CN110429374A - 宽带双极化滤波基站天线单元、基站天线阵列及通信设备 - Google Patents

宽带双极化滤波基站天线单元、基站天线阵列及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带双极化滤波基站天线单元、基站天线阵列及通信设备，所述天线单元包括四个振子臂、四个寄生枝节和馈电结构，其中两个振子臂相对设置，另外两个振子臂也相对设置，四个振子臂与四个寄生枝节一一对应，且每个振子臂与对应的寄生枝节耦合，所述馈电结构与四个振子臂连接；所述天线阵列包括至少两个上述的天线单元；所述通信设备包括上述的天线单元，或包括上述的天线阵列。本发明的辐射性能既可以实现高滚降的滤波特性和高极化隔离度，又可以尽量保证不引入额外的插入损耗以及多余的结构带来的占用面积，还可以扩展带宽，降低高度，实现了在宽频带内的稳定方向图。

Description

宽带双极化滤波基站天线单元、基站天线阵列及通信设备
技术领域
本发明涉及一种宽带双极化滤波基站天线单元、基站天线阵列及通信设备，属于射频通信领域。
背景技术
近年来，除了优化天线配置之外，滤波偶极天线还用于减少多频段基站天线系统中的带外耦合。为了实现滤波天线，传统的方法是级联滤波电路和天线，最后一级谐振器由天线辐射器代替。但是，额外滤波电路引起的插入损耗会降低天线增益或效率。为了避免这个问题，滤波结构与单极化天线辐射器集成在一起，包括短路过孔和U型槽、C型槽和超曲面结构。
在现有的双极化滤波偶极子天线设计中，要考虑如何扩展带宽，降低高度并实现通带边沿具有快速滚降的频率选择性和一定的带外抑制能力。此外，还要求双极化天线单元的两个端口之间实现高极化隔离度以及天线单元具备小型化特点。
具体文献如《Zhang X.Y.,Xue D.,Ye L.H.,et al.Compact Dual-Band Dual-PolarizedInterleaved Two-Beam Array With Stable Radiation Pattern Based onFiltering Elements[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2017,65(9):4566-4575》的设计中没有额外滤波电路的新型双极化滤波贴片天线，虽然实现了低剖面，但其带宽有限。还有的设计中《C.-F.Ding,X.-Y.Zhang,Y.Zhang,Y.-M.Pan and Q.Xue,“Compact broadbanddual-polarized filtering dipole antenna with highselectivity for base station applications,”IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2018，66(11)：5747-5756》提出了一种具有两个寄生环路的宽带滤波双极化天线，但是这种设计需要多个滤波结构，复杂的馈电巴伦和额外的基板。
中国专利申请公开号为CN106099352A的发明专利申请《一种紧凑型多频基站天线阵列》实现了滤波功能，但该专利申请没有实现双极化并且存在工作带宽也不够宽的问题。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种宽带双极化滤波基站天线单元，该天线单元的辐射性能既可以实现高滚降的滤波特性和高极化隔离度，又可以尽量保证不引入额外的插入损耗以及多余的结构带来的占用面积，还可以扩展带宽，降低高度，实现了在宽频带内的稳定方向图。
本发明的第二个目的在于提供一种基站天线阵列。
本发明的第二个目的在于提供一种通信设备。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种宽带双极化滤波基站天线单元，包括四个振子臂、四个寄生枝节和馈电结构，其中两个振子臂相对设置，另外两个振子臂也相对设置，四个振子臂与四个寄生枝节一一对应，且每个振子臂与对应的寄生枝节耦合，所述馈电结构与四个振子臂连接。
进一步的，每个振子臂的尺寸用于控制上阻带辐射零点产生的频率位置，每个寄生枝节的尺寸用于控制下阻带辐射零点产生的频率位置，每个振子臂与对应寄生枝节的耦合量以及该寄生枝节的尺寸用于实现辐射抑制零点独立可控的带通滤波。
进一步的，每个振子臂与对应寄生枝节的耦合量通过该振子臂的尺寸以及该振子臂与该寄生枝节之间的间距来控制。
进一步的，所述馈电结构包括两个相互正交的巴伦，每个巴伦包括馈电线，所述馈电线的下端与同轴线连接。
进一步的，每个巴伦还包括基板，所述馈电线设置在基板的正面，所述基板的背面为接地平面。
进一步的，所述基板的高度为天线单元中心频率所对应波长的四分之一。
进一步的，所述馈电结构为双极化巴伦，所述双极化巴伦具有四个面，任意两个相邻的面上分别设有馈电线和开路微带线，所述馈电线的上端通过金属棒与开路微带线的上端连接，馈电线的下端与同轴线连接。
进一步的，所述寄生枝节为U形结构、C形结构、V形结构或礼帽形结构。
进一步的，所述天线单元为交叉偶极子形式、碗状振子形式、缝隙天线形式或贴片天线形式。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基站天线阵列，包括至少两个上述的天线单元。
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种通信设备，包括上述的天线单元，或包括上述的天线阵列。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的天线单元设置了四个振子臂和四个寄生枝节，其中两个振子臂相对设置，构成一个极化振子臂，另外两个振子臂也相对设置，构成另一个极化振子臂，四个振子臂与四个寄生枝节一一对应，且每个振子臂与对应的寄生枝节耦合，可以在下阻带和上阻带分别产生两个辐射零点，产生良好的宽带辐射特性以及高滚降的带通滤波效果，其成本低廉、结构简单，无需额外滤波电路，仅通过在振子臂上加载寄生枝节，就可以在增加带宽的同时能引入高滚降的边沿滤波效果。
2、本发明的天线单元通过调节振子臂的尺寸，可以控制上阻带辐射零点产生的频率位置，通过调节寄生枝节的尺寸，可以控制下阻带辐射零点产生的频率位置，以实现良好的带通滤波特性且几乎不引入额外的损耗，并且通过调节振子臂与寄生枝节的耦合量以及寄生枝节的尺寸，可以实现辐射抑制零点独立可控的带通滤波，即可以自由独立改变滤波带通频段。
3、本发明的天线单元在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降和良好的带外抑制能力的带通滤波效果，实现滤波性能的方式没有带来额外的加工成本且适用面广，并且未引入额外的插入损耗，具有宽工作频带，高增益，低交叉极化的特点，且不同极化端口的馈电结构几乎完全对称且隔离度较高，同时实现了在宽频带内的稳定方向图。
4、本发明的天线单元或天线阵列可根据需求对相关结构的尺寸进行调整而适应不同的频带的无线通信系统的发射和接收设备中，由于天线单元或天线阵列的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的通信场景中，同时受益于天线单元或天线阵列的滤波特性与辐射特性的集成，也适用于通信设备的一体化和集成化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的宽带双极化滤波基站天线单元的立体结构图。
图2为本发明实施例1的宽带双极化滤波基站天线单元的俯视结构图。
图3为本发明实施例1的宽带双极化滤波基站天线单元的侧视结构图。
图4为本发明实施例1的辐射体结构图。
图5为本发明实施例1的巴伦结构图。
图6为本发明实施例1的反射系数S11-频率和传输系数S21-频率的结果图。
图7为本发明实施例1的增益峰值-频率的仿真和测量结果对比图。
图8为本发明实施例2的基站天线阵列的组阵形式图。
图9为本发明实施例3的基站天线阵列的组阵形式图。
图10为本发明实施例4的基站天线阵列的组阵形式图。
图11为本发明实施例5的基站天线阵列的组阵形式图。
图12为本发明实施例6的宽带双极化滤波基站天线单元的立体结构图。
图13为本发明实施例6的宽带双极化滤波基站天线单元的俯视结构图。
图14为本发明实施例6的宽带双极化滤波基站天线单元的侧视结构图。
图15为本发明实施例7的宽带双极化滤波基站天线单元的立体结构图。
图16为本发明实施例7的宽带双极化滤波基站天线单元的俯视结构图。
图17为本发明实施例7的宽带双极化滤波基站天线单元的侧视结构图。
其中，1-介质板，2-馈电结构，201-基板，202-馈电线，3-第一振子臂，4-第二振子臂，5-第三振子臂，6-第四振子臂，7-第一寄生枝节，8-第二寄生枝节，9-第三寄生枝节，10-第四寄生枝节，11-反射板，12-第一天线单元，13-第二天线单元，14-第三天线单元。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作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1：
如图1～图4所示，本实施例提供了一种宽带双极化滤波基站天线单元，该天线单元包括四个振子臂、四个寄生枝节、介质板1和馈电结构2，四个振子臂和四个寄生枝节可以通过印刷、压铸等方式设置在介质板1的上层，构成天线单元的辐射体，四个振子臂分别为第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6，四个寄生枝节分别为第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6分别对应第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，馈电结构2支撑并固定介质板1。
进一步地，第一振子臂3和第二振子臂4相对设置，构成+45°极化振子臂，作为一个偶极子，第三振子臂5和第四振子臂6相对设置，构成-45°极化振子臂，作为另一个偶极子，两个偶极子相互正交，使天线单元成为交叉偶极子形式的天线单元；第一振子臂3与第一寄生枝节7耦合，第二振子臂4与第二寄生枝节8耦合，第三振子臂5与第三寄生枝节9耦合，第四振子臂6与第四寄生枝节10耦合，可以在上阻带和下阻带分别产生辐射零点，产生良好的宽带辐射特性以及高滚降的带通滤波效果。
具体地，在振子臂与寄生枝节的耦合量确定的情况下，通过调节振子臂(第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6)的长度尺寸，可以控制上阻带辐射零点产生的频率位置，通过调节寄生枝节(第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10)的长度尺寸，可以控制下阻带辐射零点产生的频率位置，这两个辐射零点均为增益零点，以实现良好的带通滤波特性且几乎不引入额外的损耗，并且通过调节振子臂与寄生枝节的耦合量以及寄生枝节的长度尺寸，可以实现辐射抑制零点独立可控的带通滤波，其中振子臂与寄生枝节的耦合量通过振子臂的长度尺寸以及振子臂与寄生枝节之间的间距来控制。
本实施例的第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10均为U形结构，但可以理解的是，第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10还可以为C形结构、V形结构、礼帽形结构等。
如图5所示，本实施例的馈电结构2包括两个相互正交的巴伦，两个巴伦的下端与反射板11连接，其中一个巴伦的上端分别与第一振子臂3、第二振子臂4连接，另一个巴伦的上端分别与第三振子臂5和第四振子臂6连接，每个巴伦包括基板201和馈电线202，馈电线202通过印刷、压铸等方式设置在基板201的正面，且馈电线202的下端与50欧姆的同轴线(又称同轴电缆)连接，具体与该同轴线的内芯连接，作为输入端口(即馈电端口)，馈电线202的上端作为输出端口，基板201的背面为接地平面，设置有地板，该巴伦是同一块基板用跨线连接的结构形式。
为了实现高增益，基板201的高度大约为天线单元中心频率所对应波长的四分之一；为了进一步提高天线单元的滤波性能，还可以在巴伦的输出端口(馈电线202的上端)接入滤波电路。
可以理解，本实施例的馈电结构2还可以为双极化巴伦，该双极化巴伦包括四块基板，其中两块基板相互平行，另外两块基板也相互平行，四块基板作为双极化巴伦的四个面，任意两个相邻的面上分别设有馈电线和开路微带线，馈电线的上端通过金属棒与开路微带线的上端连接，馈电线的下端与50欧姆的同轴线连接，具体与该同轴线的内芯连接，该双极化巴伦为由两组平行的基板构成并通过金属棒连接的结构形式。
上述实施例中，第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5、第四振子臂6、第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10、巴伦基板背面的地板均为金属贴片，采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
如图6所示，为本实施例的天线单元的反射系数S11-频率和传输系数S21-频率的结果图，S11表示端口1的回波损耗，S21表示端口1到端口2的正向传输系数，从图中可以看到，通带内阻抗匹配良好，阻抗带宽为1.7GHz-3.2GHz，回波损耗均在-15dB以下；通带内两个端口的隔离较好，均在-30dB以下。
如图7所示，为本实施例的天线单元的在仿真和测量状态下的增益峰值-频率的对比结果图，工作频段内增益约为8dBi，通带两侧具有高滚降滤波特性，且实现了从0.69-1.5GHz和3.5-4GHz超过13dB的滤波抑制；其中，在振子臂上加载寄生枝节可同时在下阻带和上阻带产生两个辐射零点，实现了良好的带通滤波特性。
本实施例的天线单元具有如下优点：
1)天线单元为交叉偶极子形式，成本低廉、结构简单，无需额外滤波电路，仅通过在振子臂上加载寄生枝节，就可以在增加带宽的同时能引入高滚降的边沿滤波效果。
3)天线单元可以根据实际需要，通过调节振子臂和寄生枝节的尺寸以控制两个增益零点产生的频率位置，从而来自由独立改变滤波带通频段。
2)天线单元在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降和良好的带外抑制能力的带通滤波效果，实现滤波性能的方式没有带来额外的加工成本且适用面广，并且未引入额外的插入损耗。
4)天线单元具有宽工作频带，高增益，低交叉极化的特点，且不同极化端口的馈电结构几乎完全对称且隔离度较高，同时实现了在宽频带内的稳定方向图。
实施例2：
如图8所示，本实施例提供了一种基站天线阵列，其为双频双极化基站天线阵列，包括反射板11、至少一个具有高选择性的第一天线单元12和至少一个工作在低频段的第二天线单元13，即本实施例是双列天线阵列，两个天线单元13置于反射板11上，其中第一天线单元12置于反射板12的其中一边，第二天线单元13置于反射板12的另一边，且位于同一水平面，本实施例的天线单元结构同实施例1。
实施例3：
如图9所示，本实施例提供了一种基站天线阵列，其为多频双极化基站天线阵列，包括反射板11、至少一个具有高选择性的第一天线单元12、至少一个工作在低频段的第二天线单元13和至少一个工作在高频段的第三天线单元14，即本实施例是多列天线阵列，三个天线单元置于反射板11上，第一天线单元12置于反射板11的中间，第二天线单元13置于第一天线单元12的其中一边，第三天线单元14置于第一天线单元12的另一边，且位于同一水平面，本实施例的天线单元结构同实施例1。
实施例4：
如图10所示，本实施例提供了一种基站天线阵列，其为双频双极化基站天线阵列，包括反射板11、至少一个具有高选择性的第一天线单元12和至少一个工作在低频段的第二天线单元13，即本实施例是双列天线阵列，第一天线单元12置于反射板12的中间，第二天线单元13置于第一天线单元12的上方，以减小天线整体尺寸，本实施例的天线单元结构同实施例1。
实施例5：
如图11所示，本实施例提供了一种基站天线阵列，其为多频双极化基站天线阵列，包括反射板11、至少一个具有高选择性的第一天线单元12、至少一个工作在低频段的第二天线单元13和至少一个工作在高频段的第三天线单元14，即本实施例是多列天线阵列，第一天线单元12置于反射板11的其中一边，第三天线单元14置于反射板11的另一边，第二天线单元13置于第一天线单元12和第三天线单元14的上方，本实施例的天线单元结构同实施例1。
实施例6：
如图12～图14所示，本实施例提供了一种宽带双极化滤波基站天线单元，该天线单元包括四个振子臂、四个寄生枝节、两块介质板1和馈电结构2，四个振子臂和四个寄生枝节作为天线单元的辐射体，四个振子臂分别为第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6，四个寄生枝节分别为第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6分别对应第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，两块介质板1相互正交，且设置在反射板11上，馈电结构2包括两个相互正交的巴伦，第一振子臂3、第二振子臂4、第一寄生枝节7、第二寄生枝节8和其中一个巴伦通过印刷、压铸等方式设置在一块介质板1上，第三振子臂5和第四振子臂6、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10和另一个巴伦通过印刷、压铸等方式设置在另一块介质板1上。
进一步地，第一振子臂3和第二振子臂4相对设置，构成+45°极化振子臂，作为一个偶极子，第三振子臂5和第四振子臂6相对设置，构成-45°极化振子臂，作为另一个偶极子，两个偶极子相互正交，使天线单元成为交叉偶极子形式的天线单元；第一振子臂3与第一寄生枝节7耦合，第二振子臂4与第二寄生枝节8耦合，第三振子臂5与第三寄生枝节9耦合，第四振子臂6与第四寄生枝节10耦合；两个巴伦的下端与反射板11连接，其中一个巴伦的上端分别与第一振子臂3、第二振子臂4连接，另一个巴伦的上端分别与第三振子臂5和第四振子臂6连接。
在本实施例中，第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10均为U形结构，第一寄生枝节7和第二寄生枝节8之间非对称，第三寄生枝节9和第四寄生枝节10之间非对称，通过将寄生枝节调节成非对称形式以改善天线单元的滤波性能，整个天线单元具有结构简单，工作带宽宽，滤波性能高的特点。
实施例7：
如图15～图17所示，本实施例提供了一种宽带双极化滤波基站天线单元，该天线单元包括四个振子臂、四个寄生枝节、介质板1和馈电结构2，四个振子臂分别为第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6，四个寄生枝节分别为第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6分别对应第一寄生枝节7、第二寄生枝节8、第三寄生枝节9和第四寄生枝节10，四个振子臂和四个寄生枝节可以通过印刷、压铸等方式设置在介质板1的上层，构成天线单元的辐射体。
进一步地，第一振子臂3和第二振子臂4相对设置，构成+45°极化振子臂，作为一个偶极子，第三振子臂5和第四振子臂6相对设置，构成-45°极化振子臂，作为另一个偶极子，由于四个振子臂均为圆弧形结构，使得两个偶极子组成一个碗状振子；第一振子臂3与第一寄生枝节7耦合，第二振子臂4与第二寄生枝节8耦合，第三振子臂5与第三寄生枝节9耦合，第四振子臂6与第四寄生枝节10耦合，通过在碗状振子附近添加寄生枝节，以增加天线单元的带宽和集成滤波性能。
在本实施例中，馈电结构2包括四根同轴线，四根同轴线的上端分别与第一振子臂3、第二振子臂4、第三振子臂5和第四振子臂6连接，四根同轴线的下端与反射板11连接，整个天线单元具有方向图稳定，工作带宽宽，滤波性能高的特点。
实施例8：
本实施例提供了一种通信设备，该设备为无线通信系统的发射和接收设备，包括上述实施例1、6和7中任一种的天线单元，或包括上述实施例2-5中任一种的天线阵列，可根据需求对相关结构的尺寸进行调节而适应不同的频带，由于天线单元或天线阵列的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的通信场景中，同时受益于天线单元或天线阵列的滤波特性与辐射特性的集成，可以实现通信设备的一体化和集成化。
综上所述，本发明的辐射性能既可以实现高滚降的滤波特性和高极化隔离度，又可以尽量保证不引入额外的插入损耗以及多余的结构带来的占用面积，还可以扩展带宽，降低高度，实现了在宽频带内的稳定方向图。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：包括四个振子臂、四个寄生枝节和馈电结构，其中两个振子臂相对设置，另外两个振子臂也相对设置，四个振子臂与四个寄生枝节一一对应，且每个振子臂与对应的寄生枝节耦合，所述馈电结构与四个振子臂连接。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：每个振子臂的尺寸用于控制上阻带辐射零点产生的频率位置，每个寄生枝节的尺寸用于控制下阻带辐射零点产生的频率位置，每个振子臂与对应寄生枝节的耦合量以及该寄生枝节的尺寸用于实现辐射抑制零点独立可控的带通滤波。
3.根据权利要求2所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：每个振子臂与对应寄生枝节的耦合量通过该振子臂的尺寸以及该振子臂与该寄生枝节之间的间距来控制。
4.根据权利要求1-3任一项所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：所述馈电结构包括两个相互正交的巴伦，每个巴伦包括馈电线，所述馈电线的下端与同轴线连接。
5.根据权利要求4所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：每个巴伦还包括基板，所述馈电线设置在基板的正面，所述基板的背面为接地平面。
6.根据权利要求5所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：所述基板的高度为天线单元中心频率所对应波长的四分之一。
7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：所述寄生枝节为U形结构、C形结构、V形结构或礼帽形结构。
8.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的宽带双极化滤波基站天线单元，其特征在于：所述天线单元为交叉偶极子形式、碗状振子形式、缝隙天线形式或贴片天线形式。
9.一种基站天线阵列，其特征在于：包括至少两个权利要求1-8任一项所述的天线单元。
10.一种通信设备，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的天线单元，或包括权利要求9所述的天线阵列。
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