CN111710966B

CN111710966B - 一种开口环加载的双频双极化基站天线

Info

Publication number: CN111710966B
Application number: CN202010614299.5A
Authority: CN
Inventors: 黄贝; 曹杰; 蔡家辉; 张俊; 陈卓著; 章国豪; 郭春炳
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN111710966A

Abstract

本发明提供了一种开口环加载的双频双极化基站天线，包括：第一基板、第二基板、第一巴伦结构、第二巴伦结构、蝶形贴片及环形贴片；所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构底部垂直正交设置在所述第二基板上；所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构上部设置有所述第一基板；所述第一基板与所述第二基板平行设置；所述蝶形贴片设置在所述第一基板的上表面，所述环形贴片设置在所述第一基板的下表面。本发明提供的开口环加载的双频双极化基站天线，通过巴伦结构直接激励蝶形贴片，蝶形贴片耦合环形贴片形成的感应电流引入新的谐振模式，拓展了基站天线的带宽，解决了现有基站天线带宽较小的技术问题。

Description

一种开口环加载的双频双极化基站天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种开口环加载的双频双极化基站天线。

背景技术

随着第五代移动通信技术的应用，基站天线的设计就显得尤为重要。目前第五代移动通信大部分采用Sub-6G的两个频段作为通信频段，因此需要设计一款能覆盖三大通信运营商最新划分的2515MHz-2675MHz，3400MHz-3600MHz，4800MHz-5000MHz通信频段，具有稳定增益的基站天线。

在天线设计的过程中，为了能缓解站址资源紧张的情况，同时能满足2G、3G、4G、5G多系统共存的局面，基站天线需要向着宽频带方向发展。但在实际设计时，通常会遇到为了缩小天线尺寸而简化结构，导致带宽变窄，或因拓展带宽导致方向图不稳定、剖面过高，难以满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种开口环加载的双频双极化基站天线，以解决现有基站带宽较窄、难以满足实际应用需求的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种开口环加载的双频双极化基站天线，包括：第一基板、第二基板、第一巴伦结构、第二巴伦结构、蝶形贴片及环形贴片；

所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构底部垂直正交设置在所述第二基板上；

所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构上部设置有所述第一基板；

所述第一基板与所述第二基板平行设置；

所述蝶形贴片设置在所述第一基板的上表面，所述环形贴片设置在所述第一基板的下表面。

可选地，所述第二基板的下表面设置有地板，所述环形贴片由若干个弧形贴片组成，所述弧形贴片之间具有间距，所述间距为2mm至6mm。

可选地，所述蝶形贴片的中心、所述环形贴片的中心与所述第二基板的中心共线，且连线与所述第一基板垂直。可选地，所述第一巴伦结构包括第一介质基板、第一接地平面与第一馈线；其中，所述第一接地平面为印刷在所述第一介质基板背面的金属，所述第一馈线印刷在所述第一介质基板的正面。

可选地，所述第二巴伦结构包括第二介质基板、第二接地平面和第二馈线；其中，所述第二接地平面为印刷在所述第二介质基板背面的金属，所述第二馈线印刷在所述第二介质基板的正面。

可选地，所述第一巴伦结构的上端设有凹陷部，所述第二巴伦结构的下端设有槽；所述第一巴伦结构、所述第二巴伦结构通过所述凹陷部、所述槽连接。

可选地，所述凹陷部两边分别设有第一巴伦结构上插块，所述第一巴伦结构的下端设有第一巴伦结构下插块；所述第一基板的中间开设有第一插槽，所述第二基板的中间开设有第二插槽；所述第一巴伦结构、所述第一基板通过所述第一巴伦结构上插块、所述第一插槽连接，所述第一巴伦结构、所述第二基板通过所述第一巴伦结构下插块、所述第二插槽连接。

可选地，所述第二巴伦结构的上端设有第二巴伦结构上插块，所述第二巴伦结构的下端设有第二巴伦结构下插块；所述第二巴伦结构、所述第一基板通过所述第二巴伦结构上插块、所述第一插槽连接，所述第二巴伦结构、所述第二基板通过所述第二巴伦结构下插块、所述第二插槽连接。

可选地，所述第一基板与所述第二基板的间距为

至

之间；其中，λ_c为中心频点在自由空间中的波长。

可选地，所述第一基板与所述第二基板的厚度在0.7mm至0.9mm之间，所述第一介质基板、所述第二介质基板的厚度在0.5mm至0.7mm之间。

本发明提供了一种开口环加载的双频双极化基站天线，包括：第一基板、第二基板、第一巴伦结构、第二巴伦结构、蝶形贴片及环形贴片；所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构底部垂直正交设置在所述第二基板上；所述第一巴伦结构和所述第二巴伦结构上部设置有所述第一基板；所述第一基板与所述第二基板平行设置；所述蝶形贴片设置在所述第一基板的上表面，所述环形贴片设置在所述第一基板的下表面。

本发明提供的开口环加载的双频双极化基站天线，具有的有益效果是：

(1)本发明利用巴伦结构辐射可形成双极化辐射特性，蝶形贴片、环形贴片位于巴伦结构上方，通过巴伦结构直接激励蝶形贴片，蝶形贴片耦合环形贴片形成的感应电流，可以引入新的谐振模式，从而拓展了基站天线的带宽。

(2)本发明提供的开口环加载的双频双极化基站天线，通过调节巴伦辐射结构、蝶形贴片和环形贴片的尺寸及其相对位置，从而控制天线的谐振模式，因此，可以根据不同的需求，灵活设计覆盖所需的频段。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的第一巴伦结构的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的第二巴伦结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的S参数图；

图6为本发明实施例提供的一种开口环加载的双频双极化基站天线的增益随频率变化的仿真结果曲线图。

图中，1第一基板，2第二基板，3环形贴片，31弧形贴片，4蝶形贴片，5第一巴伦结构，6第二巴伦结构，7地板，8第一介质基板，9第一接地平面，10第一馈线，11凹陷部，12第一巴伦结构上插块，13第一巴伦结构下插块，14第二介质基板，15第二接地平面，16第二馈线，17槽，18第二巴伦结构上插块，19第二巴伦结构下插块，20第一端口，21第二端口。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种开口环加载的双频双极化基站天线，以解决现有基站带宽较窄、难以满足实际应用需求的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图4，本发明实施例提供了一种开口环加载的双频双极化基站天线，包括：第一基板1、第二基板2、第一巴伦结构5、第二巴伦结构6、蝶形贴片4及环形贴片3；

所述第一巴伦结构5和所述第二巴伦结构6底部垂直正交设置在所述第二基板2上；

所述第一巴伦结构5和所述第二巴伦结构6上部设置有所述第一基板1；

所述第一基板1与所述第二基板2平行设置；

所述蝶形贴片4设置在所述第一基板1的上表面，所述环形贴片3设置在所述第一基板1的下表面。

本发明实施例中，第一基板1与第二基板2平行，第二基板2设置在第一基板1的下方，在第一基板1的上表面设置有蝶形贴片4，在第一基板1的下表面设置有环形贴片3，第二基板2的下表面设置有地板7，地板7为印刷在所述第二基板2背面的金属。第一巴伦结构5、第二巴伦结构6与第一基板1、第二基板2垂直且相互正交，蝶形贴片4、环形贴片3通过第一巴伦结构5和第二巴伦结构6直接激励。

本实施例中，第一基板1的中间开设有第一插槽，第二基板2的中间开设有第二插槽。第一基板1和第二基板2上还设有孔洞，利用孔洞来安装SMA连接头，起到固定天线的作用。

本发明实施例中，第一巴伦结构5包括第一介质基板8、第一接地平面9和第一馈线10；第一接地平面9为印刷在所述第一介质基板8背面的金属，第一馈线10印刷在第一介质基板8的正面，在第一馈线10的下端设置有第一端口20。第一巴伦结构5的上端为凹陷部11，凹陷部11两边分别设有第一巴伦结构上插块12，第一巴伦结构5的下端设有第一巴伦结构下插块13。

本发明实施例中，第二巴伦结构6包括第二介质基板14、第二接地平面15和第二馈线16；其中，第二接地平面15为印刷在第二介质基板14背面的金属，第二馈线16印刷在所述第二介质基板14的正面，在第二馈线16的下端设置有第二端口21。第二巴伦结构6的下端设有槽17，所述第二巴伦结构6的上端设有第二巴伦结构上插块18，所述第二巴伦结构6的下端设有第二巴伦结构下插块19。

本实施例中，第一巴伦结构5、第二巴伦结构6通过凹陷部11、槽17连接；第一巴伦结构5、第一基板1通过第一巴伦结构上插块12、第一插槽连接；第一巴伦结构5、第二基板2通过第一巴伦结构下插块13、第二插槽连接。第二巴伦结构6、第一基板1通过第二巴伦结构上插块18、第一插槽连接，第二巴伦结构6、第二基板2通过第二巴伦结构下插块19、第二插槽连接。

本发明实施例中，所述蝶形贴片4的中心、所述环形贴片3的中心与所述第二基板2的中心共线，且连线与所述第一基板1垂直；将所述金属贴片设置成蝶形贴片4和环形贴片3，所述环形贴片3由若干个弧形贴片31组成，所述弧形贴片31之间具有间距，所述间距为2mm至6mm。环形贴片3与圆形贴片相比，环形贴片3有更少的能量储存在贴片与接地面之间，因此Q值更小，意味着带宽更大，能起到扩大阻抗带宽的作用。

可以理解的是，本发明实施例通过第一巴伦结构5的第一馈线10、第二巴伦结构6的第二馈线16直接激励第一基板1上表面的蝶形贴片4，第一基板1上表面的蝶形贴片4耦合第一基板1下表面的环形贴片3形成了感应电流，从而增加了新的谐振模式，拓展了基站天线的带宽。

具体的，为了使本发明实施例所提供的天线的剖面尽可能的小，可以将环形贴片3与蝶形贴片4的中心及第二基板2的中心均在与第一基板1垂直且交点在第一基板1的中心的直线上，以在天线拓展带宽的同时保持天线尺寸和简化天线结构，进一步实现基站天线的小型化。

本发明实施例中，为了使基站天线更可能对称，方向图更加稳定，第一巴伦结构5的第一接地平面9与第二巴伦结构6的第二接地平面15完全相同，只是第一巴伦结构5的第一馈线10与第二巴伦结构6的第二馈线16有一点不同，第一馈线10靠近第一基板1的地方有凹陷部分，第二馈线16靠近第一基板1的地方有凸起部分，并且凸起和凹陷的幅度相同。

本实施例中天线的S参数图如图5所示，S(1,1)、S(2,2)分别表示第一端口的回波损耗和第二端口的回波损耗，S(1,1)、S(2,2)在工作频段内一共产生五个谐振点，其中，第一个和第四个谐振点由蝶形贴片4决定，第二个谐振点由第一巴伦结构5和第二巴伦结构6决定，第三个和第五个谐振点则受到环形贴片3的影响。

当环形贴片3是一个完整的闭环时，即gap＝0mm，阻抗波动大，匹配差，导致带宽过窄。当环形贴片3有开口时(此时环形贴片3由若干个弧形贴片31组成，弧形贴片31之间具有间距，弧形贴片31之间的间距可理解为环形贴片3的开口)，阻抗在3.5GHz左右增加了一个较平缓的模式，且减小了4.7GHz左右的输入阻抗。当寄生环中的开口为2mm时，在3.5GHz和5.2GHz左右的阻抗波动较大，此时3.5GHz和5.2GHz左右的谐振点几乎不存在。当寄生环中的开口为6mm时，在3.0GHz左右的阻抗波动较大。最终若要符合S(1,1)<-15dB，环形贴片3中的开口应为4mm。也就是说，环形贴片3中的缝隙增加第三个谐振点，还可以降低第五个谐振点的输入阻抗。

对于双极化天线而言，当蝶形贴片中一对蝶形贴片极化工作时，另一对蝶形贴片作为谐振器，反之亦然。这也是双极化天线带宽比较宽的原因。

从图5中可知，第一端口20低于-15dB阻抗带宽为41％(2.38-3.60GHz)和18％(4.57-5.47GHz)，第二端口21低于-15dB阻抗带宽为41％(2.38-3.61GHz)和17％(4.59-5.43GHz)，可见两个端口具有较高的一致性，能够覆盖5G通信的Sub-6G频段。S(2,1)表示的是互耦，其绝对值表示隔离度，结果表明在天线的工作频段内，天线的端口隔离度均低于25dB，说明天线能比较好的抑制住两个极化之间的互耦效应，满足基站天线的要求。

请参阅图6，本发明实施例中天线的增益图(Gain图)如图6所示，结果表明在天线的工作频段内，两个极化方向上的增益都相对平稳。

在本发明实施例中，第一基板1和所述第二基板2的材料均为相对介电常数为4.40且损耗角正切为0.02的FR4材料，第一基板1与第二基板2的厚度可设置在0.7mm至0.9mm之间，第一介质基板8、第二介质基板14的厚度可设置在0.5mm至0.7mm之间。

在一个实施例中，第一基板1与第二基板2的间距为

至

之间；其中，λ_c为中心频点在自由空间中的波长。

可选地，蝶形贴片4的长轴为

至

之间，蝶形贴片4的短轴为

至

之间，蝶形贴片4正交放置。

可选地，环形贴片3的外圆半径为

至

之间，环形贴片3的宽度为

至

之间。

具体的，对于本发明实施例中的第一基板1、第二基板2、环形贴片3、蝶形贴片4、第一巴伦结构5、第二巴伦结构6、地板7的具体规格设置，可以由设计人员自行设置。

在另一个实施例中，第一基板1和第二基板2的材料均采用相对介电常数为4.40且损耗角正切为0.02的FR4材料；第一基板1与第二基板2的厚度均在0.7mm至0.9mm之间，第一介质基板、第二介质基板的厚度在0.5mm至0.7mm之间，第一基板1的长度可以在

至

之间，第二基板2的长度可以在

至

之间；蝶形贴片4的长轴可以在

至

之间，蝶形贴片4的短轴可以在

至

之间；环形贴片3的外圆半径可以在

至

之间，环形贴片3的宽度可以在

至

之间；其中，λ_c为中心频点在自由空间中的波长。

在一个实施例中，λ_c为100mm时，第一基板1的长度和宽度为55mm～65mm之间；第二基板2的长度和宽度为90mm～110mm之间；蝶形贴片4的长轴为23mm～29mm之间，短轴为12mm～18mm之间；环形贴片3的外圆半径为19mm～25mm之间。

在一个实施例中，第一基板1和第二基板2的材料均采用相对介电常数为4.40且损耗角正切为0.02的FR4材料；设置基站天线的第一基板1的长度、宽度均为60mm，第二基板2的长度和宽度均为100mm，第一基板1与第二基板2的厚度均为0.8mm，第一基板1与第二基板2的间距为15.2mm，环形贴片3的外圆半径为22mm，环形贴片3的内圆半径为18mm，蝶形贴片4的长轴为26.5mm，蝶形贴片4的短轴为15.1mm。

为了使本发明实施例中的基站天线更加对称，方向图更加稳定，可以将第一巴伦结构5的第一接地平面9与第二巴伦结构6的第二接地平面15设为完全一样，只是第一巴伦结构5的第一馈线10与第二巴伦结构6的第二馈线16有一点不同，靠近第一基板1的第一馈线10在yoz面是向下凹陷的，第二馈线16在xoz面是向上凸起的，其中，凸起和凹陷的幅度均为1mm。

本发明实施例提供的开口环加载的双频双极化基站天线，包括：第一基板1、第二基板2、第一巴伦结构5、第二巴伦结构6、蝶形贴片4和环形贴片3；其中，蝶形贴片4和环形贴片3分别设置在第一基板1的上、下表面，第二基板2的下表面设置有地板7；第一基板1和第二基板2相隔预置距离的平行设置，第一巴伦结构5和第二巴伦结构6垂直设置在第一基板1和第二基板2的中间。

本发明实施例利用巴伦结构辐射可形成双极化辐射特性，金属贴片置于巴伦结构上方，通过第一巴伦结构5和第二巴伦结构6直接激励蝶形贴片4，蝶形贴片4耦合环形贴片3形成的感应电流可以引入新的谐振模式，从而拓展了基站天线的带宽，同时能实现稳定的增益及良好的辐射方向图特性。

本发明实施例提供的开口环加载的双频双极化基站天线，通过调节巴伦辐射结构、蝶形贴片4和环形贴片3的尺寸及其相对位置，从而控制天线的谐振模式，因此，可以根据不同的需求，灵活设计覆盖所需的频段。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，包括：第一基板、第二基板、第一巴伦结构、第二巴伦结构、蝶形贴片及环形贴片；

所述第一巴伦结构包括第一介质基板、第一接地平面与第一馈线；其中，所述第一接地平面为印刷在所述第一介质基板背面的金属，所述第一馈线印刷在所述第一介质基板的正面；

所述第二巴伦结构包括第二介质基板、第二接地平面和第二馈线；其中，所述第二接地平面为印刷在所述第二介质基板背面的金属，所述第二馈线印刷在所述第二介质基板的正面；

所述第一基板与所述第二基板平行设置；

所述第二基板的下表面设置有地板，所述环形贴片由若干个弧形贴片组成，所述弧形贴片之间具有间距；

所述蝶形贴片设置在所述第一基板的上表面，所述环形贴片设置在所述第一基板的下表面；

所述蝶形贴片的中心、所述环形贴片的中心与所述第二基板的中心共线，且连线与所述第一基板垂直。

2.根据权利要求1所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述间距为2mm至6mm。

3.根据权利要求1所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述第一巴伦结构的上端设有凹陷部，所述第二巴伦结构的下端设有槽；所述第一巴伦结构、所述第二巴伦结构通过所述凹陷部、所述槽连接。

4.根据权利要求3所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述凹陷部两边分别设有第一巴伦结构上插块，所述第一巴伦结构的下端设有第一巴伦结构下插块；所述第一基板的中间开设有第一插槽，所述第二基板的中间开设有第二插槽；所述第一巴伦结构、所述第一基板通过所述第一巴伦结构上插块、所述第一插槽连接，所述第一巴伦结构、所述第二基板通过所述第一巴伦结构下插块、所述第二插槽连接。

5.根据权利要求4所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述第二巴伦结构的上端设有第二巴伦结构上插块，所述第二巴伦结构的下端设有第二巴伦结构下插块；所述第二巴伦结构、所述第一基板通过所述第二巴伦结构上插块、所述第一插槽连接，所述第二巴伦结构、所述第二基板通过所述第二巴伦结构下插块、所述第二插槽连接。

6.根据权利要求1或5所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板的间距为0.12λ_c至0.18λ_c之间；其中，λ_c为中心频点在自由空间中的波长。

7.根据权利要求1所述的开口环加载的双频双极化基站天线，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板的厚度在0.7mm至0.9mm之间，所述第一介质基板、所述第二介质基板的厚度在0.5mm至0.7mm之间。