CN110048211A - 宽频多谐振5g天线系统及基站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频多谐振5G天线系统及基站，天线系统包括接地板和天线单元，天线单元包括基板、辐射组件和馈电组件，辐射组件设置于所述基板靠近接地板的一侧面上，辐射组件包括两个的天线辐射组，其中一个的所述天线辐射组的对称轴相对于另一个的天线辐射组的对称轴呈90°夹角设置，馈电组件包括十字形的第一馈电结构和十字形的第二馈电结构。天线单元可以覆盖2.5～5GHz的所有频段，具有平面化、宽频和增益稳定的特点，天线单元之间的隔离度好且其结构简单，制作成本低。

Description

宽频多谐振5G天线系统及基站
技术领域
本发明涉及5G通信技术领域，尤其涉及一种宽频多谐振5G天线系统及基站。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，第五代(5G)无线通信系统将在2020年商业化。5G无线通信系统将使用下面两个不同的主要频段：6GHz以下和6GHz以上的毫米波频段。由于6GHz以下(sub-6GHz)具有覆盖区域广和技术成熟的优点，所以6GHz以下的5G系统将被优先使用。从sub-6GHz需要覆盖的频率范围方面讲，3GPP公布了5G Sub-6GHz的三个频段为：N77为3.3～4.2GHz，N78为3.3～3.8GHz以及N79为4.4～5.0GHz。各国可以根据具体情况在上述三个频段中选取各自要使用的具体频段。例如，韩国将使用3.4～3.6GHz频段；日本将使用3.6～4.2GHz频段；中国将使用3.3～3.4GHz、3.4～3.6GHz和4.8～5.0GHz三个频段。此外，中国移动将把2.515～2.675GHz频段纳入其5G的工作频段之中。因此，中国sub-6GHz的5G基站振子天线需覆盖2.5～5.0GHz频段。而5G基站应用场景多样化，许多场合对5G基站天线振子的结构尺寸要求越来越高，因此如何设计出平面化的振子天线是5G基站天线系统设计中要面临的一个挑战。而5G MIMO天线系统中面临的另外一个挑战是如何设计出宽频的振子天线，使其能够完全覆盖2.5～5.0GHz频段。此外，在满足上述平面化和宽频的情况下，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5G基站振子天线的设计，但大多数的带宽太窄。比如，公开号为CN207398340U中国实用新型专利公开了一种3.5G基站天线辐射单元，其工作频率在3.3～3.6GHz，只有0.3GHz的带宽；公开号为CN109037934A的中国专利公开了一种基于两单元的5G双频MIMO天线，其天线工作频段分别为3.3～3.6GHz及4.8～5.0GHz，而2.5～3.3GHz及3.6～4.8GHz的频段无法覆盖。因此，为了实现5G天线系统的宽频和平面化要求，有必要设计出一种能覆盖整个2.5～5.0GHz频段的平面振子天线。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，比如通过在天线下方加入人工磁导体、在相邻两个天线振子单元之间加入隔离条以及使用隔离网络等。无论使用上述哪种设计，都会增加天线振子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：提供一种宽频多谐振5G天线系统及基站，能覆盖2.5～5GHz的所有频段。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种宽频多谐振5G天线系统，包括接地板和至少一个的天线单元，所述天线单元设置于所述接地板上，所述天线单元包括基板、辐射组件和馈电组件，所述辐射组件设置于所述基板靠近接地板的一侧面上，所述辐射组件包括两个的天线辐射组，其中一个的所述天线辐射组的对称轴相对于另一个的天线辐射组的对称轴呈90°夹角设置，所述天线辐射组包括两个的天线辐射单元，两个的所述天线辐射单元对应设置，所述天线辐射单元包括第一辐射体和环形的第二辐射体，所述第一辐射体设置于所述第二辐射体内且所述第一辐射体与第二辐射体固定连接；所述馈电组件包括十字形的第一馈电结构和十字形的第二馈电结构，所述第一馈电结构设置于所述基板远离接地板的一侧面上，且所述第一馈电结构与其中一个的天线辐射组对应设置，所述第二馈电结构包括第一馈电部、连接部和第二馈电部，所述第一馈电部和第二馈电部均设置于所述基板远离接地板的一侧面上且与另一个的所述天线辐射组对应设置，所述连接部设置于所述基板靠近接地板的一侧面上，所述连接部分别与所述第一馈电部和第二馈电部电气连接。
进一步的，还包括支撑组件，所述天线单元通过所述支撑组件设置于所述接地板上。
进一步的，所述基板相对于所述接地板平行设置，且所述基板与所述接地板之间的距离为22～24mm。
进一步的，还包括同轴电缆，所述同轴电缆的外导体与所述第二辐射体连接，所述同轴电缆的内导体与所述馈电组件连接。
进一步的，所述第二辐射体相对于所述第一馈电结构或第二馈电结构为轴对称结构。
进一步的，所述第二辐射体的形状为多边形，所述多边形的边数大于或等于4。
进一步的，所述第一辐射体的形状为正多边形，所述正多边形的边数为大于或等于3。
进一步的，所述第一辐射体靠近馈电组件设置，所述第二辐射体远离馈电组件的一端设有第一凸起部。
进一步的，相邻两个天线辐射单元之间设有缝隙，所述缝隙的宽度值为0.8～1.2mm。
本发明采用的另一技术方案为：
一种基站，包括所述的宽频多谐振5G天线系统。
本发明的有益效果在于：天线单元可以覆盖2.5～5GHz的所有频段，具有平面化、宽频和增益稳定的特点，且其结构简单，制作成本低。应用于基站时，天线单元之间的隔离度好。
附图说明
图1为本发明实施例一的基站的结构示意图；
图2为本发明实施例一的天线单元的整体结构示意图；
图3为本发明实施例一的天线单元的部分结构示意图；
图4为本发明实施例一的天线单元的部分结构示意图；
图5为天线单元中未设置第一辐射体的结构示意图；
图6为天线单元中未设置第一凸起部、第一辐射体以及馈电组件为T字形的结构示意图；
图7为图5和图6中的天线单元的S11对比结果；
图8为图2中的天线单元的S-参数图；
图9为图2中的天线单元的主轴增益随频率的变化曲线；
图10为天线单元在谐振频率2.70GHz的电流分布图(+45度极化)；
图11为天线单元在谐振频率3.84GHz的电流分布图(+45度极化)；
图12为天线单元在谐振频率4.92GHz的电流分布图(+45度极化)；
图13为图2中的天线单元主轴方向的增益方向图；
图14为图1中的天线系统的E-面辐射方向图(无下倾角)；
图15为图1中的天线系统的H-面辐射方向图(无下倾角)。
标号说明：
1、天线单元；11、基板；12、天线辐射单元；121、第一辐射体；122、第二辐射体；123、第一凸起部；13、第一馈电结构；14、第二馈电结构；
141、第一馈电部；142、连接部；143、第二馈电部；144、金属柱；2、接地板；3、隔离板；4、同轴电缆；5、支撑组件；6、缝隙。
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：天线辐射单元包括第一辐射体和环形的第二辐射体，所述第一辐射体设置于所述第二辐射体内且所述第一辐射体与第二辐射体固定连接；馈电组件包括十字形的第一馈电结构和十字形的第二馈电结构，可以覆盖2.5～5GHz的所有频段。
请参照图2至图4，一种宽频多谐振5G天线系统，包括接地板2和至少一个的天线单元1，所述天线单元1设置于所述接地板2上，所述天线单元1包括基板11、辐射组件和馈电组件，所述辐射组件设置于所述基板11靠近接地板2的一侧面上，所述辐射组件包括两个的天线辐射组，其中一个的所述天线辐射组的对称轴相对于另一个的天线辐射组的对称轴呈90°夹角设置，所述天线辐射组包括两个的天线辐射单元12，两个的所述天线辐射单元12对应设置，所述天线辐射单元12包括第一辐射体121和环形的第二辐射体122，所述第一辐射体121设置于所述第二辐射体122内且所述第一辐射体121与第二辐射体122固定连接；所述馈电组件包括十字形的第一馈电结构13和十字形的第二馈电结构14，所述第一馈电结构13设置于所述基板11远离接地板2的一侧面上，且所述第一馈电结构13与其中一个的天线辐射组对应设置，所述第二馈电结构14包括第一馈电部141、连接部142和第二馈电部143，所述第一馈电部141和第二馈电部143均设置于所述基板11远离接地板2的一侧面上且与另一个的所述天线辐射组对应设置，所述连接部142设置于所述基板11靠近接地板2的一侧面上，所述连接部142分别与所述第一馈电部141和第二馈电部143电气连接。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：天线单元可以覆盖2.5～5GHz的所有频段，具有平面化、宽频和增益稳定的特点，且其结构简单，制作成本低。
进一步的，还包括支撑组件5，所述天线单元1通过所述支撑组件5设置于所述接地板2上。
由上述描述可知，支撑组件可以是多个支撑柱。
进一步的，所述基板11相对于所述接地板2平行设置，且所述基板11与所述接地板2之间的距离为22～24mm。
由上述描述可知，基板与接地板之间的距离约为3.75GHz对应波长的0.25倍，优选的，基板与接地板之间的距离23mm。
进一步的，还包括同轴电缆4，所述同轴电缆4的外导体与所述第二辐射体122连接，所述同轴电缆4的内导体与所述馈电组件连接。
由上述描述可知，天线单元通过同轴电缆进行馈电，第一馈电结构和第二馈电结构分别对应设置一个同轴电缆。
进一步的，所述第二辐射体122相对于所述第一馈电结构13或第二馈电结构14为轴对称结构。
进一步的，所述第二辐射体122的形状为多边形，所述多边形的边数大于或等于4。
由上述描述可知，第二辐射体的边数可以根据需要进行设置。
进一步的，所述第一辐射体121的形状为正多边形，所述正多边形的边数为大于或等于3。
由上述描述可知，第一辐射体的边数可以根据需要进行设置。
进一步的，所述第一辐射体121靠近馈电组件设置，所述第二辐射体122远离馈电组件的一端设有第一凸起部123。
由上述描述可知，设置第一凸起部有利于在3.84GHz处产生谐振。
进一步的，相邻两个天线辐射单元12之间设有缝隙6，所述缝隙6的宽度值为0.8～1.2mm。
由上述描述可知，缝隙的宽度值在1mm时，可使天线单元1达到最佳工作状态。
请参照图1，本发明涉及的另一技术方案为：
一种基站，包括所述的宽频多谐振5G天线系统。
由上述描述可知，将天线系统应用于基站时，天线单元1之间的隔离度好。
请参照图1至图15，本发明的实施例一为：
一种基站，如图1所示，包括宽频多谐振5G天线系统，所述宽频多谐振5G天线系统包括接地板2和至少一个的天线单元1，所述天线单元1设置于所述接地板2上。天线单元1的数目可以根据需要进行设置，图1中天线单元1的数目为五个，每一个天线单元1之间可以设置隔离板3，不仅可以提高天线单元1之间的隔离度还可以降低天线辐射方向图的旁瓣。本实施例中，接地板2的尺寸可以根据需要进行设置。
如图2至图4所示，所述天线单元1包括基板11、辐射组件和馈电组件，所述辐射组件设置于所述基板11靠近接地板2的一侧面上，所述辐射组件包括两个的天线辐射组，其中一个的所述天线辐射组的对称轴相对于另一个的天线辐射组的对称轴呈90°夹角设置，即，天线辐射组为对称结构。基板11即PCB板，基板11的尺寸可以根据需要进行设置，例如可以是43mm×43mm×0.8mm。所述天线辐射组包括两个的天线辐射单元12，两个的所述天线辐射单元12对应设置，对应设置的两个天线辐射单元12之间有一定的距离。所述天线辐射单元12包括第一辐射体121和环形的第二辐射体122，所述第一辐射体121设置于所述第二辐射体122内且所述第一辐射体121与第二辐射体122固定连接。本实施例中，所述第二辐射体122的形状为多边形，所述多边形的边数大于或等于4，所述第一辐射体121的形状为正多边形，所述正多边形的边数为大于或等于3。所述馈电组件包括十字形的第一馈电结构13和十字形的第二馈电结构14，所述第一馈电结构13设置于所述基板11远离接地板2的一侧面上，且所述第一馈电结构13与其中一个的天线辐射组对应设置，所述第二馈电结构14包括第一馈电部141、连接部142和第二馈电部143，所述第一馈电部141和第二馈电部143均设置于所述基板11远离接地板2的一侧面上且与另一个的所述天线辐射组对应设置，所述连接部142设置于所述基板11靠近接地板2的一侧面上，所述连接部142分别与所述第一馈电部141和第二馈电部143电气连接，例如可以通过金属柱144进行电气连接。即第一馈电结构13对其中一个天线辐射组进行馈电，第二馈电结构14对另一个的天线辐射组进行馈电。将第二馈电结构14的部分设置在基板11靠近接地板2的一侧面上，是为了避免两个馈电结构交叉相连。优选的，所述第二辐射体122相对于所述第一馈电结构13或第二馈电结构14为轴对称结构。所述第一辐射体121靠近馈电组件设置，所述第二辐射体122远离馈电组件的一端设有第一凸起部123，第一凸起部123的形状可以根据需要进行设置，可以是矩形、正六边形等。本实施例中，还包括同轴电缆4，所述同轴电缆4的外导体与所述第二辐射体122连接，所述同轴电缆4的内导体与所述馈电组件连接，每一个天线辐射组对应设置一个同轴电缆4，同轴电缆4的作用是进行50欧姆同轴馈电。天线系统还包括支撑组件5，所述天线单元1通过所述支撑组件5设置于所述接地板2上，支撑组件5包括至少两个的支撑柱，优选的，支撑柱的数目可以是四个。所述基板11相对于所述接地板2平行设置，且所述基板11与所述接地板2之间的距离为22～24mm，优选的基板11与接地板2之间的距离为23mm。从图3可以看出，相邻两个天线辐射单元12之间设有缝隙6，所述缝隙6的宽度值为0.8～1.2mm，优选的，所述缝隙6的宽度值为1mm。
为了进一步说明本实施例的天线系统的工作原理，图5为天线单元中未设置第一辐射体的结构示意图，图6为天线单元中未设置第一凸起部、第一辐射体以及馈电组件为T字形的结构示意图，图7为图5和图6中的天线单元的S11对比结果，从图7可以看出，设有第一凸起部及十字形的馈电结构能使天线单元拥有更宽的带宽。图5中设有第一凸起部以及十字形的馈电结构使天线单元的第二个谐振由3.67GHz扩展到3.84GHz，上述带宽的扩展将非常有利于天线频段覆盖达到2.5～5.0GHz的最终设计要求。图5中的天线单元具有两个谐振的工作原理如下：由第二辐射体靠近馈电组件的一侧产生谐振频率在2.70GHz左右的谐振；由第二辐射体以馈电组件为轴对称的两边产生谐振频率在3.84GHz左右的谐振。同时天线单元之间的隔离度均接近25dB左右，可以很好地满足基站天线系统的设计要求。
图8为图2中的天线单元的S-参数图。从图8中的S11和S22曲线可以看出，此时天线单元分别在2.70GHz、3.84GHz和4.92GHz左右产生谐振；从S12和S21曲线可看出，在S11<-10dB的频段内天线的隔离度优于23dB，满足设计要求。对比图7和图8的S11曲线，可看出图8多了一个4.92GHz的谐振点，这是由第一辐射体产生的。
图9给出了图2中的天线单元的主轴增益随频率的变化曲线，在整个2.48～5.03GHz频率段上，天线单元的主轴增益范围为8.1±0.5dBi，满足基站天线的设计要求。综上所述，从图8和图9不难看出本实施例的天线指标完全可以满足2.5～5.0GHz频段的5G基站天线系统的使用要求。
为了更好地解释本实施例的天线单元的工作原理，图10、图11和图12给出了+45度极化情况时，其三个不同谐振频段下的天线电流分布图。其中，图10中给出的是天线单元在谐振频率2.70GHz的电流分布图；图11中给出的是天线单元在谐振频率3.84GHz的电流分布图；图12中给出的是天线单元在谐振频率4.92GHz的电流分布图。从图10中我们可以清晰地看出在2.70GHz的谐振频率下电流分布的最大强度集中在第二辐射体靠近缝隙的部分，这也就是说该谐振主要由天线单元的这部分结构产生。从图11中可以看出，在3.84GHz的谐振频率下电流分布的最大强度主要集中在第二辐射体的外侧部分，因此，我们可以说3.84GHz这个谐振是由天线单元的第二辐射体的外侧产生的。从图12中可以看出，在4.92GHz的谐振频率下电流分布的的最大强度集中在天线单元的第二辐射体与第一辐射体之间形成的回路中，因此，我们可以说4.92GHz这个谐振是由天线单元的回路(虚线框部分)产生的。
图13是图2中的天线单元主轴方向的增益方向图，从图13可以看出，主极化的主轴增益为8.3dBi，交叉极化的主轴增益为-15.7dBi，因此天线的交叉极化比为24dB，能满足基站天线交叉极化比应不小于15dB的设计要求。
图1中的基站可以对天线单元的结构参数进行调整，例如在天线单元之间加入隔离板，调整天线单元之间的间距大小等等。
图14为图1中的天线系统的E-面辐射方向图(无下倾角)，从图14可看出，在E-面上，无下倾角时基站天线的主瓣较窄，天线辐射主要集中在主轴方向，且旁瓣电平约为16.1dB，能满足基站天线E-面辐射方向图的要求及基站天线旁瓣电平应不小于15dB的设计要求。图15为图1中的天线系统的H-面辐射方向图(无下倾角)。从图15可看出，在H-面上，无下倾角时基站天线沿主轴方向辐射稳定，半功率波束宽度为65.3°，能满足基站天线H-面辐射方向图的要求及基站天线半功率波束宽度应为65°±5°的设计要求。
因此，本实施例的天线单元具有多个谐振频率点，是通过使不同谐振频率靠近，从而达到宽频的效果的。由于本实施例的天线单元可以形成±45°的双极化，空间上呈正交关系，所以本实施例的天线单元之间具有很好的隔离度，优于23dB。
综上所述，本发明提供的一种宽频多谐振5G天线系统及基站，天线单元可以覆盖2.5～5GHz的所有频段，具有平面化、宽频和增益稳定的特点，天线单元之间的隔离度好且其结构简单，制作成本低。
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 (10)

1.一种宽频多谐振5G天线系统，包括接地板和至少一个的天线单元，所述天线单元设置于所述接地板上，所述天线单元包括基板、辐射组件和馈电组件，其特征在于，所述辐射组件设置于所述基板靠近接地板的一侧面上，所述辐射组件包括两个的天线辐射组，其中一个的所述天线辐射组的对称轴相对于另一个的天线辐射组的对称轴呈90°夹角设置，所述天线辐射组包括两个的天线辐射单元，两个的所述天线辐射单元对应设置，所述天线辐射单元包括第一辐射体和环形的第二辐射体，所述第一辐射体设置于所述第二辐射体内且所述第一辐射体与第二辐射体固定连接；所述馈电组件包括十字形的第一馈电结构和十字形的第二馈电结构，所述第一馈电结构设置于所述基板远离接地板的一侧面上，且所述第一馈电结构与其中一个的天线辐射组对应设置，所述第二馈电结构包括第一馈电部、连接部和第二馈电部，所述第一馈电部和第二馈电部均设置于所述基板远离接地板的一侧面上且与另一个的所述天线辐射组对应设置，所述连接部设置于所述基板靠近接地板的一侧面上，所述连接部分别与所述第一馈电部和第二馈电部电气连接。
2.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，还包括支撑组件，所述天线单元通过所述支撑组件设置于所述接地板上。
3.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，所述基板相对于所述接地板平行设置，且所述基板与所述接地板之间的距离为22～24mm。
4.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，还包括同轴电缆，所述同轴电缆的外导体与所述第二辐射体连接，所述同轴电缆的内导体与所述馈电组件连接。
5.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，所述第二辐射体相对于所述第一馈电结构或第二馈电结构为轴对称结构。
6.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，所述第二辐射体的形状为多边形，所述多边形的边数大于或等于4。
7.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，所述第一辐射体的形状为正多边形，所述正多边形的边数为大于或等于3。
8.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，所述第一辐射体靠近馈电组件设置，所述第二辐射体远离馈电组件的一端设有第一凸起部。
9.根据权利要求1所述的宽频多谐振5G天线系统，其特征在于，相邻两个天线辐射单元之间设有缝隙，所述缝隙的宽度值为0.8～1.2mm。
10.一种基站，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的宽频多谐振5G天线系统。
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