CN111355029A - 用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线 - Google Patents

用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，包括主辐射体、次辐射体、上层介质板、下层介质板和金属接地面，上层介质板通过支撑柱固定于下层介质板正上方，主辐射体印制在下层介质板上表面，次辐射体印制在上层介质板下表面，金属接地面印制在下层介质板的下表面。主辐射体的结构关于其自身的几何中心对称，其包括正方形贴片以及与正方形贴片的四个角一一对应连接的第一渐变微带线、第二渐变微带线、第三渐变微带线和第四渐变微带线，且第二渐变微带线、第三渐变微带线以及第四渐变微带线与第一渐变微带线的夹角分别为180°、90°、‑90°。解决了现有基站天线难以满足5G大规模天线阵列的可靠应用需求的问题。

Description

用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线。
背景技术
大规模天线阵列是第五代通信的关键技术之一，其通道数达到64/128/256，这样的多天线系统不但要求天线单元体积小、剖面低，还要求天线单元的端口隔离度、交叉极化鉴别度、增益等指标也应同时保持较高的水平，才能保证多天线系统电性能和辐射性能正常，实现高性能。
申请号为CN201410213379.4，发明名称为“一种改进型角馈高隔离度双极化叠层微带天线”，提出了一种低剖面微带天线，通过偏移馈电点以及开三角形槽的方法提高了不同极化端口之间的隔离度，使天线在驻波比小于1.5的情况下达到9%的阻抗带宽，带内隔离度为29dB，但其端口隔离度和交叉极化鉴别度等指标还需进一步提升才能满足5G大规模天线阵列的可靠应用需求。申请号为CN201720538804.6，名称为“天线阵列、天线模块及其微带天线单元”的实用新型专利，提出了一种差分馈电的贴片天线，四个馈电孔与微带馈电线路通过馈电柱电连接，其增益和集成度也需进一步提高才能满足5G大规模天线阵列的可靠应用需求。申请号为CN106099325A，名称为“应用于室内屋顶的全向双极化宽带天线”的发明专利申请，提出了全向双极化宽带天线。它包含垂直极化的角锥天线和水平极化的偶极子天线阵，其中偶极子天线阵包含弧形辐射单元及其馈电网络，该馈电网络包含中心的圆形贴片和渐变微带线，在中心位置馈电，产生幅度和相位相等的能量继而耦合到弧形辐射单元，形成全向辐射。其天线设计、功能和应用场景与本发明实施例提出的双极化微带天线完全不同。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，以解决现有基站天线的隔离度、交叉极化鉴别度和增益难以同时满足5G大规模天线阵列的可靠应用需求的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是，用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，包括主辐射体、次辐射体、上层介质板、下层介质板和金属接地面，上层介质板通过支撑柱固定于下层介质板正上方，主辐射体印制在下层介质板上表面，次辐射体印制在上层介质板下表面，金属接地面印制在下层介质板的下表面。
进一步的，所述主辐射体的结构关于其自身的几何中心对称，其包括正方形贴片以及与正方形贴片的四个角一一对应连接的第一渐变微带线、第二渐变微带线、第三渐变微带线和第四渐变微带线，且第二渐变微带线、第三渐变微带线以及第四渐变微带线与第一渐变微带线的夹角分别为180°、90°、-90°。
进一步的，所述第一渐变微带线、第二渐变微带线、第三渐变微带线和第四渐变微带线的结构尺寸均相同，且第一渐变微带线~第四渐变微带线远离正方形贴片的一端设有与其一一对应连接的第一渐变微带线末端馈电端口、第二渐变微带线末端馈电端口、第三渐变微带线末端馈电端口以及第四渐变微带线末端馈电端口。
进一步的，所述第一渐变微带线~第四渐变微带线的宽度均是渐变的，其宽度由靠近正方形贴片的一端向外逐渐变宽，用以匹配与其一一对应连接的第一渐变微带线末端馈电端口~第四渐变微带线末端馈电端口的阻抗。
进一步的，所述第一渐变微带线末端馈电端口与第二渐变微带线末端馈电端口均与第一馈电网络连接；
所述第三渐变微带线末端馈电端口与第四渐变微带线末端馈电端口均与第二馈电网络连接。
进一步的，所述第一渐变微带线末端馈电端口与第二渐变微带线末端馈电端口由第一馈电网络产生的幅度相等、相位相差180°的激励信号激励；
所述第三渐变微带线末端馈电端口与第四渐变微带线末端馈电端口由第二馈电网络产生的幅度相等、相位相差180°的激励信号激励。
进一步的，所述第一馈电网络的输入端口经长度为中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，一路经50欧姆渐变微带线与第一渐变微带线末端馈电端口连接，另一路经50欧姆渐变微带线与第二渐变微带线末端馈电端口连接；
所述第二馈电网络的输入端口经长度为中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，一路经50欧姆渐变微带线与第三渐变微带线末端馈电端口连接，另一路经50欧姆渐变微带线与第四渐变微带线末端馈电端口连接；
所述第一馈电网络和第二馈电网络中，其中一路50欧姆渐变微带线的长度比另一路50欧姆渐变微带线长中心频点对应的自由空间波长的二分之一。
进一步的，所述次辐射体置于主辐射体正上方5mm处。
进一步的，所述上层介质板采用介电常数为4.4、厚度为0.8mm的FR-4介质板，所述下层介质板采用介电常数为2.2、厚度为0.8mm的Rogers 5880介质板。
进一步的，所述主辐射体的边长为30.5mm，所述次辐射体的边长为32mm。
本发明实施例的有益效果是，将馈电线路直接与主辐射体相连，采用微带直接馈电的方式对天线进行馈电，不需要馈电柱，不存在使用馈电柱带来的额外损耗，降低了损耗，天线仿真增益峰值可达9.56dBi。天线集成度高，适合大规模生产，且工时少、成本低。采用渐变微带，提高了天线的阻抗匹配程度，展宽天线带宽，使得整个天线可覆盖3.3-3.6GHz频率。采用幅度相等、相位相差180°的信号对主辐射体对角上的渐变微带线末端馈电，提高了天线的端口隔离度和交叉极化鉴别度，使其更加便于应用在大规模天线阵列中，有效保证了第五代通信系统的大规模天线阵列的可靠应用，解决了现有基站天线的隔离度、交叉极化鉴别度和增益难以同时满足5G大规模天线阵列的可靠应用需求的问题。
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是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线的整体结构示意图。
图2是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线的主辐射体示意图。
图3是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线的一种具体结构示意图。
图4是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线的S参数图。
图5是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线在不同频点XOZ面的仿真方向图。
图6是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线在不同频点YOZ面的仿真方向图。
图7是用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线的增益曲线图。
图中，1.主辐射体，11.正方形贴片，12.第一渐变微带线，13.第二渐变微带线，14.第三渐变微带线，15.第四渐变微带线，121.第一渐变微带线末端馈电端口，131.第二渐变微带线末端馈电端口，141.第三渐变微带线末端馈电端口，151.第四渐变微带线末端馈电端口，2.次辐射体，3.上层介质板，4.下层介质板，5.金属接地面。
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。
用于第五代通信系统的低剖面双极化微带天线，如图1所示，包括主辐射体1、次辐射体2、上层介质板3、下层介质板4和金属接地面5，金属接地面5印制在下层介质板4的下表面，且金属接地面5接地线。主辐射体1的结构关于其自身的几何中心对称，且主辐射体1印制在下层介质板4上表面，次辐射体2印制在上层介质板3下表面，上层介质板3通过支撑柱固定于下层介质板4正上方5mm处，使得次辐射体2置于主辐射体1正上方5mm处，约为中心频点对应的自由空间波长的0.057倍。该天线工作频段为3.3-3.6GHz，中心频点为3.45GHz，经计算，中心频点为3.45GHz时对应的波长为87mm。本发明实施例中，上层介质板3采用介电常数为4.4的FR-4介质板，其厚度为0.8mm，下层介质板4采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板，其厚度为0.8mm，上层介质板3和下层介质板4的介电常数以及厚度可根据实际需要进行选择。
主辐射体1和次辐射体2的边长是根据其谐振频率的要求设计的，天线工作频段为3.3-3.6GHz，中心频点为3.45GHz，主辐射体1和次辐射体2的边长与谐振频率有关，通过调整主辐射体1和次辐射体2的边长可以调整天线的谐振频率，将上层介质板3的介电常数和厚度带入相关计算公式，计算出中心频点为3.45GHz时对应的波导波长为41.62mm，次辐射体2的边长为32mm，约为0.72倍的波导波长。类似的，将下层介质板4的介电常数和厚度带入相关计算公式，计算出中心频点为3.45GHz时对应的波导波长为58.15mm，主辐射体1的边长为30.5mm，约为0.52倍的波导波长，技术人员可根据实际需要自行调整尺寸。
如图2所示，主辐射体1包括正方形贴片11以及与正方形贴片11的四个角一一对应连接的第一渐变微带线12、第二渐变微带线13、第三渐变微带线14和第四渐变微带线15，第一渐变微带线12~第四渐变微带线15的结构尺寸均相同，第二渐变微带线13、第三渐变微带线14以及第四渐变微带线15与第一渐变微带线12的夹角分别为180°、90°、-90°，即第二渐变微带线13、第三渐变微带线14和第四渐变微带线15均可由第一渐变微带线12旋转180°、90°、-90°得到。第一渐变微带线12远离正方形贴片11的一端设有第一渐变微带线末端馈电端口121，第二渐变微带线13远离正方形贴片11的一端设有第二渐变微带线末端馈电端口131，第三渐变微带线14远离正方形贴片11的一端设有第三渐变微带线末端馈电端口141，第四渐变微带线15远离正方形贴片11的一端设有第四渐变微带线末端馈电端口151，且第一渐变微带线12~第四渐变微带线15的宽度均是渐变的，用以匹配各自馈电端口即第一渐变微带线末端馈电端口121~第四渐变微带线末端馈电端口151的阻抗。馈电方式的不同对于天线性能的影响很大，本实施例将馈电线路直接与主辐射体1相连，采用微带直接馈电的方式对天线进行馈电，不需要馈电柱，不存在使用馈电柱带来的额外损耗，降低了损耗，天线仿真增益峰值可达9.56dBi。天线集成度高，不需要额外焊接，适合大规模生产，且工时少、成本低。
设置第一渐变微带线12~第四渐变微带线15的宽度渐变，是为了提高天线的阻抗匹配程度，展宽天线带宽。如果第一渐变微带线12~第四渐变微带线15的宽度恒定，则天线的阻抗匹配变差，带宽减小。如图4所示，采用渐变微带，主辐射体1主要负责3.3GHz谐振点的产生，次辐射体2主要负责3.6GHz谐振点的产生，这两个辐射体耦合，相应的谐振点融合，整个天线就可覆盖3.3-3.6GHz，而宽度一致时，天线近乎只工作在3.5GHz。
第一渐变微带线末端馈电端口121与第二渐变微带线末端馈电端口131由幅度相等、相位相差180°的信号激励，第三渐变微带线末端馈电端口141与第四渐变微带线末端馈电端口151由幅度相等、相位相差180°的信号激励。以上幅度相等、相位相差180°的激励信号由馈电网络产生。
如图3所示，是本发明实施例的一个具体实施例，与第一渐变微带线末端馈电端口121以及第二渐变微带线末端馈电端口131相连的总输入端口记为端口a，与第三渐变微带线末端馈电端口141以及第四渐变微带线末端馈电端口151相连的总输入端口记为端口b。从端口a到第一渐变微带线末端馈电端口121以及第二渐变微带线末端馈电端口131中间部分为第一馈电网络，从端口b到第三渐变微带线末端馈电端口141以及第四渐变微带线末端馈电端口151中间的部分为第二馈电网络，该实施例的第一馈电网络和第二馈电网络可以给第一渐变微带线末端馈电端口121~第四渐变微带线末端馈电端口151提供幅度相等、相位相差180°的激励，以第一馈电网络为例，馈电网络输入端口为a，经过长度为天线工作频段的中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，其中一路经50欧姆渐变微带线与第一渐变微带线末端馈电端口121相连，另一路经50欧姆渐变微带线与第二渐变微带线末端馈电端口131相连，且其中一路50欧姆渐变微带线的长度比另一路50欧姆渐变微带线长中心频点对应的自由空间波长的二分之一，以此实现幅度相等，相位相差180°的激励。同时，第二馈电网络中，馈电网络输入端口为b，经过长度为中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，其中一路经50欧姆渐变微带线与第三渐变微带线末端馈电端口141相连，另一路经50欧姆渐变微带线与第四渐变微带线末端馈电端口151相连，且其中一路50欧姆渐变微带线的长度比另一路50欧姆渐变微带线长中心频点对应的自由空间波长的二分之一。第一馈电网络和第二馈电网络的设计多种多样，可由技术人员自行设计。
图4~7分别给出了该具体实施例天线的S参数图、在不同频点XOZ面的仿真方向图、在不同频点YOZ面的仿真方向图以及其增益曲线图。结果表明，该天线在驻波比小于1.5时，工作在3.3GHz到3.6GHz，在该频带范围内，|Sab|即端口a和端口b间的端口隔离度为37~39dB，0°交叉极化鉴别度为-38.3dB，±60°交叉极化鉴别度为-20.3dB。与申请号为201410213379.4的专利相比，端口隔离度提高了10dB左右，0°交叉极化鉴别度提高了20dB，±60°交叉极化鉴别度提高了3dB。
本发明实施例的双极化微带天线，采用微带直接馈电合并差分馈电的方案，能同时有效提升基站天线的隔离度、交叉极化鉴别度和增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，包括主辐射体（1）、次辐射体（2）、上层介质板（3）、下层介质板（4）和金属接地面（5），上层介质板（3）通过支撑柱固定于下层介质板（4）正上方，主辐射体（1）印制在下层介质板（4）上表面，次辐射体（2）印制在上层介质板（3）下表面，金属接地面（5）印制在下层介质板（4）的下表面。
2.根据权利要求1所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述主辐射体（1）的结构关于其自身的几何中心对称，其包括正方形贴片（11）以及与正方形贴片（11）的四个角一一对应连接的第一渐变微带线（12）、第二渐变微带线（13）、第三渐变微带线（14）和第四渐变微带线（15），且第二渐变微带线（13）、第三渐变微带线（14）以及第四渐变微带线（15）与第一渐变微带线（12）的夹角分别为180°、90°、-90°。
3.根据权利要求2所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述第一渐变微带线（12）、第二渐变微带线（13）、第三渐变微带线（14）和第四渐变微带线（15）的结构尺寸均相同，且第一渐变微带线（12）~第四渐变微带线（15）远离正方形贴片（11）的一端设有与其一一对应连接的第一渐变微带线末端馈电端口（121）、第二渐变微带线末端馈电端口（131）、第三渐变微带线末端馈电端口（141）以及第四渐变微带线末端馈电端口（151）。
4.根据权利要求3所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述第一渐变微带线（12）~第四渐变微带线（15）的宽度均是渐变的，其宽度由靠近正方形贴片（11）的一端向外逐渐变宽，用以匹配与其一一对应连接的第一渐变微带线末端馈电端口（121）~第四渐变微带线末端馈电端口（151）的阻抗。
5.根据权利要求3或4所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述第一渐变微带线末端馈电端口（121）与第二渐变微带线末端馈电端口（131）均与第一馈电网络连接；
所述第三渐变微带线末端馈电端口（141）与第四渐变微带线末端馈电端口（151）均与第二馈电网络连接。
6.根据权利要求5所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述第一渐变微带线末端馈电端口（121）与第二渐变微带线末端馈电端口（131）由第一馈电网络产生的幅度相等、相位相差180°的激励信号激励；
所述第三渐变微带线末端馈电端口（141）与第四渐变微带线末端馈电端口（151）由第二馈电网络产生的幅度相等、相位相差180°的激励信号激励。
7.根据权利要求6所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述第一馈电网络的输入端口经长度为中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，一路经50欧姆渐变微带线与第一渐变微带线末端馈电端口（121）连接，另一路经50欧姆渐变微带线与第二渐变微带线末端馈电端口（131）连接；
所述第二馈电网络的输入端口经长度为中心频点对应的自由空间波长的四分之一的阻抗变换线分为两路，一路经50欧姆渐变微带线与第三渐变微带线末端馈电端口（141）连接，另一路经50欧姆渐变微带线与第四渐变微带线末端馈电端口（151）连接；
所述第一馈电网络和第二馈电网络中，其中一路50欧姆渐变微带线的长度比另一路50欧姆渐变微带线长中心频点对应的自由空间波长的二分之一。
8.根据权利要求1~4、6、7任一项所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述次辐射体（2）置于主辐射体（1）正上方5mm处。
9.根据权利要求1~4、6、7任一项所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述上层介质板（3）采用介电常数为4.4、厚度为0.8mm的FR-4介质板，所述下层介质板（4）采用介电常数为2.2、厚度为0.8mm的Rogers 5880介质板。
10.根据权利要求1~4、6、7任一项所述的用于第五代通信系统的高性能双极化微带天线，其特征在于，所述主辐射体（1）的边长为30.5mm，所述次辐射体（2）的边长为32mm。
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