CN107768816B - 一种应用于5g通信的mimo基站天线 - Google Patents

一种应用于5g通信的mimo基站天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种应用于5G通信的MIMO基站天线，基于第五代移动通信网络5G多进多出技术MIMO的应用。辐射电偶极子采用高低两层分层设计，由此获得天线双频特性，弧形的辐射电磁偶极子则用于获得宽H面特性，最宽可达134°。在磁偶极子中间的E型贴片超材料增加了天线的有效介电常数，使得天线的体积降低了大约46％。另外，双U形加方形槽口使得天线获得了陷波特性，该陷波特性可以防止无线局域网2.4GHz波段的干扰。该MIMO天线单元具备从1.67到2.75GHz的48.9％的低频阻抗带宽，增益为5.9±1.3dBi，以及3.33到4.13GHz的21.5％的高频阻抗带宽，增益为4.9±2dBi。最后，由于宽H面特性，该天线的MIMO系统仅用3个单元就可以全向覆盖360°，阻抗带宽从2.4到3.75GHz。

Description

一种应用于5G通信的MIMO基站天线
[技术领域]
本发明涉及一种具备陷波和宽H面的超材料MIMO天线，具体地讲，是一种能够用于第五代通信系统的基站天线。
[背景技术]
天线是收发信号的前端设备，拓宽天线的H面，有利于增加信号收发范围，减少天线使用个数，从而降低基站成本。天线的抗干扰性能是宽带天线的一个重要指标，特别是通信基站天线，一定频段内的陷波，可以去掉不必要信号的接收，增加天线抗干扰性。目前，未来5G通信的核心热点技术已经确定为MIMO技术，MIMO技术具备许多不可替代的优势，比如增加信道容量、提升天线传输和接受信号的性能等等。最近，超材料在物理和通信工程领域受到了极大关注，因为其突出的电磁特性，在天线领域可以通过增加磁导率和介电常数的比例来减少尺寸，拓宽阻抗带宽等等。总之，通过引入超材料结构，天线的功能和性能可以获得显著提升。
但是还存在以下方面问题：第一，宽频段内有效拓宽H面的半波波束宽度是较为困难的，一般天线半波波束宽度在45°左右，最大在75°，但是实现宽半波宽度的频段也不宽。第二，与通信系统频段重叠的是WLAN波段(2.4-2.485GHz)，要准确地去除这一频段的信号接收，这就需要合适的结构设计。第三，超材料的优秀电磁特性所带来的是制作成本的高昂，如何使用简单结构以及便宜材料做代替。第四，实现MIMO系统需要克服许多困难，如何将多个天线放在一起的同时，减少这些天线之间的相互耦合，相互影响，实现较低的ECC，；如何减少MIMO天线的整体尺寸等。
[发明内容]
针对上述的缺点，提出了一种应用于5G通信的MIMO基站天线。
具体技术方案如下：一种应用于5G通信的MIMO基站天线，包括一对电磁偶极子、弧形反射地板、馈电结构和超材料特性的介质板，所述的一对电磁偶极子通过垂直短路墙设置在弧形反射地板上，介质板和馈电结构位于一对电磁偶极子中间。
电磁偶极子，每一个电磁偶极子中间为弧形辐射贴片，左右各有一个平面辐射贴片，通过两道凹槽隔离；实现天线在H面上获得宽半功率波束宽度；
馈电结构，结构形似η，有两个容性梯形部分、一个感性梯形部分和馈电线组成，梯形形状以及分叉结构增加了馈电的可调性，实现了宽频段内的阻抗匹配。
介质板，分两部分，分别分布在馈电结构两侧，与电磁偶极子有相同的凹槽，介质板被凹槽分为左右部分，每片介质板上有十对E型贴片，一侧六对，一侧四对。
进一步地，所述电磁偶极子的弧形辐射贴片与平面互射贴片为高低两层，使得天线获得双频特性。
进一步地，在磁偶极子的弧形辐射贴片上设置双U型加方形槽口结构，实现去除WLAN波段的陷波技术。
进一步地，在磁电偶极子中间使用具备超材料特性的反向E形贴片FR-4板，实现小型化的作用。
进一步地，弧形反射地板四周有直立的短围栏和弧形围栏，实现天线获得较低的包络相关系数ECC以及高增益。
进一步地，所述馈电结构下方穿过弧形反射地板，且设有SMA接头。
本发明的有益效果为：
天线整体的弧形结构可以获得宽H面的辐射方向图，另外，中间一对弧形辐射贴片和两对平面辐射贴片可以等效为3个电磁偶极子天线，不同高度的辐射贴片对应不同频段，从而获得双频特性。在中间上层的电偶极子弧形面对应于天线低频，上刻有两个U形和方形槽口，这些槽口共同作用，形成一对反向电流相互抵消，因而给天线低频范围内带来陷波功能。介质板上两层反向E形贴片的设计，增加了磁导率和介电常数的比率，从而降低天线物理尺寸。天线三个单元分别朝向不同方向，使得天线单元之间相互耦合减少。由于电磁偶极子天线的固有特性，该天线拥有稳定的高增益。弧形的设计使得单天线在2.4到3.6GHz范围内获得超过120°的宽H面，这使得三个天线单元组成的MIMO系统可以获得360°全向辐射。
[附图说明]
图1为本发明的3D结构视图。
图2为本发明的局部3D结构剖面图。
图3为本发明的内部结构中的超材料。
图4为本发明的内部结构中的馈电结构立体图。
图5为本发明起陷波作用的槽口形状。
图6为本发明的侧视图。
图7为本发明的MIMO系统。
图8为天线增益和驻波比。
图9为天线半功率波瓣宽度。
图10为天线陷波性能展示。
图11为天线超材料性能展示。
图12为天线包络相关系数。
图13为天线尺寸参数表。
1为弧形反射地板，2为垂直短路墙，3、4、5、6、7、8为电偶极子，9、10、14、15为介质板，11为馈电结构，12为短围栏，13为弧形围栏，16为E型贴片，17、18为凹槽。
[具体实施方式]
下面结合附图和对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种实施例，一种应用于5G通信的MIMO基站天线，包括电磁偶极子、弧形反射地板1、馈电结构11和超材料的介质板9、10、14、15，所述的电磁偶极子设置在弧形反射地板1上，超材料介质板和馈电结构11位于电磁偶极子中间。
电磁偶极子包括电偶极子3、4、5、6、7、8，以及由两个垂直短路墙2和弧形反射地板1形成的磁偶极子组成；电磁偶极子中间的电偶极子3、4为弧形辐射贴片，左右两侧的电偶极子5、6、7、8为平面辐射贴片，中间的电偶极子和两侧的电偶极子通过凹槽17和凹槽18隔离；并且，弧形辐射贴片和平面辐射贴片不在同一水平面，电磁偶极子设计为高低两层分层，不同高度的辐射贴片对应不同频段，使得天线获得双频特性。
如图5所示，在磁偶极子的弧形辐射贴片3、4上设置双U型加方形槽口结构，实现去除WLAN波段的陷波技术。
电磁偶极子采用弧形曲面设计使天线在H面上获得宽半功率波束宽度，一般天线实现宽H面也仅局限在窄频段内实现100°左右。而本天线H面的半功率波束宽度在2.6GHz的时候就已经达到120°，并且在高频段内超过120°，低频段内半功率波束宽度也维持在100°左右的较宽宽度。
双U型加方型槽口使得该天线具有可以防止无线局域网2.4GHz波段干扰的陷波特性，与通信系统频段重叠的是WLAN波段(2.4-2.485GHz)，本天线在2.38到2.5GHz频段内实现了准确的陷波。
如图2所示，本实施例中，介质板，分两部分，分别分布在馈电结构两侧，与电磁偶极子有相同形状的凹槽17、18，每片的介质板被凹槽分为左右部分，每片介质板上有十对E型贴片16，一侧六对，一侧四对。且在介质板两面都贴有E型贴片，其相对应的部位另一面为相反的E型贴片。
在磁偶极子中间的反向E型贴片介质版具备了一定超材料的特性，将天线的体积天线尺寸从120mm×(58mm×sin60°×2)×(30mm+58mm×cos60°)降到100mm×(46mm×sin60°×2)×(23mm+46mm×cos60°)，降低了大约48.5％，而且使用的是FR-4介质板，材料费用较低。
为了使得天线辐射方向各不相同，加入短围栏12和弧形围栏13，在不影响单天线宽H面特性的情况下，该天线的MIMO系统可以获得较低的包络相关系数(ECC)以及高增益。
图1中本天线由4部分组成，弧形的地、双层的电磁偶极子，在电磁偶极子中间的馈电结构和用FR-4做成的超材料，中间的偶极子辐射贴片是弧形的，负责产生天线低频，左右两边低一点的偶极子辐射贴片是平面的，负责产生天线高频。图3为本发明的超材料，上面附有E形状的贴片。这种E形贴片前后面都有，而且是前后方向相反的。图4为本发明的内部结构中的馈电结构，位于电磁偶极子中间，梯形形状以及分叉结构增加了馈电的可调性，实现了宽频段内的阻抗匹配。图5为本发明起陷波作用的槽口形状，位置在中间的偶极子辐射贴片上，通过导引同振幅同相位的两路电流相互抵消，实现特定波段的陷波。图6为本发明的侧视图，为了看清楚中间的馈电结构，所以图中省去了超材料介质版。图7为天线MIMO系统的单元排布情况，单天线实现宽H面，所以仅3个天线就基本满足全向覆盖，每个天线占120°。如图8所示，该天线单元在低频可以提供48.9％的阻抗带宽(从1.67到2.75GHz)，增益为5.5±0.5dBi，在高频可以提供21.5％的阻抗带宽(从3.33到4.13GHz)，增益为5.9±0.5dBi。此外，天线陷波在2.38到2.5GHz频段内，可以有效防止防止2.4GHz WLAN波段的干扰。如图9所示，天线H面的半功率波束宽度(即3dB波束宽度)在2.6GHz的时候就已经达到120°，并且在高频段内超过120°。图10显示出该天线陷波特性对于增益的影响较小。在图11中为了清楚显示出超材料的频移特性，而没有使用陷波结构。可以看出，加入超材料后，驻波比向左频移了许多，有用波段内的增益却几乎无影响，超材料的加入使得天线尺寸从120mm×(58mm×sin60°×2)×(30mm+58mm×cos60°)降到100mm×(46mm×sin60°×2)×(23mm+46mm×cos60°)，尺寸降低了约48.5％。图12中MIMO系统的ECC数总体上低于0.00045，不算上陷波频段以及无用频段的话，ECC均小于0.00005。通常情况下，MIMO天线的ECC数值小于0.5即可。因此，该天线适用于5G MIMO系统应用。
以上所述仅为本发明的实施方式之一，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，包括一对电磁偶极子、弧形反射地板、馈电结构和超材料特性的介质板，所述的一对电磁偶极子通过垂直短路墙设置在弧形反射地板上，介质板和馈电结构位于一对电磁偶极子中间，馈电结构下方穿过弧形反射地板，且设有SMA接头；
电磁偶极子，每一个电磁偶极子中间为弧形辐射贴片，左右各有一个平面辐射贴片，通过两道凹槽隔离；实现天线在H面上获得宽半功率波束宽度；
馈电结构，结构为η形状，有两个容性梯形部分、一个感性梯形部分和馈电线组成，梯形形状以及分叉结构增加了馈电的可调性，实现了宽频段内的阻抗匹配；
介质板，分两部分，分别分布在馈电结构两侧，与电磁偶极子有相同的凹槽，介质板被凹槽分为左右部分，每片介质板上有十对E型贴片，一侧六对，一侧四对。
2.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，所述电磁偶极子的弧形辐射贴片与平面互射贴片为高低两层，使得天线获得双频特性。
3.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，在磁偶极子的弧形辐射贴片上设置双U型加方形槽口结构，实现去除WLAN波段的陷波技术。
4.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，在磁电偶极子中间使用具备超材料特性的反向E形贴片FR-4板，实现小型化的作用。
5.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，弧形反射地板四周有直立的短围栏和弧形围栏。
6.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的MIMO基站天线，其特征在于，所述馈电结构下方穿过弧形反射地板，且设有SMA接头。
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