CN109119745A - 4g lte f/a/d/e频段微基站水平极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线，包括：偶极子天线、介质板以及馈电单元；偶极子天线包括辐射单元，辐射单元采用印刷偶极子结构；介质板包括第一表面和与第一表面相对设置的第二表面，辐射单元设置在第一表面；馈电单元用于地面和馈电点间的连接并设置在介质板的第二表面，馈电点设置在馈入单元的中间区域；多个偶极子天线组成偶极子天线阵列单元，用于实现水平极化全向偶极子天线；本发明的偶极子天线具有结构紧凑、剖面薄体积较小、加工成本低等特点能广泛应用于4G LTE移动通信当中。

Description

4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线

技术领域

本发明属于偶极子天线技术领域，具体涉及一种4G LTE F/A/D/E频段微 基站水平极化天线。

背景技术

随着偶极子天线的普及和偶极子天线技术的发展，偶极子天线在社会生活、 通信、导航、电视、雷达、等无线通信领域发挥着至关重要的作用。偶极子天 线作为发射与接收电磁波的重要组成部件，是无线通信系统中不可或缺的一环， 偶极子天线参数、性能指标的好坏直接影响到整个通信系统的质量。一个性能 优越、参数合理的偶极子天线系统能大大提升整个通信系统的通信质量并降低 系统成本。因此，偶极子天线性能的好坏在无线通信中有着极其重要的地位。 随着城市建设的不断发展，人们生活水平逐渐提高，通信技术也在迅速发展。 然而4G LTE移动通信系统的到来推动了城市的建设，在人们的生活中起到了重 要的作用。

相关技术中，采用最多的极化方式为：垂直极化方式。但垂直极化有一定 的缺陷，如当极化的信号以垂直或者水平形式从远处发射过来，信号将会出现 多径传播现象，而多径效应的产生将导致极化方式发生随机旋转现象，部分信 号会出现失配等问题，导致整体信号的能量会大幅衰减，且垂直极化方式还有 不够稳定以及高衰减等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线，以解决现有技术中偶极子天线信号出现失 配、不够稳定以及高衰减的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种4G LTE F/A/D/E频段 微基站水平极化天线，包括：

偶极子天线、介质板以及馈电单元；

所述偶极子天线包括辐射单元，所述辐射单元采用印刷偶极子结构；

所述介质板包括第一表面和与第一表面相对设置的第二表面，所述辐射单 元设置在所述第一表面；

所述馈电单元用于地面和馈电点间的连接并设置在所述介质板的第二表 面，所述馈电点设置在所述馈入单元的中间区域；

多个偶极子天线组成偶极子天线阵列单元，用于实现水平极化全向偶极子 天线。

进一步的，所述偶极子结构为：

6个T形半波偶极子组成正六边形。

进一步的，所述半波偶极子由两个对称振子组成。

进一步的，所述介质板采用：

FR4介质材料制成，所述FR4的相对介电常数为4.4，所述介质板的厚度 为1.6mm。

进一步的，所述馈电单元采取的方式为同轴馈电线，同轴馈电线用于地面 和馈电点间的连接。

进一步的，所述馈电单元采用：

巴伦结构实现偶极子天线与同轴馈电线间平衡与不平衡的转换；

所述巴伦结构还用于将同轴馈电线的电流均匀分布在偶极子天线上。

进一步的，所述偶极子天线包括：

天线臂。

进一步的，所述偶极子天线采用：

宽带偶极子天线，对所述宽带偶极子天线进行削角处理。

进一步的，所述偶极子天线阵列单元采用：印刷偶极子天线的组阵方式。

进一步的，8个所述偶极子天线组阵成基站偶极子天线阵列，所述偶极子 天线的频率工作范围为1.88GHz-2.62GHz。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

(1)此偶极子天线单元能工作在1.88GHz-2.62GHz上，覆盖了电信、移动、 联通运营商的4G主要工作频段，偶极子天线所在频段内的增益最高达到了 1.5dBi，驻波比小于2，不圆度小于0.5。此偶极子天线能够安装在室内天花板， 汽车和平板电脑中进行4G通信；

(2)通过将8个偶极子天线单元进行组阵，设计了一个水平极化全向偶极子 天线的基站偶极子天线阵列，通过HFSS设计优化后使得阵列在 1.88GHz-2.62GHz频段上增益达到了8dBi,驻波比小于2，水平面上的远场不圆 度小于2；

此偶极子天线具有结构紧凑、剖面薄体积较小、加工成本低等特点能广泛 应用于4G LTE移动通信当中。

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为本发明一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线的结构示意 图；

图2为本发明一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线的结构示意 图；

图3为本发明一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线的结构示意 图；

图4为本发明一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线的结构示意 图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方 案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创 造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的4G LTE F/A/D/E频 段微基站水平极化天线。

如图1所示，一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线，包括：

偶极子天线、介质板以及馈电单元；

所述偶极子天线包括辐射单元，所述辐射单元采用印刷偶极子结构；

所述介质板包括第一表面和与第一表面相对设置的第二表面，所述辐射单 元设置在所述第一表面；

所述馈电单元用于地面和馈电点间的连接并设置在所述介质板的第二表 面，所述馈电点设置在所述馈入单元的中间区域；

多个偶极子天线组成偶极子天线阵列单元，用于实现水平极化全向偶极子 天线。

一些实施例中，所述印刷偶极子结构为：

6个T形半波偶极子1组成正六边形。

本申请采用印刷偶极子作为偶极子天线的辐射单元，偶极子天线印刷在一 块介质板上，调整实现了偶极子天线的水平极化全向性。

具体的，半波偶极子分布电流；

因半波偶极子天线的电气长度为工作频率的半波长，其单极子的臂长为l＝ λ/4。把上述参数代入到式(1)中，则半波偶极子天线的电流为：

I＝I_msin[k(L-|z|)] (1)

半波偶极子辐射场强和偶极子天线方向图；

在已知电流分布条件下，可以对半波偶极子天线利用矢量叠加原理来算出 辐射场强。令半波偶极子天线的长度为dz，并且把这段偶极子天线上的电流看 作是等幅等相的经过整理可得：

式中，

称作半波振子的方向图函数。

半波偶极子天线的方向性系数：

此偶极子天线用分贝表示：

D_dB＝10lg(1.64)＝2.15dB (6)

半波偶极子辐射电阻；

用平均矢量来表示偶极子天线的平均功率密度为，即：

把偶极子天线的辐射的电磁场代入式(7)可得：

则偶极子天线的辐射功率为：

用来表示辐射电阻，得：

算出偶极子天线的辐射电阻为：

R_r＝73.2Ω (11)

半波偶极子输入阻抗

偶极子天线的输入阻抗通常会分为实部和虚部两部分：

Z_in＝R_in+jX_in (12)

实部的电阻由辐射电阻和导体电阻组成，现实中导体不是都会存在电阻因 此在工作时会产生一定的电阻。而对于较为良好导体，导体本身的电阻是可以 忽略，此时可以说在实部电阻中只存在辐射电阻，即是：

R_in＝R_r (13)

得出，对于半波偶极子来说，虚部电抗为，输入阻抗为：

Z_in＝R_r＝73.2Ω (14)

由上可知，半波振子偶极子天线的输入阻抗可以看作是纯电阻，能较好的 和同轴馈电线相匹配。

优选的，本申请中所述半波偶极子由两个对称振子组成。

如图2所示，偶极子由两个对称振子构成，偶极子天线从中间的馈电点将 信号馈入到偶极子的双臂上，此时电流会等量的分布在偶极子两臂上，使偶极 子周围产生电磁场相互叠加，相当于是把在传输线中的导行波转换为在空气介 质中传输的电磁波形成了偶极子天线的辐射场如图2所示。为了使偶极子天线 谐振，单个振子的臂长为四分之一波长时，偶极子天线的输入阻抗正好抵消相 当于纯电阻，即偶极子的臂长度在工作频率的半波长上，此时的偶极子天线不 会产生反射回波。

在偶极子天线中把电压跟电流的比称为阻抗值，阻抗的值会随着电压和电 流的大小不同而受到影响。在半波偶极子中，馈电点我们一般选择在偶极子天 线的中心位置上，此时电流分布较为均匀传输效率达到最佳，通常会把阻抗值 设计在50Ω这样能达到阻抗平衡。

半波偶极子天线的输入阻抗为在偶极子天线中把电压跟电流的比称为阻抗 值，阻抗的值会随着电压和电流的大小不同而受到影响。在半波偶极子中，馈 电点我们一般选择在偶极子天线的中心位置上，此时电流分布较为均匀传输效 率达到最佳，通常会把阻抗值设计在50Ω这样能达到阻抗平衡。

在本申请中，偶极子天线可以看作是一个平衡的偶极子天线系统，所以在 导体中的电流最好均匀相等相位相反，而相对微带传输线馈电来说，当频率提 高时辐射损耗会不断影响，因此不建议使用传输线作为馈线。为了减少对偶极 子天线辐射的影响我们会使用同轴馈电的方式，但同轴馈电是直接给单极子进 行馈电，会导致振子上的偶极子天线臂的电流分布不对称使偶极子天线的辐射 方向发生畸变，因此在引入同轴馈线的同时，应该引入相应的巴伦馈电结构来 实现平衡与不平衡馈电间的转换来实现阻抗匹配的目的。

本申请中还包括传输线，为了减少传输的不连续性而造成偶极子天线性能 的下降，而要保证偶极子天线的阻抗匹配和频带的带宽前提下，本申请采用了 渐变的传输线来对偶极子天线臂与同轴馈电线进行匹配。

优选的，本申请中的偶极子天线采用宽带偶极子天线，并对所述偶极子天 线进行削角处理，这样是为了让偶极子天线臂与传输线的相接处避免由于不连 续的弯曲度产生的电阻抗降低偶极子天线性能的前提下，在弯曲处对偶极子天 线进行了削角的处理办法来增加连续性减小电阻抗的影响。

偶极子天线一般分为两个主要部分，一部分是偶极子的偶极子天线臂，另 一部分是用来实现平衡转换的馈电部分。为了能让偶极子天线谐振，偶极子天 线的电气长度一般都工作在工作频率的半波长上，因此也成为半波偶极子天线， 此时的阻抗和谐振长度没有产生回波反射。

在分析偶极子的臂场时，假设其等效半径是D，单极子的长是l，即偶极子 的臂长为2l。可以得出中心馈电的偶极子等效半径为(W是振子的宽度t是带 线的厚度)：

D_e＝0.25(w+t) (15)

由于偶极子的臂长为2l，由于振子两端会产生一定的效应，因此要对偶极 子的长度进行修正。修正的大小为偶极子的宽度W的1/4长度，即：

本申请可设计为旋转场偶极子天线或方向图迭加的偶极子天线。

本申请提供的水平极化天线，采用印刷极子结构的水平极化全向偶极子天 线覆盖了先规划给移动通信的所有视频(F频段：1880MHz-1920MHz；A频段： 2010MHz-2025MHz；E频段：2300MHz-2400MHz；D频段：2570MHz-2620MHz) 四个频段，所达到的指标符合现有的通信标准，由于其具有低剖面和紧凑性， 以及全向性。使得该偶极子天线能广泛应用，对未来5G偶极子天线的研究也 有很大的帮助。

一些实施例中，所述介质板采用：

FR4介质材料制成，所述FR4的相对介电常数为4.4，所述介质板的厚度 为1.6mm。

这是因为FR4的成本低，且本申请中偶极子天线采用宽带偶极子天线，FR4 对介电常数容差性较好。

优选的，所述馈电单元采用：

巴伦结构实现偶极子天线与同轴馈电线间平衡与不平衡的转换；

所述巴伦结构还用于将同轴馈电线的电流均匀分布在偶极子天线上。从而 实现更好的辐射特性，使偶极子天线的性能得以提高。

优选的，所述偶极子天线的周围环境设置为只有辐射空间；

采用渐变的传输线对偶极子天线臂与同轴馈电线进行匹配。

优选的，所述偶极子天线采用：

宽带偶极子天线，对所述宽带偶极子天线进行削角处理。

根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，

8个所述偶极子天线组阵成基站偶极子天线阵列，所述偶极子天线的频率 工作范围为1.88GHz-2.62GHz。

本申请提供的水平极化天线具有以下优点：

(1)此偶极子天线能工作在1.88GHz-2.62GHz上，覆盖了现阶段国内电信、 移动、联通运营商的4G主要工作频段，通过磁仿真软件HFSS设计优化后， 偶极子天线所在频段内的增益最高达到了1.5dBi，驻波比小于2，不圆度小于 0.5，最后加工出偶极子天线实物并测试。此偶极子天线能安装在室内天花板， 汽车和平板电脑中进行4G通信。

(2)通过将8个偶极子天线进行组阵，设计了一个水平极化全向偶极子天线 的基站偶极子天线阵列，通过HFSS设计优化后使得阵列在1.88GHz-2.62GHz 频段上增益达到了8dBi,驻波比小于2，水平面上的远场不圆度小于2。

其中，如图3所示，本申请中的半波长偶极子的结构，其中天线的中心工 作频率为2.2GHz，由于波长是频率的倒数，因此由公式的：λ＝300/f因为 f＝2.2GHz可以求出工作的波长为136mm则136/4＝34mm，ε取值介质为4.2的 FR4，带入式中可以得到的初始值为17mm，但由于介电常数值是介于1-4.2之 间，所以后面设计分析是需要逐渐曾来来得到最佳天线结构。半波长偶极子的 长度通常情况下要与半波偶极子的天线臂相匹配，因此的初始值取的也是 34mm。天线臂宽w初始值取2mm.

具体而言，在HFSS中我们首先建立一组偶极子天线，本次设计的是一款 印刷偶极子作为天线的辐射单元，两个L形的单极子分别分布在介质板的上下 两面。因为半波偶极子的单极子臂长为1/4波长，其臂长的公式为：

其中的λ是空间中的波长；

上式是等效相对的介电常数，数值介于空气的介电常数和介质板的介电常 数之间，是相对节点常数，h是介质板的厚度

对于带宽比较宽的天线来说，传输线选择上是一个必须需要考虑到因素。 传输线能通过将对数值不一的电阻在经过一系列的平衡转换过后，能使天线的 特性阻抗和同轴馈线上的阻抗实现匹配平衡，从而提高天线的辐射效率。为了 减少传输的不连续性而造成天线性能的下降，而要保证天线的阻抗匹配和频带 的带宽前提下，本设计的采用了渐变的传输线来对天线与同轴馈电线进行匹配。 为了让天线臂与传输线的相接处避免由于不连续的弯曲度产生的电阻抗降低天 线性能的前提下，在弯曲处对天线进行了削角的处理办法来增加连续性减小电 阻抗的影响。

天线的输入阻抗只有极特殊的情况才可以在理论上去求解，大部分的天线 只能够通过近似求解或实验测试来确定其数值，因为它会受到自身结构，工作 波长以及所处的环境影响的。一般情况下我们会用天线的驻波比和回波损耗来 表示天线和馈线之间的阻抗匹配程度。在实际应用中，馈线的特性阻抗一般都 是50Ω，为了实现更好地匹配，最佳情形是天线的输入阻抗也为50Ω，且天线 的输入阻抗没有功率反射。但在工程应用中，无论天线设计调试的多完美，其 输入阻抗中也会存在一个小的电抗分量，终究无法使输入阻抗以纯电阻的形式 存在。通过调节整个长度可以实现天线的良好谐振。

如图4所示，为偶极子模型；沿X轴方向的呈T字形分布，天线的输入阻 抗会随着天线的长度和工作频率的变化而发生改变。输入阻抗有电阻分量和电 抗分量。其中实部Rin被称为输入电阻，包括辐射电阻和损耗电阻；虚部被称 为输入电抗，也叫作辐射电抗。是天线的输入电流。由于电抗分量的存在，会 使从天线进入馈线的有效信号功率减少，所以一定要尽量的使电抗分量趋于零 以便于有效信号更多的进入馈线。

该天线天线的工作带宽可以通过调节天线的夹角来实现。天线的带宽又可 以被称为天线的工作频率范围，所有的天线都是在一定的频率范围内工作，工 作在中心频率时，天线各方面性能是最佳的，所能传输的功率最大，偏离中心 频率时它所能传输的功率将会相对减小。天线的绝对带宽是指中心频率两侧天 线某一特性下降到尚可接受程度的两频率的差值。而相对带宽是指绝对带宽与 中心频率的比值。当天线相对带宽小于0.1时，被称为窄带天线；相对带宽在 0.1到0.6之间称为宽带天线；相对带宽超过0.6时，称为极宽频带天线。本文 设计的偶极子天线工作带宽可以通过调节天线臂间的夹角来实现一定的作用。

通关过HFSS的旋转功能，将偶极子天线复制旋转成六组偶极子天线如图 1所示，通过偶极子天线的表面电流分布实现天线的水平全向辐射。

此偶极子天线具有结构紧凑、剖面薄体积较小、加工成本低等特点能广泛 应用于现阶段的4G LTE移动通信当中。

综上所述，本申请半波偶极子天线的工作频段很宽，结构简单有利于实现 偶极子天线的小型化要求，然后通过远场迭加的把多个半波偶极子天线在偶极 子天线辐射场的各方位上通过水平放置来形成电小环偶极子天线形式，使电流 均匀的分布在一个正六边形的边上，从而来实现偶极子天线在水平极化上的全 向性。通过电磁仿真软件HFSS对偶极子天线单元进行设计并优化分析得到了 一个水平极化全向偶极子天线，其工作的现有4G移动通信的所有FAED频段 内。然后加工出实物，用矢量网络分析仪对偶极子天线进行测试，结果显示该 偶极子天线性能良好，在频段内回波损耗小于-10db，能满足指标所要达到的要 求。最后对8个偶极子天线单元进行组阵仿真，构成了一个微基站全向偶极子 天线的阵列，此阵列能工作在4G移动通信F/A/D/E频段内，增益达到了8Dbi。

本申请可以在发射端和接收端都采用水平极化天线，此种方法比在发射端 和接收端采用垂直极化偶极子天线可以多获更大的功率，且更稳定，因此水平 极化全向偶极子天线有着重要的现实意义。本文采用印制偶极子作为偶极子天 线的辐射单元。偶极子天线印刷在一块以FR4为介质材料的介质板上，通过印 刷偶极子在电场方向图叠加原理进行设计将6个T形半波偶极子组阵成正六边 形，经过反复分析调整实现了偶极子天线的水平极化全向性，馈电部分采用的 是同轴馈线来实现地面和馈电点间的连接并使用巴伦结构来实现偶极子天线与 馈线间平衡—不平衡的转换，并对偶极子天线单元进行组阵实现了微基站的水 平极化全向偶极子天线。

可以理解的是，上述提供的方法实施例与上述的装置实施例对应，相应的 具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结 合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包 含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和 光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产 品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入 式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算 机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处 理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应 以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种4G LTE F/A/D/E频段微基站水平极化天线，其特征在于，包括：

偶极子天线、介质板以及馈电单元；

所述偶极子天线包括辐射单元，所述辐射单元采用印刷偶极子结构；

所述介质板包括第一表面和与第一表面相对设置的第二表面，所述辐射单元设置在所述第一表面；

所述馈电单元用于地面和馈电点间的连接并设置在所述介质板的第二表面，所述馈电点设置在所述馈入单元的中间区域；

多个偶极子天线组成偶极子天线阵列单元，用于实现水平极化全向偶极子天线。

2.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述印刷偶极子结构为：

6个T形半波偶极子组成正六边形。

3.根据权利要求2所述的水平极化天线，其特征在于，所述半波偶极子由两个对称振子组成。

4.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述介质板采用：

FR4介质材料制成，所述FR4的相对介电常数为4.4，所述介质板的厚度为1.6mm。

5.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述馈电单元采取的方式为同轴馈电线，同轴馈电线用于地面和馈电点间的连接。

6.根据权利要求5所述的水平极化天线，其特征在于，所述馈电单元采用：

巴伦结构实现偶极子天线与同轴馈电线间平衡与不平衡的转换；

所述巴伦结构还用于将同轴馈电线的电流均匀分布在偶极子天线上。

7.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述偶极子天线包括：

天线臂。

8.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述偶极子天线采用：

宽带偶极子天线，对所述宽带偶极子天线进行削角处理。

9.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，所述偶极子天线阵列单元采用：印刷偶极子天线的组阵方式。

10.根据权利要求1所述的水平极化天线，其特征在于，

8个所述偶极子天线组阵成基站偶极子天线阵列，所述偶极子天线的频率工作范围为1.88GHz-2.62GHz。