CN110098471B - 一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，包括第一介质基板、第一上层金属层、第二下层金属层、金属反射板、介质基板混合巴伦和尼龙塑料柱；所述介质基板由至少四个尼龙塑料柱支撑在所述金属反射板上，所述介质基板由介质基板混合巴伦馈电；所述第一上层金属层和所述第二下层金属层分别印刷在介质基板的上下表面；在第一上层金属层和第二下层金属层上分别印制有两个呈交叉的偶极子天线，位于第一上层金属层的偶极子天线与位于第二下层金属层的偶极子天线位置相对应；交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构，极大地改善了天线的匹配；交叉偶极子采用双层金属，介质板的上下金属层各印制两对交叉偶极子，起到了耦合馈电的效果，极大的改善了匹配。
Description
技术领域
本发明涉及天线工程领域，具体涉及一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，双极化天线已经被广泛应用于无线通信系统中，以缓解信号的多径效应衰落，提高信道容量。在2G/3G/4G应用中，拥有高隔离、高交叉极化比的宽带(1.7-2.7GHz)双极化天线通常采用，以满足严格的实际应用需求。随着MIMO技术和室内波束赋形阵列天线的应用，研究设计具有小型化，高隔离的宽带双极化天线迫在眉睫。因此，为了缩小无线通信设备的安装体积和较少加工成本，设计小型化、宽频带、高隔离度、高交叉极化比的2G/3G/4G天线，已经成为天线研究者的挑战。宽带双极化天线主要有以下三种形式：微带贴片天线，电磁偶极子天线，交叉偶极子天线。微带贴片天线存在很多缺点：带宽很难满足1.7-2.7GHz、较高的交叉极化比、频带内方向图随频率变化较大。电磁偶极子天线虽然性能优异，然而结构复杂，体积较大。交叉偶极子目前被广泛地应用于无线通信系统，因为拥有以下几个优势：适合的工作带宽，稳定的辐射方向图，平面化易于加工。然而，随着通信系统的要求逐渐增高，具有覆盖2G/3G/4G的宽带双极化高隔离天线依旧是研究的热门课题。
交叉偶极子主要有三种馈电形式：直接馈电，耦合馈电，巴伦馈电。Y.H. Cui等人在IEEE Trans.Antennas Propagat.(vol.62,no.9,pp.4836-4840, Jun.2014)上发表的题为“A Broadband Dual-Polarized Planar Antenna for 2G/3G/LTE Base Stations”中介绍了一种同轴线直接馈电的蝴蝶结交叉偶极子天线，该天线在1.7-2.7GHz的带宽内驻波比小于1.5，然而，该天线的尺寸较大，天线辐射口径为55mm×55mm。F.Alizadeh等人在2017Iranian Conference on Electrical Engineering(ICEE)(Tehran,pp.1874-1877,Jul. 2017)上发表了题为“Analysis and design of a broadband dual-polarizedplanar antenna for 2G/3G/4G base stations”的文章，设计了一种同轴线直接馈电的交叉偶极子开缝天线，天线辐射口径缩小至48mm×48mm，隔离度也提高到40dB，然而，天线的VSWR为2，剖面高度也提高到了45mm。以上两个天线都采用同轴线直接馈电结构，天线不易匹配，因而或者天线辐射口径较大，或者天线剖面较高。
Q.X.Chu等人在IEEE Trans.Antennas Propagat.(vol.63,no.2,pp. 483-490,Dec.2015)发表了“A Broadband±45°Dual-Polarized Antenna With Y-Shaped FeedingLines”一文，该天线馈电结构采用耦合馈电结构，天线尺寸较小，53mm×53mm，天线高度34m，天线易于匹配，驻波小于1.5，然而，天线隔离度只有25dB。D.Z.Zheng等人在IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters(vol.16,pp.633-636,Jul.2017)发表了“AMultimode Wideband±45°Dual-Polarized Antenna With Embedded Loops”的文章，通过寄生环来展宽天线的带宽，然而与上一个天线相似，隔离度只有27dB，耦合馈电的交叉偶极子天线的隔离度较低。Y.Zhang等人在IEEE ACCESS(vol.6, pp.66396-66402,Oct.2018)发表了“Compact Wideband Dual-Polarized Antenna With High Isolation UsingModified Direct Feeding Structure For Indoor Beamforming Array Applications”的文章，采用改进型的直接馈电结构来提高天线的隔离度至33dB，减小天线尺寸至45×45mm2。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，具体技术方案如下：
一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，其特征在于：包括第一介质基板(1)、第一上层金属层(2)、第二下层金属层(3)、金属反射板(4)、介质基板混合巴伦(5)和尼龙塑料柱(6)；
所述介质基板由至少四个尼龙塑料柱(6)支撑在所述金属反射板(4)上，所述介质基板由介质基板混合巴伦(5)馈电；
所述第一上层金属层(2)和所述第二下层金属层(3)分别印刷在介质基板的上下表面；
在所述第一上层金属层(2)和所述第二下层金属层(3)上分别印制有两个呈交叉的偶极子天线，位于第一上层金属层(2)的偶极子天线与位于所述第二下层金属层(3)的偶极子天线位置相对应；
所述介质基板混合巴伦(5)包括巴伦上层金属层、巴伦中层金属层和巴伦下层金属层，在所述巴伦上层金属层和所述巴伦中层金属层之间设置有第二介质板，在所述巴伦中层金属层和所述巴伦下层金属层之间设置有第二介质板；
该巴伦上层金属层包括第一渐变线(9)和两个第一巴伦金属地(8)，巴伦中层金属层包括巴伦馈电线(10)，巴伦下层金属层包括第二渐变线(12)和两个第二巴伦金属地(11)。
为更好的实现本发明，可进一步为：所述第一介质基板(1)材料为FR-4，所述第二介质板材料为Rogers-4350。
进一步地：所述介质基板混合巴伦(5)由一个渐变巴伦和一个Marchand 巴伦构成；
该渐变巴伦包括第一渐变线(9)和第二渐变线(12)；
该Marchand巴伦包括第一巴伦金属地(8)、巴伦馈电线(10)和第二巴伦金属地(11)。
进一步地：所述两个交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构。
本发明的有益效果为：第一，Rogers-4350介质基板混合巴伦(5)，由一个渐变巴伦和一个Marchand巴伦构成，两个巴伦的耦合极弱，从而天线两端口的隔离度提高至48dB；
第二，交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构，极大地改善了天线的匹配；
第三，交叉偶极子采用双层金属，介质板的上下金属层各印制两对交叉偶极子，起到了耦合馈电的效果，极大的改善了匹配。
附图说明
图1是本发明的侧视图；
图2是图1中的各部分分解之后整体示意图；
图3是该天线的俯视图示意图；
图4是该混合巴伦的整体示意图和各金属层结构图；
图5为图4的各金属层结构图；
图6是该天线的S参数和隔离度的仿真与测试结果示意图；
图7是该天线的波束宽度和增益的仿真与测试结果示意图；
图8是该天线渐变巴伦端口的1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz三个频点的水平面辐射方向图；
图9是该天线Marchand巴伦端口的1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz三个频点的水平面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1至图5所示：一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，包括第一介质基板1、第一上层金属层2、第二下层金属层3、金属反射板4、介质基板混合巴伦5和尼龙塑料柱6，该第一介质基板1材料为FR-4；
第一介质基板1由至少四个尼龙塑料柱6支撑在金属反射板4上，第一介质基板1由介质基板混合巴伦5馈电，该介质基板混合巴伦5的材质为 Rogers-4350；
第一上层金属层2和第二下层金属层3分别印刷在介质基板的上下表面，第一上层金属层2和第二下层金属层3通过8个短路针7相连；
在第一上层金属层2和第二下层金属层3上分别印制有两个呈交叉的偶极子天线，位于第一上层金属层2的偶极子天线与位于第二下层金属层3的偶极子天线位置相对应，两个交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构。
两个交叉偶极子分别由渐变巴伦和Marchand巴伦馈电。
介质基板混合巴伦5由一个渐变巴伦和一个Marchand巴伦构成。
所述介质基板混合巴伦5包括巴伦上层金属层、巴伦中层金属层和巴伦下层金属层，在所述巴伦上层金属层和所述巴伦中层金属层之间设置有第二介质板，在所述巴伦中层金属层和所述巴伦下层金属层之间设置有第二介质板；
该巴伦上层金属层包括第一渐变线9和两个第一巴伦金属地8，巴伦中层金属层包括巴伦馈电线10，巴伦下层金属层包括第二渐变线12和两个第二巴伦金属地11。
具体参数选择为：第一上层金属层2和第一下层金属层3的交叉偶极子大小相同，边长总长度均为43mm，上下金属层均印制交叉的两对偶极子，交叉的偶极子之间的间距从中心到边缘是逐渐变大的，曲线呈指数形。第一介质基板1 的厚度为1mm，介电常数为4.4。天线到金属反射板4的距离为35mm。金属反射板4的大小为145mm×145mm。
图6是所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线的S参数和隔离度的仿真与测试结果示意图。在1.7-2.7GHz的频率范围内，天线的S11小于-15，隔离度大于48dB，仿真与测试的结果吻合的很好。
图7为所发明的高隔离宽带小型化双极化天线的水平面波束宽度和天线增益的仿真与测试结果示意图。在1.7-2.7GHz的频率范围内，天线的辐射方向图在水平面的波束宽度在65°左右，天线的增益在约为8.5dBi，仿真与测试的结果吻合的很好。
图8为所发明的高隔离宽带小型化双极化天线在1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz 三个频点渐变巴伦端口的水平面的辐射方向图，图9为所发明的高隔离宽带小型化双极化天线在1.7GHz、2.2GHz、2.7GHz三个频点Marchand巴伦端口的水平面的辐射方向图。三个频点的主极化和交叉极化比大于35dB，辐射方向图稳定，仿真与测试的结果吻合的很好。
Claims (3)
1.一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，其特征在于：包括第一介质基板(1)、第一上层金属层(2)、第二下层金属层(3)、金属反射板(4)、介质基板混合巴伦(5)和尼龙塑料柱(6)；
所述第一介质基板由至少四个尼龙塑料柱(6)支撑在所述金属反射板(4)上，所述第一介质基板由介质基板混合巴伦(5)馈电；
所述第一上层金属层(2)和所述第二下层金属层(3)分别印刷在介质基板的上下表面；
在所述第一上层金属层(2)和所述第二下层金属层(3)上分别印制有两个呈交叉的偶极子天线，位于第一上层金属层(2)的偶极子天线与位于所述第二下层金属层(3)的偶极子天线位置相对应；
所述介质基板混合巴伦(5)包括巴伦上层金属层、巴伦中层金属层和巴伦下层金属层，在所述巴伦上层金属层和所述巴伦中层金属层之间设置有第二介质板，在所述巴伦中层金属层和所述巴伦下层金属层之间设置有第二介质板；
该巴伦上层金属层包括第一渐变线(9)和两个第一巴伦金属地(8)，巴伦中层金属层包括巴伦馈电线(10)，巴伦下层金属层包括第二渐变线(12)和两个第二巴伦金属地(11)；
所述介质基板混合巴伦(5)由一个渐变巴伦和一个Marchand巴伦构成；
该渐变巴伦包括第一渐变线(9)和第二渐变线(12)；
该Marchand巴伦包括第一巴伦金属地(8)、巴伦馈电线(10)和第二巴伦金属地(11)。
2.根据权利要求1所述一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，其特征在于：所述第一介质基板(1)材料为FR-4，所述第二介质板材料为Rogers-4350。
3.根据权利要求1所述一种基于混合巴伦的宽带双极化基站天线，其特征在于：所述两个交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构。
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Granted publication date: 20200922 |