CN110518343B - 基于单极子结构的宽带基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单极子结构的宽带基站天线，包括辐射结构、四个相同的同轴馈线、反射板、支撑柱，所述的辐射结构由四个相同的单极子结构、金属地板结构和第一介质板组成；所述的金属地板结构包括印制在第一介质板的上表面的第一金属贴片、印制在下表面第二金属贴片、金属枝节、金属通孔和正方形缝隙；所述的四个相同的单极子结构由半圆形贴片和短微带线组成；该四个相同的单极子结构位于第一介质板的上表面，且关于Z轴中心对称分布；所述的短微带线延伸至与正方形缝隙相对应的位置。本发明通过采用四个相同的单极子结构作为主辐射贴片，天线结构简单。本发明可被用于IMT/2G/3G/4G/LTE系统中的基站天线。

Description

基于单极子结构的宽带基站天线
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单极子结构的宽带基站天线，可应用于IMT/2G/3G/4G/LTE系统的基站。
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的方向发展。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。目前大部分基站天线为2G/3G/4G/LTE系统开发，因此能够覆盖1.4～2.7GHz频段的基站天线受到了广泛的关注，因为，1427-1518MHz频段已被用于国际移动电信(IMT)服务，目前，日本已经将1427-1518MHz频段用于IMT服务，欧洲28个国家支持1452-1492MHz，也有一些欧洲国家支持1427-1518MHz，因此，设计能够覆盖1.4-2.7GHz频段的基站天线具有广泛的用途。由于目前常用的基站天线工作频带为1.7-2.7GHz，相对于所需要覆盖的1.4-2.7GHz频段来说带宽较窄，拓宽天线带宽的方法主要有以下两种：一是在辐射贴片上开缝；二是加载寄生结构，但是，这两种方法均会导致天线结构较为复杂。
例如，华南理工大学在其申请的名称为“一种带宽展宽宽带基站天线”(申请号2017103311020.4，CN 107196039 A)申请的专利文献中，公开了一种宽带扩展宽带基站天线，由天线辐射体、第一耦合单元、第二耦合单元、第三耦合单元、同轴馈线、反射板和绝缘的支撑结构构成。该天线的阻抗带宽可以覆盖1427-2690MHz频段，适用于IMT/2G/3G/LTE系统。但是该天线采用双层介质板，其结构较为复杂。
例如，华南理工大学在其申请的名称为“一种新型扩频宽带基站天线”(申请号201710889492.8，CN 107799886 A)申请的专利文献中，公开了一种新型扩频宽带基站天线，包括反射板、天线辐射单元和耦合单元，所述天线辐射单元由四个辐射臂、介质基板及馈线结构组成。但是该天线采用双层介质板，结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于单极子结构的宽带基站天线，用于解决现有技术中宽带基站天线结构复杂的技术问题。
实现本发明的具体思路是：采用四个相同的单极子作为主要辐射结构，通过分别等幅反相地激励位于同一条对角线上的两个单极子，来实现该天线的双极化特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于单极子结构的宽带基站天线，包括辐射结构、四个相同的同轴馈线、反射板、支撑柱，所述的辐射结构由四个相同的单极子结构、金属地板结构和第一介质板组成；所述的金属地板结构包括印制在第一介质板的上表面的第一金属贴片、印制在下表面第二金属贴片、金属枝节、金属通孔和正方形缝隙，该金属通孔分别与第一金属贴片和第二金属贴片相互连接；所述的四个相同的同轴馈线位于辐射结构与反射板之间；所述反射板包括第二介质板和印制在第二介质板下表面的金属层；所述的四个相同的支撑柱两端分别贯穿于第一介质板和反射板；
所述的四个相同的单极子结构由半圆形贴片和短微带线组成；该四个相同的单极子结构位于第一介质板的上表面，且关于Z轴中心对称分布，所述的短微带线延伸至与正方形缝隙相对应的位置；
进一步，所述的第一介质板和第二介质板相互平行，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35～40mm。
进一步，所述的四个相同的单极子结构分别位于第一介质板两条对角线上。
进一步，所述的每个单极子的半圆形贴片的半径表示为R1，短微带线的长表示为L1，宽表示为W1，其中，R1为10～15mm，L1为5～8mm为，W1为1～3mm。
进一步，所述的地板结构的切角三角形边长表示为L2，中间圆形孔的半径表示为R2，其中，L2为12～16mm，R2为28～35mm。
进一步，所述的矩形缝隙的边长表示为L3，其中，L3为4～6mm。
进一步，所述的金属枝节长度表示为L4，宽度表示为W2，其中，L4为4～8mm，W2为1～2mm。
进一步，所述的第一介质板、第二介质板的介电常数为2.2～6.5。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一、本发明通过采用的四个相同的单极子结构由半圆形贴片和短微带线组成，该四个相同的单极子结构位于第一介质板的上表面，将四个单极子作为主要辐射结构，在不引入额外寄生结构的情况下，实现了天线的宽带特性，克服了现有技术中在实现宽带特性时带来的结构复杂的技术问题，结构新颖简单。
第二、本发明通过采用的四个相同的单极子结构由半圆形贴片和短微带线组成，该结构直接由同轴线馈电，不需要巴伦结构，节省物料，且加工组装较为方便，降低了制造成本。
第三、本发明通过采用的四个相同的单极子结构由半圆形贴片和短微带线组成，该结构实现双极化特性需要采用差分馈电方式，因此端口隔离度高，同时，天线结构阻抗匹配好，辐射性能稳定。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是本发明的第一介质板的俯视图；
图4是本发明的第一介质板下表面的结构示意图；
图5是本发明S参数的仿真结果图；
图6是本发明辐射增益的仿真结果图；
图7是本发明半功率波束宽度的仿真结果图；
图8是本发明水平面和垂直面归一化方向图。
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和图4；
1、一种基于单极子结构的宽带基站天线，包括辐射结构1、四个相同的同轴馈线2、反射板3、支撑柱4，所述的辐射结构1由四个相同的单极子结构1.1、金属地板结构和第一介质板1.3组成；所述的金属地板结构包括印制在第一介质板1.3的上表面的第一金属贴片1.2.1、印制在下表面第二金属贴片1.2.2、金属枝节1.2.3、金属通孔1.2.5和正方形缝隙1.2.4，该金属通孔1.2.5分别与第一金属贴片1.2.1和第二金属贴片1.2.2相互连接；所述的四个相同的同轴馈线2位于辐射结构1与反射板3之间；所述反射板3包括第二介质板3.1和印制在第二介质板3.1下表面的金属层3.2；所述的四个相同的支撑柱4两端分别贯穿于第一介质板1.3和反射板3；所述的四个相同的单极子结构1.1由半圆形贴片1.1.1和短微带线1.1.2组成；该四个相同的单极子结构1.1位于第一介质板1.3的上表面，且关于Z轴中心对称分布；所述的短微带线1.1.2延伸至与正方形缝隙1.2.5相对应的位置。
本发明采用四个分别位于正方形介质板对角线两端的相同的单极子作为主要辐射结构，该结构满足非频变天线的基本形式，该天线结构简单同时具有较宽的阻抗带宽；该单极子由短微带线连接同轴馈线进行馈电，通过优化短微带线的结构尺寸来调整天线阻抗匹配特性；所述的同一对角线上的单极子辐射贴片为一组，分别等幅反相激励，该激励方式实现该天线的双极化特性，同时提高了该天线的隔离度；所述的金属地板结构中间开设圆形缝隙，满足结构对称性，并为所述的单极子结构留出较大设计空间，通过优化金属地板结构上的金属枝节可以调整天线的阻抗匹配特性，同时该金属地板结构采用双层结构，对天线辐射特性有改善作用。
所述的第一介质板(1.3)和第二介质板(3.1)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35～40mm。本发明H1优先为37.8mm。
所述的四个相同的单极子结构(1.1)分别位于第一介质板(1.3)两条对角线上。
所述的每个单极子(1.1)的半圆形贴片(1.1.1)的半径表示为R1，短微带线(1.1.2)的长表示为L1，宽表示为W1，其中，R1为10～15mm，L1为5～8mm为，W1为1～3mm。本发明中的R1优先为13mm，L1优先为6.3mm，W1优选为1.5mm。
所述的地板结构(1.2)的切角三角形边长表示为L2，中间圆形孔的半径表示为R2，其中，L2为12～16mm，R2为28～35mm。本发明中的L2优选为14mm，R2优选为31mm。
所述的正方形缝隙(1.2.5)的边长表示为L3，其中，L3为4～6mm。本发明中的L3优选为5.2mm。
所述的金属枝节(1.2.3)长度表示为L4，宽度表示为W2，其中，L4为4～8mm，W2为1～2mm。本发明中的L4优选为6.5mm，W2优选为1.5mm。
所述的第一介质板(1.3)、第二介质板(3.1)的介电常数为2.2～6.5。本发明中的介电常数优选为4.4。
实施例2：
所述的第一介质板(1.3)和第二介质板(3.1)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35～40mm。本发明H1为35mm。
所述的四个相同的单极子结构(1.1)分别位于第一介质板(1.3)两条对角线上。
所述的每个单极子(1.1)的半圆形贴片(1.1.1)的半径表示为R1，短微带线(1.1.2)的长表示为L1，宽表示为W1，其中，R1为10～15mm，L1为5～8mm为，W1为1～3mm。本发明中的R1为10mm，L1为5mm,W1为1mm。
所述的地板结构(1.2)的切角三角形边长表示为L2，中间圆形孔的半径表示为R2，其中，L2为12～16mm，R2为28～35mm。本发明中的L2为12mm，R2为28mm。
所述的正方形缝隙(1.2.5)的边长表示为L3，其中，L3为4～6mm。本发明中的L3为4mm。
所述的金属枝节(1.2.3)长度表示为L4，宽度表示为W2，其中，L4为4～8mm，W2为1～2mm。本发明中的L4为4mm，W2优选为1mm。
所述的第一介质板(1.3)、第二介质板(3.1)的介电常数为2.2～6.5。本发明中的介电常数为2.2。
实施例3：
所述的第一介质板(1.3)和第二介质板(3.1)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35～40mm。本发明H1为40mm。
所述的四个相同的单极子结构(1.1)分别位于第一介质板(1.3)两条对角线上。
所述的每个单极子(1.1)的半圆形贴片(1.1.1)的半径表示为R1，短微带线(1.1.2)的长表示为L1，宽表示为W1，其中，R1为10～15mm，L1为5～8mm为，W1为1～3mm。本发明中的R1为15mm，L1为8mm，W1为3mm。
所述的地板结构(1.2)的切角三角形边长表示为L2，中间圆形孔的半径表示为R2，其中，L2为12～16mm，R2为28～35mm。本发明中的L2为16mm，R2为35mm。
所述的正方形缝隙(1.2.5)的边长表示为L3，其中，L3为4～6mm。本发明中的L3为6mm。
所述的金属枝节(1.2.3)长度表示为L4，宽度表示为W2，其中，L4为4～8mm，W2为1～2mm。本发明中的L4为8mm，W2为2mm。
所述的第一介质板(1.3)、第二介质板(3.1)的介电常数为2.2～6.5。本发明中的介电常数为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5、图6、图7和图8；
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5的横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为S参数，单位为dB；图中Sdd11和Sdd22分别是两个端口的差分S参数曲线，Sdd12为传输系数曲线。
图6是辐射增益曲线，横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为增益值，单位为dBi。
图7(a)为水平面的半功率波束宽度曲线，横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为半功率波束宽度，单位为度；
图7(b)为垂直面的归一化方向图，横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为半功率波束宽度，单位为度。
图8(a)为中心频率2.05GHz频点对应水平面的归一化方向图，实线表示主极化方向图，虚线表示交叉极化方向图，图中左边标尺为归一化增益值，代表极坐标中各曲线的归一化增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度。
图8(b)为中心频率2.05GHz频点对应垂直面的归一化方向图，实线表示主极化方向图，虚线表示交叉极化方向图，图中左边标尺为归一化增益值，代表极坐标中各曲线的归一化增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度。
3、仿真结果分析：
从图5中可知，本发明Sdd11和Sdd22在1.4～2.7GHz频段均小于-14.5dB，具有较好的阻抗带宽，Sdd12曲线在1.4～2.7GHz频段小于-44dB，端口隔离度高。
从图6中可知，本发明辐射性能稳定，在1.4～2.7GHz频段增益为8.5～9.1dBi。
从图7中可知，本发明辐射性能稳定，在1.4～2.7GHz频段水平面的半功率波束宽度为63～77°，垂直面的半功率波束宽度为63～77°。
在图8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，主辐射方向交叉极化比达到40dB，天线交叉极化较低，前后比大于35dB，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，同时与现有的宽带基站天线相比，结构更加简单。
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 (8)

1.一种基于单极子结构的宽带基站天线，包括辐射结构(1)、四个相同的同轴馈线(2)、反射板(3)、支撑柱(4)，所述的辐射结构(1)由四个相同的单极子结构(1.1)、金属地板结构(1.2)和第一介质板(1.3)组成；所述的金属地板结构(1.2)包括印制在第一介质板(1.3)的上表面的第一金属贴片(1.2.1)、印制在下表面第二金属贴片(1.2.2)、金属枝节(1.2.3)、金属通孔(1.2.4)和正方形缝隙(1.2.5)，该金属通孔(1.2.4)分别与第一金属贴片(1.2.1)和第二金属贴片(1.2.2)相互连接；所述的四个相同的同轴馈线(2)位于辐射结构(1)与反射板(3)之间；所述反射板(3)包括第二介质板(3.1)和印制在第二介质板(3.1)下表面的金属层(3.2)；所述的四个相同的支撑柱(4)两端分别贯穿于第一介质板(1.3)和反射板(3)；
其特征在于，所述的四个相同的单极子结构(1.1)由半圆形贴片(1.1.1)和短微带线(1.1.2)组成；该四个相同的单极子结构(1.1)位于第一介质板(1.3)的上表面，且关于Z轴中心对称分布；所述的短微带线(1.1.2)延伸至与正方形缝隙(1.2.5)相对应的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的第一介质板(1.3)和第二介质板(3.1)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35～40mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的四个相同的单极子结构(1.1)分别位于第一介质板(1.3)两条对角线上。
4.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的每个单极子(1.1)的半圆形贴片(1.1.1)的半径表示为R1，短微带线(1.1.2)的长表示为L1，宽表示为W1，其中，R1为10～15mm，L1为5～8mm为，W1为1～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的地板结构(1.2)的切角三角形边长表示为L2，中间圆形孔的半径表示为R2，其中，L2为12～16mm，R2为28～35mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的正方形缝隙(1.2.5)的边长表示为L3，其中，L3为4～6mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的金属枝节(1.2.3)长度表示为L4，宽度表示为W2，其中，L4为4～8mm，W2为1～2mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于单极子结构的宽带基站天线，其特征在于，所述的第一介质板(1.3)、第二介质板(3.1)的介电常数为2.2～6.5。
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