CN110233331A - 一种应用于5g通信的全向室分天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于5G通信的全向室分天线，包括水平极化单元、垂直极化单元、介质板、馈电网络；所述水平极化单元位于介质板上，介质板呈圆形，水平极化单元以介质板中心为圆心均匀向外设置，所述垂直极化单元位于水平极化单元圆心且垂直于水平极化单元，即垂直于介质板；水平极化单元包含SMA馈电头、一分八馈电网络、八对辐射偶极子、FR4介质板、“太阳”形接地面、八对寄生贴片、八对引向单元；垂直极化单元包含SMA馈电头、“太阳”形接地面、“花瓶”状垂直极化辐射结构。该天线同时具备低剖面、宽阻抗带宽、高隔离度、高增益、低不圆度、低交叉极化特性。

Description

一种应用于5G通信的全向室分天线
[技术领域]
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种无线宽带通信系统的全向室分天线。
[背景技术]
2017年11月15日，中国工业和信息化部率先正式发布了第五代移动通信系统(5G)低频段标准(3.3-3.6GHz；4.8-5GHz)(《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》)，这一通信标准的发布标志着我国5G通信商用的开始，5G时代即将来临，因此，在此大背景下对5G天线的研究很有必要。
另全向天线具有360度全覆盖的优点，可以避免了信号盲区的存在，而双极化天线具有提高信道容量和改善极化匹配的能力。因此，能适用于5G通信的双极化全向天线将是室内分布网络通信系统天线的首选。为了适应5G移动通信系统的发展趋势，单纯的5G双极化全向天线已不能满足室内分布系统的要求。空间越来越小天线数量却越来越多，通信系统工作频率升高传输损耗增大；另外，为了天线能辐射更均匀，其不圆度需更小，为保证信号在所需的方向上更好地被接收，交叉极化需更小等。基于上述原因，本发明设计了一款集宽频、低剖面、高增益、低不圆度、低交叉极化于一体的5G双极化全向高性能室分天线。
传统的室内天线存在低增益的缺点，会导致传输不稳定和数据丢失。为了弥补这些缺陷，近年来人们提出了许多不同方法来提升室内天线的增益。如有方法是在垂直极化辐射单元外放置三个折叠辐射贴片，能使天线在2G和LTE频段分别获得1.55dBi和5dBi的高增益；有的方法是在水平极化辐射贴片周围放置引向单元，构成类八木天线结构提升增益。然而，这些天线存在高增益变化或高交叉化的缺陷。
另一方面，增益变化是实现天线全覆盖的关键指标，因此对双极化全向天线的设计具有重要意义。通常，为了在水平极化方向上获得低增益变化，呈圆周形排布的辐射偶极子的数量尽可能多，但偶极子数量的增多就需要功分器的端口更多，一个输入端口分的端口越多，功率损耗就会越大，带宽也会变窄。因此，要获得低增益变化的全向天线仍然是一个巨大的挑战。
要在水平极化方向和垂直极化方向上同时实现低交叉极化水平，从而提高电磁转化率是很难实现的。近年来，通过使用两个对称馈电网络来激励交替放置的垂直和水平偶极子，可以得到低于-20db的低交叉极化水平。然而，它的带宽只有30％(1.7-2.3GHz)。采用四向对称功率分配器网络激励四个折叠窗口形的辐射偶极子。可在53.2％(1.19-2GHz)的宽带下实现低交叉极化(<-20dB)；通过在相邻的辐射偶极子间隙附近放置弧形寄生带，可以在HP方向上实现小于-23db的交叉极化水平。但是，这两种方法都只能在一个水平偏振方向上实现。
对于室内分布系统，因为天线需要安装在室内，且天线不能嵌入墙壁，影响辐射性能，所以这就要求天线的剖面高度尽可能的低，结构紧凑。但是紧凑的结构就会容易导致垂直极化单元和水平极化单元相互影响，从而增加交叉极化水平，导致低端口隔离度。
[发明内容]
本发明目的是提供一款能覆盖3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz频段的应用于5G通信高性能全向双极化室分天线。
本发明的技术方案如下：
一种应用于5G通信的全向室分天线，包括水平极化单元、垂直极化单元、介质板、馈电网络；所述水平极化单元位于介质板上，介质板呈圆形，水平极化单元以介质板中心为圆心均匀向外设置，所述垂直极化单元位于水平极化单元圆心且垂直于水平极化单元，即垂直于介质板；水平极化单元包含SMA馈电头、一分八馈电网络、八对辐射偶极子、FR4介质板、“太阳”形接地面、八对寄生贴片、八对引向单元；垂直极化单元包含SMA馈电头、“太阳”形接地面、“花瓶”状垂直极化辐射结构。
进一步地，所述垂直极化单元与水平极化单元共用“太阳”形接地面。
进一步地，所述介质板为一块厚度为1mm，介电常数为4.4的FR4介质板，且上下两面覆铜，馈电网络和偶极子的其中一极覆于介质板上面，接地面覆于介质板底面。
进一步地，所述一分八馈电网络输入端口连接水平极化SMA馈电头内芯，各输出端口信号输出相同，每个输出端均连接辐射偶极子的其中一极。
进一步地，所述八对辐射偶极子每一对都相同，偶极子覆于介质板上下表面，偶极子上下两极对称，其为水平极化的辐射部分。
进一步地，所述介质板开有两个半径为0.5mm的小孔以使水平极化和垂直极化的内芯可以通过，通孔均为金属化过孔。
进一步地，所述“太阳”形接地面内芯通过的位置均开有半径为1.5mm的小孔以使水平极化和垂直极化的馈电探针可以通过且馈电探针不与接地面接触，接地面四周有延长线，延长线主要作用是用于降低垂直极化的交叉极化。
进一步地，所述八对寄生贴片在辐射偶极子外围，呈圆周形排布，位于介质板底面。
进一步地，八对引向单元也在辐射偶极子周围，与寄生贴片呈圆周形错落分布，位于介质板底面。
进一步地，对垂直极化而言,SMA馈电头位于接地面中心，馈电头外层金属连接地面，内芯穿过介质板中心通孔连接“花瓶”状辐射部分；垂直极化“太阳”形接地面即为水平极化接地面；“花瓶”状辐射部分材料为金属铝，中空，分上下部分，上部分螺旋半径为4mm，下部分螺旋半径为0.3mm，底部端口用金属封闭，顶部端口开口。
本发明具有如下优点：
该天线同时具备低剖面、宽阻抗带宽、高隔离度、高增益、低不圆度、低交叉极化特性。
[附图说明]
图1为本发明天线立体图。
图2为本发明天线仰视图。
图3为本发明垂直极化结构图。
图4为天线的水平极化结构图。
图5为本发明天线立体透视图。
图6为本发明天线水平极化S参数和增益图。
图7为本发明天线垂直极化S参数和增益图。
图8为本发明天线天线辐射方向图。
其中1为“花瓶”状垂直极化辐射结构、2为垂直极化馈电端口、3为介质板、4为辐射偶极子、5为水平极化馈电端口、6为引向单元、7为寄生贴片、8为延长线、9为接地面、 10“太阳”形接地面。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明。
实施例
如图1、2所示，天线主要包括两部分：水平极化部分和垂直极化部分。水平极化部分包含SMA馈电头、一分八馈电网络、上下各四对辐射偶极子、介质板3、“太阳”形接地面10、八对寄生贴片7、八对引向单元6；垂直极化部分包含SMA馈电头、“太阳”形接地面10、“花瓶”状垂直极化辐射结构1。所述水平极化单元位于介质板3上，介质板3呈圆形，水平极化单元以介质板3的中心为圆心均匀向外设置，所述垂直极化单元位于水平极化单元圆心且垂直于水平极化单元，即垂直于介质板3。
如图4所示，天线的水平极化部分结构图，水平极化部分是在一块厚度为1mm，介电常数为4.4的FR4介质板两面覆铜，馈电网络和偶极子的其中一极覆于介质板上面，接地面和其它部分覆于介质板底面，具体结构如下：
SMA馈电头端口阻抗为50Ω，用于馈电；一分八馈电网络输入端口连接馈电头内芯，各输出端口信号输出相同，每个输出端均连接辐射偶极子的其中一极，其中馈电网络通过在介质板表面覆铜的工艺完成；八对辐射偶极子每一对都相同，偶极子覆于介质板上下表面，偶极子上下两极对称，其为水平极化的辐射部分，通过八对偶极子的圆周排布可进行水平面 360°信号辐射；介质板厚度1mm，半径53mm，介电常数4.4，中心开有0.5mm小孔以使垂直极化内芯可以通过，通孔为金属化过孔；“太阳”形接地面介质板中心开有半径为1.5mm的小孔以使垂直极化的馈电探针可以通过且馈电探针不能与接地面接触，接地面四周有延长线，延长线主要作用是用于降低垂直极化的交叉极化；八对寄生贴片在辐射偶极子外围，呈圆周形排布，位于介质板底面；八对引向单元也在辐射偶极子周围，到辐射偶极子的距离相比寄生贴片到辐射偶极子的距离更远，与寄生贴片呈圆周形错落分布，位于介质板底面。
本发明天线个尺寸如下所示：
参数 H1 H2 H3 H4 H5 D1 D2 D3 D4 D5 R1 R2 R3 R4 R5 R6 W1 W2
尺寸/mm 1 1.5 11.4 29 0.6 7.5 20.7 28.7 12.7 20.7 22.5 27.6 34.5 38 45 50 2 1.88
参数 W3 W4 W5 L1 L2 A1 A2 A3 R11 R22 R33 R44 Wa1 Wa2 Wa3 Wb1 Wb2 Wb3
尺寸/mm 5 3 3 8.5 5 19 20 20 9 13.5 18 27.6 1.4 1.65 1.9 0.45 0.81 1.17
参数 Wc1 Wc2 Wc3 Wd1 Wd2 Wd3 We1 We2 We3 Wf1 Wf2 Wf3 Wg1 Wg2 Wg3 La Lc Le
尺寸/mm 1.17 1.53 1.89 0.45 0.81 1.17 1.17 1.53 1.89 0.45 0.81 1.17 1.17 1.53 1.89 2 1.5 1.5
参数 Lg W L
尺寸/mm 1.5 5 5.1
图3为天线的垂直极化部分结构图，垂直极化部分与水平极化部分共用“太阳”形接地面，具体结构如下：
SMA馈电头位于接地面中心，馈电头外层金属连接地面，内芯穿过介质板中心通孔连接“花瓶”状辐射部分；垂直极化“太阳”形接地面即为水平极化接地面；“花瓶”状辐射部分材料为金属铝，中空，分上下部分，上部分螺旋半径为4mm，下部分螺旋半径为0.3mm，底部端口用金属封闭，顶部端口开口。
传统天线要在一个极化中实现两个频段的覆盖，往往需要两个单元才能满足要求，如用传统天线的设计方法，双频双极化天线每个极化方向上需两个辐射单元，共需4个辐射单元才能满足双频双极化的要求。相比传统天线，本发明仅用一个水平极化单元和一个垂直极化单元就满足了5G室分天线双频双极化的要求。相比传统室分天线，本发明利用新颖的“花瓶”螺旋状垂直极化结构将天线的剖面从40.5mm降到27.5mm，效果很明显；该结构降低了高度的同时也降低了天线垂直极化的不圆度和提升了垂直极化的增益。通过在接地面圆周加入延长线大大降低了垂直极化的交叉极化，相比未加入情况，加入后垂直极化的交叉极化从 -18dB降到-35dB左右，大大降低了交叉极化。
对于宽频、高增益和双极化特性，传统天线的技术只能在某一特性上进行了提升，如前文中提到有的技术是实现了高增益但其不圆度较差；实现了较好的不圆度，但其阻抗带宽较窄。本发明对传统天线的技术进行了分析总结探讨，将其技术应用到了同一款天线上，如加入寄生贴片拓展阻抗带宽和加入引向单元提升增益等，这两个技术传统天线中已有应用，本发明将这两个技术应用到同一款天线上，不但提升了增益拓展了带宽还收到了降低水平极化不圆度的效果。因此，本发明是将传统技术进行了总结分析，应用到同一款天线上对各个技术进行权衡优化，最终达到最好的效果，完成了高性能5G室分天线的设计。
对于天线的宽频特性，本发明采用在水平极化贴片外围加入了寄生贴片的方式来拓展天线的水平极化阻抗带宽。
对于天线高增益特性，本发明采用在水平极化辐射贴片外围加入引向单元的方式构成类八木天线结构从而提升水平极化的增益。
对于天线低不圆度特性，本发明水平极化方向通过寄生贴片和引向单元的共同作用加强辐射贴片同一方向的电流，使得辐射更加均匀从而降低水平极化不圆度；垂直极化方向采用新颖美观的“花瓶”状结构使得辐射更均匀，从而降低不圆度。
对于天线低交叉极化特性，本发明通过在接地面圆周上加入延长线形成一个太阳形的接地面的方式降低垂直极化的交叉极化。
对于天线的低剖面特性，本发明采用“花瓶”螺旋式的结构，在保证等效电流长度相等的前提下将辐射面弯曲从而降低天线的高度。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于5G通信的全向室分天线，其特征在于，包括水平极化单元、垂直极化单元、介质板、馈电网络；所述水平极化单元位于介质板上，介质板呈圆形，水平极化单元以介质板中心为圆心均匀向外设置，所述垂直极化单元位于水平极化单元圆心且垂直于水平极化单元，即垂直于介质板；水平极化单元包含SMA馈电头、一分八馈电网络、八对辐射偶极子、FR4介质板、“太阳”形接地面、八对寄生贴片、八对引向单元；垂直极化单元包含SMA馈电头、“太阳”形接地面、“花瓶”状垂直极化辐射结构。
2.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述垂直极化单元与水平极化单元共用“太阳”形接地面。
3.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述介质板为一块厚度为1mm，介电常数为4.4的FR4介质板，且上下两面覆铜，馈电网络和偶极子的其中一极覆于介质板上面，接地面覆于介质板底面。
4.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述一分八馈电网络输入端口连接水平极化SMA馈电头内芯，各输出端口信号输出相同，每个输出端均连接辐射偶极子的其中一极。
5.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述八对辐射偶极子每一对都相同，偶极子覆于介质板上下表面，偶极子上下两极对称，其为水平极化的辐射部分。
6.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述介质板开有两个半径为0.5mm的小孔以使水平极化和垂直极化的内芯可以通过，通孔均为金属化过孔。
7.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述“太阳”形接地面内芯通过的位置均开有半径为1.5mm的小孔以使水平极化和垂直极化的馈电探针可以通过且馈电探针不与接地面接触，接地面四周有延长线，延长线主要作用是用于降低垂直极化的交叉极化。
8.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，所述八对寄生贴片在辐射偶极子外围，呈圆周形排布，位于介质板底面。
9.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，八对引向单元也在辐射偶极子周围，与寄生贴片呈圆周形错落分布，位于介质板底面。
10.根据权利要求1所述的一种全向室分天线，其特征在于，对垂直极化而言,SMA馈电头位于接地面中心，馈电头外层金属连接地面，内芯穿过介质板中心通孔连接“花瓶”状辐射部分；垂直极化“太阳”形接地面即为水平极化接地面；“花瓶”状辐射部分材料为金属铝，中空，分上下部分，上部分螺旋半径为4mm，下部分螺旋半径为0.3mm，底部端口用金属封闭，顶部端口开口。
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