CN110289482A - 一种宽频带双极化双宽面天线单元及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双极化双宽面天线单元，包括介质板、四个磁电偶极子、馈电网络、十二个铜柱，所述介质板上表面为反射地，四个磁电偶极子以及十二个铜柱均设置在介质板的反射地上，介质板上下表面均覆铜，所述每个磁电偶极子结构相同，上部为四分之一圆的扇形，下部通过90°角的L形结构支撑，扇形水平面的中间有一环形镂空结构，垂直面也为镂空结构；每个磁电偶极子之间均间隔缝隙，缝隙呈十字形状，所述十字形状用于放置馈电网络的馈电结构，用于给磁电偶极子供电，所述十二个铜柱排布成一圆环状且包围四个磁电偶极子。该天线同时具备宽频带、双圆极化、高交叉极化水平等特性，在实现双宽覆盖面的同时增益保证在较高稳定水平。

Description

一种宽频带双极化双宽面天线单元及天线阵列

[技术领域]

本发明涉及适用于无线宽带通信系统的天线技术领域，具体涉及一种宽频带双极化双宽面天线单元及天线阵列。

[背景技术]

2017年工信部发布了第五代移动通信系统(5G)的低频段标准。时至今日，5G已正式进入实际商用阶段,国家和企业都在该领域大力布局。5G通信系统需要具备高速率数据传输、多维度宽覆盖、高度集成化等性能特征，因而对5G天线提出了较传统天线更加苛刻的要求。首先，5G天线体积变小，因此对制作的精度要求极大提高；同时，双极化天线和双宽覆盖面天线可以降低基站天线的单元数量，提升天线传输容量，是降低基站建设成本和提升天线传输容量的关键技术，5G天线趋向兼备多极化特性及双宽覆盖面等特性；而且，为满足日益增长的通信需求以及多样化应用场景，高增益多极化阵列以及宽角度扫描阵列也是目前发展的重点方向。

另外5G通信频率的升高，会使得信号在传输过程中相比低频的4G通信损耗更大。另现如今人们生活水平提高，人口密度和建筑密度更大，所需天线数量及通讯容量更大但同时由于楼房的遮挡传输的损耗也会变大，这样的情况下传统的通信天线显然是无法满足5G通信天线的需求的。因此此背景下发明一款能兼顾信道容量、宽角度覆盖面以及增益的天线显得非常有必要。多极化技术和宽覆盖面技术将是5G移动通信数据传输的关键技术，具有很重要的科学研究和实际应用价值。

宽覆盖面天线能够在相同条件下使用更少天线单元覆盖更大的辐射范围，减少天线使用数量，降低成本。常见增加辐射面方法一般只能扩宽单面的宽度，且需要对辐射贴片或反射地板做弯曲、加大等操作，增加天线制作难度；另外，宽覆盖面天线能量分布在较宽的范围内，必然导致天线增益的降低，在实现宽辐射覆盖面的同时又保证天线增益满足要求是一个难点。

[发明内容]

本发明目的是提供一款能覆盖3.3-5.0GHz频段的应用于5G的宽频带双宽面双圆极化天线单元，以及两款分别是双极化高增益和双极化宽角度波束扫描的天线阵列。

本发明的技术方案如下：

一种双宽面双极化宽角度天线单元，包括介质板、四个磁电偶极子、馈电网络、十二个铜柱，所述介质板上表面为反射地，四个磁电偶极子以及十二个铜柱均设置在介质板的反射地上，介质板上下表面均覆铜，所述每个磁电偶极子结构相同，上部为四分之一圆的扇形，下部通过90°角的L形结构支撑，扇形水平面的中间有一环形镂空结构，垂直面也为镂空结构；每个磁电偶极子之间均间隔缝隙，缝隙呈十字形状，所述十字形状用于放置馈电网络的馈电结构，用于给磁电偶极子供电，所述十二个铜柱排布成一圆环状且包围四个磁电偶极子。

进一步地，所述馈电结构采用L形馈电结构，馈电结构上设有金属化过孔，两馈电垂直交叉放置，有90°相位差。

进一步地，通过馈电网络上设置3dB耦合器，形成耦合电桥，直接对馈电结构进行馈电。

进一步地，还包括2个馈电端口，连接耦合器，分别在端口加载信号时，到达天线单元的两路信号能量均分且相差90°，分别形成左旋圆极化和右旋圆极化。

另一方面，本发明还提供一种双极化高增益天线阵列，包含上述四个天线单元组成的2×2阵列，整个馈电网络包括一个3dB耦合器以及一分四馈电网络，通过一分八电网络对单元馈电结构进行馈电，所述3dB耦合器设置在一分四馈电网络和两个馈电端口之间，同时起到功分作用，控制能量分配与相位变化。

进一步地，对铜柱位置进行了调整，使得相邻天线单元之间共用一个铜柱，公用铜柱减小间距，减少表面波，可以提高隔离度。

另一方面，本发明还提供一种双极化宽角度波速扫描天线阵列，包含上述八个天线单元组成的1×8阵列，通过外接功率分配器、相移器进行能量分配以及相位变化，所述功率分配器与相移器连接，所述相移器与馈电端口连接。

进一步地，对铜柱位置进行了调整，使得相邻天线单元之间共用三个铜柱，公用铜柱减小间距，减少表面波，可以提高隔离度。

本发明具有如下优点：

该天线同时具备宽频带、双圆极化、高交叉极化水平等特性，在实现双宽覆盖面的同时增益保证在较高稳定水平。

[附图说明]

图1为本发明天线单元立体图。

图2为本发明天线单元磁电偶极子。

图3为本发明天线单元馈电结构。

图4为天线的天线单元馈电网络。

图5为本发明实施例2天线阵列立体图。

图6为本发明天线阵列馈电网络。

图7为本发明实施例3天线阵列示意图。

图8为本发明天线单元S参数以及增益。

图9为本发明3dB轴比带宽。

图10为本发明天线单元宽E面辐射双极化方向图。

图11为本发明天线单元宽H面辐射双极化方向图。

图12为本发明2×2阵列3dB轴比图及增益图。

图13为本发1×8波束扫描的结果图

图14为本发1×8波束扫描的间距对栅瓣的对比图。

其中1为介质板，2为磁电偶极子，21为四分之一圆的扇形，22为垂直面镂空部分，23为环形镂空结构，3为铜柱，31为共用铜柱，4为馈电结构，41为金属化过孔，5为3dB耦合器。

[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1

如图1-4所示，一种双宽面双极化宽频带天线单元，包括介质板1、四个磁电偶极子2、馈电结构、十二个铜柱3，所述介质板两面都有敷0.05mm铜层，上表面为反射地，四个磁电偶极子2以及十二个铜柱3均设置在介质板1的反射地上，所述馈电结构用于给磁电偶极子2供电，所述每个磁电偶极子2结构相同，上部为四分之一圆的扇形21，下部通过90°角的L形结构支撑，扇形水平面的中间有一环形镂空结构23，垂直面也为镂空结构22，每个磁电偶极子2之间均间隔缝隙，缝隙呈十字形状，所述十字形状用于放置馈电网络的馈电结构，所述十二个铜柱排布成一圆环状且包围四个磁电偶极子2。为实现90°相差，馈电网络中加入3dB耦合器5形成耦合电桥，同时馈电结构采用90°相差垂直交叉馈电方式。图4为3dB耦合馈电网络，还包括馈电线，所述馈电线连接2个馈电端口，当端口一加载信号时，输出均分的两路能量，并且相位延迟90°，再将信号传至图3的交叉垂直馈电结构，实现左旋圆极化，同理端口二加载信号时实现右旋圆极化。本发明分别在端口加载信号时，到达天线单元的两路信号能量均分且相差90°，分别形成左旋圆极化和右旋圆极化。

在磁电偶极子2外围增加一圈接地铜柱3，弯曲的电极子壁电流与接地铜柱电流共同合成一个环形电流。它们分别对应产生常规窄波束的定向辐射方向图及“8”字形辐射方向图，根据辐射叠加原理合成一个宽波束定向辐射方向图，达到双宽面的效果，同时可作为寄生结构，在宽覆盖面时又能维持较好的辐射增益。此外，弯折的辐射贴片有利于构造弧形的辐射结构，实现宽辐射面特征。

当端口一加载信号时，输出均分的两路能量，并且Out2比Out1相位延迟90°，再将信号传至图3的交叉垂直馈电结构，实现左旋圆极化，同理端口二加载信号时实现右旋圆极化。

本发明利用单个天线可实现左旋圆极化与右旋圆极化转换，成倍扩宽信道容量；目前天线较多只能做到单独一面满足宽面，且增益下降严重，如图10、11，本发明E面和H面覆盖均超过100°，有效减少天线使用数量，在具备双宽覆盖面的同时将增益维持在5—6dB，满足基本使用要求镂空环形磁偶极子能节省材料降低成本，同时产生环形电流易于形成圆极化，弯曲折叠电偶极子能降低剖面，磁电偶极子外围一圈铜柱为辐射叠加部分，同时扩宽E面H面宽度并稳定增益。

本发明覆盖频率3.3-5.0Ghz，较普通宽频天线覆盖频段(3.3-3.6Ghz,4.8-5.0Ghz)更宽，相对带宽可达41％；另外，一般3dB电桥电路覆盖频率都较窄，如图9，本发明通过添加枝节实现宽覆盖范围，较一般单枝节电桥提升很大。

实施例2

为满足5G多场景应用，如图5、6、12所示，在实施例1的基础上，提供一种双极化高增益天线阵列，由四个天线单元组成的2×2阵列，其单元结构的磁电偶极子以及铜柱与实施例1的天线单元相同，相邻天线单元间距48mm(0.65λ)排布，同时采用不同的馈电网络，利用同一天线单元，由一个3dB耦合器5及一分八电网络组合而成的高增益双极化阵列天线，所述3dB耦合器设置在一分四馈电网络和两个馈电端口之间，相邻天线单元之间共用一个铜柱。通过调整圆柱排布位置及大小高度，可有效减少天线表面波影响，提高隔离度，通过3dB耦合器实现相位差，同时起到功分作用，控制能量分配与相位变化。两个端口加载信号时分别产生左旋圆极化和右旋圆极化，且最高增益可达14.5dB。

实施例3

如图7所示，在实施例1的基础上，提供一种双极化宽角度波速扫描天线阵列，通过采用功率分配器结合相移器控制宽覆盖面天线单元，组合成一个1×8阵列，其单元结构的磁电偶极子以及铜柱与实施例1的天线单元相同，同时不使用馈电网络，该天线阵列馈电采用外接功率分配器、相移器，所述功率分配器分别与两个相移器连接，利用电脑及FPGA单片机控制每个单元的相位差，使每相邻单元间有一个165°相位差，可以获得宽扫描角度的天线阵列，实现波束扫描，扫描角度最大可达-65°至+65°。

对铜柱位置进行了调整，使得相邻天线单元之间共用三个铜柱，公用铜柱减小间距，减少表面波，可以提高隔离度。

图13、14为本发1×8波束扫描的结果图和间距对栅瓣的对比图。施加165°相移的时候扫描角度最大，间距34.5的时候栅瓣最小。

本发明提供的三件实施方式，均可以通过环氧树脂3D打印制作，整个天线一体化成型，表面镀铜实现电磁辐射，馈电结构由介质板刻印后直接嵌入即完成安装，快速简易制作，该方式比一般铜皮制作会简单方便，建构也更稳固。

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 (8)

1.一种宽频带双宽面双极化天线单元，包括介质板、四个磁电偶极子、馈电网络、十二个铜柱，所述介质板上表面为反射地，四个磁电偶极子以及十二个铜柱均设置在介质板的反射地上，介质板上下表面均覆铜，所述每个磁电偶极子结构相同，上部为四分之一圆的扇形，下部通过90°角的L形结构支撑，扇形水平面的中间有一环形镂空结构，垂直面也为镂空结构；每个磁电偶极子之间均间隔缝隙，缝隙呈十字形状，所述十字形状用于放置馈电网络的馈电结构，用于给磁电偶极子供电，所述十二个铜柱排布成一圆环状且包围四个磁电偶极子。

2.根据权利要求1所述的宽频带双宽面双极化天线单元，其特征在于，所述馈电结构采用L形馈电结构，馈电结构上设有金属化过孔，垂直交叉放置，两端口相位相差90°。

3.根据权利要求1所述的宽频带双宽面双极化天线单元，其特征在于，通过馈电网络上设置3dB耦合器，形成耦合电桥，直接对馈电结构进行馈电。

4.根据权利要求1所述的宽频带双宽面双极化天线单元，其特征在于，还包括2个馈电端口，连接耦合器，分别在端口加载信号时，到达天线单元的两路信号能量均分且相差90°，分别形成左旋圆极化和右旋圆极化。

5.一种双极化高增益天线阵列，其特征在于，包含如权利要求1所述的天线单元四个组成的2×2阵列，整个馈电网络包括一个3dB耦合器以及一分八馈电网络，通过一分八馈电网络对单元馈电结构进行馈电，所述3dB耦合器设置在一分四馈电网络和两个馈电端口之间，控制能量分配与相位变化。

6.根据权利要求5所述的双极化高增益天线阵列，其特征在于，对铜柱位置进行了调整，使得相邻天线单元之间共用一个铜柱，公用铜柱减小间距，减少表面波，可以提高隔离度。

7.一种双极化宽角度波速扫描天线阵列，其特征在于，包含如权利要求1所述的天线单元八个组成的1×8阵列，通过外接功率分配器、相移器进行能量分配以及相位变化，所述功率分配器与相移器连接，所述相移器与馈电端口连接。

8.根据权利要求7所述的双极化宽角度波速扫描天线阵列，其特征在于，对铜柱位置进行了调整，使得相邻天线单元之间共用三个铜柱，公用铜柱减小间距，减少表面波，可以提高隔离度。