CN110233332A - 基于枝节加载和寄生结构的基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于枝节加载和寄生结构加载的小型化基站天线单元，由辐射贴片、角形金属结构、寄生环结构、微带馈线、同轴馈线、短路金属、反射板、三块不同的介质板和馈电地板构成；四个角形金属结构分别位于四个偶极子臂的末端，寄生环结构位于辐射贴正下方，反射板由水平结构和四周的金属挡板组成。本发明通过在偶极子臂末端加载角形金属柱和在辐射贴片下方加载金属环结构将辐射贴片尺寸缩小了25％，阻抗匹配好，辐射性能稳定；采用馈电地板与反射板分离的结构，使得天线组装灵活，且适合大规模生产。本发明可应用于空间尺寸受限情况下的基站天线阵列。

Description

基于枝节加载和寄生结构的基站天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种基于枝节加载和寄生结构的基站天线，可应用于小列间距下的天线阵列和多频天线阵列。
背景技术
随着无线通讯技术的发展，现代移动通信基站天线朝着宽带化、小型化、多制式系统共存和低成本等方向发展。作为移动通信系统当中信息收发至关重要的部分，小型化、宽带基站天线、多制式共存基站天线的研究备受关注。在满足带宽、稳定的方向图、低交叉极化等特性下，天线结构的小型化有利于实现宽带化和多制式共存，因此，只有天线辐射结构足够小，才能有利于实现宽带多阵列天线和阵列天线的小型化。
天线结构的小型化包括两个方面：一个方面指的是天线辐射结构的小型化；另一方面指的是天线剖面高度的降低，也就是指低剖面天线。目前降低天线剖面高度主要是通过采用新型人工磁导体反射板代替传统的金属反射板，利用人工磁导体的零反射相位来降低天线剖面高度。天线辐射结构的小型化，主要采用高介电常数的介质板，通过调整介质板的介电常数，可以有效地缩小辐射结构的尺寸。这种方法导致的主要问题是：1、介质损耗大；2、辐射增益低；3、加工成本较高。
例如，广州司南天线设计研究所有限公司在其申请的名称为“小型化双极化基站天线”(申请号201410657578.4，CN 104953241 B)授权的专利文献中，公开了一种小型化双极化基站天线，由辐射装置和馈电单元构成，辐射装置由四个交叉振子及四组对称的带状线构成，四组对称的带状线位于辐射装置中心，与交叉振子连接并对四个交叉振子进行匹配馈电，在辐射装置的中心，四组对称的带状线的相邻导体互相连接起来，整体形成一个首位衔接的闭合导体环，但是，阻抗带宽较窄。
例如，重庆邮电大学在其申请的名称为“一种加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元”(申请号201610169331.7，CN 105762508 A)申请的专利文献中，公开了一加载金属柱的宽频带双极化移动基站天线单元，该天线单元从上往下依次包括馈电结构、介质板、蝶形辐射结构，短金属柱、同轴线、塑料支撑住和金属反射板。虽然，该发明通过采用短金属柱缩小了主辐射结构尺寸，但是受到短金属柱结构的限制，天线的阻抗匹配和辐射特性受到影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于枝节加载和寄生结构的基站天线，用于解决多阵列结构下空间有限的技术问题。
实现本发明的具体思路是：采用交叉偶极子作为主要辐射结构，通过在偶极子臂末端加载角形寄生结构和在交叉偶极子正下方加载寄生环结构，使得天线谐振频率向低频端偏移，从而缩小天线主辐射结构的尺寸。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，包括辐射结构、反射板和馈电地板，所述的辐射结构由交叉偶极子、四个相同的角形金属柱、寄生金属环、微带馈线、同轴线、两个相同的短路金属柱、第一介质板、第二介质板和第三介质板组成；所述的第一介质板、第二介质板和第三介质板均位于反射板正上方；所述的交叉偶极子、馈电地板分别印制在第一介质板、第三介质板的下表面；所述的两个相同的短路金属柱与馈电地板相连接；所述的四个相同的角形金属柱位于该第一介质板和第二介质板之间，该四个相同的角形金属柱的一端与第一介质板相连，且与交叉偶极子的四个臂的末端相连接，另一端与第二介质板连接；所述的寄生金属环位于交叉偶极子的正下方，且印制在第二介质板的上表面，该寄生金属环呈正方形环状结构，其正方形环状结构的各边由N个矩形、圆形、或椭圆形组成，N≥1；所述的四个相同的角形金属柱和寄生金属环，且关于第一介质板、第二介质板和第三介质板中心的Z轴对称分布。
上述权利要求中，所述的第一介质板、第二介质板和第三介质板相互平行，且第一介质板与第二介质板之间的距离为表示为H1，其中H1为5～20mm。
上述权利要求中，所述的四个相同的角形金属柱分别位于第一介质板对角线的两端，且垂直于第一介质板。
上述权利要求中，所述的每个角形金属柱长表示为L2，高表示为H2，厚度表示为T1,其中，L2为0.5～5mm，H2为5～20mm，T1为0.5～3mm。
上述权利要求中，所述的寄生金属环呈正方形环状结构，且距离第二介质板边缘的距离为L3，其中L3为0.5～5mm。
上述权利要求中，所述的寄生金属环的线宽表示为W1，每个矩形环的宽度为W2，长度为L1，其中，W1为0.5～3mm，W2为3～10mm，L1为5～12mm。
上述权利要求中，所述的第一介质板、第二介质板和第三介质板介电常数为2.2～6.5。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一、本发明通过采用四个相同的位于第一介质板和第二介质板之间的角形金属柱,以及呈正方形的寄生金属环结构，缩小了辐射结构的横向尺寸，克服了现有技术中天线辐射结构尺寸大的技术问题，天线辐射结构横向尺寸缩小了25％。
第二、本发明采用同轴线直接馈电，并采用短路金属结构作为巴伦结构来进行平衡馈电，克服了现有技术中采用巴伦耦合馈电结构效率不高的技术问题，天线辐射增益更高，且馈电结构简单，有利于实际应用中直流接地。
第三、本发明所提出的天线结构阻抗匹配好，辐射性能稳定；采用馈电地板与反射板分离的结构，使得天线组装灵活，且适合大规模生产。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图
图2是本发明主辐射结构示意图
图3是本发明中交叉偶极子的俯视图
图4是本发明中寄生环和第二介质板的结构示意图
图5是本发明中角形金属结构的示意图
图6是本发明S参数的仿真结果图
图7是本发明的辐射增益的仿真结果图
图8是本发明的半功率波束宽度的仿真结果图
图9是本发明的平面归一化方向图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明
实施例1
参照图1、图2、图3、图4和图5
一种基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，包括辐射结构1、反射板2和馈电地板3，所述的辐射结构1由交叉偶极子1.1、四个相同的角形金属柱1.2、寄生金属环1.3、微带馈线1.4、同轴线1.5、两个相同的短路金属柱1.6、第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9组成；所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9均位于反射板正上方；所述的交叉偶极子1.1、馈电地板3分别印制在第一介质板1.7、第三介质板1.9的下表面；所述的两个相同的短路金属柱1.6与馈电地板3相连接；
所述的四个相同的角形金属柱1.2位于该第一介质板1.7和第二介质板1.8之间，该四个相同的角形金属柱1.2的一端与第一介质板1.7相连，且与交叉偶极子的四个臂的末端相连接，另一端与第二介质板1.8连接；所述的寄生金属环1.3位于交叉偶极子1.1的正下方，且印制在第二介质板1.8的上表面，该寄生金属环1.3呈正方形环状结构，其正方形环状结构的各边由N个矩形、圆形、或椭圆形组成，N≥1；所述的四个相同的角形金属柱1.2和寄生金属环1.3，且关于第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9中心的Z轴对称分布。
本发明中的四个角形金属柱1.2通过与交叉偶极子1.1的末端相连，从而延长电流路径，使得天线的谐振频率向低频偏移，而天线的谐振频率由辐射贴片的物理尺寸决定，辐射贴片的物理尺寸越小，其谐振频率越高，所以，通过缩小交叉偶极子1.1的尺寸使天线的谐振频率向高频偏移，从而达到在工作频率不变的情况下，缩小了辐射贴片的尺寸；本发明中的寄生金属环1.3与交叉偶极子1.1之间存在电容耦合，这个耦合电容使天线的谐振频率向低频偏移，同样，我们通过缩小交叉偶极子的尺寸使得谐振频率往高频偏移，从而达到在工作频率不变的情况下，缩小辐射贴片的尺寸。
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9相互平行，且第一介质板与第二介质板之间的距离为表示为H1,其中H1为5～20mm。本发明中的H1优选为14mm。
所述的四个相同的角形金属柱1.2分别位于第一介质板1.7对角线的两端，且垂直于第一介质板1.7。
所述的每个角形金属柱(1.2)长表示为L2，高表示为H2，厚度表示为T1,其中，L2为0.5～5mm，H2为5～20mm，T1为0.5～3mm。本发明中的L2优选为2mm，H2优选为15mm，T1优选为1.5mm。
所述的寄生金属环1.3呈正方形环状结构，且距离第二介质板边缘的距离为L3，其中L3为0.5～5mm。本发明中的L3优选为1mm。
所述的寄生金属环(1.3)的线宽表示为W1，每个矩形环的宽度为W2，长度为L1，其中，W1为0.5～3mm，W2为3～10mm，L1为5～12mm。本发明中的W1优选为1mm，W2优选为5mm，L1优选为8mm。
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9介电常数为2.2～6.5。本发明中介电常数优选为4.4。
实施例2
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9相互平行，且第一介质板与第二介质板之间的距离为表示为H1，其中H1为5～20mm。H1为5mm。
所述的四个相同的角形金属柱1.2分别位于第一介质板1.7对角线的两端，且垂直于第一介质板1.7。
所述的每个角形金属柱1.2长表示为L2，高表示为H2，厚度表示为T1,其中，L2为0.5～5mm，H2为5～20mm，T1为0.5～3mm。L2为0.5mm，H2为5mm，T1为0.5mm。
所述的寄生金属环1.3呈正方形环状结构，且距离第二介质板边缘的距离为L3，其中L3为0.5～5mm。L3为0.5mm。
所述的寄生金属环(1.3)的线宽表示为W1，每个矩形环的宽度为W2，长度为L1，其中，W1为0.5～3mm，W2为3～10mm，L1为5～12mm。W1为0.5mm，W2为3mm，L1为12mm。
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9的介电常数为2.2～6.5。介电常数为2.2。
实施例3
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9相互平行，且第一介质板与第二介质板之间的距离为表示为H1，其中H1为5～20mm。H1为20mm。
所述的四个相同的角形金属柱1.2分别位于第一介质板1.7对角线的两端，且垂直于第一介质板1.7。
所述的每个角形金属柱(1.2)长表示为L2，高表示为H2，厚度表示为T1,其中，L2为0.5～5mm，H2为5～20mm，T1为0.5～3mm。L2为5mm，H2为20mm，T1为3mm。
所述的寄生金属环1.3呈正方形环状结构，且距离第二介质板边缘的距离为L3，其中L3为0.5～5mm。L3为5mm。
所述的寄生金属环(1.3)的线宽表示为W1，每个矩形环的宽度为W2，长度为L1，其中，W1为0.5～3mm，W2为3～10mm，L1为5～12mm。W1为3mm，W2为10mm，L1为5mm。
所述的第一介质板1.7、第二介质板1.8和第三介质板1.9的介电常数为2.2～6.5。介电常数为6.5。
以下结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述
参照图6、图7、图8和图9
1、仿真条件：
本发明的仿真实验是利用商业电磁仿真软件HFSS_17.0进行建模仿真。
2、仿真内容
对本发明的S参数、增益、半功率波束宽度和归一化方向图进行仿真计算，
图6的横坐标为工作频率，纵坐标为S参数；图中S11和S22分别为两个端口的反射系数，S12为传输系数。
图7是辐射增益曲线，横坐标为工作频率，纵坐标为增益值。
图8(a)为水平面的半功率波束宽度，横坐标为工作频率，纵坐标为半功率波束宽度；图8(b)为垂直面的归一化方向图，横坐标为工作频率，纵坐标为半功率波束宽度。
图9(a)为中心频率2.2GHz频点对应水平面的归一化方向图，图9(b)为中心频率2.2GHz频点对应垂直面的归一化方向图。
3、仿真结果分析：
从图6中可知，本发明中的S11和S22在1.7～2.7GHz频段均小于-15dB，S12曲线在1.7～2.7GHz频段小于-27dB，端口隔离度高。
从图7中可知，本发明在1.7～2.7GHz频段增益为8～8.8dBi，辐射性能稳定。
从图8中可知，在1.7～2.7GHz频段水平面的半功率波束宽度为63.7～72.5°，垂直面的半功率波束宽度为63.7～72.5°，辐射性能稳定。
在图9中，实线表示主极化方向图，虚线表示交叉极化方向图，从图中可知，天线交叉极化较低，主极化方向图后瓣低，定向辐射性能强。
以上仿真结果说明，本发明基站天线具有良好的匹配特性和辐射特性，同时与现有的由交叉偶极子构成的双极化基站天线相比，具有更小的主辐射结构尺寸。
以上描述与实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，包括辐射结构(1)、反射板(2)和馈电地板(3)，所述的辐射结构(1)由交叉偶极子(1.1)、四个相同的角形金属柱(1.2)、寄生金属环(1.3)、微带馈线(1.4)、同轴线(1.5)、两个相同的短路金属柱(1.6)、第一介质板(1.7)、第二介质板(1.8)和第三介质板(1.9)组成；所述的第一介质板(1.7)、第二介质板(1.8)和第三介质板(1.9)均位于反射板正上方；所述的交叉偶极子(1.1)、馈电地板(3)分别印制在第一介质板(1.7)、第三介质板(1.9)的下表面；所述的两个相同的短路金属柱(1.6)与馈电地板(3)相连接；
其特征在于，所述的四个相同的角形金属柱(1.2)位于该第一介质板(1.7)和第二介质板(1.8)之间，该四个相同的角形金属柱(1.2)的一端与第一介质板(1.7)相连，且与交叉偶极子的四个臂的末端相连接，另一端与第二介质板(1.8)连接；所述的寄生金属环(1.3)位于交叉偶极子(1.1)的正下方，且印制在第二介质板(1.8)的上表面，该寄生金属环(1.3)呈正方形环状结构，其正方形环状结构的各边由N个矩形、圆形、或椭圆形组成，N≥1；所述的四个相同的角形金属柱(1.2)和寄生金属环(1.3)，且关于第一介质板(1.7)、第二介质板(1.8)和第三介质板(1.9)中心的Z轴对称分布。
2.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的第一介质板(1.7)、第二介质板(1.8)和第三介质板(1.9)相互平行，且第一介质板与第二介质板之间的距离表示为H1，其中，H1为5～20mm。
3.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的四个相同的角形金属柱(1.2)分别位于第一介质板(1.7)对角线的两端，且垂直于第一介质板(1.7)。
4.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的每个角形金属柱(1.2)长表示为L2，高表示为H2，厚度表示为T1，其中，L2为0.5～5mm，H2为5～20mm，T1为0.5～3mm。
5.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的寄生金属环(1.3)呈正方形环状结构，且距离第二介质板边缘的距离为L3，其中，L3为0.5～5mm。
6.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的寄生金属环(1.3)的线宽表示为W1，每个矩形环的宽度为W2，长度为L1，其中，W1为0.5～3mm，W2为3～10mm，L1为5～12mm。
7.根据权利要求1所述的基于枝节加载和寄生结构加载的基站天线，其特征在于，所述的第一介质板(1.7)、第二介质板(1.8)和第三介质板(1.9)的介电常数为2.2～6.5。
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