CN107546475B - 一种应用于5g通信的双频天线馈源 - Google Patents

Abstract

一种应用于5G通信的双频天线馈源，属于天线馈源通信领域。解决了双频馈源增益低的问题。本发明包括纵槽同轴波纹喇叭、阶梯型介质杆天线、3个阻抗匹配环和扼流环；阶梯型介质杆天线位于纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体内，且二者同轴；在阶梯型介质杆天线的顶端至底端方向上依次套有1号阻抗匹配环、2号阻抗匹配环和3号阻抗匹配环，扼流环与3个阻抗匹配同轴设置，扼流环的外壁固定在纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体的内壁上，且位于该圆筒形腔体的顶端，扼流环的内壁与阶梯型介质杆天线间存在间隙。本发明主要用于对信号进行辐射。

Description

一种应用于5G通信的双频天线馈源

技术领域

本发明属于天线馈源通信领域。

背景技术

由于5G网络架构中无线回传数据量巨大、数据传输速率高，因而需要选用高增益天线以满足数据的可靠传输，一般5G通信采用高增益天线都是由馈源天线和反射面结构组成的反射面天线。常用反射面天线包括传统反射面天线(如旋转抛物面天线、卡塞格伦天线)与新型反射阵天线(如微带反射阵天线、全金属反射阵天线)两大类。而反射阵天线由于其具有的低剖面、低成本、波束可调等优点逐渐成为研究和应用的热点。

区别于传统的反射面天线，反射阵天线采用的是由单元结构组成平面型反射面结构，其辐射机理有别于传统反射面天线，所以并不能直接将传统反射面的一些最优经验参数设定(如焦径比、馈源天线增益)照搬到反射阵天线中。也就是说，在进行反射阵天线的设计优化过程中为了获得更好的辐射特性(增益、副瓣等)，则需要对相关参数设定进行重新考虑与计算。

具体来说，传统的侧馈式旋转抛物面反射面天线通常采用15dB增益的馈源与0.6左右的焦径比，在该参数下可以获得60％左右的口面利用效率与接近最优的增益值。如果同样尺寸的反射阵天线也采用15dB增益的馈源与0.6左右的焦径比，其口面利用效率仅为30％左右、增益要降低3dB左右。其原因在于，立体旋转抛物面结构相比于平面反射阵结构可以获得更均匀的馈源照射，也就是说反射面得到了更充分的利用，从而可以获得更高的口面利用效率与增益。

而经研究发现，对于平面反射阵天线，提高焦径比，并同时配备更高增益的馈源可以提高反射面受照射能量的均匀度，从而能够有效提高反射阵天线的口面利用效率与增益。而需要说明的是一般高增益馈源都需要较大的天线口径与纵向尺寸，如果追求过高馈源增益，馈源尺寸也会过大，不利于实际应用。综上可知，低频频或高频的馈源(即：单频馈源)都能实现高增益要求，但实现的过程中，双频馈源的增益都很低，一般增益为14、15或者更低，且增益的大小与馈源的体积大小成正比，因此，亟需提供一种双频情况下具备高增益的天线馈源，以适用于实际应用。

发明内容

本发明是为了解决双频馈源增益低的问题，本发明提供了一种应用于5G通信的双频天线馈源。

一种应用于5G通信的双频天线馈源，它包括纵槽同轴波纹喇叭、阶梯型介质杆天线、3个阻抗匹配环和扼流环；

3个阻抗匹配环分别定义为1号阻抗匹配环、2号阻抗匹配环、3号阻抗匹配环；

阶梯型介质杆天线位于纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体内，且二者同轴；

在阶梯型介质杆天线的顶端至底端方向上依次套有1号阻抗匹配环、2号阻抗匹配环和3号阻抗匹配环，3个阻抗匹配环同轴设置，且三者间存在间隙，1号阻抗匹配环和3号阻抗匹配环的内壁与阶梯型介质杆天线固定连接，1号阻抗匹配环和3号阻抗匹配环的外壁与纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体的内壁间存在间隙；

2号阻抗匹配环的外壁与纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体的内壁固定连接，且其内壁与阶梯型介质杆天线间存在间隙；

扼流环与3个阻抗匹配同轴设置，扼流环的外壁固定在纵槽同轴波纹喇叭的圆筒形腔体的内壁上，且位于该圆筒形腔体的顶端，扼流环的内壁与阶梯型介质杆天线间存在间隙。

所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，还包括4号阻抗匹配环；4号阻抗匹配环固定在阶梯型介质杆天线上，且靠近阶梯型介质杆天线底端，并与3号阻抗匹配环间存在间隙。

优选的是，所述的扼流环的内壁上设有螺纹。

优选的是，阶梯型介质杆天线包括高频圆波导、阻抗匹配圆锥和阶梯型辐射引导器；

阻抗匹配圆锥和阶梯型辐射引导器构成阶梯型介质杆天线的介质部分；

高频圆波导为底端封闭的圆桶形结构，其顶端内插有阻抗匹配圆锥的锥头，阻抗匹配圆锥的锥尾与阶梯型辐射引导器的底端固定连接。

优选的是，所述的阶梯型辐射引导器的阶数范围为3阶至10阶。

优选的是，所述的阶梯型辐射引导器的阶数为4阶。

优选的是，所述介质部分采用介电常数为3.0的聚四氟乙烯实现。

本发明提出的一种应用于5G通信的双频天线馈源，该馈源工作于28/60GHz双频段，为5G通信架构中的重点频段。天线馈源结构中包括用于低频(28GHz)阻抗匹配的阻抗匹配环，与抑制高频(60GHz)方向图分裂、并且保证高频(60GHz)E面和H面方向图对称的扼流环，其中，E面为平行于电场方向，并穿过最大辐射方向的平面，H面为平行于磁场方向，并穿过最大辐射方向的平面，由于电场和磁场垂直分布，因此，E面和H面也是垂直的。

本发明所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源结构中除了介质部分以外，可以使用铜、铝等金属进行机械加工制作；金属结构可采用镀金工艺进行抗氧化处理，以获得更稳定持久的辐射特性，并延长使用寿命；在后级加入可实现极化切换的馈电系统，可实现全极化工作模式，包括水平极化、垂直极化、左旋圆极化、右旋圆极化。

本发明带来的有益效果是，综合考虑反射阵天线口面利用效率与增益、以及馈源尺寸不宜过大的因素，研究的最终结论为，反射阵天线采用1左右的焦径比与17dB左右增益的馈源可以在合理控制馈源尺寸的前提下，获得近似最优的口面利用效率与增益。本发明针对焦径比1左右的反射阵天线的需求，本发明提供的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其增益可达到17dB双频馈源。

附图说明

图1为本发明所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的结构示意图。

图2为图1的主剖视图；

图3为28GHz与60GHz双频工作模式下的反射系数图；(a)为28GHzz双频工作模式下的反射系数图；(b)为60GHz双频工作模式下的反射系数图；

图4为28GHz与60GHz双频工作模式下，E面和H面的归一化方向图；(a)为28GHz双频工作模式下，E面和H面的归一化方向图；(b)为60GHz频工作模式下，E面和H面的归一化方向图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，它包括纵槽同轴波纹喇叭1、阶梯型介质杆天线2、3个阻抗匹配环和扼流环4；

3个阻抗匹配环分别定义为1号阻抗匹配环3-1、2号阻抗匹配环3-2、3号阻抗匹配环3-3；

阶梯型介质杆天线2位于纵槽同轴波纹喇叭1的圆筒形腔体内，且二者同轴；

在阶梯型介质杆天线2的顶端至底端方向上依次套有1号阻抗匹配环3-1、2号阻抗匹配环3-2和3号阻抗匹配环3-3，3个阻抗匹配环同轴设置，且三者间存在间隙，1号阻抗匹配环3-1和3号阻抗匹配环3-3的内壁与阶梯型介质杆天线2固定连接，1号阻抗匹配环3-1和3号阻抗匹配环3-3的外壁与纵槽同轴波纹喇叭1的圆筒形腔体的内壁间存在间隙；

2号阻抗匹配环3-2的外壁与纵槽同轴波纹喇叭1的圆筒形腔体的内壁固定连接，且其内壁与阶梯型介质杆天线2间存在间隙；

扼流环4与3个阻抗匹配同轴设置，扼流环4的外壁固定在纵槽同轴波纹喇叭1的圆筒形腔体的内壁上，且位于该圆筒形腔体的顶端，扼流环4的内壁与阶梯型介质杆天线2间存在间隙。

本实施方式中，本发明所述一种应用于5G通信的双频天线馈源工作于28/60GHz双频段，为5G通信架构中的重点频段，纵槽同轴波纹喇叭1可采用现有技术实现。

阻抗匹配环具有电抗特性，可以实现用于低频辐射(28GHz)的同轴波纹喇叭结构的阻抗匹配，以获得良好的反射系数。本发明使用3个阻抗匹配环以获得实现良好的反射系数。

但是，阻抗匹配环存在的同时，也会导致高频(60GHz)方向图的恶化，恶化通常主要体现在不对称、以及更严重的方向图裂瓣问题。其原因在于：用于高频(60GHz)辐射的阶梯型介质杆天线2，其后向辐射的能量原本会直接进入纵槽同轴波纹喇叭1的同轴结构，然后衰减掉，这种情况下不会对正向辐射产生影响；而加入阻抗匹配环后，后向辐射的能量会在该处形成驻波和反射，并在阶梯型介质杆天线2内部形成感应电流，从而造成二次辐射，导致对原本方向图产生恶化效果。

因此，本发明增加扼流环4，其中，扼流环4可以消除上述造成二次辐射的感应电流，从而消除高频(60GHz)方向恶化的效果。

纵槽同轴波纹喇叭1的馈电端口可馈入TE11模电磁波。波纹结构由轴向槽组成。轴向槽可以使波纹喇叭张口处传播混合模HE11模，其中，混合模式间存在相等的相位关系，可以获得近乎对称的E面和H面方向图。图2中采用的6组尺寸相同的轴向槽，通过对轴向槽尺寸进行合理地优化，就可以在28GHz获得17dB增益，与此同时实现对称的E面H面辐射方向图。

具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，还包括4号阻抗匹配环3-4；4号阻抗匹配环3-4固定在阶梯型介质杆天线2上，且靠近阶梯型介质杆天线2底端，并与3号阻抗匹配环3-3间存在间隙。

本实施方式，但是扼流环4的引入同时也会破坏原本3个阻抗匹配环的低频(28GHz)阻抗匹配效果。因此，增加了4号阻抗匹配环3-4修复低频的阻抗匹配，并且不会对高频(60GHz)方向图造成任何影响，完成了双频馈源的优化。下面给出该双频馈源的辐射性能数据，具体参见图3和图4。

图3给出了28GHz与60GHz双频工作模式下的反射系数。28GHz频点附近-10dB反射系数带宽约为500MHz，-15dB反射系数带宽约为300MHz，60GHz频点附近2GHz带宽内反射系数都低于-17dB，满足设计需求。

图4给出了28GHz与60GHz双频E面H面归一化方向图，可以看出-10dB波束宽度内方向曲线基本重合，方向图获得了较高的对称度。而且，28GHz增益为17.00dB，60GHz增益为17.06dB，双频相位中心相距仅0.58mm，几乎重合。

以上结果表明，本发明所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源在各项指标上都达到了优异的数据。

需要指出的是，本发明所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源为旋转对称结构，只需在后级加入可实现极化切换的馈电系统，便可实现全极化工作模式，即包括水平极化、垂直极化、左旋圆极化、右旋圆极化。

具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，所述的扼流环4的内壁上设有螺纹。

本实施方式，阶梯型介质杆天线2会在扼流环4的位置和纵槽同轴波纹喇叭1的波纹处产生“高次模”，造成60GHz方向图恶化不对称，扼流环4的内壁上设有的螺纹结构可抑制高次模的产生。

具体实施方式四：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，阶梯型介质杆天线2包括高频圆波导2-1、阻抗匹配圆锥2-2和阶梯型辐射引导器2-3；

阻抗匹配圆锥2-2和阶梯型辐射引导器2-3构成阶梯型介质杆天线2的介质部分；

高频圆波导2-1为底端封闭的圆桶形结构，其顶端内插有阻抗匹配圆锥2-2的锥头，阻抗匹配圆锥2-2的锥尾与阶梯型辐射引导器2-3的底端固定连接。

本实施方式，阻抗匹配圆锥2-2用于调60GHz的阻抗匹配，阻抗匹配圆锥2-2的锥形结构，让60GHz圆波导中空气里的电磁波很好的过度到介质里。

阻抗匹配圆锥2-2使电磁波在高频圆波导2-1中的空气和介质部分的分界面形成平滑的阻抗过度，从而实现60GHz阻抗匹配获得良好的反射系数。

具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，所述的阶梯型辐射引导器2-3的阶数范围为3阶至10阶。

具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，所述的阶梯型辐射引导器2-3的阶数为4阶。

具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源的区别在于，所述介质部分采用介电常数为3.0的聚四氟乙烯实现。

本发明所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源结构中除了介质部分以外，可以使用铜、铝等金属进行机械加工制作；金属结构可采用镀金工艺进行抗氧化处理，以获得更稳定持久的辐射特性，并延长使用寿命；在后级加入可实现极化切换的馈电系统，可实现全极化工作模式，包括水平极化、垂直极化、左旋圆极化、右旋圆极化。

本发明所述一种应用于5G通信的双频天线馈源的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (7)

1.一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，它包括纵槽同轴波纹喇叭(1)、阶梯型介质杆天线(2)、3个阻抗匹配环和扼流环(4)；

3个阻抗匹配环分别定义为1号阻抗匹配环(3-1)、2号阻抗匹配环(3-2)、3号阻抗匹配环(3-3)；

阶梯型介质杆天线(2)位于纵槽同轴波纹喇叭(1)的圆筒形腔体内，且二者同轴；

在阶梯型介质杆天线(2)的顶端至底端方向上依次套有1号阻抗匹配环(3-1)、2号阻抗匹配环(3-2)和3号阻抗匹配环(3-3)，3个阻抗匹配环同轴设置，且三者间存在间隙，1号阻抗匹配环(3-1)和3号阻抗匹配环(3-3)的内壁与阶梯型介质杆天线(2)固定连接，1号阻抗匹配环(3-1)和3号阻抗匹配环(3-3)的外壁与纵槽同轴波纹喇叭(1)的圆筒形腔体的内壁间存在间隙；

2号阻抗匹配环(3-2)的外壁与纵槽同轴波纹喇叭(1)的圆筒形腔体的内壁固定连接，且其内壁与阶梯型介质杆天线(2)间存在间隙；

扼流环(4)与3个阻抗匹配同轴设置，扼流环(4)的外壁固定在纵槽同轴波纹喇叭(1)的圆筒形腔体的内壁上，且位于该圆筒形腔体的顶端，扼流环(4)的内壁与阶梯型介质杆天线(2)间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，还包括4号阻抗匹配环(3-4)；4号阻抗匹配环(3-4)固定在阶梯型介质杆天线(2)上，且靠近阶梯型介质杆天线(2)底端，并与3号阻抗匹配环(3-3)间存在间隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，所述的扼流环(4)的内壁上设有螺纹。

4.根据权利要求3所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，阶梯型介质杆天线(2)包括高频圆波导(2-1)、阻抗匹配圆锥(2-2)和阶梯型辐射引导器(2-3)；

阻抗匹配圆锥(2-2)和阶梯型辐射引导器(2-3)构成阶梯型介质杆天线(2)的介质部分；

高频圆波导(2-1)为底端封闭的圆桶形结构，其顶端内插有阻抗匹配圆锥(2-2)的锥头，阻抗匹配圆锥(2-2)的锥尾与阶梯型辐射引导器(2-3)的底端固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，所述的阶梯型辐射引导器(2-3)的阶数范围为3阶至10阶。

6.根据权利要求5所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，所述的阶梯型辐射引导器(2-3)的阶数为4阶。

7.根据权利要求4所述的一种应用于5G通信的双频天线馈源，其特征在于，所述介质部分采用介电常数为3.0的聚四氟乙烯实现。