CN110957576B - 一种极低剖面微带叠层双极化基站天线及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低剖面微带叠层双极化基站天线及阵列，属于天线领域，具体包括刻蚀了方环缝隙的地板、十字形开槽的辐射贴片、多枝节馈电结构、十字形开槽的堆叠贴片以及三层介质板。一方面，本发明所述的微带叠层双极化天线引入了新型多枝节馈电结构和十字形开槽的堆叠贴片，实现了天线平衡馈电，拓展了天线带宽。另一方面，十字形开槽的辐射贴片和刻蚀出方环缝隙的天线地板共同抑制了端口之间的耦合电流，提高了天线端口的隔离度。本发明天线阵列具有端口隔离度高、剖面低、结构简约和易于加工组装等优点，能够很好地应用于5G新型基站。

Description

一种极低剖面微带叠层双极化基站天线及阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种极低剖面微带叠层双极化基站天线及阵列。

背景技术

对于第五代无线移动通信系统而言，基站正朝着小型化和集成化的方向发展,这就对天线的物理尺寸提出了更高的要求。对于多天线系统来说，在天线间距离受限的情况下，如果无用的信号耦合到了天线端口处，就会使得天线方向图产生畸变、端口隔离度恶化，极大地影响天线匹配性能，进而降低天线系统的性能。

在偶极子基站天线阵列中，天线单元之间的耦合主要是以空间波的方式进行，这种空间波耦合难以抑制，需要添加额外的复杂结构抑制耦合。在微带贴片天线阵列中，电磁波耦合方式是由空间波和表面波复合组成，而表面波耦合更易于抑制。因此，与偶极子天线阵列相比，微带贴片天线阵列更容易削减天线间的耦合能量，提高天线端口隔离度。但是，双极化微带贴片天线存在着带宽窄、馈电不平衡以及馈电结构复杂等问题，难以满足第五代通信系统的需求，图1和图2为现有技术通常采用的双极化微带贴片天线。

参照图1，图1所示的双极化微带贴片天线包括辐射贴片01、点馈源02以及天线地板。其中辐射贴片01刻蚀有V字形缝隙03，提高了天线双端口隔离度。但是由于采取点源直馈这样不平衡的馈电方式，辐射贴片上的电流分布不对称，造成天线方向图发生畸变，难于满足通信系统的要求。

参照图2，图2所示的双极化微带贴片天线包括辐射贴片001、点馈源002、馈电条带003以及天线地板。该双极化微带贴片天线采用差分馈电的方式进行馈电，能够使得辐射贴片001上的电流分布均匀，得到理想的辐射方向图。但是天线端口间的耦合电流难以抑制，天线端口隔离度只能依赖于额外的馈电电路。不易加工安装的复杂馈电电路，不仅增加了天线的成本，同时给天线阻抗匹配带来了困难。

发明内容

本发明的实施例提供一种极低剖面微带叠层双极化基站天线及阵列，能够克服上述问题，满足第五代移动通信系统的要求。

为达到上述目的，第一方面，本发明的实施例提供了一种极低剖面微带叠层双极化基站天线，包括第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板；所述第一层介质板底面印刷刻蚀了方环缝隙的地板，顶面印刷十字形开槽的辐射贴片；所述第二层介质板印刷两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带；所述第二层介质板与第一层介质板进行压合；所述第三层介质板顶面印刷十字形开槽的堆叠贴片；所述第三层介质板底面与第二层介质板顶面距离3毫米；所述十字形开槽的辐射贴片、两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带、十字形开槽的堆叠贴片以及地板方环缝隙的几何中心点的水平位置都相同。

在第一种可能实现的方式中，结合第一方面，所述“三叉戟”形状的多枝节馈电条带可适用于微带叠层双极化天线；所述两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带在中间部位设置过桥连接结构以避免两个馈电条带交叉连通；所述多枝节馈电条带不仅可以设计成“三叉戟”形状结构，也可以设计成“骨头”形状结构、工字形状结构、Y形状结构、U形状结构或V形状结构。

在第二种可能实现的方式中，结合第一方面，所述十字形开槽的辐射贴片在中心位置处刻蚀出旋转了45°的正方形区域，避免了与多枝节馈电条带交叉连通；所述十字形开槽的辐射贴片在每个馈电点处均刻蚀一个圆形区域，避免与同轴线缆的内导体接触。

在第三种可能实现的方式中，结合第一方面，所述十字形开槽的堆叠贴片在中心位置处刻蚀出旋转了45°的正方形区域。

在第四种可能实现的方式中，结合第一方面，所述地板缝隙是宽度为1mm的正方环。

第二方面，本发明的实施例提供了一种极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列，该极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列由权利要求1-5任一项所述极低剖面微带叠层双极化天线单元以2*2的方式组阵构成；在所述极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列中，天线单元中心点间距为0.51λ和0.74λ；其中，λ为所述天线工作中心频率所对应波长。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1,本发明的馈电结构包括两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带，并通过过桥连接方法，避免了两个馈电条带交叉连通。该多枝节馈电结构适用于微带叠层双极化天线，其成本低廉、结构简单，无需额外馈电电路。通过调节该多枝节馈电结构尺寸，可以拓宽微带叠层双极化天线的工作带宽。

2,本发明的极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列中，电磁波耦合方式是由空间波和表面波复合组成，而表面波耦合更易于抑制。与偶极子天线阵列相比，该天线阵列更容易削减天线间的耦合能量，提高天线端口隔离度。同时，在天线地板上刻蚀出方形环缝隙，有效地减少了天线地板上的耦合电流，进一步提高了天线端口的隔离度。

3,本发明的辐射贴片在中心位置处刻蚀有十字形缝隙，能够有效地抑制双端口耦合电流，提高双极化端口的隔离度，使微带叠层天线实现更好的双极化性能。

4,本发明的堆叠贴片能够有效地拓展天线的带宽，满足了移动通信系统对于双极化微带叠层基站天线的带宽需求，实现了3.3-3.8GHz的工作频段。

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是现有技术中采用双点馈电的微带贴片天线的俯视图；

图2是现有技术中采用差分馈电的微带贴片天线的俯视图；

图3是本发明提供的微带叠层天线阵列的立体结构示意图；

图4是本发明提供的微带叠层天线单元的立体结构示意图；

图5是本发明提供的微带叠层天线单元的俯视图和剖面图；

图6是本发明提供的微带叠层天线单元的S参数仿真结果图；

图7是本发明提供的微带叠层天线阵列的端口隔离度仿真结果图。

具体实施方案

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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图3，图3为本发明实施例微带叠层双极化基站天线阵列的一个具体实施例，本实施例中所述微带叠层双极化基站天线阵列包括三块厚度均为1.52毫米的介质板；所述第一层介质板1底面印刷刻蚀了方环缝隙的地板4，顶面印刷十字形开槽的辐射贴片5；所述第二层介质板2印刷“三叉戟”形状的多枝节馈电结构6；所述第二层介质板2与第一层介质板1进行压合；所述第三层介质板3顶面印刷十字形开槽的堆叠贴片7；所述第三层介质板3底面与第二层介质板2顶面距离3毫米；所述十字形开槽的辐射贴片5、“三叉戟”形状的多枝节馈电结构6、十字形开槽的堆叠贴片7以及地板方环缝隙的几何中心点的水平位置都相同。

参照图4，所述“三叉戟”形状的多枝节馈电结构6适用于微带叠层天线，能够调节微带叠层天线阻抗，拓展天线带宽；所述“三叉戟”形状的多枝节馈电结构6包括两个多枝节馈电条带；所述多枝节馈电条带61印刷在第二层介质板2顶面；所述多枝节馈电条带62在中间部位设有两个通到第二层介质板2底面的金属化通孔，印刷在第二层介质板2底面的金属条带将两个通孔连接；如图5所示，两个同轴线缆分别在两个馈电点8、9处对多枝节馈电结构进行馈电，通过耦合馈电的方式将能量耦合到十字形开槽的辐射贴片5上；所述十字形开槽的辐射贴片5表面形成±45°极化电流，与天线地板4之间形成电场并向外部空间辐射能量；所述多枝节馈电条带不仅可以设计成“三叉戟”形状结构，也可以设计成“骨头”形状结构、工字形状结构、Y形状结构、U形状结构或V形状结构。

参照图4，所述辐射贴片5在中心位置处刻蚀有十字形缝隙51，十字形缝隙51抑制了辐射贴片5上的耦合电流，提高了天线双端口隔离度；所述十字形开槽的辐射贴片5在中心位置处刻蚀出旋转了45°的正方形区域52，避免了与巴伦馈电结构6交叉连通；所述十字形开槽的辐射贴片5在每个馈电点处均刻蚀一个半径为1毫米的圆形区域53，避免了与同轴线缆的内导体接触。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述堆叠贴片7在中心位置处刻蚀出十字形缝隙71和旋转了45°的正方形区域72，并印刷在第三层介质板3的顶面；第三层介质板3与第二层介质板2间隔3毫米，使用尼龙塑料柱或泡沫垫片加以组装固定。所述天线地板4刻蚀了宽度为1毫米的正方环41。该正方环缝隙41能够抑制天线地板4上的耦合电流，进而提高了天线端口隔离度。

在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中所述微带叠层双极化天线阵列由4个天线单元以2*2的方式组阵构成，该阵列布局可以满足多天线小型化设计；所述的微带叠层双极化天线阵列中，天线中心点间距为0.51λ和0.74λ；其中，λ为所述天线阵列工作的中心频率波长。

本发明的有益效果是：本发明的“三叉戟”形状的多枝节馈电结构6适用于微带叠层双极化天线，其成本低廉、结构简单，无需额外馈电电路。通过调节该多枝节馈电结构尺寸，可以拓展微带叠层双极化天线的工作带宽。同时，十字形开槽的堆叠贴片7也能够有效地拓展微带叠层双极化天线的带宽，实现了3.3-3.8GHz的双极化工作频段，满足了移动通信系统对于双极化基站天线的带宽需求，如图6所示。本发明的微带叠层双极化天线阵列中，电磁波耦合方式是由空间波和表面波复合组成，而表面波耦合更易于抑制。与偶极子天线阵列相比，该天线阵列更容易削减天线间的耦合能量，提高天线端口隔离度。同时，在天线地板4上刻蚀出方环缝隙41，有效地减少了天线地板4上的耦合电流，进一步提高了天线端口的隔离度。参照图7，在本发明的微带叠层双极化基站天线阵列中，各端口之间的隔离度提高至20.0100dB。

以上所述，仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种极低剖面微带叠层双极化基站天线，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板；

所述第一层介质板底面印刷刻蚀了方环缝隙的地板，顶面印刷十字形开槽的辐射贴片；

所述第二层介质板顶面印刷两个呈90°垂直放置的 “三叉戟”形状的多枝节馈电条带；所述第二层介质板与第一层介质板进行压合；

所述第三层介质板顶面印刷十字形开槽的堆叠贴片；所述第三层介质板底面与第二层介质板顶面距离3毫米；

所述十字形开槽的辐射贴片、两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带、十字形开槽的堆叠贴片以及地板方环缝隙的几何中心点的水平位置都相同；

所述十字形开槽的辐射贴片在中心位置处刻蚀出相对辐射贴片旋转了45°的正方形区域，避免了与多枝节馈电条带交叉连通；

所述十字形开槽的辐射贴片在每个馈电点处均刻蚀一个圆形区域，避免与同轴线缆的内导体接触；

馈电方式采用底部馈电，两个同轴线的内导体分别连接两个 “三叉戟”形状馈电枝节的中间枝节末端，两个同轴线的外导体均连接天线地板，通过“三叉戟”形状馈电枝节将能量耦合到辐射贴片和堆叠贴片；堆叠贴片和辐射贴片共同作为微带叠层双极化基站天线的辐射主体；

所述极低剖面微带叠层双极化基站天线单元以2*2的方式组阵构成具有低耦合特性的极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列；

所述天线地板上刻蚀出方环形缝隙，有效地抑制了双极化基站天线单元之间的耦合能量。

2.根据权利要求1所述的一种极低剖面微带叠层双极化基站天线，其特征在于：所述两个“三叉戟”形状的多枝节馈电条带在中心部位设置过桥连接结构以避免两个馈电条带交叉连通。

3.根据权利要求1所述的一种极低剖面微带叠层双极化基站天线，其特征在于：所述十字形开槽的堆叠贴片在中心位置处刻蚀出相对堆叠贴片旋转了45°的正方形区域。

4.根据权利要求1所述的一种极低剖面微带叠层双极化基站天线，其特征在于：在极低剖面微带叠层双极化基站天线阵列中，天线单元中心点水平方向间距为0.51

，垂直方向间距为0.74

；其中，

为所述天线工作中心频率所对应波长。

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