CN110190392A - 一种适用于4g/5g微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元 - Google Patents

一种适用于4g/5g微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，属于移动通信基站天线技术领域，包括圆形寄生贴片、塑料柱、“Γ”形交叉馈线、同轴线、辐射结构和盒状金属反射板；同轴线穿过盒状金属反射板，“Γ”形交叉馈线包括+45°“Γ”形馈线和‑45°“Γ”形馈线，二者交错垂直放置在盒状金属反射板上方，分别与两根同轴线内芯相连，构成馈电部分；辐射结构包括+45°辐射振子和‑45°辐射振子，两辐射振子相互正交摆放在盒状金属反射板上，分别与+45°“Γ”形馈线和‑45°“Γ”形馈线按同一方向摆放，构成±45°双极化天线；圆形寄生贴片位于所述±45°双极化天线正上方，利用两个固定在盒状金属反射板的塑料柱支撑。

Description

一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元
技术领域
本发明属于移动通信基站天线技术领域，涉及一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元。
背景技术
随着无线通信的快速发展，满足现代通信需求的基站天线正朝着宽带化、小型化、多制式系统共存、低成本等方向发展。同时，随着5G商用化的临近以及2G、3G逐渐退出市场，实现4G/5G多制式的共存，将会是未来相当长一段时间内基站天线发展的必然趋势。2017年11月，工信部明确规划3300-3600MHz和4800-5000MHz频段作为6GHz以下的5G工作频段。2018年12月，工信部将2515-2675MHz频段也作为5G的工作频段。加上现阶段被4G广泛应用的LTE2300(2320-2370MHz)和LTE2500(2570-2690MHz)频段，面向5G通信的多频双极化基站天线应当同时实现2300-2690MHz、3400-3600MHz和4800-5000MHz频段的覆盖。
目前，学术界和产业界对于多频基站天线的研究方案一般是将低频阵子和高频阵子通过肩并肩嵌套或共轴嵌套的方式组成阵列，但这种方案一方面工作带宽不够宽，另一个方面高低频振子间的互耦将使得方向图畸变非常严重，导致设计中遇到的困难多、挑战大。鉴于此，国内外学者开始了利用单天线实现多频基站天线的研究。近年来，利用单天线实现多频段的方式主要为辐射贴片开缝或引入寄生贴片，以此产生新的谐振点，但上述多频天线主要是单极化天线，个别双极化多频天线也主要应用于2G/3G/4G移动通信基站。此外，应用于微基站地天线受到安装空间的限制，利用单天线实现多频段更具有应用价值。因此，研究如何利用单天线实现多频双极化，同时能完整覆盖4G/5G所需的中频段(2300-3600MHz/4800-5000MHz)，并且在工作频段的方向图具有良好的稳定性，具有重要的学术意义和工程价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，测试VSWR<2的工作带宽为2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz，完整覆盖了4G的主要工作频段(2320-2370MHz和2575-2635MHz)和5G的中频段(2515-2675MHz、3300-3600MHz和4800-5000MHz)。与现有的多频电磁偶极子天线相比，该天线实现了双极化，并具有宽频带、低交叉极化和稳定方向图等特性，可应用于未来4G/5G双制式共存的微基站中。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，包括圆形寄生贴片、塑料柱、“Γ”形交叉馈线、同轴线、辐射结构和盒状金属反射板；所述同轴线穿过盒状金属反射板，所述“Γ”形交叉馈线包括+45°“Γ”形馈线和-45°“Γ”形馈线，二者交错垂直放置在盒状金属反射板正上方，分别与两根同轴线内芯相连，共同构成馈电部分；所述辐射结构包括+45°辐射振子和-45°辐射振子，两辐射振子相互正交摆放在盒状金属反射板上，分别与+45°“Γ”形馈线和-45°“Γ”形馈线按同一方向摆放；构成±45°双极化基站天线；所述圆形寄生贴片位于所述±45°双极化基站天线正上方，利用两个固定在盒状金属反射板的塑料柱支撑。
进一步，所述圆形寄生贴片类似于容性器件，目的是将天线高频部分的工作频率降低，所述圆形寄生贴片位于电磁偶极子天线正上方3-5mm处，其半径为10-12mm，利用两根固定在盒状金属反射板上的塑料柱支撑。
进一步，所述塑料柱为高度28-30mm的圆柱体，即圆形寄生贴片距离盒状金属反射板的高度。
进一步，所述+45°和-45°辐射振子分别包含一对蝶形电偶极子和一对矩形磁偶极子；所述矩形磁偶极子为垂直短路贴片，上端与蝶形电偶极子相连，下端与盒状金属反射板相连；所述蝶形电偶极子包含一个半圆形贴片和一个等腰梯形贴片，二者的底边相连组成上述蝶形结构，根据半波振子天线原理，半圆形贴片的半径和等腰梯形贴片的高之和大约为25mm，即频段2.3-3.6GHz中心频点所对应的四分之一波长；所述蝶形电偶极子上均挖去一个U形缝隙，其凹口指向天线正中心。
进一步，所述“Γ”形交叉馈线采用渐变式结构，增加了可调节参数，在优化天线工作频点处的阻抗匹配时拥有更多选择；
进一步，所述“Γ”形交叉馈线由两根相互垂直的“Γ”形铜条构成，二者水平部分保持3-5mm的间距以增加两个馈电端口之间的隔离度；
进一步，所述盒状金属反射板为在的正方形平面(135mm×135mm)的四边边缘位置添加高度10mm的挡板，正方形平面中间开有两个通孔，便于同轴线为天线进行馈电；
进一步，所述圆形寄生贴片、“Γ”形交叉馈线、辐射结构和盒状反射板，均采用厚度为1mm的铜或铝等金属板加工。
进一步，所述天线的工作频段为2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz，完整覆盖了4G的主要工作频段(2320-2370MHz和2575-2635MHz)和5G的中频段(2515-2675MHz、3300-3600MHz和4800-5000MHz)，可应用于未来4G/5G双制式共存的微基站中。
本发明的有益效果在于：
1)所述圆形寄生贴片、“Γ”形交叉馈线、辐射结构和盒状金属反射板，均为常见的铝或铜等金属材质，成本低且易于加工。
2)所述多频双极化基站天线通过特定的馈电结构和辐射结构形成双频双极化，与现有的多频电磁偶极子相比，其多频的实现方式更为简洁，双极化结构更适用于当前的移动通信系统。
3)所述蝶形电偶极子结构与传统的矩形辐射结构相比更易实现阻抗匹配，可以获得更宽的工作带宽，U形缝隙的引入改变了蝶形电偶极子的表面电流路径，进一步扩展了天线的阻抗带宽。
4)所述圆形寄生贴片类似于容性器件，通过合理地改变圆形寄生贴片尺寸来调整天线的输入阻抗，从而将高频部分的谐振频率降低至5G所需的工作频段，现有的寄生贴片结构主要用于扩展天线带宽，本发明的功能与之区别较大。
5)所述“Γ”形交叉馈线采用渐变式结构，增加了可调节参数，在优化天线工作频点处的阻抗匹配时拥有更多选择。
6)所述多频双极化基站天线的阻抗带宽为2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz，完整地覆盖了4G的主要工作频段和5G的中频段，可应用于未来4G/5G双制式共存的微基站中。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元的整体结构示意图；
图2为本发明所述适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元的馈电结构示意图；
图3为本发明所述适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元的辐射结构示意图；
图4为本发明实施例中±45°极化的增益(Gain)和电压驻波比(VSWR)测试曲线图；
图5为本发明实施例中±45°极化间隔离度(S12)测试曲线图；
图6(a)-(d)为本发明实施例中+45°极化分别在2.3GHz、3GHz、3.6GHz和4.9GHz的方向图测试结果。
附图标记：圆形寄生贴片1、塑料柱2、辐射结构3、蝶形电偶极子311、蝶形电偶极子312、蝶形电偶极子313、蝶形电偶极子314、矩形磁偶极子321、矩形磁偶极子322、矩形磁偶极子323、矩形磁偶极子324、U形缝隙311(u)、U形缝隙312(u)、U形缝隙313(u)、U形缝隙314(u)、+45°“Γ”形馈线41、-45°“Γ”形馈线42。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，包括自上而下的六个部分：圆形寄生贴片1、塑料柱2、辐射结构3、“Γ”形交叉馈线4、同轴线5和盒状金属反射板6。所述圆形寄生贴片1位于电磁偶极子天线正上方4mm处，其半径为11mm，利用两根固定在盒状金属反射板上的塑料柱2支撑。所述塑料柱2为高度29mm的圆柱体，即圆形寄生贴片1距离盒状反射板6的高度。所述辐射结构3包括+45°辐射振子和-45°辐射振子，二者相互正交摆放在盒状金属反射板6正上方。所述“Γ”形交叉馈线4和同轴线5共同构成该结构的馈电部分，与辐射结构3共同按照±45°方向放置，构成±45°双极化基站天线；所述同轴线5采用特征阻抗为50欧姆的同轴线，穿过盒状金属反射板6上的通孔，内芯与“Γ”形交叉馈线4相连。所述盒状金属反射板6为在的正方形平面(130mm×130mm)的四边边缘位置添加高度6mm的挡板，正方形平面中间开有两个通孔，便于同轴线5为天线进行馈电。
如图2所示，所述馈电结构包括两条“Γ”形交叉馈线4和两条同轴线5。所述“Γ”形交叉馈线4包括+45°“Γ”形馈线41和-45°“Γ”形馈线42，二者交错垂直放置在距离盒状金属反射板1mm的正上方，分别与两根同轴线5的内芯相连。为了更易于对阻抗匹配进行调节，所述“Γ”形交叉馈线4采用渐变式结构，增加了可调节参数，在优化天线工作频点处的阻抗匹配时拥有更多选择。所述+45°“Γ”形馈线41和-45°“Γ”形馈线42的水平部分保持了4mm的间距，用于提高双端口之间的隔离度。
如图3所示，所述辐射结构3包括+45°辐射振子和-45°辐射振子，两辐射振子相互正交摆放在盒状金属反射板6的上方。所述+45°和-45°辐射振子分别包含一对蝶形电偶极子(311、312、313、314)和一对矩形磁偶极子(321、322、323、324)。所述矩形磁偶极子为垂直短路贴片，上端与蝶形电偶极子相连，下端与盒状金属反射板6相连。所述蝶形电偶极子包含一个半圆形贴片和一个等腰梯形贴片，二者的底边相连组成上述蝶形结构，根据半波振子天线原理，半圆形贴片的半径和等腰梯形贴片的高之和大约为25mm，即工作频率为3GHz时的四分之一波长。所述蝶形电偶极子上均挖去一个U形缝隙(311(u)、312(u)、313(u)、314(u))，其凹口正对指向天线正中心。
如图4所示，为本发明±45°极化对应的增益(Gain)和电压驻波比(VSWR)测试曲线图。可以得出：±45°极化在2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz的双频带范围内VSWR<2，能够完整覆盖4G/5G移动通信中频段。在2.24GHz-3.66GHz的频率范围内，+45°极化的平均增益为10.2dBi，-45°的平均增益为9dBi；在4.68GHz-5.04GHz的频率范围内，+45°极化的平均增益为5.1dBi，-45°的平均增益为6dBi。
如图5所示，为本发明±45°极化间隔离度(S21)的测试曲线图。可以得出：在2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz的整个工作频段内，±45°极化间隔离度大于25dB。
如图6(a)-(d)所示，为本发明实施例中+45°极化分别在2.3GHz、3GHz、3.6GHz和4.9GHz的方向图测试结果。可以得出：本发明具有稳定的方向性，在整个工作频段内，天线E面的半功率波瓣宽度为63.5°±6.8°，且交叉极化比低于-20dB。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：包括圆形寄生贴片、塑料柱、“Γ”形交叉馈线、同轴线、辐射结构和盒状金属反射板；所述同轴线穿过盒状金属反射板，所述“Γ”形交叉馈线包括+45°“Γ”形馈线和-45°“Γ”形馈线，二者交错垂直放置在盒状金属反射板正上方，分别与两根同轴线内芯相连，共同构成馈电部分；所述辐射结构包括+45°辐射振子和-45°辐射振子，两辐射振子相互正交摆放在盒状金属反射板上，分别与+45°“Γ”形馈线和-45°“Γ”形馈线按同一方向摆放，构成±45°双极化天线；所述圆形寄生贴片位于所述±45°双极化天线正上方，利用两个固定在盒状金属反射板的塑料柱支撑。
2.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述圆形寄生贴片位于双极化天线正上方3-5mm处，其半径为10-12mm，利用两根固定在盒状金属反射板上的塑料柱支撑。
3.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述塑料柱为高度28-30mm的圆柱体，即圆形寄生贴片距离盒状金属反射板的高度。
4.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述+45°和-45°辐射振子分别包含一对蝶形电偶极子和一对矩形磁偶极子；所述矩形磁偶极子为垂直短路贴片，上端与蝶形电偶极子相连，下端与盒状金属反射板相连；所述蝶形电偶极子包含一个半圆形贴片和一个等腰梯形贴片，二者的底边相连组成蝶形结构，根据半波振子天线原理，半圆形贴片的半径和等腰梯形贴片的高之和为25mm，即频段2.3-3.6GHz中心频点所对应的四分之一波长；所述蝶形电偶极子上均挖去一个U形缝隙，其凹口指向天线正中心。
5.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述“Γ”形交叉馈线采用渐变式结构。
6.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述“Γ”形交叉馈线由两根相互垂直的“Γ”形铜条构成，二者水平部分保持3-5mm的间距以增加两个馈电端口之间的隔离度。
7.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述盒状金属反射板包括正方形平面，以及在正方形平面四边边缘位置设置的挡板，正方形平面中间开有两个通孔，用于同轴线为天线进行馈电。
8.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述圆形寄生贴片、“Γ”形交叉馈线、辐射结构和盒状反射板均采用厚度为1mm的铜或铝金属板加工。
9.根据权利要求1所述的适用于4G/5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线单元，其特征在于：所述天线的工作频段为2.24GHz-3.66GHz和4.68GHz-5.04GHz，完整覆盖4G的主要工作频段和5G的中频段，以应用于未来4G/5G双制式共存的微基站中。
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