CN107706522A

CN107706522A - 一种微基站天线

Info

Publication number: CN107706522A
Application number: CN201711080501.5A
Authority: CN
Inventors: 李道铁; 任军飞; 吴中林; 刘木林
Original assignee: Tongyu Communication Inc
Current assignee: Tongyu Communication Inc
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2018-02-16

Abstract

本发明公布了一种微基站天线，包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络，所述至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列；每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽。本发明的微基站天线是一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离度、高前后比，以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线，并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。

Description

一种微基站天线

技术领域

本发明涉及一种蜂窝移动通信天线设备与技术，特别是涉及一种微基站天线。

背景技术

宏蜂窝天线增益高、架高高、覆盖区域大、服务用户多，具有较好的性价比。依赖部署于广阔地理区域的众多宏站，整个国土范围已实现信号连续覆盖。然而，宏蜂窝难以做到局部精确覆盖和高速数据传输。前者只能靠小或微基站来补盲或增强覆盖，后者将在5GmMIMO时代得以解决。再者，宏基站尺寸大、选址困难、成本较高。相比之下，微基站（SmallCell）则有尺寸小、剖面低、易安装、隐蔽性强、低成本等优势，特别适合用户密集的局域高速数据业务。这类微站天线普遍具有中等增益（8-14dBi）、宽波束（水平波宽65^o、90^o或以上）、双极化（±45°或H/V）、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、易量产等优点。

由于低剖面、平面化的要求，常规交叉振子方案并不适合微基站。目前，微基站天线的主流类型为微带天线及其变种，如PIFA天线。众所周知，微带天线具有低剖面、平面化、适合频率宽、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、雷达遥感、航空航天等领域获得了广泛应用。然而，微带天线存在带宽较窄、增益偏低、交叉极化比（XPD，Cross Polarization Ratio）较差的缺点。然而，上述问题的解决将变得极具挑战性。

发明内容

本发明解决的技术问题：

提供一种微基站天线，解决现有微带天线存在带宽较窄、增益偏低、交叉极化比（XPD，Cross Polarization Ratio）较差的缺点。

本发明采用以下技术方案：

一种微基站天线，包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络，所述至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列；每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽。

所述微带贴片为金属薄片；所述箭头形槽为带弧尾的箭头形槽，槽沿两条对称线方向设置，箭头的头朝外、弧尾在内部。

所述微带贴片几何形状为圆对称；所述两条对称线为所述圆对称图形的对角线，所述箭头形槽分别设置于四角处；箭头长（0.05~0.09）×λ _C，其中λ _C为中心波长；箭头头部张角为90°，头部直角边长为（0.035~0.085）×λ _C，头部底边的弧形边长角度为90°；其弧形尾部（弧尾）弧度为0~90°。

馈电网络的每路极化均为N级的两路功分，其中N≥1；贴片阵列采用双侧对称单馈点；所述馈电网络对应包括两路极化微带馈电支路；相邻贴片的同极化馈点对称分布于贴片中心线或对角线两侧；两微带馈电支路的长度相差半个导波波长。

各贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上设置四个馈电点作为两路极化的馈电点，一路极化的馈电点位于+45°对角线或水平中心线上，关于贴片中心对称，用作+45°极化或H极化的馈电点；另一路极化的馈电点位于-45°对角线或垂直中心线上，关于贴片中心对称，用作-45°极化或V极化的馈电点；各贴片中心开设一固定用的圆孔。

每一路馈电的末端有金属焊盘，焊盘上有馈电柱与馈电点连接，实现对阵列的双侧对称单点馈电；馈电网络的两支路相差0.5×λ _g，其中λ _g为导播波长；每一路馈电的起始端焊接同轴电缆或接头；贴片的馈电点通过金属探针连接下方的馈电网络中的焊盘。

馈电网络包含多节长宽不等的阻抗变换段，其中首节阻抗变换段连接馈电电缆或接头，末节阻抗变换段的焊盘连接馈电探针；网络走线方向与阵列平行或正交；馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ _C，其中λ _C为中心波长。

所述首节阻抗变换段及其连接阻抗变换段长度为（1/4）λ _c，其中λ _C为中心波长；末端阻抗变换段长度大于（1/4）λ _c。

所述馈电网络是印刷于介质基板正面的微带馈电网络；介质基板背面为覆铜层；所述贴片阵列位于介质基板正面的上方；介质基板背面进一步放置一块金属板，所述金属板作为地板，支撑所述介质基板并增强辐射；介质层背面的覆铜层紧靠所述金属底板放置。

进一步地，微带贴片距离地板高度H _g取值范围为：0.01~0.15×λ _c，其中λ _C为中心波长。

本发明的有益效果：

通过采取下列措施：1）两微带贴片共轴组阵，并采用对称排列的单馈点馈电；2）贴片四角开弧尾箭头形槽，提供一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离度、高前后比，以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线，并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。

通过上述措施，两元微带阵列实现了LTE1800频段工作（1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |VSWR≤2.0），隔离度大于25dB；增益G最高达到11.88dBi,水平/垂直面波宽为58~67°、34~44°，主瓣交叉极化XPD≤-19dB（≤-6dB @±60^o），前后比FTBR大于23.5dB，效率大于85%。同时，天线尺寸较小（长1.245×λ _C，宽0.655×λ _C；λ _C为中心频率波长）、剖面超低（高度小于0.044×λ _C）。

附图说明

图1为本发明实施例的微基站天线无地板的模型俯视图。

图2为本发明实施例的微基站天线的馈电网络俯视图。

图3为本发明实施例的微基站天线完整模型的俯视图。

图4为本发明实施例的微基站天线完整模型的右或左视图。

图5为本发明实施例的贴片组成的二元阵列模型的俯视图。

图6为本发明实施例的方形贴片模型的俯视图。

图7为本发明实施例的微基站天线的输入阻抗Z _in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；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示实部R _in，虚线表示虚部X _in。

图8为本发明实施例的微基站天线的S系数|S _ij|曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是S _ij的幅度|S _ij|，单位为dB；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示反射系数|S ₁₁|/|S ₂₂|，虚线表示隔离度|S ₂₁|/|S ₁₂|。由图知，带内阻抗匹配较好，反射系数较低（1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |S ₁₁|≤-10 dB），两端口的隔离度好（|S ₂₁|≤-25 dB）。

图9为本发明实施例的微基站天线的驻波VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化。由图知，带内阻抗匹配较好，驻波较低（1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, VSWR≤2.0）。

图10为本发明实施例的微基站天线在f _L=1.84GHz的E面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。

图11为本发明实施例的微基站天线在f _L=1.84GHz的H面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。由图知，在主瓣方向（Theta=0°）和偏离主瓣方向（Theta=±60°），天线均具有较好的交叉极化比（XPD≤-19dB/-11dB@ Theta=0°/±60°）。

图12为本发明实施例的微基站天线在f _C=1.96GHz的E面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。

图13为本发明实施例的微基站天线在f _C=1.96GHz的H面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。由图知，在主瓣方向（Theta=0°）和偏离主瓣方向（Theta=±60°），天线均具有较好的交叉极化比（XPD≤-26dB/-9dB@ Theta=0°/±60°）。

图14为本发明实施例的微基站天线在f _H=2.06GHz的E面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。

图15为本发明实施例的微基站天线在f _H=2.06GHz的H面归一化增益方向图。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是相对增益Gr，单位为dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线表示主极化，虚线表示交叉极化。由图知，在主瓣方向（Theta=0°）和偏离主瓣方向（Theta=±60°），天线均具有较好的交叉极化比（XPD≤-22dB/-6dB@ Theta=0°/±60°）。

图16为本发明实施例的微基站天线的最大增益随频率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，单位是dBi；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化。由图知，带内增益约为G=10.70~ 11.88dBi，两极化增益相差不大。

图17为本发明实施例的微基站天线的半功率波束宽度HBPW随频率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）；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化；实线为H面，虚线为E面。由图知，+45°/-45°极化的带内半功率波宽分别为HPBW=58~65^o（H面）、34~44^o（H面）和58~67^o（H面）、34~43^o（H面），两极化的波宽差异较小。

图18为本发明实施例的微基站天线的前后比FTBR随频率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，单位是dB；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化。由图知，+45°/-45°极化的前后比分别为FTBR=24.3~28.1dB、23.4~27.6dB，两极化的FTBR差异较小。

图19为本发明实施例的微基站天线的效率η _A随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是效率；光滑线为+45°极化，点线为-45°极化。由图知，整个频带内，天线效率η _A≥85%，最高达95%。

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发明。

请参照图1-6，本发明实施例的一种微基站天线100，是一种宽带高交叉极化小基站或微基站天线，旨在为蜂窝通信提供一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离、高前后比，以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线，并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。

本发明的实施例中，为了提高增益和改善XPD，将两个微带贴片10组阵形成辐射贴片阵列1，并使同极化的两个馈电点（21、22）（23、24）对称排列在方形贴片10对角线中心23、25的两侧。同时，为了扩展带宽和减小尺寸，在方形贴片10的四个顶点处分别开一带弧尾的箭头形槽11。

具体地，所述微基站天线100包括辐射贴片10以及位于辐射贴片10后方的微带馈电基板30。所述微带馈电基板30支撑所述辐射贴片10并给辐射贴片10馈电。辐射贴片10可以是多个贴片10组阵排列。

再次参照图6，所述辐射贴片10是金属薄片，作为一种实施方式，为方形金属薄片，边长或直径为L _s、厚度为T _s的方形金属薄片，在其四角处分别开设一个带弧尾的箭头形槽11，槽11关于对角线对称。

将辐射贴片10两个沿长度方向共轴排列，组成一个两单元阵列1，见图5的部分。

两单元阵列1各贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上，共选取四个馈电点21、22、23、24，用做两路极化的馈电点。其中，21、22在+45°对角线或水平中心线上，关于贴片中心对称，用作+45°极化或H极化的馈电点；23、24则在-45°对角线或垂直中心线上，也关于贴片中心对称，但用作-45°极化或V极化的馈电点，反之亦然。同时，在贴片10的中心开一固定用的圆孔25。

再次参照图2，在距贴片阵列1下方H _g处，设置有介质基板30，介质基板30的正面印制馈电网络40，介质基板30背面则为覆铜层。馈电网络40为微带馈电网络，包含左右两路馈电网络；其中左路网络包含42、421、422、423、424和425匹配段，它们长宽不等；右路网络则包含41、411、412、413、414和415匹配段，同样各段长宽不等。每一路馈电功分为两路，其末端有金属焊盘（未图标），焊盘上有馈电柱与馈电点连接，实现对阵列1的双侧对称单点馈电；馈电网络的两支路相差0.5×λ _g（λ _g为导播波长），起始端则焊接同轴电缆或接头（未图示）。

在馈电介质基板30背面，放置一块金属板50，用作底板或地板，以支撑基板30并增强辐射。地板50距贴片10的距离H _g取值范围为：0.01~0.15×λ _c。

再次参照图4，在两贴片的四个馈电点21~24上，分别焊接有一根金属探针（未图示）到下方的馈电介质板的焊盘上，并在其中心圆孔25上设置一根直立柱251到金属地板50上，以进一步固定贴片10。

本发明的微基站天线100是一种宽带高XPD微基站天线，为微带贴片阵列设计，阵元共轴或共面排列，数量至少两个。

作为一种实施例，所述宽带高XPD微基站天线，微带贴片几何形状为圆对称，如方形、圆形或正多边形，在贴片的两条对称线末端分别开一个带弧尾的箭头形槽11，其头朝贴片外、尾14在内部，箭头长（0.05~0.09）×λ _C（λ _C为中心波长）；头部张角为90°，头部直角12边长为（0.035~0.085）×λ _C，头部底边13的弧形边长角度为90°；其弧尾14即弧形尾部弧度为0~90°。所述箭头形槽11的方向沿其所在对称线设置。对于方形贴片10，箭头形槽11位于沿两条对角线设置且位于四个顶点，箭头头部与顶点对齐。

本发明的实施例中，所述宽带高XPD微基站天线，贴片阵列1采用双侧对称单馈点方案，即相邻贴片的同极化馈点对称分布于贴片中心线或对角线两侧；两微带馈电支路的长度相差半个导波波长，即对应于180°相差。

本发明的实施例中，所述宽带高XPD微基站天线，贴片馈点21~24通过金属探针连接下方的微带馈电网络40，其与探针连接处有焊盘；馈电网络40印制在一块介质基板30上，其背面是覆铜层且紧靠一块金属底板50放置；馈电网络40的每路极化均为N级的两路功分设计，其中N≥1。

本发明的实施例中，所述宽带高XPD微基站天线，微带馈电网络40包含多节长宽不等的阻抗变换段42、421、422、423、424、425；41、411、412、413、414、415，其中首节41、42分别连接50Ω馈电电缆，424、425以及414、415末节的焊盘连接馈电探针，末节长度较长，作为一种实施方式，末节长度大于（1/4）×λ _C。首节以及与首节相连的阻抗变换段42、421、422、423；41、411、412、413、414、415比末节较短，作为一种实施方式，例如为（1/4）×λ _C。

网络走线方向与阵列平行或正交；馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ _C。

作为一些实施例，所述宽带高XPD微基站天线，微带馈电基板为Rogers、Taconic、Arlon等常见介质材料，其三阶互调PIM3不低于-153dBc（@2×43dBm）。

作为一种实施例，所述宽带高XPD微基站天线，微带贴片材料为金属良导体如紫铜、纯铝等，其表面镀金或沉锡以便焊接作业。

本发明主要采取了下列措施：1）两微带贴片共轴组阵，并采用对称排列的单馈点馈电；2）贴片四角开弧尾箭头形槽；3）两极化馈点及馈线间隔足够距离；3）宽带馈电网络设计。

请参照图7~19，通过上述措施，本发明采用两元微带阵列实现了LTE1800频段工作（1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |VSWR≤2.0），隔离度大于25dB；增益G最高达到11.88dBi,水平/垂直面波宽为58~67°、34~44°，主瓣交叉极化XPD≤-19dB（≤-6dB @±60^o），前后比FTBR大于23.5dB，效率大于85%。同时，天线尺寸较小（长1.245×λ _C，宽0.655×λ _C；λ _C为中心频率波长）、剖面超低（高度小于0.044×λ _C；）。

本发明的微基站天线结构还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合量产等特点，是适合小型化、低剖面、高XPD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。

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

1.一种微基站天线，包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络，其特征在于，所述至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列；每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽。

2.如权利要求1所述微基站天线，其特征在于，所述微带贴片为金属薄片；所述箭头形槽为带弧尾的箭头形槽，槽沿两条对称线方向设置，箭头的头朝外、弧尾在内部。

3.如权利要求1所述微基站天线，其特征在于，所述微带贴片几何形状为圆对称；所述两条对称线为所述圆对称图形的对角线，所述箭头形槽分别设置于四角处；箭头长（0.05~0.09）×λ _C，其中λ _C为中心波长；箭头头部张角为90°，头部直角边长为（0.035~0.085）×λ _C，头部底边的弧形边长角度为90°；其弧尾的弧度为0~90°。

4.如权利要求1所述微基站天线，其特征在于，馈电网络的每路极化均为N级的两路功分，其中N≥1；贴片阵列采用双侧对称单馈点；所述馈电网络对应包括两路极化微带馈电支路；相邻贴片的同极化馈点对称分布于贴片中心线或对角线两侧；两微带馈电支路的长度相差半个导波波长。

5.如权利要求4所述微基站天线，其特征在于，各贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上设置四个馈电点作为两路极化的馈电点，一路极化的馈电点位于+45°对角线或水平中心线上，关于贴片中心对称，用作+45°极化或H极化的馈电点；另一路极化的馈电点位于-45°对角线或垂直中心线上，关于贴片中心对称，用作-45°极化或V极化的馈电点；各贴片中心开设一固定用的圆孔。

6.如权利要求4所述微基站天线，其特征在于，每一路馈电的末端有金属焊盘，焊盘上有馈电柱与馈电点连接，实现对阵列的双侧对称单点馈电；馈电网络的两支路相差0.5×λ _g，其中λ _g为导播波长；每一路馈电的起始端焊接同轴电缆或接头；贴片的馈电点通过金属探针连接下方的馈电网络中的焊盘。

7.如权利要求6所述微基站天线，其特征在于，每一路馈电电路包含多节长宽不等的阻抗变换段，其中首节阻抗变换段连接馈电电缆或接头，末节阻抗变换段的焊盘连接馈电探针；网络走线方向与阵列平行或正交；馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ _C，其中λ _C为中心波长。

8.如权利要求7所述微基站天线，其特征在于，所述首节阻抗变换段及其连接的阻抗变换段长度为（1/4）×λ _C，末端阻抗变换段长度大于（1/4）×λ _C，其中λ _C为中心波长。

9.如权利要求1所述微基站天线，其特征在于，所述馈电网络是印刷于介质基板正面的微带馈电网络；介质基板背面为覆铜层；所述贴片阵列位于介质基板正面的上方；介质基板背面进一步放置一块金属板，所述金属板作为地板，支撑所述介质基板并增强辐射；介质层背面的覆铜层紧靠所述金属底板放置。

10.如权利要求9所述微基站天线，其特征在于，微带贴片距离地板高度H _g取值范围为：0.01~0.15×λ _c，其中λ _C为中心波长。