CN111162380B

CN111162380B - 双极化宽带高增益宽波束天线

Info

Publication number: CN111162380B
Application number: CN201911413721.4A
Authority: CN
Inventors: 秦一峰; 袁宏伟; 严春林; 佟亦天; 郝学坤
Original assignee: Shanghai Institute of Microwave Technology CETC 50 Research Institute
Current assignee: Shanghai Institute of Microwave Technology CETC 50 Research Institute
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111162380A

Abstract

本发明提供了一种双极化宽带高增益宽波束天线，包括：接地板、馈电结构、支撑结构以及多个天线辐射单元；天线辐射单元通过支撑结构设置于地板纸上且与地板平行；天线辐射单元与馈电结构、接地板依次相连。本发明两组领结辐射结构的边沿形状呈指数走向，并利用相邻辐射贴片间的缝隙电流辐射，天然具有带宽宽的优势，可以覆盖3.3‑5.2GHz频段。

Description

双极化宽带高增益宽波束天线

技术领域

本发明涉及双极化移动通信设备与技术领域，具体地，涉及一种双极化宽带高增益宽波束天线。尤其地，涉及一种天线阵列系统的实现方法。

背景技术

2019年中国无线通信系统正式进入5G时代。中国移动，中国联通和中国电信这三大运营商都获得了5G商用牌照并被分配了各自的5G频段。其中，中国移动获得2515-2675MHz的160MHz带宽及4.8-4.9GHz的100MHz频谱资源。中国联通获得3.5-3.6GHz的100MHz频谱资源。中国电信获得3.4-3.5GHz的100MHz频谱资源。在以上几段频谱资源中，3.4-4.9GHz为4G时代没有覆盖到的，这就需要整个基站天线系统升级或者加载新模块来覆盖3.4-4.9GHz这个频段。

在4G时代，金属交叉偶极子天线是最流行的一种天线解决方案。其具有带宽宽，增益高，稳定性强等特点。在5G时代的FR1工作区间，这种设计结构的优势依然明显。但是5G系统由于Massive MIMO的引入，需要天线在重量，功耗，波束宽度和阻抗匹配上有更好的表现。所以新型的交叉偶极子天线需要被提出。包括文献[1](Zheng D.Z.,Chu Q.X.AMultimode Wideband±45°Dual-Polarized Antenna With Embedded Loops.IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,16,633-636)和专利CN108365331 A在内的很多学术文章和专利使用了贴片结构来实现轻重量宽带宽设计。但是这些专利和文章并没有很好地覆盖5G所需的频段。专利CN 110048211 A提供了一种可以覆盖2.5-5GHz频段的平面偶极子天线，可是其回波损耗(S11)在3.4-3.6GHz和4.8-5GHz并没有下降到业界一般要求的-14dB(VSWR<1.5)，而且2.5-2.7GHz频段原LTE设备已经可以覆盖，没有必要损失其它性能而刻意覆盖这个频段。此外，当单元天线组成阵列并进行方向扫描时，单元天线的波瓣宽度直接决定了在非法向方向的增益，所以一般情况下单元天线的半功率波瓣宽度(HPBW)建议在80°以上。其他一些较为成功的设计和方案，比如矩形低剖面贴片天线，超材料天线等都有增益不够或者带宽不足等问题。

针对上述现有技术中的缺陷，本发明要解决的技术问题体现在以下几点：

1)提供一种宽频5G天线阵列系统。在频率范围3.3-5.2GHz内能实现VSWR<1.5。同时，在3.4-3.6GHz频带与4.8-5GHz频带实现VSWR<1.3。

2)提供一种高增益的天线阵列解决方案，单元天线的增益在3.3-5.2GHz频带内不低于8dB。

3)提供一种半功率波瓣宽度较宽的天线设计，在4.9GHz处，在H-平面和V-平面内，HPBW≈80°；在3.5GHz处，在H-平面和V-平面内，HPBW满足65°±5°的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双极化宽带高增益宽波束天线。

根据本发明提供的一种双极化宽带高增益宽波束天线，包括：

接地板、馈电结构、支撑结构以及多个天线辐射单元；

天线辐射单元通过支撑结构设置于地板纸上且与地板平行；

天线辐射单元与馈电结构、接地板依次相连。

优选地，所述天线辐射单元包括：

基板，辐射贴片，寄生贴片以及两个连接贴片；

辐射贴片与寄生贴片设置于基板靠近地板一侧；

两个连接贴片交叉放置,分别连接馈电结构和辐射贴片；

两个连接贴片不相触。

优选地，所述馈电结构为同轴馈电电缆。

优选地，所述辐射贴片总共有四个、分为两组；

两组辐射贴片的中心轴线呈90°交叉放置，其中每组辐射贴片都为一个变形领结水平偶极子天线；

在偶极子天线中，一个辐射贴片连接同轴馈电电缆的外导电壁；

辐射贴片之间有缝隙，辐射贴片外沿成指数函数形状；

寄生贴片放置在辐射贴片之间，每个寄生贴片为类菱形，靠近辐射片的两边成指数函数走向，寄生贴片与辐射贴片之间留有缝隙，寄生贴片中间有菱形镂空。

优选地，所述连接贴片有两组，分别用来连接两组不同的领结贴片偶极子；

每个连接贴片都为T形，T形的尾部直接连接同轴馈线内探针，T形的头部用来耦合激发偶极子天线中的另一个辐射贴片。

优选地，所述连接贴片分为三段，两段位于基板上侧，一段位于基板靠近地板一侧；

连接贴片的三段由上下打孔内壁镀铜的方式连接。

优选地，所述支撑结构有由四个塑料的支架组成，分别连接基板的四个角和地板。

优选地，所述辐射贴片外沿成指数函数形状：

具体函数为f(x)＝±a·e^±bx·[R]；

其中，

a和b都是可调正实数，会影响天线的阻抗匹配和辐射方向图；

[R]是旋转矩阵，其具体表达式为：

其中

或±135°。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明两组领结辐射结构的边沿形状呈指数走向，并利用相邻辐射贴片间的缝隙电流辐射，天然具有带宽宽的优势，可以覆盖3.3-5.2GHz频段。

2、本发明合理的引入了寄生贴片结构131-134，可以控制天线单元的S11的两个谐振凹处的频率间隔及位置，同时也可以控制辐射方向图，减小天线单元的平面尺寸。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一的8*1阵列天线结构示意图；

图2为本发明实施例一的天线单元整体结构示意图；

图3为本发明实施例一的天线单元结构俯视图；

图4为本发明天线的馈电结构示意图；

图5为单元天线的S-参数图；

图6为单元天线主轴增益随频率变化的曲线图；

图7为单元天线在谐振频率4.9GHz的电流分布图；

图8为单元天线在谐振频率3.5GHz的电流分布图；

图9为单元天线在H-和V-面的辐射方向图(@4.9GHz，+45°极化)；

图10为单元天线在H-和V-面的辐射方向图(@3.5GHz，+45°极化)；

图11为天线阵列的S-参数图；

图12为8*1阵列天线在H-和V-面的辐射方向图(@4.9GHz，+45°极化)；

图13为8*1阵列天线在H-和V-面的辐射方向图(@3.5GHz，+45°极化)。

图中示出：

1、天线单元；11、天线基板；12、辐射贴片；121、第一领结贴片辐射结构的第一辐射贴片；122、第一领结贴片辐射结构的第二辐射贴片；123、第二领结贴片辐射结构的第一辐射贴片；124、第二领结贴片辐射结构的第二辐射贴片；131、第一寄生贴片；132、第二寄生贴片；133、第三寄生贴片；134、第四寄生贴片；14、置于基板上方的第一T型连接贴片；151、第二T型连接片的T型头部；152、第二T型连接片的置于基板下方的贴片；153、第二T型连接片连接同轴馈电部分。154、短接金属柱/孔；

2、接地板；31、第一个同轴馈电电缆；32、第二个同轴馈电电缆；4、支撑组件；5、缝隙；6、金属隔离板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

接地板、馈电结构、支撑结构以及多个天线辐射单元；

天线辐射单元通过支撑结构设置于地板纸上且与地板平行；

天线辐射单元与馈电结构、接地板依次相连。

具体地，所述天线辐射单元包括：

基板，辐射贴片，寄生贴片以及两个连接贴片；

辐射贴片与寄生贴片设置于基板靠近地板一侧；

两个连接贴片交叉放置,分别连接馈电结构和辐射贴片；

两个连接贴片不相触。

具体地，所述馈电结构为同轴馈电电缆。

具体地，所述辐射贴片总共有四个、分为两组；

辐射贴片之间有缝隙，辐射贴片外沿成指数函数形状；

具体地，所述连接贴片有两组，分别用来连接两组不同的领结贴片偶极子；

具体地，所述连接贴片分为三段，两段位于基板上侧，一段位于基板靠近地板一侧；

连接贴片的三段由上下打孔内壁镀铜的方式连接。

具体地，所述支撑结构有由四个塑料的支架组成，分别连接基板的四个角和地板。

具体地，所述辐射贴片外沿成指数函数形状：

具体函数为f(x)＝±a·e^±bx·[R]；

其中，

[R]是旋转矩阵，其具体表达式为：

其中

或±135°。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：两组领结辐射结构的边沿形状呈指数走向，并利用相邻辐射贴片间的缝隙电流辐射，天然具有带宽宽的优势，可以覆盖3.3-5.2GHz频段。此外，合理的引入了寄生贴片结构131-134，可以控制天线单元的S11的两个谐振凹处的频率间隔及位置，同时也可以控制辐射方向图，减小天线单元的平面尺寸。

请参照图2-图4，一种双极化宽带高增益宽波束基站天线包含天线单元1，接地板2，同轴馈电电缆3，支撑组件4以及隔离板6(在阵列中用于提高隔离度)。

其中领结辐射臂贴片121、123和连接贴片14构成一组完整的领结偶极子贴片天线，另一组完整的领结偶极子贴片天线由122、124和15构成。两组辐射单元的中心轴线呈90°正交交叉放置，从而实现±45°线性极化辐射。领结贴片的边沿呈指数函数走向分布，具体函数为f(x)＝±a·e^±bx·[R]。其中a和b都是可调正实数，会影响天线的阻抗匹配和辐射方向图；[R]是旋转矩阵，其具体表达式为：

其中

或±135°。利用这种指数边沿进行辐射会极大地提高阻抗匹配带宽。

辐射贴片121直接与同轴馈电电缆31的外导电壁相焊接，而同轴馈电电缆的内探针与连接贴片14的尾部焊接在一起。而辐射贴片123由连接贴片14的T型头部耦合激发。相对应的，辐射贴片124直接与32的外导电壁相接，32的内探针直接与153相接，辐射贴片122由151耦合激发。由于14和15需要隔离，所以152被置于基板下方。14的T型头部与151的T型头部的形状会影响天线的阻抗匹配表现。由于14与15需要被隔离，所以152被置于基板下方。

具体馈电结构可参见图4。其中，同轴馈电电缆31和32为业界标准的50Ω同轴馈电电缆。中间填充材料为PTFE，馈针和外壁都为良导体金属。

如果寄生贴片结构13没有被引入，天线单元的两个谐振频点会分隔的相对较远，而且整体天线单元的水平尺寸会较大。当寄生单元13被引入时，天线单元本身的两个谐振频率会被靠聚，并且天线单元的水平尺寸可以被显著缩小。寄生贴片与相邻的辐射贴片的缝隙间距直接决定了两个谐振频点的频率间距。当缝隙越小时，频率间隔越近，匹配越好，带宽越窄。当缝隙越大时，频率间隔越远，匹配越差，带宽越宽。经过优化，最优的缝隙宽度为2-3mm。并且由图5可知，天线的第一谐振频率在3.5GHz左右，S11≈-22dB；天线的第二谐振频率在4.85GHz左右，S11≈-20dB。此外，由图5还可知，不同极化间端口隔离度在-20dB以下。

接地板2用来反射从天线单元辐射出来的能量并最终提高增益。根据镜像原理，最优的地板与天线单元的距离为四分之一波长。在本发明中具体最优高度为17-19mm。图6为天线结构的主轴增益随频率的变化。从图6可知主轴增益在整个工作频段内都高于6.7dBi。

支撑组件4为塑料柱子，起到固定天线单元1的作用，对天线辐射性能没有影响。

图7和图8展示了天线工作在不同频点的电流分布图，同时也揭示了天线的辐射原理。当天线工作在4.9GHz时，靠近中心的缝隙进行主要辐射；当天线工作在3.5GHz时，整个辐射臂贴片的边沿都在辐射。另外，正是由于寄生贴片的引入，当天线单元1工作在低频频段时，辐射臂边沿的末端也可以进行辐射，从而减小了天线整体的平面尺寸。

图9和图10分别展示了天线单元在水平面和垂直面的辐射方向图当天线单元工作在4.9GHz和3.5GHz时。从图9可知，当天线单元工作在4.9GHz时，辐射的半功率波瓣宽度(HPBW)为80°左右，主轴增益为6.8dBi。可见当本发明实施例一工作在4.9GHz时，在不损失过多增益的情况下获得了良好的HPBW表现，主轴交叉极化比和±60°交叉极化比也满足业界要求。从图10可知，当天线单元工作在3.5GHz是，辐射的HPBW位63°左右，满足业界要求的65°±5°；主轴实现增益为7.8dBi。

本发明实施例一的另一种方案为将天线单元组成8*1的天线阵列，如图1所示。

图11显示了在一组阵列中的第4个天线单元的S参数以及它与相邻单元的同极化耦合参数。从图11可见当本发明的天线单元扩展成阵列时，阻抗匹配与单独工作时的表现相近。同时，在阵列环境中单元间耦合度在工作带宽3.3-5.2GHz频段内在-20dB以下。

图12和图13分别展示了8*1天线阵列在水平面和垂直面的辐射方向图当此天线阵列工作在4.9GHz和3.5GHz，此时天线阵列中的每一个单元被等幅等相馈电。当天线阵列工作在4.9GHz时，其H-面的HPBW依旧为80°左右，V-面的HPBW约为6.5°左右，主轴实现增益为15.6dBi。当天线阵列工作在3.5GHz时，其H-面的HPBW依旧为75°左右，V-面的HPBW约为8.5°左右，主轴实现增益为16.5dBi。由图12与13可知，天线阵列的HPBW表现比天线单元更好，这主要是因为地板的增大。主波瓣与第一副波瓣电平比大于15dB，用Taylor法或切比雪夫法来馈电可以进一步提高主波瓣旁瓣比。

以上所述内容仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

优选例2：

整个天线(阵列)结构主要包含接地板，(多个)天线辐射单元，馈电系统和支撑结构。天线单元应置于地板纸上且与地板平行，具体高度为工作中心频率的四分之一个波长。在本发明中，最优高度为17-19mm之间。

天线辐射单元由基板，辐射贴片，寄生贴片和连接贴片构成。其中辐射贴片与寄生贴片置于基板靠近地板一侧。连接贴片交叉放置用于连接馈源和激发辐射片，由于两个连接贴片不能相触，所以其中一个连接贴片被分为三段，一部分位于基板上侧，一部分位于基板靠近地板一侧。另一个连接贴片则为一个整体位于基板上侧。

辐射贴片总共有四个、两组。这两组的中心轴线呈90°交叉放置，其中每组都为一个变形领结水平偶极子天线。在任意一组偶极子天线中，一个臂片直接连接同轴馈线的外电壁。辐射片之间有缝隙，最小处为0.3mm左右。辐射片外沿成指数函数形状。

寄生贴片放置在偶极子臂片之间。每个寄生贴片为类菱形。其中，靠近辐射片的两边成指数函数走向。寄生贴片与辐射偶极子贴片留有缝隙，平行缝隙在2-3mm。寄生贴片中间有类菱形镂空。

连接贴片总共有两组，分别用来连接两组不同的领结贴片偶极子。每个连接贴片都成类T形。T形的尾部直接连接同轴馈线内探针，T形的头部用来耦合激发贴片偶极子的另一个极臂。其中被分为三段的连接贴片由上下打孔内壁镀铜的方式连接。

支撑结构有由四个塑料的支架组成，分别连接基板的四个角和地板。对整体工作性能不起明显作用。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种双极化宽带高增益宽波束天线，其特征在于，包括：

接地板、馈电结构、支撑结构以及多个天线辐射单元；

天线辐射单元通过支撑结构设置于地板之上且与地板平行；

天线辐射单元与馈电结构、接地板依次相连；

所述天线辐射单元包括：

基板，辐射贴片，寄生贴片以及两个连接贴片；

辐射贴片与寄生贴片设置于基板靠近地板一侧；

两个连接贴片交叉放置,分别连接馈电结构和辐射贴片；

两个连接贴片不相触；

所述辐射贴片总共有四个、分为两组；

辐射贴片之间有缝隙，辐射贴片外沿成指数函数形状；

寄生贴片放置在辐射贴片之间，每个寄生贴片为类菱形，靠近辐射片的两边成指数函数走向，寄生贴片与辐射贴片之间留有缝隙，寄生贴片中间有菱形镂空；

所述辐射贴片外沿成指数函数形状：

具体函数为f(x)＝±a·e^±bx·[R]；

其中，

[R]是旋转矩阵，其具体表达式为：

其中

或±135°。

2.根据权利要求1所述的双极化宽带高增益宽波束天线，其特征在于，所述馈电结构为同轴馈电电缆。

3.根据权利要求1所述的双极化宽带高增益宽波束天线，其特征在于，所述连接贴片有两组，分别用来连接两组不同的领结贴片偶极子；

4.根据权利要求1所述的双极化宽带高增益宽波束天线，其特征在于，所述连接贴片分为三段，两段位于基板上侧，一段位于基板靠近地板一侧；

连接贴片的三段由上下打孔内壁镀铜的方式连接。

5.根据权利要求1所述的双极化宽带高增益宽波束天线，其特征在于，所述支撑结构有由四个塑料的支架组成，分别连接基板的四个角和地板。