CN108023163B - 矢量合成基站天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矢量合成基站天线单元，馈电结构通过支撑柱水平固定于反射板的上方，馈电结构的上表面垂直安装有主辐射体，主辐射体由四个导电板围成上下端开口的长方体结构，相邻两个导电板之间存在间隙；馈电结构包括介质板，介质板的上表面、主辐射体的下端口处印制有贴片，沿贴片的两条对角线开设有缝隙；介质板的下表面印制有第一馈线和第二馈线，第一馈线围绕于贴片一条对角线上的缝隙周围，第二馈线围绕于贴片另一条对角线上的缝隙周围；反射板上开设有用于射频电缆穿过的通孔，两根射频电缆的内芯分别与第一馈线、第二馈线焊接，两根射频电缆的外芯均与贴片焊接。本发明体积小、频带宽、辐射性能稳定，能够满足市场需求。

Description

矢量合成基站天线单元
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种矢量合成基站天线单元，特别涉及一种体积小、结构简单、加工方便、性能优的双极化基站天线单元，可用于移动通信基站天线组阵。
背景技术
基站是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动终端之间进行信息传递的无线电收发信电台，其中，天线作为基站中最为重要的部件之一，主要负责将通信设备的电信号和空间辐射电磁波进行转换。基站天线的设计在基站应用中十分重要。随着2G/3G/4G/5G无线通信系统的发展，基站天线同样需要适应它们的快速发展。尤其是在未来5G时代，基站天线不仅需要支持5G超高速数据传输，而且需要支持原来2G/3G/4G频段。在当前网络中，工作在不同频段的大量天线都安装在铁塔上。这使得几乎没有空间留给5G天线。因此，天线单元的小型化非常紧迫。目前我国4G网络倾向于用低频覆盖，市场需要一种可以覆盖690-960MHz的宽带基站天线，并要求其具有较小的体积、稳定的性能。
现有的覆盖部分或全部低频频段(690-960MHz)的双极化基站天线，现有技术1(2017年Rui Wu和Qing-Xin Chu在IEEE Antennas Wireless Propagation Letter上发表的“A Wideband Dual-Polarized Antenna for LTE700/GSM850/GSM900 Applications”)提出了一种覆盖LTE700/GSM850/GSM900频段的双极化基站天线单元，该天线单元由四个偶极子和一个反射板组成。其中，相对的两个偶极子等幅同相馈电，形成一个极化，另外两个偶极子类似，形成另一个极化。现有技术2(2017年Yejun He和Wei Tian在InternationalWireless Communications and Mobile Computing Conference上发表的“A BroadbandDual-Polarized Base Station Antenna Element for European Digital Dividend,CDMA800 and GSM900 Applications”)提出了一种仅可覆盖CDMA800 and GSM900频段的双极化基站天线单元，原理同上。这类天线体积较大，其中，现有技术1中天线体积为180×180×90mm3，现有技术2中天线体积为166.5×166.5×68mm3。较大的体积不利于移动通信基站天线组阵。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种矢量合成基站天线单元，体积小、频带宽、辐射性能稳定，解决了现有技术中双极化基站天线单元体积过大，难以满足市场需求的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种矢量合成基站天线单元，包括馈电结构、主辐射体、支撑柱、反射板和射频电缆；馈电结构通过支撑柱水平固定于反射板的上方，馈电结构的上表面垂直安装有主辐射体，主辐射体由四个导电板围成上下端开口的长方体结构，主辐射体开口的形状为正方形，相邻两个导电板之间存在间隙；馈电结构包括介质板，介质板的上表面、主辐射体的下端口处印制有贴片，沿贴片的两条对角线开设有缝隙；介质板的下表面印制有第一馈线和第二馈线，第一馈线围绕于贴片一条对角线上的缝隙周围，第二馈线围绕于贴片另一条对角线上的缝隙周围；反射板上开设有用于射频电缆穿过的通孔，两根射频电缆的内芯分别与第一馈线、第二馈线焊接，两根射频电缆的外芯均与贴片焊接。
本发明的特征还在于，进一步的，所述缝隙的数量为4条，4条缝隙在贴片的几何中心处相互不联通；所述第一馈线包括第一功率分配网络、第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段；所述第二馈线包括第二功率分配网络、第三阻抗匹配段、第四阻抗匹配段；第一功率分配网络和第二功率分配网络不重叠，第一功率分配网络的两端分别与第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段连接，第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段分别从一条对角线上的两条缝隙的一侧绕向另一侧；第二功率分配网络的两端分别与第三阻抗匹配段、第四阻抗匹配段连接，第三阻抗匹配段、第四阻抗匹配段分别从另一条对角线上的两条缝隙的一侧绕向另一侧；第一功率分配网络、第二功率分配网络均采用一分二的功率分配网络。
进一步的，所述第一功率分配网络与第二功率分配网络空间重叠处的介质板上设有两个金属化通孔，通过金属化通孔将空间重叠的第一功率分配网络的一段微带线移至介质板上表面的贴片上。
进一步的，所述第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段、第三阻抗匹配段、第四阻抗匹配段的末端均加粗。
进一步的，所述缝隙的宽度为1-5mm。
进一步的，所述相邻两个导电板之间的间隙宽度为0.5-2mm。
进一步的，所述四个导电板分别为大小相同的第一导电板、第二导电板、第三导电板、第四导电板，第一导电板、第三导电板、第二导电板、第四导电板依次首尾相邻；
第一导电板、第二导电板沿水平方向设置，第三导电板、第四导电板沿垂直方向设置；
贴片的四角凸出一定宽度形成凸部，凸部上设有矩形的插槽，第一导电板、第二导电板、第三导电板、第四导电板分别通过下端的凸起与对应的插槽焊接。
进一步的，所述馈电结构距离地面的高度为35-45mm，第一导电板、第二导电板、第三导电板、第四导电板宽度均为110-120mm，第一导电板、第二导电板、第三导电板、第四导电板的高度均为35-45mm。
进一步的，所述反射板、主辐射体均采用轻质导电材料制得。
进一步的，所述反射板采用厚度为1mm的方形铝板；介质板采用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR-4方形介质板；主辐射体均选用厚度为0.4mm的铝板组成。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明利用矢量合成原理，得到较高的端口隔离度和较低的交叉极化；与现有基站天线单元不同的是，本发明的主辐射体为上下端开口、四周封闭的长方体，无论哪一个端口被激励，主辐射体的四周的导电板均参与电流、极化合成，在主辐射体上几乎没有交叉极化电流；因此，可以得到较高的端口隔离度和较低的交叉极化。
2、本发明体积小，相比于工作在同频段的现有技术1，体积缩减了62％，在同类基站天线中体积较小；本发明充分利用有限空间，将馈电结构水平固定于反射板的上方，主辐射体为上下端开口、四周封闭的长方体结构，无空间浪费的同时不影响天线性能。不包含反射板时，本发明的体积可达118×118×78mm3，大约是0.32λ0×0.32λ0×0.21λ0mm3，λ0代表中心频点0.825GHz对应的自由空间波长。
3、本发明中馈电结构距离地面的高度、主辐射体的宽度和高度是决定天线的带宽的主要因素；通过调节这些尺寸，能够使本发明基站天线覆盖690-960MHz的频带。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中馈电结构的示意图；
图3是本发明实施例中馈电结构下表面第一馈线的结构示意图；
图4是本发明实施例中馈电结构下表面第二馈线的结构示意图；
图5是本发明实施例中主辐射体的结构示意图；
图6是本发明实施例S参数的仿真图；
图7是本发明实施例在不同频点H面的方向图；
图8是本发明实施例在工作频段内的增益和半功率波瓣宽度。
图中，1.馈电结构，11.介质板，12.插槽，13.贴片，14.第一馈线，141.第一功率分配网络，142.第一阻抗匹配段，143.第二阻抗匹配段，15.第二馈线，151.第二功率分配网络，152.第三阻抗匹配段，153.第四阻抗匹配段，16.凸部，17.缝隙，2.主辐射体，21.第一导电板，22.第二导电板，23.第三导电板，24.第四导电板，3.支撑柱，4.反射板，5.射频电缆。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明描述的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。
如图1-2所示，本发明矢量合成基站天线单元，包括馈电结构1、主辐射体2、支撑柱3、反射板4和射频电缆5；馈电结构1通过支撑柱3水平固定于反射板4的上方，馈电结构1的上表面垂直安装有主辐射体2，使得馈电结构1和主辐射体2相互正交，主辐射体2由四个导电板围成上下端开口的长方体结构，主辐射体2下端口的形状为正方形，相邻两个导电板之间存在间隙，间隙宽度为0.5-2mm，即相邻两个导电板之间没有完全接触，间隙的宽度决定电磁能量能否最大程度的传播到导电板，选择合适的间隙宽度，对于提高天线阻抗匹配具有十分重要的意义；馈电结构1包括介质板11，介质板11的上表面、主辐射体2的下端口处印制有贴片13，贴片13的形状、大小与主辐射体2的下端口相匹配，沿贴片13的两条对角线开设有缝隙17；介质板11的下表面印制有第一馈线14和第二馈线15，第一馈线14围绕于贴片13一条对角线上的缝隙17周围，第二馈线15围绕于贴片13另一条对角线上的缝隙17周围，缝隙17用于配合第一馈线14、第二馈线15将能量耦合到主辐射体2上，缝隙17宽度为1-5毫米，其宽度主要用来调节阻抗匹配，宽度过宽或过窄都会影响天线回波损耗；反射板4上开设有用于射频电缆5穿过的通孔，射频电缆5穿过通孔，两根射频电缆5的内芯分别与第一馈线14、第二馈线15焊接，两根射频电缆5的外芯均与贴片13焊接。贴片13的四角凸出一定宽度形成凸部16，凸部16上设有矩形的插槽12。
缝隙17的数量为4条，4条缝隙17在贴片13的几何中心处相互不联通；如图3-4所示，第一馈线14包括第一功率分配网络141、第一阻抗匹配段142、第二阻抗匹配段143；第二馈线15包括第二功率分配网络151、第三阻抗匹配段152、第四阻抗匹配段153；第一功率分配网络141的两端分别与第一阻抗匹配段142、第二阻抗匹配段143连接，第一阻抗匹配段142、第二阻抗匹配段143分别从一条对角线上的两条缝隙17的一侧绕向另一侧；第二功率分配网络151的两端分别与第三阻抗匹配段152、第四阻抗匹配段153连接，第三阻抗匹配段152、第四阻抗匹配段153分别从另一条对角线上的两条缝隙17的一侧绕向另一侧。
如图5所示，组成主辐射体2的四个导电板具体为大小相同的第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24，第一导电板21、第三导电板23、第二导电板22、第四导电板24依次首尾相邻，围合成上下端开口的长方体结构，无空间浪费的同时不影响天线性能；第一导电板21、第二导电板22沿水平方向设置，第三导电板23、第四导电板24沿垂直方向设置。第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24的下端均设有凸起，分别通过凸起与对应的插槽12焊接。
第一功率分配网络141、第二功率分配网络151均采用一分二的功率分配网络，当天线工作时，第一功率分配网络141的作用是将射频电缆5的能量等分传输到第一阻抗匹配段142和第二阻抗匹配段143上，通过缝隙17将能量耦合到主辐射体2上，使主辐射体2的第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24同时工作，均参与辐射，沿水平方向设置的第一导电板21、第二导电板22，形成水平方向的电流，沿垂直方向设置的第三导电板23、第四导电板24，形成垂直方向的电流，水平方向、垂直方向的电流经过叠加，矢量合成后，合成+45°极化波；第二功率分配网络151的作用是将射频电缆5的能量等分传输到第一阻抗匹配段152和第二阻抗匹配段153上，通过缝隙17将能量耦合到主辐射体2上，使主辐射体2的第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24同时工作，均参与辐射，沿水平方向设置的第一导电板21、第二导电板22，形成水平方向的电流，沿垂直方向设置的第三导电板23、第四导电板24，形成垂直方向的电流，水平方向、垂直方向的电流经过叠加，矢量合成后，合成-45°极化波；第一馈线14和第二馈线15共同作用，使得该天线的辐射电流沿+45°和-45°方向，形成双极化辐射。
第一功率分配网络141和第二功率分配网络151的各项参数满足基站天线单元的使用条件，可以设置不同形状，尽可能在有限的空间内放置，避免其重叠。值得注意的是，为了避免第一功率分配网络141和第二功率分配网络151的重叠，在第一功率分配网络141与第二功率分配网络151空间重叠处的介质板11上设有两个金属化通孔，通过金属化通孔将空间重叠的第一功率分配网络141的一段微带线移至介质板11上表面的贴片13上，即在第一功率分配网络141的空间重叠处设置有一段跳线。
第一阻抗匹配段142、第二阻抗匹配段143、第三阻抗匹配段152、第四阻抗匹配段153主要起到传输能量的作用。第一阻抗匹配段142、第二阻抗匹配段143、第三阻抗匹配段152、第四阻抗匹配段153的末端均加粗，是为了使能量在天线传输过程中最大程度的达到主辐射体2，即降低天线端口回波损耗。
其中，反射板4、主辐射体2均采用轻质导电材料制得；实施例中反射板4选用厚度为1mm的方形铝板，使其单向辐射，减小背向能量传播；介质板11采用介电常数为4.4、厚度为1.5mm的FR-4方形介质板；第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24均选用厚度为0.4mm的铝板。
馈电结构1距离地面的高度、主辐射体2的第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24宽度和高度是决定天线的带宽的主要因素；通过调节这些尺寸，当馈电结构1距离地面的高度为35-45mm，第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24宽度均为110-120mm，第一导电板21、第二导电板22、第三导电板23、第四导电板24的高度均为35-45mm时，可使本发明基站天线覆盖690-960MHz的频带。
本发明矢量合成基站天线单元的仿真测试：
利用商业仿真软件(High Frequency Structure Simulator HFSS ver.15)对S参数在0.6-1GHz的频率范围内进行仿真计算，结果如图6所示，其中，∣S11∣和∣S22∣分别表示两个端口的回波损耗，∣S21∣表示两个端口之间的隔离度；由图6可知，本发明矢量合成基站天线单元在两端口的回波损耗大于14dB时，具有0.69GHz-0.96GHz的工作频带，相对频带宽32.7％，频带内隔离度大于32.4dB；说明本发明具有良好的阻抗带宽特性，而且由于采用矢量合成技术，两端口之间具有良好的隔离度。
对本发明实施例远场辐射方向图在0.69GHz、0.825GHz和0.96GHz处进行仿真计算，矢量合成基站天线单元在H面的辐射方向图如图7所示；由图7可知，本发明矢量合成基站天线单元的辐射方向图满足基站天线单元的单向性要求，0°交叉极化比小于-34dB，±60°交叉极化比小于-19dB，主极化前后比大于28dB，交叉极化前后比大于16.7dB；说明本发明的辐射性能稳定。
对本发明实施例的增益和半功率波瓣宽度进行仿真计算，矢量合成基站天线单元在0.6-1GHz范围内增益和半功率波瓣宽度如图8所示；由图8可知，本发明在0.69GHz-0.96GHz的工作频带内，增益在8.9dBi到9.45dBi之间，H面半功率波瓣宽度保持在61°到63.4°之间。
以上仿真测试结果说明本发明具有体积小、频带宽、隔离度高、辐射性能稳定等优点。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，包括馈电结构（1）、主辐射体（2）、支撑柱（3）、反射板（4）和射频电缆（5）；馈电结构（1）通过支撑柱（3）水平固定于反射板（4）的上方，馈电结构（1）的上表面垂直安装有主辐射体（2），主辐射体（2）由四个导电板围成上下端开口的长方体结构，主辐射体（2）开口的形状为正方形，相邻两个导电板之间存在间隙；馈电结构（1）包括介质板（11），介质板（11）的上表面、主辐射体（2）的下端口处印制有贴片（13），沿贴片（13）的两条对角线开设有缝隙（17）；介质板（11）的下表面印制有第一馈线（14）和第二馈线（15），第一馈线（14）围绕于贴片（13）一条对角线上的缝隙（17）周围，第二馈线（15）围绕于贴片（13）另一条对角线上的缝隙（17）周围；反射板（4）上开设有用于射频电缆（5）穿过的通孔，两根射频电缆（5）的内芯分别与第一馈线（14）、第二馈线（15）焊接，两根射频电缆（5）的外芯均与贴片（13）焊接；
所述贴片（13）的四角设有插槽（12），四个导电板的下端均设有凸起，分别通过凸起与对应的插槽（12）焊接；
所述缝隙（17）的数量为 4 条。
2.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于， 所述4 条缝隙（17）在贴片（13）的几何中心处相互不联通；所述第一馈线（14）包括第一功率分配网络（141）、第一阻抗匹配段（142）、第二阻抗匹配段（143）；所述第二馈线（15）包括第二功率分配网络（151）、第三阻抗匹配段（152）、第四阻抗匹配段（153）；第一功率分配网络（141）和第二功率分配网络（151）不重叠，第一功率分配网络（141）的两端分别与第一阻抗匹配段（142）、第二阻抗匹配段（143）连接，第一阻抗匹配段（142）、第二阻抗匹配段（143）分别从一条对角线上的两条缝隙（17）的一侧绕向另一侧；第二功率分配网络（151）的两端分别与第三阻抗匹配段（152）、第四阻抗匹配段（153）连接，第三阻抗匹配段（152）、第四阻抗匹配段（153）分别从另一条对角线上的两条缝隙（17）的一侧绕向另一侧；第一功率分配网络（141）、第二功率分配网络（151）均采用一分二的功率分配网络。
3.根据权利要求 2 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述第一功率分配网络（141）与第二功率分配网络（151）空间重叠处的介质板（11）上设有两个金属化通孔，通过金属化通孔将空间重叠的第一功率分配网络（141）的一段微带线移至介质板（11）上表面的贴片（13）上。
4.根据权利要求 2 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述第一阻抗匹配段（142）、第二阻抗匹配段（143）、第三阻抗匹配段（152）、第四阻抗匹配段（153）的末端均加粗。
5.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述缝隙（17）的宽度为 1-5 mm。
6.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述相邻两个导电板之间的间隙宽度为 0.5-2 mm。
7.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述四个导电板分别为大小相同的第一导电板（21）、第二导电板（22）、第三导电板（23）、第四导电板（24），第一导电板（21）、第三导电板（23）、第二导电板（22）、第四导电板（24）依次首尾相邻；第一导电板（21）、第二导电板（22）沿水平方向设置，第三导电板（23）、第四导电板（24）沿垂直方向设置；贴片（13）的四角凸出一定宽度形成凸部（16），凸部（16）上设有矩形的插槽（12），第一导电板（21）、第二导电板（22）、第三导电板（23）、第四导电板（24）分别通过下端的凸起与对应的插槽（12）焊接。
8.根据权利要求 7 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述馈电结构（1）距离地面的高度为 35-45mm，第一导电板（21）、第二导电板（22）、第三导电板（23）、第四导电板（24）宽度均为 110-120mm，第一导电板（21）、第二导电板（22）、第三导电板（23）、第四导电板（24）的高度均为 35-45mm。
9.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述反射板（4）、主辐射体（2）均采用轻质导电材料制得。
10.根据权利要求 1 所述的一种矢量合成基站天线单元，其特征在于，所述反射板（4）采用厚度为 1mm 的方形铝板；介质板（11）采用介电常数为 4.4、厚度为 1.5mm 的 FR-4方形介质板；主辐射体（2）均选用厚度为 0.4 mm的铝板组成。
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