CN108777357A - 一种串联结构宽带双频偶极子基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：包括介质基板、低频段寄生贴片、由上向下依次间隔设置在介质基板上的低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子；其中，低频段带状振子、第一、第二高频段带状振子通过平行微带线串联连接，并通过设置在介质基板最下端的矩形微带实现同轴线馈电；低频段带状振子、第一、第二高频段带状振子采用对称双边结构，各带状阵子的两臂分别以各带状阵子的中心点为对称点分刻在介质基板两面，且位于介质基板两面的低频段带状振子均与第一、第二高频段带状振子处于平行微带线的两侧，第一、第二高频段带状振子处于平行微带线的同侧。本发明可以广泛应用于移动通信领域。

Description

一种串联结构宽带双频偶极子基站天线
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别是涉及一种串联结构宽带双频偶极子基站天线。
背景技术
移动通信系统中，天线作为发射源与自由空间电磁波信号的转换器，是信息的出入口，其性能影响整个移动网络的性能。随着通信技术的发展，移动通信系统经历了四个阶段的发展，相继出现了使用不同频段的移动通信系统。现阶段在中国，2G系统(CDMA800、GSM900、GSM1800、GSM1900)工作频段为824MHz-960MHz和1710MHz-1926MHz；3G系统(TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000)工作频段为1880-2170MHz；4G系统(TD-LTE、FDD-LTE)工作频率为1755MHz-2655MHz。移动通信技术的发展对基站天线提出了宽频/多频的要求。一方面，移动通信系统的演进是一个循序渐进的过程，相当长一段时间内将维持2G、3G、4G系统共存的局面，多系统共站、多系统共天线是经济有效的解决办法；另一方面随着人们越来越重视视觉污染和电磁辐射污染，加之基站天线维护成本高，迫切需要减少数量。宽带/多频天线可以一副天线为多个系统提供服务，有效减少天线的数量和占用空间。因此需要能够同时覆盖690-960MHz频段和1700-2700MHz频段的宽带双频基站天线给2G/3G/LTE(4G)系统提供服务。
微带天线有着体积小、重量轻、低剖面、易于批量生产、制作成本低等诸多优点，但同时其频带较窄。常用的半波振子微带天线，带宽仅有百分之十几。对于现在多个通信系统共存情况下(低频32％，高频45％)，它的覆盖范围有限。
目前，覆盖当前移动通信频段最多的一款双频天线是由一个低频单元和二个高频单元构成。低频单元是一对半波振子，半波振子附近的寄生贴片增强低频带宽。高频单元由一对折叠半波振子构成，半波振子辐射臂末端弯折，使得高频单元尺寸更小。高频单元和低频单元都印刷于同一块介质基板上，二个高频单元分别嵌套于低频单元的留白空间中，使得宽带平面双频基站天线整体尺寸与单个低频单元相当，形成了紧凑的平面结构。在低频获取20％的相对带宽，覆盖800-980MHz频段，在高频获取60％的相对带宽，覆盖1540-2860MHz频段。然而，双频天线高低频单元相互独立，激励需分别添加，且不能同时存在。通常基站信号多种模式信号同时存在且同时工作，因此实际应用中存在极大不便。而且，高频单元由两个相同天线模块组成，需要添加同相位信号，因此需要额外使用功分器。另外，由于双频天线高频由两个单元组成，即在高频段组成二元阵列。由于间距固定，带宽较宽，当频率大于2500MHz时出现栅瓣，影响天线辐射性能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，该天线能够在低频获取38％的相对带宽，覆盖690-1020MHz频段，在高频获取45％的相对带宽，覆盖1700-2700MHz频段，完全满足当前所有移动通信制式的工作需求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：其包括介质基板、低频段寄生贴片、低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子；所述低频段寄生贴片、低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子由上向下依次并排间隔设置在所述介质基板上，且所述低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子的中心点通过平行微带线串联连接，并通过设置在所述介质基板最下端的矩形微带实现同轴线馈电；所述低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子均采用对称双边结构，各带状阵子的两臂分别以各带状阵子的中心点为对称点分刻在所述介质基板两面，且位于所述介质基板任何一面的所述低频段带状振子均与所述第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的两侧，所述第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的同侧。
所述低频段带状振子的长度大于所述第一、第二高频段带状振子，所述第一高频段带状振子的长度小于所述第二高频段带状振子。
所述低频段寄生贴片与所述低频段带状振子之间的间隔为4mm。
所述低频段寄生贴片分别设置在所述介质基板两面，且位于所述介质基板两面的低频段寄生贴片的端部通过金属过孔连接。
所述基站天线还包括一赋形反射板，所述赋形反射板呈开口向上的倒梯形结构，所述梯形结构的底板设置在所述基站天线底部，所述底板两端连接两侧板，两所述侧板另一端均设置有一垂直于所述底板的竖板。
所述底板长度L＝47mm，所述侧板长度为W＝63mm，所述竖板长度h＝10mm，两所述侧板与所述底板的夹角θ＝70°。
所述介质基板采用厚度h＝2mm，长L＝134mm，宽W＝144mm，相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯板。
所述平行微带线是指两条宽度W6＝2mm的宽面耦合带线。
所述低频段带状振子的两臂端部向下方弯折90度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中介质基板上的低频段带状振子和第一、第二高频段带状振子之间串联连接，均通过设置在介质基板下部的矩形微带馈电，实现了同一激励口馈电，可以直接用基站多路信号激励天线发射电磁波，从而避免并联结构多个激励口在实际应用中不便。2、本发明在低频段带状振子外侧添加寄生贴片，通过耦合实现低频段带宽展宽，同时，高频段带状振子同侧，低频段带状振子异侧，增加几何尺寸更小的偶极子结构，实现高频段带宽扩展，对当前中国通信运营商所有移动通信制式的工作频段的全覆盖，应用范围更广。3、本发明由于低频段带状振子、第一、第二高频段带状振子均采用双边结构，分刻于介质基板的两面，更加容易实现带状振子之间的相反的线极化方向。4、本发明由于将低频段寄生贴片分为两个半波振子，两个半波振子通过金属过孔连接，通过调整半波振子在过孔位置重叠的长度，对低频段带宽进行进一步展宽，同时通过添加赋形反射板，可以实现在整个频带内天线都具有较好方向性，且不存在栅瓣。本发明可以广泛应用于移动通信领域。
附图说明
图1是本发明串联结构宽带双频偶极子基站天线结构示意图；
图2是本发明低频段寄生贴片的双面放置结构；
图3是本发明反射板结构；
图4是本发明实施例中宽带双频偶极子基站天线正面；
图5是本发明实施例中宽带双频偶极子基站天线反面；
图6是本发明实施例中宽带双频偶极子基站天线S参数仿真结果；
图7是本发明实施例中宽带双频偶极子基站天线低频方向图仿真结果，其中，图7(a)是907MHz电场方向图，图7(b)是907MHz磁场方向图，图7(c)是952MHz电场方向图，图7(d)是952MHz磁场方向图；
图8是本发明宽带双频偶极子基站天线高频方向图仿真结果，其中，图8(a)是1885MHz电场方向图，图8(b)是1885MHz磁场方向图，图8(c)是2015MHz电场方向图，图8(d)是2015MHz磁场方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，包括：介质基板1、低频段寄生贴片2、低频段带状振子3、第一高频段带状阵子4和第二高频段带状振子5。其中，低频段寄生贴片2、低频段带状振子3、第一高频段带状阵子4和第二高频段带状振子5由上向下依次并排间隔设置在介质基板1上，且低频段带状振子3、第一高频段带状振子4和第二高频段带状振子5的中心点通过平行微带线6串联连接，并通过设置在介质基板1最下端的矩形微带7实现同轴线馈电。低频段带状振子3、第一高频段带状振子4和第二高频段带状振子5均采用对称双边结构，各带状阵子的两臂分别以各带状阵子的中心点为对称点分刻在介质基板1的两面，且位于介质基板1任何一面的低频段带状振子3均与第一、第二高频段带状振子4、5处于平行微带线6的两侧，第一、第二高频段带状振子4、5处于平行微带线6的同侧。
作为一个优选的实施例，低频段带状振子3的长度大于第一、第二高频段带状振子4、5，第一高频段带状振子4的长度小于第二高频段带状振子5。
作为一个优选的实施例，低频段带状振子4与低频段寄生贴片3之间的间隔d2＝4mm。
作为一个优选的实施例，介质基板1采用厚度h＝2mm，长L＝134mm，宽W＝144mm，相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯板。
作为一个优选的实施例，平行微带线6是指两条宽度为W6＝2mm的宽面耦合带线，特性阻抗为Z0，相对有效介电常数为εeff。
作为一个优选的实施例，低频段带状振子4的两臂端部向下方弯折90度，以便能减小排阵间距从而缩小整个阵列长度，进而减小天线尺寸。
作为一个优选的实施例，如图2所示，低频段寄生贴片2也可以分别设置在介质基板1两面，且位于介质基板1两面的低频段寄生贴片2的端部通过金属过孔8连接。通过调整低频段寄生贴片2的半波振子在金属过孔8位置重叠的长度，可以对低频段的带宽范围进行调节，以得到更大的低频段带宽。
如图3所示，虽然通过串馈三段工作在不同频段的偶极子天线，能够实现宽频带的阻抗特性，但是其方向图水平面波瓣宽度在工作频段内变化较大。为实现稳定的方向图特性，当低频段寄生贴片2设置在介质基板1两面时，在天线底部设置一赋形反射板9，该赋形反射板9呈开口向上的倒梯形结构，该梯形结构的底板91设置在天线底部，底板91两端连接两侧板92，两侧板92另一端设置有垂直与底板91的竖板93，其中底板91长度L＝47mm，侧板92长度为W＝63mm，竖板93长度h＝10mm，两侧板92与底板91的夹角θ＝70°。
本发明的工作原理为：
在低频段主要由低频段带状振子3辐射，最上方独立的低频段寄生贴片2，作为低频段带状振子3的寄生贴片，可以将低频段带宽展宽一倍左右。
在高频段主要由第一、第二高频段带状振子4、5辐射，且第一高频段带状振子4对应的谐振频率略高于高频段的中心频率，第二高频段带状振子5对应的谐振频率略低于高频段的中心频率，使得天线在高频段达到宽带工作。第一、第二两高频段带状振子4、5的长度差以及间距，根据实际要求进行选取，以获得最宽的工作带宽。
两个高频段带状振子4、5之间通过平行微带线6直接相连，连接平行微带线6上的电流相位依次滞后，在传播方向上形成端射辐射。由于端射辐射特性，当天线垂直置于地面或赋形导体板上时，天线同样能够获得宽带阻抗特性。介质的引入，使电磁波在连接线上的传播速度减慢，也增加了天线的增益，使天线在很宽的频带内在边射方向(连接线的端射方向)保持最大辐射。在频率较低时，较长的振子更接近于介质基板，长振子的辐射功率大于短振子，天线的特性也更多的取决于它；随着频率升高，长振子的辐射功率逐渐减少，短振子的辐射功率逐渐增加，短振子的作用成为主导。
下面通过具体实施例对本发明做进一步介绍。
实施例一
如图4、图5所示，为本实施例中宽带双频偶极子基站天线的正反面结构图。图中，介质基板的正反面结构为对称半波振子。根据所需工作频段计算各带状振子的长度，同时通过仿真优化得到天线各尺寸参数为：L1＝63mm，L2＝108mm，L3＝19mm，L4＝31mm，W1＝6mm，W2＝6mm，W3＝8mm，W4＝8mm，w5＝4mm，W6＝2mm，d1＝122mm，d2＝4mm，d3＝27mm，d4＝40mm，d5＝33mm，h＝23mm。
如图6所示，为双频基站天线的S参数仿真结果，从图中可以看出，该天线可以在低频获取38％的相对带宽，覆盖690-1020MHz频段，在高频获取45％的相对带宽，覆盖1700-2700MHz频段。
如图7(a)～7(d)所示，为串联结构平面双频基站天线低频方向图仿真结果，在690-1020MHz频段上方向图稳定，变化不大；如图8(a)～8(d)所示，为串联结构平面双频基站天线高频方向图仿真结果，在1700-2700MHz频段上，方向图稳定。仿真结果证实了宽带平面双频基站天线实现了双宽带性能，可完全覆盖690-1020MHz频段和1700-2700MH频段。覆盖当前中国通信运营商所有移动通信制式的工作频段。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：其包括介质基板、低频段寄生贴片、低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子；所述低频段寄生贴片、低频段带状振子、第一高频段带状阵子和第二高频段带状振子由上向下依次并排间隔设置在所述介质基板上，且所述低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子的中心点通过平行微带线串联连接，并通过设置在所述介质基板最下端的矩形微带实现同轴线馈电；所述低频段带状振子、第一高频段带状振子和第二高频段带状振子均采用对称双边结构，各带状阵子的两臂分别以各带状阵子的中心点为对称点分刻在所述介质基板两面，且位于所述介质基板任何一面的所述低频段带状振子均与所述第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的两侧，所述第一、第二高频段带状振子处于所述平行微带线的同侧。
2.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述低频段带状振子的长度大于所述第一、第二高频段带状振子，所述第一高频段带状振子的长度小于所述第二高频段带状振子。
3.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述低频段寄生贴片与所述低频段带状振子之间的间隔为4mm。
4.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述低频段寄生贴片分别设置在所述介质基板两面，且位于所述介质基板两面的低频段寄生贴片的端部通过金属过孔连接。
5.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述基站天线还包括一赋形反射板，所述赋形反射板呈开口向上的倒梯形结构，所述梯形结构的底板设置在所述基站天线底部，所述底板两端连接两侧板，两所述侧板另一端均设置有一垂直于所述底板的竖板。
6.如权利要求5所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述底板长度L＝47mm，所述侧板长度为W＝63mm，所述竖板长度h＝10mm，两所述侧板与所述底板的夹角θ＝70°。
7.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述介质基板采用厚度h＝2mm，长L＝134mm，宽W＝144mm，相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯板。
8.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述平行微带线是指两条宽度W6＝2mm的宽面耦合带线。
9.如权利要求1所述的一种串联结构宽带双频偶极子基站天线，其特征在于：所述低频段带状振子的两臂端部向下方弯折90度。
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