CN111262005A - 适用于5g基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列 - Google Patents

适用于5g基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列，其中天线单元包括金属盒装反射结构以及磁电偶极子、馈电结构，金属盒装结构包括金属底板，磁电偶极子包括对称且间隔分布的多个磁电偶极单元，每个磁电偶极单元均包括上层介质基板以及位于其下方的平行介质板，上层介质基板表面的介质层上印刷有金属贴片以作为电偶极子，平行介质板上设置有金属涂层，金属涂层以及金属底板共同形成磁偶极子；馈电结构包括一对正交布设的馈线，每个馈线的底部与穿过金属底板布设的同轴线连接。本申请不仅实现了双极化，而且具有小型化、宽频带、增益大、后瓣小、方向图稳定、隔离度大等优点，完全可以满足现代5G通信基站的需求。

Description

适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列
技术领域
本申请涉及移动通信基站天线技术领域，具体涉及一种适用于5G基站的双极化宽带电磁偶极子天线。
背景技术
随着现代无线通信的快速发展，基站天线正朝着宽带化、小型化、增益高、低成本、多模态、结构简单等方向发展。同时，随着5G商用化的应用以及工信部给三大运营商相继颁发5G营业执照频段，近几年5G基站天线的需求将会发生井喷式的发展。2017年11月，工信部明确规划6GHz以下的5G工作频段分别为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz频段，并且规划了3.3-3.4GHZ为室内频段，3.4-3.6GHZ和4.8-4.9GHZ作为室外频段。联通获得3.5-3.6GHZ频段，电信获得3.4-3.5GHZ，移动获得4.8-4.9GHZ。此外工信部还将2515-2675MHz频段也颁发给移动，作为其户外基站频段。3-5GHZ的频段被作为6GHZ以下的5G室外通信的主频段进行使用，面向5G通信的双极化宽带基站天线应该实现3-5GHZ的覆盖。
目前，工业上实现双极化宽带天线主要是偶极子天线完成的，但偶极子天线一般带宽不够宽，尤其在高频阶段利用偶极子天线单元组成天线阵列，其阵子间的耦合度较大，辐射方向图发生严重畸形。传统方式对于宽带的实现，主要的措施是增加寄生结构和开缝，用于产生新的谐振点，但是此类方式主要应用于单极化天线。目前基站天线大多采用双极化天线，例如微带天线等，但是传统阵列天线的阵子之间具有耦合度差、轮廓大、增益低等缺点。因此如何实现一款宽频带、小型化、耦合度小、覆盖6GHZ以下的主流5G户外基站天线频段的天线单元具有重要的工程价值。
发明内容
本申请的目的是提供一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元及天线阵列，用以更好地满足现代5G通信基站的需求。
为了实现上述任务，本申请采用以下技术方案：
一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，包括金属盒装反射结构以及设置在金属盒装反射结构中的磁电偶极子和馈电结构，金属盒装结构包括金属底板，所述磁电偶极子包括对称且间隔分布的多个磁电偶极单元，每个磁电偶极单元均包括上层介质基板以及位于其下方且与所述金属底板垂直连接的平行介质板，上层介质基板表面的介质层上印刷有金属贴片以作为电偶极子，平行介质板上设置有金属涂层，金属涂层以及金属底板共同形成磁偶极子；所述馈电结构包括设置在所述多个磁电偶极单元中部间隙处的一对正交布设的馈线，每个馈线的底部与穿过所述金属底板布设的同轴线连接。
进一步地，所述金属盒装反射结构还包括垂直设置在金属底板周围的金属侧板，当天线被激励时，金属底板能反射电磁波并产生辐射，起到了定向作用和增加带宽的作用，而金属侧板的设置则减少了电磁波的绕射作用。
进一步地，所述每个电偶极子上均开设有用于加大电流的流动途径的S形缝隙，从而实现加大带宽的作用；且所述多个磁电偶极单元中的S形缝隙相互对称设置。
进一步地，所述磁电偶极单元中的平行介质板包括第一平行介质板和第二平行介质板，第一平行介质板和第二平行介质板端部相互垂直，相邻设置在上层介质基板边缘的下方并均垂直于金属底板，第一平行介质板、第二平行介质板上和上层介质基板接触部分设置有齿轮/半圆型寄生结构和半圆形/矩形缝隙。
进一步地，所述第一平行介质板、第二平行介质板的上部连接电偶极子，底部连接金属底板，使得金属涂层与金属底板接触，构成短路状态。
进一步地，所述上层介质基板通过介质柱固定在金属底板的上方，介质柱的上部与上层介质基板表面的介质层接触，介质柱的底部与金属底板接触，介质柱的高度符合3-5GHZ频带范围中心频点的四分之一波长。
进一步地，所述一对正交布设的馈线均为Γ形结构，设置在所述多个磁电偶极单元中部的十字间隙中；每个馈线均包括竖直部分以及垂直设置在竖直部分顶部的水平部分，其中一个馈线的水平部分位于另一个馈线的水平部分上方。
进一步地，当天线被激励时，第一平行介质板、第二平行介质板上的上金属涂层被馈线的竖直部分耦合产生了电流，实现了磁偶极子效果，电偶极子由馈线的水平部分耦合产生了电流，实现了电偶极子效果，最终电偶极子和磁偶极子互补实现正交电磁辐射。
进一步地，所述馈线的底部与同轴线连接处为渐变式结构，沿靠近同轴线的方向宽度逐渐减小，从而实现信号的连续传输。
在上述技术方案的基础上，本申请还公开了一种天线阵列，该天线阵列由多个所述适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元构成。
本申请具有以下技术特点：
1.本申请由于在四个相互对称的电偶极子采用S形缝隙，有效的加大了电流途径，有效的拓宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽，且制作工艺简单；各种金属结构以及介质板均为常见的材料，成本低且易加工，介质层由介质柱支撑，起到加固天线的作用，且制作简单。
2.本申请中双极化效果由两个相互正交Γ形馈线实现，其结构简单，且同轴线内导体与Γ形馈线连接处使用渐变结构，实现信号传输过程中的连续性。目前以及到未来基站的主流发展天线都是双极化天线。
3.本申请的天线单元测试中端口驻波比均实现VSWR＜2的工作频段为2.8-5.2GHZ，基本覆盖目前主流的6GHZ以下的5G频段。与以往的磁电偶极子天线相比，该天线不仅实现了双极化，而且具有小型化、宽频带、增益大、后瓣小、方向图稳定、隔离度大等优点，完全可以满足现代5G通信基站的需求。
4.本申请中电偶极子边缘的寄生和缝隙结构提高了阻抗带宽和阻抗匹配度。实现了5G基站天线的效果，其在3-5GHZ频段内的平均增益达到9dbi以上，10dbi以上的带宽超过500MHZ，具备了实用价值。
附图说明
图1为本申请的天线单元的整体结构示意图；
图2是本申请的极化隔离度S21参数仿真结果图；
图3是本申请的两端口驻波比(VSWR)的参数仿真结果图；
图4是本申请的两端口增益仿真结果图；
图5(a)和图5(b)是本申请在4GHz和4.6GHz的辐射方向图；
图6是本申请在4GHZ的主极化和交叉极化图。
图中标号说明：1金属盒装反射结构，11金属底板，12金属侧板，2磁电偶极子，21上层介质基板，22电偶极子，23第一平行介质板，24第二平行介质板，25S形缝隙，26介质柱，3馈电结构，31馈线，32竖直部分，33水平部分，34同轴线。
具体实施方式
下面将以具体实例来阐述本申请的具体实体方案，本技术领域的专业人员可由本申请所阐述的内容更为详细的了解此发明的其他优点和工程意义。
参见图1，本申请公开了一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子2天线单元，包括金属盒装反射结构1以及设置在金属盒装反射结构1中的磁电偶极子2和馈电结构3，其中：
1.金属盒装反射结构
金属盒装反射结构1包括金属底板11以及垂直设置在金属底板11周围的金属侧板12，当天线被激励时，金属底板11能反射电磁波，在某个程度上也会产生辐射，起到了定向作用和增加带宽的作用，而金属侧板12的设置则减少了电磁波的绕射作用。在本申请的一个实施例中，所述金属底板11为尺寸标准的正方形结构，所述金属侧板12在金属底板11的每个边上各设置一块，金属侧板12的长度与金属底板11的边长一致，金属侧板12的高度优选设置为15mm。本实施例中的金属底板11、金属侧板12结构均采用1mm厚度的铜板或者铝板。
2.磁电偶极子2
磁电偶极子2包括对称分布在所述金属盒装反射结构1中部的四个磁电偶极单元，磁电偶极单元均用于实现磁偶极子和电偶极子22的效果。参见图1，每个磁电偶极单元均平行介质板、上层介质基板21以及介质柱26，平行介质板有两个，包括第一平行介质板23、第二平行介质板24，其中：
上层介质基板21设置在金属底板11上方一定高度处，上层介质基板21的介质层上印刷有金属贴片以作为电偶极子22；上层介质基板21为矩形结构，其宽度尺寸符合半波偶极子的原理，由一根固定在金属底板11上的介质柱26支撑，金属贴片的尺寸与上层介质基板21上表面的尺寸相适配；每个电偶极子22上均开设有S形缝隙25，且所述四个磁电偶极单元中的S形缝隙25相互对称设置。所述第一平行介质板23和第二平行介质板24端部相互垂直，相邻设置在上层介质基板21边缘的下方并均垂直于金属底板11；第一平行介质板23、第二平行介质板24上和上层介质基板21接触部分设置有齿轮/半圆型寄生结构和半圆形/矩形缝隙。第一平行介质板23、第二平行介质板24上均设置有金属涂层，本实施例中金属涂层为镀铜金属层，金属涂层以及金属底板11共同形成所述磁偶极子。所述第一平行介质板23、第二平行介质板24的上部连接电偶极子22，底部连接金属底板11，使得金属涂层与金属底板11接触，构成短路状态。
所述介质柱26起到支撑上层介质基板21的作用，其高度即为上层介质基板21与金属底板11之间的距离，为圆柱形结构；介质柱26的高度符合3-5GHZ频带范围中心频点的四分之一波长。上层介质基板21表面的介质层上印刷所述的电偶极子22，介质柱26的上部与介质层接触，介质柱26的底部与金属底板11接触。介质层为常用的电介质材料实现了低造价的工程意义。参考图1，本实例中介质柱26的半径为2.5mm，介质层长度为20mm，宽度为20mm。
当天线被激励时，第一平行介质板23、第二平行介质板24上的上金属涂层主要被Γ形(倒L形)馈线31的竖直部分32耦合产生了电流，实现了磁偶极子效果，电偶极子22由Γ形馈线31的水平部分33耦合产生了电流，实现了电偶极子22效果，最终电偶极子22和磁偶极子互补实现正交电磁辐射。其中电偶极子22上的S形缝隙25加大了电流的流动途径，实现加大带宽的作用；电偶极子22与第一平行介质板23、第二平行介质板24接触边缘存在的缝隙和寄生结构也可以增大带宽，最终达到一个较好的辐射效果。
在磁电偶极子2中，每相邻的两个磁电偶极单元中的电偶极子22之间相距一定的距离，用于实现两个端口之间较好的隔离度。磁偶极子和电偶极子22均由介质板上的金属涂层实现，实现了低成本的目的。两个电偶极子22贴片宽度之和符合频段内中心频率的半波长尺寸，四个对称设置的电偶极子22可以实现+45°和-45°辐射效果。
参见图1，本实施例中电偶极子22的边界尺寸和第一平行介质板23、第二平行介质板24的长度相同，其中S形缝隙25的缝隙宽度为2mm，长度为10mm。本实施例中印刷层金属采用工业上制造印刷金属层常用的厚度，金属贴片和介质层利用PCB技术实现，以降低成本。介质柱26和介质层均采用常见介质材料。
3.馈电结构3
馈电结构3包括一对Γ形馈线31，所述一对馈线31位于四个磁电偶极单元中部的十字间隙处，并且所述一对馈线31相互正交布设。每个馈线31均包括竖直部分32以及垂直设置在竖直部分32顶部的水平部分33，其中一个馈线31的水平部分33位于另一个馈线31的水平部分33上方且相邻一定高度，该高度以及所述十字间隙的宽度可以实现两个端口之间较大的隔离度。每个馈线31竖直部分32的底部均通过同轴线34与金属底板11连接；同轴线34实现了信号从馈源传输到馈线31的作用，其中，馈线31连接同轴线34的内导体。金属盒装反射结构1的金属底板11上开设有通孔，同轴线34由地面向上穿过通孔与馈线31连接，构成馈电结构3；且其在金属底板11实现了缺陷地结构(DGS)，地面“弓形”缝隙实现提高阻抗带宽的目的。
其中，馈线31(的竖直部分32的)底部与同轴线34连接处为渐变式结构，沿靠近同轴线34的方向宽度逐渐减小，采用该结构的目的是实现信号的连续传输。进一步地，较高的馈线31上渐变式结构的长度大于另外一个馈线31上渐变式结构的长度。相互正交的Γ形馈线31的高度在中心频率的四分之一波长左右，宽度为中心频率的二十分之一波长左右。
本实施例中，同轴线34采用的是输入阻抗为50Ω的传输线，Γ形馈线31由渐进式铜片构成，以实现在同轴线34连接处进行尺寸的匹配连接，从而达到电流的连续性传输和阻抗匹配的目的。两个馈线31摆放为±45°角度的方位，实现双极化效果。根据实际应用需求，可以调节馈线31的摆放形式并更换不同尺寸的馈线31，具有较大的工程意义。
参见图1，本实例中的Γ形馈线31宽度为6mm，两个Γ形馈线31的渐变式结构处长度分别为15m和13mm，其水平另一端竖直金属部分高度为同一高度。
结合利用ANSYS HFSS仿真软件得到的实验结果，对本申请的技术效果更近一步进行阐述。
如图2所示，仿真得到天线单元的极化隔离度S21参数图。其中在3-5GHZ中两端口之间的隔离度均大于24dB。
如图3所示，得出天线的两端口电压驻波比(VSWR)参数测试图，可以得到两端口均在3-5GHZ工作频段内VSWR＜2。
如图4所示，得出天线的两端口增益(Gain)参数测试图，可以看出3-5GHZ的工作频段内平均Gain>9dBi。说明远场辐射效果较好。
如图5(a)和图5(b)所示，得出天线在4Ghz和4.6Ghz的远场方向图(E-plane和H-plane)。
如图6所示，得出天线在4GHZ的E场主极化和交叉极化，以及H-场的主极化和交叉极化。
根据以上说明，本申请的天线单元具有宽频带、增益高、小型化、耦合度低等特点，天线的适用频段位于3-5GHz，基本覆盖了目前6GHZ以下的5G频段的主流频段，能很好地适用于5G室外基站。
以上描述和实例展示仅是本申请的优化之后的实施方案，并不作为限制方案。尽管上述对于实例进行了较为详细的说明，本领域的人员应该是可以理解的，但是也可以进行一些结构和尺寸上的微小改变，但是大体结构修正和改变仍在本申请的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，包括金属盒装反射结构(1)以及设置在金属盒装反射结构(1)中的磁电偶极子(2)和馈电结构(3)，金属盒装结构包括金属底板(11)，所述磁电偶极子(2)包括对称且间隔分布的多个磁电偶极单元，每个磁电偶极单元均包括上层介质基板(21)以及位于其下方且与所述金属底板(11)垂直连接的平行介质板，上层介质基板(21)表面的介质层上印刷有金属贴片以作为电偶极子(22)，平行介质板上设置有金属涂层，金属涂层以及金属底板(11)共同形成磁偶极子；所述馈电结构(3)包括设置在所述多个磁电偶极单元中部间隙处的一对正交布设的馈线(31)，每个馈线(31)的底部与穿过所述金属底板(11)布设的同轴线(34)连接。
2.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述金属盒装反射结构(1)还包括垂直设置在金属底板(11)周围的金属侧板(12)，当天线被激励时，金属底板(11)能反射电磁波并产生辐射，起到了定向作用和增加带宽的作用，而金属侧板(12)的设置则减少了电磁波的绕射作用。
3.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述每个电偶极子(22)上均开设有用于加大电流的流动途径的S形缝隙(25)，从而实现加大带宽的作用；且所述多个磁电偶极单元中的S形缝隙(25)相互对称设置。
4.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述磁电偶极单元中的平行介质板包括第一平行介质板(23)和第二平行介质板(24)，第一平行介质板(23)和第二平行介质板(24)端部相互垂直，相邻设置在上层介质基板(21)边缘的下方并均垂直于金属底板(11)，第一平行介质板(23)、第二平行介质板(24)上和上层介质基板(21)接触部分设置有齿轮/半圆型寄生结构和半圆形/矩形缝隙。
5.根据权利要求4所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述第一平行介质板(23)、第二平行介质板(24)的上部连接电偶极子(22)，底部连接金属底板(11)，使得金属涂层与金属底板(11)接触，构成短路状态。
6.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述上层介质基板(21)通过介质柱(26)固定在金属底板(11)的上方，介质柱(26)的上部与上层介质基板(21)表面的介质层接触，介质柱(26)的底部与金属底板(11)接触，介质柱(26)的高度符合3-5GHZ频带范围中心频点的四分之一波长。
7.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述一对正交布设的馈线(31)均为Γ形结构，设置在所述多个磁电偶极单元中部的十字间隙中；每个馈线(31)均包括竖直部分(32)以及垂直设置在竖直部分(32)顶部的水平部分(33)，其中一个馈线(31)的水平部分(33)位于另一个馈线(31)的水平部分(33)上方。
8.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，当天线被激励时，第一平行介质板(23)、第二平行介质板(24)上的上金属涂层被馈线(31)的竖直部分(32)耦合产生了电流，实现了磁偶极子效果，电偶极子(22)由馈线(31)的水平部分(33)耦合产生了电流，实现了电偶极子(22)效果，最终电偶极子(22)和磁偶极子互补实现正交电磁辐射。
9.根据权利要求1所述的适用于5G基站的双极化宽带磁电偶极子天线单元，其特征在于，所述馈线(31)的底部与同轴线(34)连接处为渐变式结构，沿靠近同轴线(34)的方向宽度逐渐减小，从而实现信号的连续传输。
10.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列由多个根据权利要求1至9中任一权利要求所述的天线单元构成。
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