CN110034371B - 宽频基站振子天线及基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了宽频基站振子天线及基站天线，包括基板和两对呈90度夹角的振子天线单元，每对所述振子天线单元均包括两个振子天线子单元，所述振子天线单元中的两个所述振子天线子单元通过连接件耦合馈电，所述振子天线子单元包括外圈和内环，所述内环位于所述外圈内并与所述外圈相连。本发明提供的宽频基站振子天线及基站天线，覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；结构简单、制造方便、生产成本低。

Description

宽频基站振子天线及基站天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及宽频基站振子天线及基站天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，双极化天线的应用变得越来越广泛。在减少基站的多信道衰减及信道容量增加方面，±45°双极化天线的应用尤为重要。
为了同时满足2G、3G、4G通信系统的要求，基站振子天线需覆盖1710～2690MHz频段。而随着基站应用场景的多样化，许多场合对基站对天线振子的结构剖面要求也越来越高，因此如何设计出平面化的振子天线是基站天线系统设计中要面临的一个挑战。MIMO天线系统中面临的另外一个挑战是如何设计出宽频的天线使其能有更低的回波损耗(比如低于-15dB)。此外，在满足上述宽频和低回波损耗的情况下，如何得到较好的隔离度(比如优于20dB)的基站天线系统也将是基站振子天线设计中面临的另外一个挑战。
到目前为止，虽然存在很多基站振子天线的设计，但大多数都是带宽不够或只工作在低频段。比如，专利号为CN207009649U的中国发明专利公开了一种宽频带双极化基站天线，但其工作频率仅在1.71～2.17GHz，且只有0.46GHz的带宽；而公开号为CN108666745A的中国发明专利申请公开了一种基站天线单元及基站天线，其天线辐射振子的工作于0.78～1.08GHz频带，且天线辐射振子为不规则立体结构。因此，为了实现天线振子的平面化要求，有必要设计出一种能覆盖整个1710～2690MHz频段的平面化振子天线。再有，如上所述，基站天线系统面临的另外一个问题是如何减少天线之间的隔离度。降低天线之间的隔离度的问题已经被广泛地研究和讨论过，比如通过在两个相邻天线之间加入隔离条、在系统的PCB板上开缝隙、使用隔离网络等。无论使用上述哪种设计，都会增加天线的复杂程度和设计的难度，同时还会为后期的调试增加难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够覆盖广频段的高性能基站振子天线及具有该基站振子天线的基站天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：宽频基站振子天线，包括基板和两对呈90度夹角的振子天线单元，每对所述振子天线单元均包括两个振子天线子单元，所述振子天线单元中的两个所述振子天线子单元通过连接件耦合馈电，所述振子天线子单元包括外圈和内环，所述内环位于所述外圈内并与所述外圈相连。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：基站天线，包括上述宽频基站振子天线。
本发明的有益效果在于：宽频基站振子天线及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；结构简单、制造方便、生产成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一的宽频基站振子天线的透视图；
图2为本发明实施例一的宽频基站振子天线的俯视图(基板透视)；
图3为本发明实施例一的宽频基站振子天线中的连接件区域的细节图；
图4为只有正方形外圈时宽频基站振子天线S-参数图；
图5为既有正方形外圈又有正方形内环的宽频基站振子天线S-参数图；
图6为本发明实施例一的宽频基站振子天线的主轴增益随频率的变化曲线图；
图7为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率1.77GHz的电流分布图；
图8为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率2.38GHz的电流分布图；
图9为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率2.68GHz的电流分布图；
图10为本发明实施例一的宽频基站振子天线主轴方向的增益方向图。
标号说明：
1、基站振子天线；2、基板；3、振子天线单元；4、振子天线子单元；41、外圈；42、内环；43、耦合部；5、微带线；6、地板；7、支撑柱；8、同轴线；91、T形部；92、连接部；93、尾部；94、导通部。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：振子天线子单元包括相连的外圈和内环，振子天线子单元的外圈能够产生两个不同频段的谐振，内圈能够产生一个不同频段的谐振，使得基站振子天线的覆盖带宽变宽。
请参照图1至图10，宽频基站振子天线，包括基板2和两对呈90度夹角的振子天线单元3，每对所述振子天线单元3均包括两个振子天线子单元4，所述振子天线单元3中的两个所述振子天线子单元4通过连接件耦合馈电，所述振子天线子单元4包括外圈41和内环42，所述内环42位于所述外圈41内并与所述外圈41相连。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：宽频基站振子天线及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；结构简单、制造方便、生产成本低。
进一步的，所述外圈41的轮廓呈多边形，所述内环42的轮廓与所述外圈41的轮廓相同。
进一步的，所述外圈41的轮廓呈矩形，所述内环42的边靠近所述外圈41的角部设置。
进一步的，所述连接件为设置在所述基板2上的微带线5，所述微带线5呈T字型。
进一步的，还包括地板6、支撑柱7和两根同轴线8，所述地板6位于所述基板2下方并通过所述支撑柱7连接所述基板2；两根所述同轴线8与两对所述振子天线单元3一一对应设置；所述同轴线8的外导体连接所述振子天线单元3中的一个所述振子天线子单元4，所述同轴线8的内导体连接所述微带线5的末端，所述微带线5的首端与另一个所述振子天线子单元4耦合馈电。
进一步的，所述地板6与所述基板2平行设置。
进一步的，所述振子天线子单元4的外圈41具有耦合部43，所述内环42通过所述耦合部43与所述外圈41相连；所述同轴线8的外导体连接所述振子天线单元3中的一个所述振子天线子单元4的耦合部43，所述微带线5的首端与另一个所述振子天线子单元4的所述耦合部43耦合馈电。
进一步的，所述振子天线子单元4设于所述基板2的底面，一个所述微带线5设于所述基板2的顶面，另一所述微带线5包括T形部91、连接部92及尾部93，所述T形部91与所述尾部93分别设于所述基板2的顶面，所述连接部92设于所述基板2的底面，所述连接部92通过贯穿所述基板2的导通部94分别与所述T形部91及尾部93相连。
由上述描述可知，上述微带线结构可以避免两个微带线交叉相连。
进一步的，所述导通部94为设于所述基板2内的金属柱，或者，所述导通部94为设于基板2上的金属化孔。
基站天线，包括上述宽频基站振子天线1。
从上述描述可知，基站天线至少具有上述宽频基站振子天线的全部有益效果。
实施例一
请参照图1至图10，本发明的实施例一为：基站天线，包括宽频基站振子天线1。请结合图1至图3，宽频基站振子天线1包括基板2和两对呈90度夹角的振子天线单元3，每对所述振子天线单元3均包括两个振子天线子单元4，所述振子天线单元3中的两个所述振子天线子单元4通过连接件耦合馈电，所述振子天线子单元4包括外圈41和内环42，所述内环42位于所述外圈41内并与所述外圈41相连。本实施例中，所述基板2为PCB板且PCB板的材质为FR-4，所述PCB板的尺寸为60mm×60mm×0.8mm。四个所述振子天线子单元4共面设置。
所述外圈41的轮廓呈多边形，所述内环42的轮廓与所述外圈41的轮廓相同。可选的，所述外圈41的轮廓呈矩形，所述内环42的边靠近所述外圈41的角部设置，本实施例中，所述外圈41的轮廓呈正方形；在其他实施例中，所述外圈41的轮廓还可以呈三角形、正五边形、正六边形等。
所述连接件为设置在所述基板2上的微带线5，所述微带线5呈T字型。
还包括地板6、支撑柱7和两根同轴线8，所述地板6位于所述基板2下方并通过所述支撑柱7连接所述基板2；两根所述同轴线8与两对所述振子天线单元3一一对应设置；所述同轴线8的外导体连接所述振子天线单元3中的一个所述振子天线子单元4，所述同轴线8的内导体与所述微带线5的末端焊接，所述微带线5的首端与另一个所述振子天线子单元4耦合馈电，所述地板6与所述基板2平行设置。本实施例中，所述地板6为金属地板，金属地板的尺寸为150mm x150mm；基板2上表面距离金属地板的高度为32mm(约为中心频率点2.2GHz对应波长的0.25倍)。
详细的，所述振子天线子单元4的外圈41具有耦合部43，所述内环42通过所述耦合部43与所述外圈41相连；所述同轴线8的外导体连接所述振子天线单元3中的一个所述振子天线子单元4的耦合部43，所述微带线5的首端与另一个所述振子天线子单元4的所述耦合部43耦合馈电。
具体的，所述振子天线子单元4设于所述基板2的底面，一个所述微带线5设于所述基板2的顶面，另一所述微带线5包括T形部91、连接部92及尾部93，所述T形部91与所述尾部93分别设于所述基板2的顶面，所述连接部92设于所述基板2的底面，所述连接部92通过贯穿所述基板2的导通部94分别与所述T形部91及尾部93相连。可选的，所述导通部94为设于所述基板2内的金属柱，或者，所述导通部94为设于基板2上的金属化孔。
接下来，针对宽频基站振子天线1的原理及仿真结果进行论述：因为2G/3G/4G通信的1710～2690MHz频段所包含的频段带宽较宽，所以每个振子天线单元3需要产生三个不同的谐振。在本实施例中，振子天线子单元4的正方形外圈41将产生两个谐振，正方形内环42将产生另外一个谐振。振子天线正方形外圈41的长度，用L描述。
在L＝25.5mm的情况下，对只有正方形外圈41的振子天线子单元4进行仿真并得到如图4所示的仿真结果，图4为只有正方形外圈41时天线系统S-参数图。从图4中的S11和S22曲线可以看出，该天线系统具有两个谐振：一个由正方形外圈41靠近微带线5的两边产生的谐振频率在1.77GHz左右的谐振；一个由正方形外圈41远离微带线5的两边产生的谐振频率在2.3GHz左右的谐振。由于这两个谐振的存在使得本案的振子天线系统的正方形外圈41可以很好地覆盖整个1.68～2.42GHz的频段。同时天线之间的隔离度均接近27dB左右，可以很好地满足基站天线系统的设计要求。
图5为振子天线加上正方形内环42后的S-参数图。从图5中的S11和S22曲线可以看出，此时天线分别在1.77GHz、2.38GHz和2.68GHz左右谐振；从S12和S21曲线可看出，此时在S11<-15dB的频段内天线的隔离度优于23dB，满足设计要求。对比图4和图5的S11或S22曲线，可看出图5的多了一个2.68GHz的谐振点，这是由正方形内环42产生的。
图6给出了该宽频基站振子天线1的主轴增益随频率的变化曲线，在整个1.7～2.7GHz频率段上天线系统的主轴增益范围为8.8±0.5dBi，满足基站天线的设计要求。综上所述，图4图5和图6中给出的天线指标完全可以满足1710～2690MHz频段的基站振子天线系统的使用要求。
为了更好地解释该天线系统的工作原理，图7、图8和图9给出了其中一个天线振子单元在其三个不同谐振频段下的天线电流分布图。特别指出，图7中给出的是该天线振子单元在其第一个谐振频率1.77GHz的电流分布图；图8中给出的是该天线振子单元在其第二个谐振频率2.38GHz的电流分布图；图9中给出的是该天线振子单元在其第二个谐振频率2.68GHz的电流分布图。从图7中我们可以清晰地看出在1.77GHz的谐振频率下电流分布的最大强度集中在正方形外圈41靠近微带线5的两边，这也就是说该谐振是由天线振子这部分产生的。从图8中可以看出，在2.38GHz的谐振频率下电流分布的主要集中在正方形外圈41靠近微带线5的两边，因此，我们可以说2.38GHz这个谐振是由天线振子正方形外圈41靠近微带线5的两边产生的。从图9中可以看出，在2.68GHz的谐振频率下电流分布的主要集中在天线振子的正方形外圈41与正方形内环42之间的回路L中，因此，我们可以说2.68GHz这个谐振是由天线振子的回路L产生的。另外，由于天线振子子单元是由与同轴电缆相连的T字型的微带线5进行耦合馈电的，所以还有相对较强的电流分布在微带线5上。
图10是本实施例的宽频基站振子天线1主轴方向的增益方向图，从图10可看出天线的交叉极化比约为24dB，能满足“基站天线交叉极化比应不小于15dB”的设计要求。
综上，本案的天线振子单元是基于多模谐振的原理，使天线振子的不同谐振频率靠近，从而达到宽频的效果的。由于本实施例的宽频基站振子中的两个天线振子单元分别是±45°的双极化，空间上呈正交关系，所以本案的天线振子单元之间具有很好的隔离度，优于23dB。
此外，本实施例虽然只对工作在1710～2690MHz频带的基站振子天线单元进行了分析和描述，但是本发明的天线设计原理也可以扩展到sub 6G的5G工作频段。
综上所述，本发明提供的宽频基站振子天线及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；结构简单、制造方便、生产成本低。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.宽频基站振子天线，包括基板和两对呈90度夹角的振子天线单元，每对所述振子天线单元均包括两个振子天线子单元，所述振子天线单元中的两个所述振子天线子单元通过连接件耦合馈电，其特征在于：所述振子天线子单元包括外圈和内环，所述内环位于所述外圈内并与所述外圈相连；所述外圈的轮廓呈矩形，所述内环的轮廓与所述外圈的轮廓相同，所述内环的边靠近所述外圈的角部设置；所述连接件为设置在所述基板上的微带线，所述微带线呈T字型；还包括地板、支撑柱和两根同轴线，所述地板位于所述基板下方并通过所述支撑柱连接所述基板；两根所述同轴线与两对所述振子天线单元一一对应设置；所述同轴线的外导体连接所述振子天线单元中的一个所述振子天线子单元，所述同轴线的内导体连接所述微带线的末端，所述微带线的首端与另一个所述振子天线子单元耦合馈电；所述地板与所述基板平行设置；所述振子天线子单元的外圈具有耦合部，所述内环通过所述耦合部与所述外圈相连；所述同轴线的外导体连接所述振子天线单元中的一个所述振子天线子单元的耦合部，所述微带线的首端与另一个所述振子天线子单元的所述耦合部耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述振子天线子单元设于所述基板的底面，一个所述微带线设于所述基板的顶面，另一所述微带线包括T形部、连接部及尾部，所述T形部与所述尾部分别设于所述基板的顶面，所述连接部设于所述基板的底面，所述连接部通过贯穿所述基板的导通部分别与所述T形部及尾部相连。
3.根据权利要求2所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述导通部为设于所述基板内的金属柱，或者，所述导通部为设于基板上的金属化孔。
4.基站天线，其特征在于：包括权利要求1-3中任意一项所述的宽频基站振子天线。
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