成本高。相比之下，微基站具有尺寸小、剖面低、易安装、隐蔽性强、低成本等优势，适合用户密集的局域高速数据业务。这类基站天线普遍具备中等增益(8-14dBi)、宽波束(水平波宽65°、90°或以上)、双极化、MIMO化等特点，以覆盖较大区域、服务较多用户，从而获得良好覆盖效果和较佳经济性。另外，还具备小尺寸、低剖面、低成本、易批量生产等优点。由于低剖面、平面化的要求，常规交叉振子方案不适合微基站。目前，用于微基站的主要有微带贴片和微带缝隙天线两种。众所周知，微带贴片天线具有低剖面、平面化、适合频带宽、易与电路集成、低成本、高精度等优势，是20世纪发明的重要天线类型，已在移动通信、卫星导航、雷达、航空航天等领域获得了广泛应用。然而，微带贴片天线存在带宽较窄、增益偏低的显著缺点。经过大量研究，人们已经找到了各种拓展带宽的有效方法，如低ε_r的厚基板、共面/层叠寄生贴片、宽带匹配网络等。相比之下，增益低的缺点却至今仍未克服，相关研究也很少。究其原因是，人们认为单微带贴片天线组阵后可很容易获得较高增益。尤其对高增益的大阵列，单元性能的优劣对阵列影响并非决定性的，如通过增加阵元数和馈电加权算法，可获得高增益赋形方向图。尽管如此，单元性能的改进毫无疑问意义是巨大的。理论上，微带贴片阵列天线的增益可无穷大。实际上，当阵元数量很多时，馈电网络由于尺寸大，其总损耗(欧姆损耗、介质损耗和辐射损耗)相当大，几乎与阵元增加的增益提高值相当。换句话，阵元增多带来的增益增加值几乎完全被馈电网络损耗掉了。正是这一实际因素，极大地限制了微带阵列天线的增益提升，故常见增益仅25～30dBi。

相应地，若单元增益能提升3dBi的话，阵列增益也将改善3dBi，这与阵元数增加一倍的增益提升量相当，但阵列尺寸却减少一半，馈电网络的损耗、设计和调试复杂性也都降低了。这对于大型微带贴片阵列来说，其意义是不言而喻的。而且，对于微基站这种尺寸严格受限、无法通过增加阵元提升增益的场合来说，其改善量更是巨大的，直接决定了方案可不可行的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高增益、宽频带、双极化、高隔离、宽波束、小型化、低剖面的高增益宽带微带贴片天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种高增益宽带微带贴片天线，其包括地板、设置在地板上的介质板、主辐射贴片，该主辐射贴片在地板上方距离H_p处，形状为矩形，在该主辐射贴片上方距离H_s处设有矩形的顶部寄生贴片，在该主辐射贴片四周边缘外侧D_p处，设置四个距离地板高度为H_c，长宽分别为L_s、W_s的矩形水平寄生贴片，在该主辐射贴片上设置有馈电点，该馈电点连接至所述介质板的馈电网络。也即是该主辐射贴片与地板之间留有距离，该顶部寄生贴片与该主辐射贴片之间留有距离。

本发明通过设置层叠的顶部寄生贴片、水平寄生贴片，为微蜂窝移动通信提供一种高增益、宽频带、双极化、低或无旁瓣、高交叉极化、高隔离、宽波束、小型化、低剖面、低成本、易生产的基站天线。

优选的，该主辐射贴片是边长为a_p、厚度为T_p的方形贴片，并与地板平行，该顶部寄生贴片是边长为a_r、厚度为T_r的方形贴片，a_r＜a_p，该顶部寄生贴片距地板高度约为该主辐射贴片距地板高度的两倍，优选的，该顶部寄生贴片尺寸稍小于主辐射贴片尺寸，H_s＝2H_p。优选的，该顶部寄生贴片形状与该主辐射贴片形状相同。

优选的，顶部寄生贴片位于主辐射贴片正上方，顶点无加载寄生枝节。

优选的，以该主辐射贴片四个对角点为起点，分别朝两直角边延伸出一对末端开路的寄生枝节，优选的，该主辐射贴片四个对角点设置的寄生枝节是对称L形枝节。

优选的，在该四个水平寄生贴片内外边顶点分别设置一组末端开路的寄生枝节，优选的，在该四个水平寄生贴片内外边顶点设置的寄生枝节是对称L形枝节，相邻水平寄生贴片的临近顶点的L形枝节相互连为一体。

优选的，该水平寄生贴片的宽度大于该主辐射贴片的宽度，该水平寄生贴片长度小于该主辐射贴片长度，且H_c＞H_s＞H_p。优选的，该水平寄生贴片距地板高度稍高于该顶部寄生贴片距地板高度。

优选的，该主辐射贴片长度a_p＝0.5·λ_g/sqrt(ε_r)-2·H_p，约为0.5·λ_g，该L形枝节平行主辐射贴片边缘，朝相邻顶点方向延伸约0.125·λ_g，其中λ_g为中心频率的导波波长，ε_r为天线基材的介电常数。

优选的，在该主辐射贴片边缘两侧下方的地板上，开设有四条与主辐射贴片边缘平行的矩形槽缝，优选的，该地板槽缝位于该水平寄生贴片的靠近主辐射贴片的边缘下方的地板上，且大部分被水平寄生贴片遮盖。优选的，地板的缝槽长度尺寸大于主辐射贴片宽度尺寸，并在地板背面用金属罩将其完全封住。

优选的，该高增益宽带微带贴片天线的馈电方式采用正交双馈方案，包括四个所述馈电点，在主辐射贴片两中心线上或者对角线上关于中心点对称设置，优选的，两馈电点间距约为主辐射贴片长度的1/3～1/4。

优选的，各馈电点通过金属柱连接至介质板的馈电网络，构成两路正交馈电电路，每一路的等功分两支路长度相差0.5·λ_g，其中λ_g为中心频率的导波波长，以实现两馈电点180°之相差。

优选的，该地板与主辐射贴片形状相同，优选的，地板尺寸至少是主辐射贴片尺寸的3倍，地板与主辐射贴片间填充空气、泡沫或其他常见介质材料，优选的，金属罩与缝槽等长宽，其高度与宽度尺寸相当，且都远小于其长度。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明为微蜂窝移动通信提供一种高增益、宽频带、双极化、低或无旁瓣、高交叉极化、高隔离、宽波束、小型化、低剖面、低成本、易生产的基站天线。通过同时设置层叠寄生贴片和共面寄生贴片，以及在贴片边缘下方地板开矩形缝隙，将单个微带贴片的增益从目前的9dBi提高至12dBi，比常规方法改善3dBi，同时增加15％的带宽，达到29％左右的超宽带水平。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是实现宽波束高增益small cell天线，适合小型化、低剖面、高增益微基站的优选方案，而且对于常规宽带、高增益微带阵列的设计和改进也是适用和有效的，可显著减少馈电网络损耗，增加阵列规模。

本发明通过采取下列措施：1)优化主辐射贴片的边长、高度、位置，以及顶点L形枝节和填充基材；2)优化地板尺寸、形状，以及缝槽形状、尺寸和位置；3)优化顶部寄生贴片的边长、位置及高度；4)优化平平面贴片的形状、尺寸、高度、位置，以及顶点L形枝节；5)优化正交馈电点的位置、间距，以及馈电柱的直径；6)优化PCB馈电网络的阻抗匹配、带宽和插损，获得了较常规方案难以实现的：一、高增益，理想增益高达12.85dBi(E/H面波宽约35°/46°)，比两贴片阵列增益还高1dBi左右；近似方形波束，与2×2平面阵相当；二、宽带宽，完全覆盖2.4G频段(2.11-2.85GHz z，BW＝29.84％)；三、无旁瓣，没有常规贴片阵列的旁瓣；四、高交叉极化比和前后比，主瓣内XPD小于-48dB，带内FTBR大于17.5dB；五、±45°或H/V双线极化、高隔离度(|S₂₁|<-25dB)；六、小型化和低剖面，长宽和高度分别小于1.45·λ_C和0.11·λ_C；七、馈电设计简单。比起等增益的双极化四单元贴片阵列，其馈电网络设计至少简化四分之一，一个端口只需一路功分即可。

【附图说明】

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图；

图2为本发明主辐射贴片及其顶点枝节、开槽地板和顶部寄生贴片组合俯视图；

图3为本发明主辐射贴片及其顶点枝节、开槽地板和顶部寄生贴片组合正视图；

图4为本发明水平寄生贴片单元及其顶点枝节的俯视图；

图5为本发明水平寄生贴片四单元单元组合的俯视图；

图6为本发明高增益宽带微带贴片天线完整原理模型的俯视图；

图7为本发明高增益宽带微带贴片天线完整原理模型的正视图；

图8为本发明高增益宽带微带贴片天线完整原理模型的侧视图；

图9为本发明高增益宽带微带贴片天线H/V双极化馈电网路示意图；

图10为本发明高增益宽带微带贴片天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线；

图11为本发明高增益宽带微带贴片天线在f_L＝2.11GHz的增益方向图；

图12为本发明高增益宽带微带贴片天线在f_C＝2.45GHz的增益方向图；

图13为本发明高增益宽带微带贴片天线在f_H＝2.85GHz的增益方向图；

图14为本发明高增益宽带微带贴片天线的增益G vs.f变化特性；

图15为本发明高增益宽带微带贴片天线的E面/H面半功率波束宽度HBPW vs.f变化特性；

图16为本发明高增益宽带微带贴片天线的前后比FTBR vs.f变化特性；

图17为本发明高增益宽带微带贴片的天线交叉极化比XPD vs.f变化特性；

图18为本发明高增益宽带微带贴片天线的辐射效率ηvs.f变化特性。

本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。

【具体实施方式】

下面结合附图给出发明专利的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本本发明。

请参阅图1～9，本发明实施例中，高增益宽带微带贴片天线通过如下方式构造：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，设置金属地板。在XOY平面，以坐标原点O为中心，构造一个边长为W_g、厚度为T_g的方形金属地板20，作为天线的地平面，见图2；

步骤三，设置主辐射贴片。在步骤二的金属地板正上方距离H_p处，同样以坐标原点为中心，作一个边长为a_p、厚度为T_p的正方形贴片，作为主辐射贴片10，见图2；

步骤四，主辐射贴片附设枝节。以步骤三的主辐射贴片10四个对角点为起点，分别朝两直角边延伸出一对末端开路的对称L形枝节11，见图2、图3；

步骤五，设置顶部寄生贴片。在步骤三的主辐射贴片10正上方距离H_s处，设置一个边长为a_r、厚度为T_r的正方形贴片，作为主辐射贴片的顶部寄生贴片30，见图2、图3；

步骤六，地板开槽缝。在步骤三的主辐射贴片10边缘两侧下方的地板上，开四条与主辐射贴片10边缘平行的、完全相同的矩形槽缝21，并在地板背面用金属罩将其完全封住，见图2、图3、图6、图7和图8；

步骤七，附设水平寄生贴片。在步骤三的主辐射贴片10边缘距离其四周外侧D_p处，设置一个高度为H_c，长宽分别为L_s、W_s的矩形水平寄生贴片40，并在内外边顶点分别设置一组对称L形枝节41、42，然后将四个该水平寄生贴片40排成圆阵。步骤六的地板槽缝21，位于该水平寄生贴片40的靠近主辐射10贴片的边缘下方。见图4、图5、图6、图7和图8；

步骤八，设置双馈电点。在步骤三的主辐射贴片10两中心线上设置四个馈电点，两两关于中心点对称，构成正交两路双馈点。然后，将两对馈电点通过四根金属柱50，连接至地板20上的PCB馈电网络，见图6、图7和图8的部分50；

步骤九，设计PCB馈电网络。在步骤的金属地板20上或下表面，设置一层介质板，表面印制出馈电两路网络，分别连接步骤八的四根馈电柱50；主路60、61分别分出两路等功分支路601、602和611、612，分别与两馈电柱相连，各主路分出的支路601、602和611、612之间的长度相差半个导播波长0.5·λ_C，以实现两馈电点180°之相差，见图9。

本实施例中，上述构造方法所得到的高增益微带贴片天线，其包括地板20、设置在地板上或下表面的介质板(未标识)、主辐射贴片10，该主辐射贴片10在地板20上方距离H_p处，形状为矩形，边长为a_p＝0.5·λ_g、厚度为T_p，其中λ_g为中心频率的导波波长。该主辐射贴片10与地板20平行，在该主辐射贴片10上设置有四个馈电点，该馈电点通过金属柱50连接至所述介质板的馈电网络。

以该主辐射贴片四个对角点为起点，分别朝两直角边延伸出一对末端开路的对称L形枝节11，该L形枝节平行主辐射贴片边缘，朝相邻顶点方向延伸约0.125·λ_g，其中λ_g为中心频率的导波波长。

在该主辐射贴片10正上方距离H_s处设有顶部寄生贴片30，该顶部寄生贴片是边长为a_r、厚度为T_r的矩形贴片，形状与该主辐射贴片形状相同，a_r＜a_p，H_s＝2H_p，顶点无加载L形枝节。

在该主辐射贴片10四侧边缘距离其四周外侧D_p处，设置四个距离地板高度为H_c，长宽分别为L_s、W_s的矩形水平寄生贴片40，该水平寄生贴片距地板高度H_c稍高于该顶部寄生贴片距地板高度H_p。在该四个水平寄生贴片40内外边顶点分别设置一组对称L形枝节41、42，相邻水平寄生贴片的临近顶点的L形枝节连为一体。

位于该水平寄生贴片40的靠近主辐射10贴片的边缘下方的地板上，开设有四条与主辐射贴片10边缘平行的矩形槽缝21，该槽缝21大部分被水平寄生贴片40遮盖，该缝槽21长度尺寸大于主辐射贴片10长度尺寸，并在地板背面用金属罩将其完全封住。

该四个所述馈电点在主辐射贴片10两中心线上或者对角线上关于中心点对称设置，两馈电点间距约为主辐射贴片长度的1/3～1/4。各馈电点通过金属柱50连接至介质板的馈电网络，构成两路正交馈电电路，每一路的等功分两支路长度相差0.5·λ_g，其中λ_g为中心频率的导波波长，以实现两馈电点180°之相差。

该金属地板20与主辐射贴片10形状相同，地板20尺寸至少是主辐射贴片10尺寸的3倍，地板20与主辐射贴片10间填充空气、泡沫或其他常见介质材料，金属罩与缝槽等长宽，其高度与宽度尺寸相当，且都远小于其长度。

本发明获得了较常规方案难以实现的：一、高增益，理想增益高达12.85dBi(E/H面波宽约35°/46°)，比两贴片阵列增益还高1dBi左右；近似方形波束，与2×2平面阵相当；二、宽带宽，完全覆盖2.4G频段(2.11-2.85GHz z，BW＝29.84％)；三、无旁瓣，没有常规贴片阵列的旁瓣；四、高交叉极化比和前后比，主瓣内XPD小于-48dB，带内FTBR大于17.5dB；五、±45°或H/V双线极化、高隔离度(|S₂₁|<-25dB)；六、小型化和低剖面，长宽和高度分别小于1.45·λ_C和0.11·λ_C；七、馈电设计简单。具体数据表现请参阅图10～18。

图10为本发明高增益宽带微带贴片天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线；其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是阻抗Z_in，单位为Ω。其中，实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。由图知，在2.11-5.85GHz频段，实部和虚部变化范围分别为：+7.5～+27.5Ω、+42～-+56.5Ω，具有显著的超宽带阻抗特性，设计一个超宽带微带匹配网络即可匹配。

图11表示高增益宽带微带贴片天线在f_L＝2.11GHz的增益方向图；其中，实线为主极化，虚线为交叉极化；光滑线为E面，点线为H面。由图知，E面半功率波宽HPBW＝47.33°、H面半功率波宽HPBW＝67.78°；增益G＝9.45dBi；主瓣内交叉极化XPD<-55dB，极化纯度较非常好。

图12表示高增益宽带微带贴片天线在f_C＝2.45GHz的增益方向图。其中，实线为主极化，虚线为交叉极化；光滑线为E面，点线为H面。由图知，E面半功率波宽HPBW＝36.13°、H面半功率波宽HPBW＝46.51°；增益G＝12.51dBi；主瓣内交叉极化XPD<-65dB，极化纯度较非常好。

图13表示高增益宽带微带贴片天线在f_H＝2.85GHz的增益方向图。其中，实线为主极化，虚线为交叉极化；光滑线为E面，点线为H面。由图知，E面半功率波宽HPBW＝24.99°、H面半功率波宽HPBW＝34.63°；增益G＝10.22dBi；主瓣内交叉极化XPD<-50dB，极化纯度较很好。

图14表示高增益宽带微带贴片天线的增益G vs.f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是增益，单位为dBi。由图知，天线在2.11-5.85GHz频带内(BW＝740MHz，29.84％)，增益为9.5～12.58dBi，3dB增益带宽与阻抗带宽完全一致，且两极化的增益频率特性完全一样

图15表示高增益宽带微带贴片天线的E面/H面半功率波束宽度HBPW vs.f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是波束宽度，单位是度(deg)；实线为E面，虚线为H面。由图知，在2.11～5.85GHz频带内，E面/H面半功率波宽范围分别为：HPBW＝25～48°/34.6～67.8°，且两极化的波宽频率特性完全一样。

图16表示高增益宽带微带贴片天线的前后比FTBR vs.f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是FTBR，单位为dB。由图知，天线在2.11-5.85GHz频带内(BW＝740MHz，29.84％)，前后比FTBR分别为17.5～24.5dB，且两极化的前后比频率特性完全一样。

图17表示高增益宽带微带贴片天线的交叉极化比XPD vs.f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是XPD，单位为dB。由图知，天线在2.11-5.85GHz频带内(BW＝740MHz，29.84％)，交叉极化比XPD<-48dB，非常理想，且两极化的XPD频率特性完全一样。

图18表示高增益宽带微带贴片天线的辐射效率ηvs.f变化特性。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是辐射效率。由图知，天线在2.11-5.85GHz频带内(BW＝740MHz，29.84％)，辐射效率分接近100％，加上匹配网络后天线效率仍可达到90％以上。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，其包括地板、设置在地板上的介质板、主辐射贴片，该主辐射贴片位于地板上方距离H p 处，形状为矩形，在该主辐射贴片上方距离H s 处设有矩形的顶部寄生贴片，在该主辐射贴片四周边缘外侧D p 处，设置四个距离地板高度为H c ，长宽分别为L s 、W s 的矩形水平寄生贴片，该水平寄生贴片的宽度大于该主辐射贴片的宽度，该水平寄生贴片长度小于该主辐射贴片长度，且H c ＞H s ＞H p，在该主辐射贴片上设置有馈电点，该馈电点连接至所述介质板的馈电网络；

以该主辐射贴片四个对角点为起点，分别朝着与两直角边平行的方向延伸出一对末端开路的寄生枝节，在该四个水平寄生贴片内外边顶点也分别设置一组末端开路的寄生枝节。

2.如权利要求1所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，主辐射贴片四个对角点设置的寄生枝节是对称L形枝节，在该四个水平寄生贴片内外边顶点设置的寄生枝节也是对称L形枝节，相邻水平寄生贴片的临近顶点的L形枝节相互连为一体。

3.如权利要求2所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，位于该水平寄生贴片的靠近主辐射贴片的边缘下方的地板上，开设有四条与主辐射贴片边缘平行的矩形槽缝。

4.如权利要求3所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，该主辐射贴片是边长为a p 的方形贴片，并与地板平行，该顶部寄生贴片是边长为a r 的方形贴片，a r ＜a p ，Hs ＝2 · H p 。

5.如权利要求4所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，该主辐射贴片长度a p＝0.5 · λ g /sqrt(ε r )-2 · H p ，该L形枝节平行主辐射贴片边缘，朝相邻顶点方向延伸0.125 ·λ g ，其中λ g 为中心频率的导波波长，ε r 为天线基材的介电常数。

6.如权利要求4或5所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，馈电方式采用正交双馈方案，包括四个所述馈电点，在主辐射贴片两中心线上或者对角线上关于中心点对称设置，两馈电点间距为主辐射贴片边长的1/3～1/4。

7.如权利要求6所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，各馈电点通过金属柱连接至介质板的馈电网络，构成两路正交馈电电路，每一路的等功分两支路长度相差0.5 ·λg ，其中λ g 为中心频率的导波波长。

8.如权利要求6所述的高增益宽带微带贴片天线，其特征在于，该地板尺寸至少是主辐射贴片尺寸的3倍，地板与主辐射贴片间填充空气或泡沫。