CN108511923A - 一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，属于无线通信技术领域，包括天线单元，天线单元包括按顺序依次设置的大反射基板，小反射基板和天线部件；天线部件包括互相交错布置的两组导体单元和位于两组导体单元中间并连接导体单元的介质；每组导体单元包含一对中心对称设置的子单元；每一个子单元均包括一个肥胖部、一个细长部和两个细短部，两个细短部在肥胖部的两侧对称设置并且各自的内端分别与肥胖部的两侧连接。本发明具有较宽的三频带，可覆盖移动通信包括5G频段等多频段、结构紧凑、电性能优异、便于安装等特点，其效率高，增益高，辐射方向涵盖面广，适于移动通信大规模使用。

Description

一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线

技术领域

本发明涉及一种能够同时发射和接收2G到5G通信信号的天线，尤其是用于移动通信系统的基站天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着第五代移动通信技术（5G）的推广和MIMO技术的普及，对天线技术提出了新的要求，在尽可能不增加天线数目和设备的情况下，让天线在尽可能宽的频带或多个频带上工作，具有多个工作模式、具有良好的收发特性是业界追求的目标。

目前很多国家用于5G系统的天线被要求能够在698MHz～960 MHz、1700MHz～2700MHz、3300MHz～3800 MHz三个频段内均具有良好的性能，但这往往带来天线的尺寸过大、结构不够紧凑、占用空间大、费用高，不利于高低频天线单元的排布，并严重影响天线的信号收发质量，无法实现天线的宽频辐射特性和通信宽带化的要求。

中国专利申请CN201710538652.4公开了一种双极化交叉折叠偶极子天线单元和天线，这种天线的天线单元包括天线部件、反射板、支撑板，反射板设置于支撑板前面，天线部件设置于反射板前面；其天线部件包括用于电气连接的介质和位于介质两侧并与介质连接的互相交错布置的两组导体单元，天线部件的互相交错布置的两组导体单元被位于两组导体单元中间的PCB板等介质隔开，两组导体单元连接在PCB板的两个面上。每组导体单元均包括两组对称设置的子单元，每一个子单元均包括一个与馈线连接的肥胖部、与肥胖部的外端部连接的细长部，细长部与肥胖部之间非平行设置、二者间设有夹角。

导体单元的子单元的肥胖部的内端与馈线连接，细长部与肥胖部之间的夹角可以设定成从15°到90°的任一角度。这种结构的天线在发射698MHz～960 MHz、1700MHz～2700MHz频段的信号时，效果较为理想，但在3300MHz～3800 MHz频段（5G新频段）的反射系数、隔离度等指标并不好。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，它具有三频带工作带宽较宽、结构紧凑、电性能优异、便于安装等特点，在频率、极化、辐射波瓣图和阻抗匹配等性能方面能够出色地完成信号收发任务。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，包括天线单元，天线单元包括按顺序依次设置的大反射基板、小反射基板、设置在介质两侧的包括两个对称设置的由肥胖部和与肥胖部成一定角度的细长部组成的子单元的天线部件，每个子单元的肥胖部上还设置有向肥胖部外面突出的细短部。

本发明技术方案的进一步改进在于：细短部有两个，并在肥胖部的两侧对称设置。

本发明技术方案的进一步改进在于：细短部的长轴方向与肥胖部长轴方向的夹角大于等于15°且小于等于90°。

本发明上述技术方案的进一步改进在于：肥胖部是以内端到外端的方向为长轴、两侧方向为短轴的实心椭圆形，肥胖部的长轴与短轴的长度比值区间大于等于1并小于等于5的椭圆形。

本发明技术方案的进一步改进在于：细长部的长度方向与肥胖部的长度方向成直角设置。

本发明上述技术方案的进一步改进在于：细长部是从内端到外端逐渐变窄的窄条形。

本发明上述技术方案的进一步改进在于：细长部与肥胖部的连接处通过弧形过渡。

本发明上述技术方案的进一步改进在于：细短部设置在肥胖部的外端，细短部为实心的椭圆形或实心长条形。

本发明技术方案的进一步改进在于：介质两侧的两组导体单元在各自的对称中心位置互相交叠并且两组导体单元的肥胖部互相垂直使两组导体单元产生的电磁场的极化方向正交。

本发明技术方案的进一步改进在于：若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元组成天线阵列，天线阵列的若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元之间呈纵向排布、横向排布、多边形排布中的一种或多种。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明可广泛应用在GSM、3G、4G、5G移动通信基站天线上，具有结构紧凑、便于安装等特点，这种天线的三频带工作带宽较宽、电性能优异。

本发明在肥胖部上增加突出细短部后，可以使天线单元在工作频段内具有良好的带宽特性，更有利用于天线在高频段的工作，能够兼顾698MHz～960 MHz、1700MHz～2700MHz、3300MHz～3800 MHz三个频段，可以采用成熟的PCB（印刷电路）加工工艺，易批量生产，加工精度高，具有工作带宽较宽、电性能优异等特点。

本发明的天线单元是一种独特的有向天线结构设计，天线部件包括两组导体单元，每组导体单元形成的电磁场具有独立的极化方向，两组导体单元极化方向相互正交同时又与传播方向正交，同时在天线部件的后方设置两块不同规格的反射基板，将天线部件发出的向后的电磁波重新反射向前方，其中小反射基板主要反射加强高频段信号，大反射基板主要反射低频段信号，这种结构使天线增益高，辐射方向涵盖面广，优于同期产品。每组导体单元的子单元中设有细长部、细短部与肥胖部，在肥胖部上设置细短部后，肥胖部主要进行1700MHz～2700MHz频段信号的传输，肥胖部与细短部结合后主要进行3300MHz～3800MHz频段信号的传输，细长部与肥胖部二者结合进行698MHz～960 MHz频段信号的传输，不仅能兼顾5G要求的信号频段的收发，同时在电性能的其他方面，如极化、天线辐射波瓣图和匹配（阻抗）等方面均能够出色地完成信号收发任务。

细短部设置肥胖部的外端，即细短部设置肥胖部的靠近细长部的一端的外圆上，细短部有两个，并在肥胖部的两侧对称设置，这些特征能够使天线在3300～3800MHz频段达到良好的阻抗匹配和产生所需要的辐射波瓣图。

本发明将肥胖部设置成以内端到外端的方向为长轴、两侧方向为短轴的实心椭圆形，并通过将细长部与肥胖部设置成直角、细长部设计成从内端到外端逐渐变窄的窄条形、细长部与肥胖部的连接处通过弧形过渡，能够使天线发射的各频段信号互不干扰，波瓣图更加完整准确。

本发明的两组导体单元在介质两侧的各自的对称中心位置交叠，并且两组导体单元的肥胖部互相垂直，使两组导体单元产生的电磁场的极化方向正交。并将肥胖部的长轴与短轴的长度比值区间大于等于1并小于等于5的椭圆形，此椭圆最好为实心的椭圆，细短部也设计为实心的椭圆形或实心长条形，这样可以增加天线的带宽。

本发明将若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元组成天线阵列，天线阵列的若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元之间呈纵向排布、横向排布、多边形排布中的一种或多种，甚至还可以进行曲线排布、波浪排布等任意排布方式，比如可以先纵向排布，然后横向排布，最后进行多边形排布，多边形排布可以为三角形排布、四边形排布、六边形排布或其他更多边排布等，完全能够满足360°全方位覆盖的要求。

附图说明

图1是本发明双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元俯视结构示意图；

图2是图1的侧视结构分解示意图；

图3是本发明实施例双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元在1号接口和2号接口的S参数（反射系数）实验数据；

图4是本发明实施例双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元导体单元间的隔离度实验数据；

图5是本发明实施例双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元在698MHz～960 MHz频段典型频率下的辐射波瓣图；

图6是本发明实施例双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元在1700MHz～2700 MHz频段典型频率下的辐射波瓣图；

图7是本发明实施例双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元在3300MHz～3800 MHz频段典型频率下的辐射波瓣图；

图8 是本发明双极化交叉折叠偶极子三频段天线阵列的一种结构示意图；

其中，1、天线部件，11、导体单元，111、肥胖部，112、细长部，113、细短部，12、介质，2、小反射基板，3、大反射基板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1、图2所示，一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，它包括至少一个天线单元，也可以有多个天线单元组成一组天线。天线单元包括天线部件1、设置在天线部件1后面的小反射基板2和设置在小反射基板2后面的大反射基板3，天线部件1和小反射基板2固定在大反射基板3上，整个天线单元由大反射基板3支撑。天线单元主要向天线部件1前方（即顺着大反射基板3、小反射基板2、天线部件1前进的方向）发射信号。天线部件1可以使用双面PCB印刷制作，也可以是除PCB基板外其他绝缘材质；也可以使用压接连接、焊接连接或是螺纹连接等其它方式将天线部件固定在其它介质上。使用PCB印刷制作时，PCB的两个面上分别印刷有导体单元11，两个面上的导体单元11互相交错布置，两组导体单元11之间互相不连接，PCB的基材（可以是玻璃纤维、环氧树脂、FR-4等材料）形成间隔两组导体单元11的介质12。天线部件1、小反射基板2、大反射基板3三者平行设置，且三者中心在同一轴线上，即三者的几何中心在俯视时相互交叉重叠于天线单元的中心轴。天线部件1的外周尺寸大于小反射基板2的外周尺寸，天线部件1的外周尺寸和小反射基板2的外周尺寸都小于大反射基板3外周尺寸，也就是说小反射基板2的外接圆直径小于天线单元1上全部导体单元11的外接圆直径，大反射基板3的外接圆直径大于能够包含天线单元1上全部导体单元11的最小圆形的直径。由于从天线部件1的信号发射出时是向天线部件1两侧发射，小反射基板2位于天线部件的后面，小反射基板2可以将天线部件1发射出的高频信号反射到天线单元的前方，大反射基板3主要是将天线部件1发射出的低频信号反射到天线单元的前方，经小反射基板2和大反射基板3反射后，天线部件1发射出的信号均向一个方向发射，小反射基板2和大反射基板3共同增强了天线单元前方的信号强度。制作天线单元的大反射基板3、小反射基板2和天线部件1时用的导体材料可为金属（如铜、铝或银）、或者非金属（如石墨、加入导电物质形成复合塑料材料、非有机玻璃等）。小反射基板2和大反射基板3可以是金属（如铜或铝）或者是金属和非金属二者的混合，可以通过调整小反射基板2和大反射基板3形状以及材质分布改善天线单元的辐射波瓣图形状。

天线部件1的每组导体单元11包含一对以天线部件1的几何中心对称设置的子单元，构成一对偶极子。每一个子单元均包含一个肥胖部111、一个细长部112，还包括细短部113；细短部113设置在肥胖部111的侧面，并向肥胖部111的外面突出，细短部113可以是一个，也可以是多个，本发明的最佳实施例为两个。肥胖部111可以是圆形、长条形或椭圆形，内部可以为非实心，本发明的最佳实施例为实心椭圆，椭圆形长轴与短轴的长度比值区间可以是大于等于1而小于等于5之间的任一数值，椭圆形肥胖部111的长轴内端向内靠近天线部件1的几何中心附近，并与馈线连接，椭圆形长轴的外端向外远离天线部件1的几何中心，即肥胖部111是以内端到外端的方向为长轴、两侧方向为短轴的实心椭圆形。细长部112的内端连接在肥胖部111的外端，细长部112的形状最好是呈窄条形且从内端到外端逐渐变窄，细长部112与肥胖部111的长轴形成夹角，夹角角度大于等于15°且小于等于90°，本发明的最佳实施例为90°，即细长部112的长度方向与肥胖部111的长度方向成直角设置。细长部112与肥胖部111外端的连接是通过一小段圆弧导体形成弧形过渡连接，圆弧导体的圆心角角度与细长部112和肥胖部111的长轴形成夹角一致，连接细长部112与肥胖部111的圆弧导体的弧度最好为90°。细短部113呈实心的椭圆形或实心长条形，细短部113设置在肥胖部的外端（即靠近细长部112一端的肥胖部111上），并最好设置两个，本发明的最佳实施例将这两个细短部113以肥胖部111长轴为对称轴对称设置在肥胖部111两侧，细短部113的内端连接在肥胖部111外端附近，即细短部113与肥胖部111的连接处到肥胖部111外端的距离小于细短部113与肥胖部111的连接处到肥胖部111内端的距离。细短部113的长轴方向与肥胖部111长轴方向的夹角大于等于15°且小于等于90°。

天线部件1的两组导体单元11形状是一样的，但两组导体单元11交错布置，这样可以使两组导体单元11在各个频段产生的辐射波瓣相同，但电磁场的极化方向不同，两组导体单元11交叉的角度为15°～90°（如可以为15°、30°、45°、60°、75°、90°），但最好是交错90°布置，即介质两侧的两组导体单元11最好是互相垂直，也就是说在两组导体单元11各自的对称中心位置互相交叉重叠并且使两组导体单元11的肥胖部111的长轴方向互相垂直，这样能够达到最佳效果。当交错90°布置时，其中一组导体单元以天线部件1的几何中心为旋转中心旋转90°后可以与另一组导体单元重合，这样可以使两组导体单元11在各个频段产生的电磁场的极化方向是正交的，使传输效果更好。

为了便于现场应用或实验调试，在天线部件1、小反射基板2、大反射基板3之间设有填充物，填充物可以为泡沫、橡胶、乳胶等低介质损耗的不影响使用或调试性能的物品。

图3是本实施例天线单元在1号接口和2号接口的S参数（反射系数）实验数据，通过软件对数据进行了拟合，从图中可以看出，本实施例的天线单元的两组馈线端（1号接口和2号接口）在B1（698MHz～960 MHz）、B2（1700MHz～2700 MHz）、B3（3300MHz～3800 MHz）三个波段的反射系数均小于-10dB。

图4是本实施例天线单元两组导体单元间隔离度的实验数据，通过软件对数据进行了拟合，从图中可以看出，本实施例两组导体单元间隔离度在B1（698MHz～960 MHz）、B2（1700MHz～2700 MHz）两个波段均小于-18dB，在B3（3300MHz～3800 MHz）波段小于-16dB。

如图5、图6、图7所示，本实施例天线单元在698MHz～960 MHz、1700MHz～2700MHz、3300MHz～3800 MHz三个波段上各波段典型频率下的辐射波瓣图的辐射角均大于120°。

图8所示的是双极化交叉折叠偶极子三频段天线阵列的俯视结构示意图（未显示填充物），是由三个天线单元集成制作的双极化交叉折叠偶极子三频段天线阵列，这种天线阵列可以覆盖水平360°区域。根据本发明试验获得的图5到图7的辐射波瓣图可知，本发明的天线单元在三个频段的辐射波瓣覆盖角度均大于120°，将本发明的天线单元组成三角形阵列时，就能够满足对天线周围的空间进行360°全方位覆盖的要求，四边形以上组阵时更能够满足全方位覆盖的要求。当天线单元更多时，若干个天线单元也可以呈纵向排布、横向排布、多边形排布中的一种或多种来构成不同功能的双极化交叉折叠偶极子三频段天线阵列。比如可以先纵向排布，然后横向排布，最后进行多边形排布，多边形排布可以为三角形排布、四边形排布、六边形排布或其他更多边形的排布等。

Claims (10)

1.一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，包括天线单元，天线单元包括按顺序依次设置的大反射基板（3）、小反射基板（2）、设置在介质（12）两侧的互相交错布置的两组导体单元（11）构成的天线部件（1），每个导体单元包括两个对称设置的由肥胖部（111）和与肥胖部（111）成一定角度的细长部（112）组成的子单元，其特征在于：每个子单元的肥胖部（111）上还设置有向肥胖部（111）外面突出的细短部（113）。

2.根据权利要求1所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细短部（113）有两个，并在肥胖部（111）的两侧对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细短部（113）的长轴方向与肥胖部（111）长轴方向的夹角大于等于15°且小于等于90°。

4.根据权利要求3所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：肥胖部（111）是以内端到外端的方向为长轴、两侧方向为短轴的椭圆形，肥胖部（111）的长轴与短轴的长度比值区间大于等于1并小于等于5。

5.根据权利要求1所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细长部（112）的长度方向与肥胖部（111）的长度方向成直角设置。

6.根据权利要求5所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细长部（112）是从内端到外端逐渐变窄的窄条形。

7.根据权利要求6所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细长部（112）与肥胖部（111）的连接处通过弧形过渡。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：细短部（113）设置在肥胖部（111）的外端，细短部（113）为实心的椭圆形或实心长条形。

9.根据权利要求1所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：介质两侧的两组导体单元（11）在各自的对称中心位置互相交叠并且两组导体单元（11）的肥胖部（111）互相垂直使两组导体单元（11）产生的电磁场的极化方向正交。

10.根据权利要求1所述的一种双极化交叉折叠偶极子三频段天线，其特征在于：若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元组成天线阵列，天线阵列的若干个双极化交叉折叠偶极子三频段天线单元之间呈纵向排布、横向排布、多边形排布中的一种或多种。