CN110112547B - 一种5g高隔离度宽带双极化全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，所述天线辐射单元由一个梯形喇叭及开缝的梯形背腔构成，梯形喇叭右侧面与梯形背腔的左侧面相贴；所述水平极化馈电单元为渐变形式金属片，所述水平极化馈电单元位于梯形喇叭内；所述垂直极化馈电单元为“中”字形馈电贴片，所述垂直极化馈电单元位于开缝的梯形背腔内。本发明天线可覆盖3.10‑5.32GHz，相对带宽达到52.7％，全频段内隔离度高于42.9dB，且能实现较好的水平、垂直双极化的全向覆盖特性，适用于5G移动通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信天线技术领域，具体涉及一种5G高隔离度宽带双极化全向天线。
背景技术
与2G萌生数据、3G催生数据、4G发展数据不同，5G是跨时代的技术。5G网络主要有3大特点：极高的速率，极大的容量，极低的时延。5G的出现将推动物联网技术的进一步革新以及物联网行业的快速发展，从而实现更智能、万物互联的世界。目前已有大量场景运用到5G技术及网络，例如智能农业、智能制造、车联网、全球物流跟踪系统、无人机等，未来还有更多有待发掘的应用，都将在5G时代蓬勃发展。2017年11月15日，中国正式在国际上率先发布5G系统在3000-5000MHz频段内频率使用规划，明确规定3300-3400MHz(原则上限室内使用)、3400-3600MHz和4800-5000MHz频段作为5G系统的工作频段。
双极化天线是极化分集技术的一种应用，它是利用互不相关的两个极化正交电磁信号来获取一定的分集增益，与其他的分集技术相比，双极化天线具有天线数量少、体积小等优点。除此之外，双极化天线还可以保持设备输出功率和带宽不变的情况下，有效提高系统容量和无线频谱资源的利用率。
全向天线是指在水平面内实现360°均匀辐射，在垂直面内呈现一定波束宽度的天线，故其发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收，同时可接收水平面各个方向的信号，一般用于覆盖范围大的通信场合，比如无线传感网络、卫星通信、空间飞行器、室内分布式系统、射频识别、WLAN、能量收集、人体局域网、移动通信基站等。
目前在移动通信相关天线领域中，对应用在5G该频段的宽带双极化全向天线的研究少之又少。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种5G高隔离度宽带双极化全向天线。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，所述天线包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，其中，所述天线辐射单元由一个口径面开口的梯形喇叭及开缝的梯形背腔构成，梯形喇叭的右侧面与梯形背腔的左侧面相贴；所述水平极化馈电单元为渐变形式金属片，所述水平极化馈电单元位于梯形喇叭内，所述垂直极化馈电单元为“中”字形馈电贴片，所述垂直极化馈电单元位于开缝的梯形背腔内。
进一步地，所述水平极化馈电单元为渐变形式金属片，具体为椭圆形渐变、圆形渐变或抛物线渐变。
进一步地，所述渐变形式金属片在靠近梯形喇叭开口面的一端开路，另一端中点为馈电点。
进一步地，所述渐变形式金属片的线长为0.25λL-0.33λL，线宽为0.11λL-0.21λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述梯形喇叭的口径面为垂直缝隙，此缝隙宽0.2λL-0.26λL、高0.5λL-0.6λL，所述梯形喇叭的上底面宽0.1λL-0.16λL，所述梯形喇叭的腰长0.22λL-0.32λL，两腰所在的竖直面向外张开，张角为9°～11°，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述梯形背腔的下底为0.13λL-0.23λL，所述梯形背腔的腰长0.2λL-0.27λL，两腰所在的竖直面向外张开，张角为9°～11°，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述梯形背腔三面开有缝隙，缝隙宽度为0.1λL-0.26λL，缝隙总长度为0.5λL-0.6λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述垂直极化馈电单元为“中”字形馈电贴片，由“口”字枝节和中间一竖的主干枝节构成，且中间一竖未超出“口”字枝节；
所述主干枝节的长0.4λL-0.5λL、宽0.02λL-0.03λL，所述主干枝节下方短路、上方终端开路；所述“口”字枝节形成回路，所述“口”字枝节长0.12λL-0.16λL、宽0.08λL-0.12λL，所述主干枝节将“口”字回路分成左右对称的两部分，形成的两条同样大小的槽，槽的长度为0.09λL-0.11λL，宽度为0.015λL-0.021λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。
进一步地，所述垂直极化馈电单元竖直设置在靠近梯形背腔的右侧面。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)、本发明由两个辐射单元构成，水平辐射单元为口径面开口的梯形喇叭，通过渐变形式金属片给垂直缝隙馈电形成宽带水平极化全向辐射，垂直辐射单元为梯形背腔，通过“中”形馈电片给水平弯折缝隙馈电实现垂直极化全向辐射，该天线结构简单，仅由金属组成，加工成本低。
2)、该天线相对带宽达到52.7％，隔离度高于42.9dB，全频段内两个极化的水平面全向性都较好，不仅实现了宽带，还实现了超高的隔离度。
附图说明
图1是本发明中5G高隔离度宽带双极化全向天线的立体图；
图2是本发明中5G高隔离度宽带双极化全向天线的俯视图；
图3是本发明中5G高隔离度宽带双极化全向天线垂直极化馈电单元的正视图；
图4是本发明中5G高隔离度宽带双极化全向天线的带宽图；
图5(a)和图5(b)分别是本发明中天线辐射单元中梯形喇叭在3.1GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图；
图5(c)和图5(d)分别是本发明中天线辐射单元中梯形喇叭在4.2GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图；
图5(e)和图5(f)分别是本发明中天线辐射单元中梯形喇叭在5.3GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图；
图6(a)和图6(b)分别是本发明中天线辐射单元中梯形背腔在3.1GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图；
图6(c)和图6(d)分别是本发明中天线辐射单元中梯形背腔在4.2GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图；
图6(e)和图6(f)分别是本发明中天线辐射单元中梯形背腔在5.3GHz处的XOY平面及XOZ平面的辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-图3所示，本实施例公开了一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，包括天线辐射单元R、水平极化馈电单元HF及垂直极化馈电单元VF，所述水平极化馈电单元HF与垂直极化馈电单元VF分别与50欧姆同轴线C相连接。
本实施例公开的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线垂直放置，其天线辐射单元R由一个口径面开口的梯形喇叭及开缝的梯形背腔构成，天线辐射单元R的板材为洋白铜，厚度为0.3mm。水平极化馈电单元HF位于梯形喇叭内，且位于梯形喇叭垂直方向的中间位置，板材为洋白铜，厚度为0.3mm。垂直极化馈电单元VF竖直放置在梯形背腔内，板材为洋白铜，厚度为0.2mm。
在本实施例中，口径面开口的梯形喇叭实现水平极化，其口径面，即垂直缝隙，此缝隙宽AB＝0.23λL、高H1＝0.56λL，梯形喇叭的上底面宽DE＝0.13λL，梯形喇叭的腰长AD＝0.28λL，两腰所在的竖直面向外张开，张角为9°～11°，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。水平极化馈电单元为渐变形式金属片，具体为椭圆形渐变、圆形渐变或抛物线渐变。本实施例中采用椭圆形式的渐变，所在椭圆短半轴为a＝10.5mm，长半轴为b＝22.9mm，渐变形式金属片宽度为W1＝16.5mm，渐变形式金属片在靠近口径面的一端开路，另一端距离天线辐射单元相接面d1＝4.8mm，且其中点与50欧姆同轴线C相连。
本实施例中，梯形背腔用于实现垂直极化，梯形背腔除与梯形喇叭相接面外，其他三面开有缝隙。梯形背腔下底边长FG＝18mm，腰长GH＝23.5mm，两腰所在的竖直面张角为10°，在梯形背腔两等腰竖直面所开缝隙长度与梯形背腔腰长相等，为23.5mm，宽度为W2＝6mm，缝隙总长度为0.57λL，其中λL为该天线低频段中心谐振频率fL在自由空间中所对应的波长。垂直极化馈电单元形如“中”字但中间一竖未出“口”字的头，中间一竖为主干枝节，长fl1＝45.7mm，宽fw1＝2.6mm，主干枝节下方中心距离梯形背腔底部2.1mm处与50欧姆同轴线C相连进行馈电，上方终端开路，“口”字枝节形成回路，长fl2＝14mm，宽fw2＝10.4mm，主干枝节将“口”字回路分成左右对称的两部分，形成的两条同样大小的槽，槽的长度为fl3＝10mm，宽度为fw3＝1.8mm。所述“中”形馈电片与梯形背腔的上底面平行放置，距离梯形金属背腔的上底面d2＝1.8mm。所述水平馈电单元和垂直馈电单元除了与同轴线相连接外不与其他物体连接。
如图4所示，是本实施例仿真所得天线带宽，由此图可得出结论，本发明高隔离度双频双极化全向天线覆盖3.10-5.32GHz(|S11|<-10dB且|S22|<-10dB)相对带宽达到52.7％，完全覆盖中国5G规划频段，并且该天线在整个工作频段内的隔离度(-|S21|)都高于42.9dB。图5(a)-图5(f)、图6(a)-图6(f)是本实施例仿真所得天线在不同频率处的XOY平面、XOZ平面辐射方向图，根据附图中所示方向图可见，该天线垂直极化和水平极化在工作频段内均呈现出良好的全向辐射特性，且交叉极化较小，但频率越高，天线的全向性越差。众所周知，自由空间中的电磁波波长与频率成反比，低频时电磁波波长较长，高频时电磁波波长较短，当天线的结构不是完全对称时，较长的波长会使天线的结构不对称性显得没那么明显，此时结构的不对称性对全向性的影响较小；反之，较短的波长相对于较长的波长而言会使天线的结构不对称性更加突出，此时结构的不对称性对全向性的影响较大，所以低频时天线全向性能好，高频时天线全向性能变差。由图5(a)-图5(f)、图6(a)-图6(f)可得出结论，本发明高隔离度双频双极化全向天线有较好的水平全向辐射特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述天线包括天线辐射单元、水平极化馈电单元及垂直极化馈电单元，其中，所述天线辐射单元由一个口径面开口的梯形喇叭及开缝的梯形背腔构成，梯形喇叭的右侧面与梯形背腔的左侧面相贴；所述水平极化馈电单元为渐变形式金属片，所述水平极化馈电单元位于梯形喇叭内，所述垂直极化馈电单元为“中”字形馈电贴片，所述垂直极化馈电单元位于开缝的梯形背腔内；
所述垂直极化馈电单元为“中”字形馈电贴片，由“口”字枝节和中间一竖的主干枝节构成，且中间一竖未超出“口”字枝节；
所述主干枝节的长0.4λL-0.5λL、宽0.02λL-0.03λL，所述主干枝节下方短路、上方终端开路；所述“口”字枝节形成回路，所述“口”字枝节长0.12λL-0.16λL、宽0.08λL-0.12λL，所述主干枝节将“口”字回路分成左右对称的两部分，形成的两条同样大小的槽，槽的长度为0.09λL-0.11λL，宽度为0.015λL-0.021λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率f L在自由空间中所对应的波长；
所述垂直极化馈电单元竖直设置在靠近梯形背腔的右侧面。
2.根据权利要求1所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述水平极化馈电单元为渐变形式金属片，所述渐变形式金属片为椭圆形渐变形式金属片、圆形渐变形式金属片或抛物线渐变形式金属片。
3.根据权利要求2所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述渐变形式金属片在靠近梯形喇叭开口面的一端开路，另一端中点为馈电点。
4.根据权利要求2所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述渐变形式金属片的线长为0.25λL-0.33λL，线宽为0.11λL-0.21λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
5.根据权利要求1所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述梯形喇叭的口径面为垂直缝隙，此缝隙宽0.2λL-0.26λL、高0.5λL-0.6λL，所述梯形喇叭的上底面宽0.1λL-0.16λL，所述梯形喇叭的腰长0.22λL-0.32λL，两腰所在的竖直面向外张开，张角为9°～11°，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
6.根据权利要求1所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述梯形背腔的下底为0.13λL-0.23λL，所述梯形背腔的腰长0.2λL-0.27λL，两腰所在的竖直面向外张开，张角为9°～11°，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
7.根据权利要求1所述的一种5G高隔离度宽带双极化全向天线，其特征在于，所述梯形背腔三面开有缝隙，缝隙宽度为0.1λL-0.26λL，缝隙总长度为0.5λL-0.6λL，其中λL为该天线工作频段内低频谐振频率f L在自由空间中所对应的波长。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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