CN109301462B - 一种应用于5g通信的双宽面磁电偶极子基站天线 - Google Patents

一种应用于5g通信的双宽面磁电偶极子基站天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线，包括磁电偶极子，由四个结构相同的水平极化单元构成，呈十字形正交排列，馈电结构，位于四个水平极化单元的中心，进行耦合馈电；反射地板，由介质板构成，四个水平极化单元与馈电结构设置于反射地板中心位置。本发明选择两对正交放置的磁电偶极子，因此具有良好的正交水平极化性能。正交放置的两对磁电偶极子具有很好的对称性，均使用倾斜反射地面以及倾斜的辐射贴片，可以实现很好的宽H‑面辐射性能，而且每对磁电偶极子均通过弯折的短路墙连接有高低不同的水平极化附加单元，使得天线分别能覆盖3.3‑3.6GHZ和4.8‑5.0GHz两个频段，并达到良好的阻抗匹配，并且使整体结构更紧凑。

Description

一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线
[技术领域]
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线及其阵列。
[背景技术]
在城镇化的不断推进下，城市的人口密度越来越高，通信系统急需扩容，相对应的基站天线数量也跟着不断增加，导致基站的站址资源越来越稀缺，在基站天线的设计中，双极化双宽H面天线的设计受到学者以及专家的关注，但是目前由于天线结构的局限性，很大程度上面临天线体积较大，难以解决天线小型化的问题。同时，现阶段双极化双宽H面天线由于其结构固有辐射性能的，其辐射增益性能受到了很大的限制，难以实现高增益优良性能。不得不通过技术手段来达到既扩充了通信系统的容量，又减少了基站天线数的目的，因此研究设计新的带有双频双极化特性的基站天线应运而生。与单极化天线相比，双极化天线不仅可以同时工作于收发双工模式，而且通过正交双极化还可以获得极化分集的接收增益，因此一副双极化天线的性能要优于早期采用空间分集技术的两副单极化天线。所以，研究双宽频双极化天线具有很大的工程意义和商业价值。并且将MIMO技术应用于基站天线的设计，可以充分利用彼此的优势，进一步提升基站通信的质量。
[发明内容]
本发明对现有的双极化天线的基础上进行了重新设计并对现有天线性能进行了明显提升，提供一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线及其天线阵列。
本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线，包括
磁电偶极子，由四个结构相同的水平极化单元构成，呈十字形正交排列，分别为第一水平极化单元、第二水平极化单元、第三水平极化单元、第四水平极化单元，其中第一水平极化单元以及第二水平极化单元处于同一直线上构成一对磁电偶极子，形成该方向的水平线极化性能，第三水平极化单元以及第四水平极化单元处于同一直线上也构成一对磁电偶极子，同时形成正交方向的水平线极化性能；
馈电结构，位于四个水平极化单元的中心，进行耦合馈电；
反射地板，由介质板构成，四个水平极化单元与馈电结构设置于反射地板中心位置；
进一步地，馈电结构由2个“ㄇ”字形的馈电探针组成，分别为第一馈电探针以及第二馈电探针，其中第一馈电探针给第一、第二水平极化单元耦合馈电，第二馈电探针给第三、第四水平极化单元耦合馈电。
进一步地，馈电结构的第一馈电探针连接端口一，馈电结构的第二馈电探针连接端口二，两个馈电探针呈十字形正交排列，其指向方向与水平极化单元方向一致，末端均与同轴线相连接。
进一步地，每个水平极化单元由短路墙弯折的上下两层水平辐射贴片构成，具体为上层贴片以及下层贴片，每层水平辐射贴片的数量至少一片。
进一步地，每个水平极化单元上层与下层水平辐射贴片的数量各为两片，一共四个辐射贴片，四个辐射贴片分为上下两层，下层两个辐射贴片的长度长于上方两个辐射贴片的长度。
进一步地，所述辐射贴片为长方形，每层的两个辐射贴片呈八字形倾斜，与水平方形倾斜夹角为27.5°
进一步地，所述反射地板主体呈正四棱锥形，且其中四棱锥的四条腰线部位为沿着腰线的长方形截面替代，底部形成四个切角，形成倾斜的反射地板；四棱锥的顶部也被切除，呈正方形顶面。
进一步地，所述水平极化单元的十字形方向指向位于介质板呈正四棱锥的对角线上。
另一方面提供一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子MIMO天线，包括以上所述的天线单元3个呈正三角形排列，形成3单元MIMO天线。
本发明具有如下优点：
本发明选择两对正交放置的磁电偶极子，因此具有良好的正交水平极化性能。正交放置的两对磁电偶极子具有很好的对称性，均使用倾斜反射地面以及倾斜的辐射贴片，可以实现很好的宽H-面辐射性能，而且每对磁电偶极子均通过弯折的短路墙连接有高低不同的水平极化附加单元，使得天线分别能覆盖3.3-3.6GHZ和4.8-5.0GHz两个频段，并达到良好的阻抗匹配，并且使整体结构更紧凑。把3个正交的磁电偶极子单元按照特定的结构排列放置，形成3单元MIMO天线，在一定程度上提高天线系统信道容量与传输高速率，进一步提升基站通信的质量。
[附图说明]
图1为本发明天线实施例的立体结构图。
图2为本发明天线实施例的俯视图及侧视图。
图3为本发明天线实施例的磁电偶极子结构示意图及尺寸标注。
图4为本发明天线实施例的馈电结构图。
图5为本发明天线的MIMO构架阵列。
图6为本发明天线实施例的电压驻波比增益图。
图7为本发明天线实施例的隔离度
图8为本发明天线实施例的端口一的辐射波瓣图。
图9为本发明天线实施例的端口二的辐射波瓣图。
图10为本发明天线实施例端口一在3.45GHz(左)和4.9GHz(右)方向图。
图11为本发明天线实施例的端口二在3.45GHz(左)和4.9GHz(右)方向图。
图12为本发明天线实施例的MIMO结构的ECC和MEG图。
其中，1为第一水平极化单元，2为第二水平极化单元，3为第三水平极化单元，4为第四水平极化单元，5为馈电结构，6为反射地板，11为上层贴片，12为下层贴片，51为第一馈电探针，52为第二馈电探针，61为长方形截面，62为切角。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-图4所示，本发明实施例的应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线，包括磁电偶极子，由四个结构相同的水平极化单元构成，呈十字形正交排列，分别为第一水平极化单元1、第二水平极化单元2、第三水平极化单元3、第四水平极化单元4，其中第一水平极化单元1以及第二水平极化单元2处于同一直线上构成一对磁电偶极子，形成该方向的水平线极化性能，第三水平极化单元3以及第四水平极化单元4处于同一直线上也构成一对磁电偶极子，同时形成正交方向的水平线极化性能；
如图3所示，为其中一个水平极化单元的结构图及尺寸标注，水平极化单元上由短路墙弯折的四个辐射贴片构成，四个辐射贴片分为上下两层，两片上层贴片11以及两片下层贴片12，下方两个辐射贴片的长度长于上方两个辐射贴片的长度，弯折的方向为反射地板中心向对角线的角度向外延伸，即水平极化单元的十字形方向指向位于介质板6呈正四棱锥的对角线上。
本发明同时在辐射贴片的角度上进行了设计，所述辐射贴片为长方形，每层的两个辐射贴片呈八字形倾斜，与水平方形倾斜夹角为27.5°，顶端不接触，上层贴片11呈八字形，下层贴片12呈八字形。本实施例尺寸为：L3＝24.1mm，L4＝30mm，H5＝14.2mm，H4＝22.2mm，W4＝6.5mm，a1＝27.5°，W8＝15.2mm，W7＝7.7mm，a2＝a3＝27.5°，W6＝3.15mm，W5＝2.15mm，L5＝4.7mm。在其他实施例中，水平辐射贴片可以为人字形构成，也可以由一片长方形贴片构成。
馈电结构4，位于四个水平极化单元的中心，进行耦合馈电；具体的，馈电结构5由2个“ㄇ”字形的馈电探针组成，分别为第一馈电探针51以及第二馈电探针52，其中第一馈电探针51给第一、第二水平极化单元1、2耦合馈电，第二馈电探针52给第三、第四水平极化单元3、4耦合馈电。馈电结构5的第一馈电探针51连接端口一，馈电结构5的第二馈电探针52连接端口二，两个馈电探针呈十字形正交排列，因此端口一与端口二也为正交放置，其指向方向与正交放置的磁电偶极子单元方向一致，馈电探针末端均与同轴线相连接，其中第一馈电探针51的顶部在第二馈电探针52上方，形成十字交叉状。
反射地板6，由铜板构成，四个水平极化单元与馈电结构设置于反射地板中心位置；所述反射地板主体呈正四棱锥形，且其中四棱锥的四条腰线部位为沿着腰线的长方形截面61替代，底部形成四个切角62，形成倾斜的反射地板；四棱锥的顶部也被切除，呈正方形顶面。倾斜的反射地面在一定程度上实现了宽H面辐射性能。
普通的磁电偶极子天线使用平面反射片作为地面，这在一定程度上限制了天线的反射性能，本实施例直接利用正交放置的两对磁电偶极子实现正交水平极化性能。使用倾斜反射地面以及倾斜的辐射贴片，可以实现很好的宽H-面辐射性能，而且每对磁电偶极子均通过弯折的短路墙连接有高低不同的水平极化附加单元，使得天线分别能覆盖3.3-3.6GHZ和4.8-5.0GHz两个频段，并达到良好的阻抗匹配，并且使整体结构更紧凑。
另一方面提供一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子MIMO天线，如图5所示，包括以上所述的天线单元3个呈正三角形排列，形成3单元MIMO天线。随着移动通信的快速发展，有限的频谱资源和传输速率不能够满足日益增长的通信需求。而终端设备上的天线由于成本和空间环境等因素的限制，其大容量、高速率的实现变得相对困难。一个基站可以完成与多个用户之间的通信，因此，通过提升基站天线的工作性能来提高通信容量与通信效率相比于改善终端天线具有更高的性价比。将MIMO技术应用于基站天线的设计，可以充分利用彼此的优势，进一步提升基站通信的质量。本实施例实现一种能同时覆盖3.3-3.6GHzGHz和4.8-5.0GHz频段的应用于5G通信的双频双极化天线。该天线同时具备低交叉极化水平和正交方向的宽H面特性。
如图6所示，通过本发明，对于天线仿真的驻波比及增益而言，本发明实现了天线宽频带特性：天线的两个端口带宽分别均覆盖3.28－3.97GHz(低频)，4.75-5.17GHz(高频)，可应用于5G微波通信。
如图7所示，本发明天线的隔离度低于－28dB的带宽范围：2.79-3.62GHz(低频)，3.93-5.07GHz(高频)，实现了天线较好的去耦合性能。
如图8所示，本发明天线端口一的辐射波瓣图，分别展示了3.45GHz时的辐射波瓣图(左)和4.9GHz时的辐射波瓣图(右)，很大程度上显示了该极化方向的高频段和低频段的宽H面性能，其H面的-3dB波瓣宽度分别为：113.68度(3.45GHz)、172.21度(4.9GHz)。
如图9所示，本发明天线端口二的辐射波瓣图，分别展示了3.45GHz时的辐射波瓣图(左)和4.9GHz时的辐射波瓣图(右)，很大程度上显示了该极化方向的高频段和低频段的宽H面性能，其H面的-3dB波瓣宽度分别为：118.52度(3.45GHz)、174度(4.9GHz)。
如图10所示，本发明天线端口一给激励时在3.45GHz(左)和4.9GHz(右)方向图，H面的交叉极化小于20dB，方向图中显示出了很好的交叉极化性能。
如图11所示，本发明天线端口二给激励时在3.45GHz(左)和4.9GHz(右)方向图，H面的交叉极化小于20dB，方向图中显示出了很好的交叉极化性能。
如图12所示，图12(左)显示了ECC远远小于0.5，说明MIMO天线单元1、2、3之间彼此独立工作，互相耦合非常小，可以很大程度上提高天线传播的信道容量。图12(右)显示天线单元1、2、3的MEG曲线几乎一致，说明了MIMO天线的各向等效增益非常良好。
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 (8)

1.一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线，其特征在于，包括
磁电偶极子，由四个结构相同的水平极化单元构成，呈十字形正交排列，分别为第一水平极化单元、第二水平极化单元、第三水平极化单元、第四水平极化单元，其中第一水平极化单元以及第二水平极化单元处于同一直线上，第三水平极化单元以及第四水平极化单元处于同一直线上；
馈电结构，位于四个水平极化单元的中心，进行耦合馈电；馈电结构由2个“ㄇ”字形的馈电探针组成，分别为第一馈电探针以及第二馈电探针，其中第一馈电探针给第一、第二水平极化单元耦合馈电，第二馈电探针给第三、第四水平极化单元耦合馈电；
反射地板，由介质板构成，四个水平极化单元与馈电结构设置于反射地板中心位置。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，馈电结构的第一馈电探针连接端口1，馈电结构的第二馈电探针连接端口2，两个馈电探针呈十字形正交排列，其指向方向与水平极化单元方向一致，末端均与同轴线相连接。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个水平极化单元由短路墙弯折的上下两层水平辐射贴片构成，具体为上层贴片以及下层贴片，每层水平辐射贴片的数量至少一片。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，每个水平极化单元上层与下层水平辐射贴片的数量各为两片，一共四个辐射贴片，四个辐射贴片分为上下两层，下层两个辐射贴片的长度长于上方两个辐射贴片的长度。
5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述辐射贴片为长方形，每层的两个辐射贴片呈八字形倾斜，与水平方形倾斜夹角为27.5°。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述反射地板主体呈正四棱锥形，且其中四棱锥的四条腰线部位为沿着腰线的长方形截面替代，底部形成四个切角，形成倾斜的反射地板；四棱锥的顶部也被切除，呈正方形顶面。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述水平极化单元的十字形方向指向位于介质板呈正四棱锥的对角线上。
8.一种应用于5G通信的双宽面磁电偶极子基站天线阵列，包括3个如权利要求1-7任一项所述的天线形成天线单元，3个天线单元呈正三角形排列，形成3单元MIMO天线。
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