CN111710972A - 一种多模双极化基站天线振子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模双极化基站天线振子，属于天线技术领域。本发明包括介质基板、振子天线单元、反射板；振子天线单元设置在介质基板底面，微带线放置于介质基板顶面；振子天线单元包括两对相互正交的振子天线子单元；每一个振子天线子单元均包括外环和Y型枝节，Y型枝节位于外环内并与外环相连接，相邻两个振子天线子单元之间留有缝隙形成互耦部。本发明通过上述结构拓宽了天线工作频段，具有多模特性，保证了天线单元的辐射性能，辐射单元具有高增益和波束宽度收敛等优点，并且辐射单元的交叉极化比得到改善。结构制造简单且成本较低。

Description

一种多模双极化基站天线振子
技术领域
本发明涉及一种多模双极化基站天线振子，属于天线技术领域。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，由于现今的环境越来越复杂，使得要求基站天线既要满足通信容量还需要对抗多路径衰落，因此双极化天线在基站天线的运用变得非常广泛。
在通信系统的前端基站天线担任非常重要的角色，由于移动通信系统在演进过程中是一个长期的过程，因此先前的2G/3G/4G在很长的一段时间内会被继续人们使用，因此要求基站天线的工作频段能覆盖1710-2690MHz。现如今对基站天线提出的要求变得越来越高，随着5G的商用，基站天线面临的挑战也越来越大。通常基站天线的电压驻波比在1710-2690MHz频段内需要小于1.5。传统的偶极子无法直接满足此带宽，因此需要一些额外的技术来扩宽天线的阻抗带宽。另外，天线的隔离度在行业内也有要求。因此设计性能较优基站天线是一个挑战。
另外，基站天线的辐射能力也是主要指标，包括单个基站天线单元的增益、半功率波束宽度、交叉极化比和前后比等指标。偶极子形式的基站天线现如今是用的最多的形式，它相较于微带天线，工作频段是它最大的优势，也符合现如今天线的宽带化。考虑到加工成本和方便、价格、重量等优点，采用PCB形式的基站天线越来越受到欢迎。并且传统的偶极子利用耦合谐振特性，在频带内实现两个谐振点，如果不采用其它手段难以达到需要的工作频段。另外即使利用其它手段的同时还需要保证在带内具有良好的电路参数和辐射参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种多模双极化基站天线振子，在扩宽天线的工作频带的同时，且还具有高隔离度、高增益、稳定的辐射方向图和高交叉极化比等优点。
本发明技术方案是：一种多模双极化基站天线振子，包括介质基板5、振子天线单元2、反射板7；所述振子天线单元2设置在介质基板5底面，微带线4放置于所述介质基板5顶面；振子天线单元2包括两对相互正交的振子天线子单元，第一对包括第一个振子天线子单元8、第三个振子天线子单元8，第二对包括第二个振子天线子单元8、第四个振子天线子单元8；每个振子天线子单元8包括一个四分之一波长的振子臂，同轴线6上端穿过介质基板5，每一对振子天线子单元8中的一个振子天线子单元8与一个同轴线6上端的外导体相连接，此同轴线6上端的内导体再与微带线4的首端连接，微带线4的尾端与该对振子天线子单元8中的另一个振子天线子单元8耦合馈电，同轴线6下端安装在反射板7上，且同轴线6下端外导体与反射板7连接，反射板7和介质基板5均平行放置。
进一步地，四个振子天线子单元8的结构均相同，每一个振子天线子单元8均包括外环41和Y型枝节42，所述Y型枝节42位于外环41内并与外环41相连接，相邻两个振子天线子单元8之间留有缝隙形成互耦部43。
进一步地，所述介质基板5为PCB板，并且PCB板的材质为FR4，PCB板的尺寸为55mm×55mm×1mm，四个振子天线子单元8在同一平面。
进一步地，所述外环41的轮廓呈多边环形，Y型枝节42呈Y字型。
进一步地，所述微带线4作为耦合馈电结构放置在介质基板5上表面，所述微带线4呈Y字型。
进一步地，所述反射板7为金属地板，金属地板的尺寸为140mm×140mm；介质基板5下表面距离金属地板的高度为34mm，为天线中心工作频点2.2GHz时的四分之一倍波长。
进一步地，所述微带线4有两个，包括第一个微带线4、第二个微带线4，同轴线6有两根，包括第一根同轴线6、第二根同轴线6；
第一个振子天线子单元8与第一根同轴线6上端的外导体相连接，第一根同轴线6上端的内导体再与第一个微带线4的首端连接，第一个微带线4的尾端与第三个振子天线子单元8耦合馈电，第一根同轴线6下端安装在反射板7上，且第一根同轴线6下端外导体与反射板7连接；
第二个振子天线子单元8与第二根同轴线6上端的外导体相连接，第二根同轴线6上端的内导体再与第二个微带线4的首端连接，第二个微带线4的尾端与第四个振子天线子单元8耦合馈电，第二根同轴线6下端安装在反射板7上，且第二根同轴线6下端外导体与反射板7连接；
进一步地，所述第一个微带线4包括第一Y型部91、第一首端94；第二个微带线4包括第二Y型部91、连接部93和第二首端94；
第一Y型部91和第一首端94、第二Y型部91和第二首端94均放置于介质基板5顶面，连接部93放置于介质基板5底面，
第二首端94上设有导通部92，连接部件依次穿过连接部93、介质基板5、导通部92使得第二Y型部91、第二首端94分别与介质基板5顶面连接，第一首端94穿过第二Y型部91、第二首端94之间，导通部92为介质基板5内的金属化过孔。
进一步地，所述外环41的形状为菱形，所述Y型枝节42的顶部两边平行于外环41的两边。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种多模双极化基站天线振子，振子包括带有内部枝节的菱形辐射片结构、耦合馈电结构、同轴线和反射板，所述振子单元和耦合馈电结构与同轴线相连接，反射板和同轴线外导体相连接。本发明通过加载内部枝节使得振子天线在高频处新增加一个新的谐振模式，使得原始菱形振子的双谐振模式变成多谐振模式，增强了振子天线的工作带宽，且振子天线的辐射性能并没受到影响，具有高增益、高交叉极化比等优点。同时，本发明专利采用PCB结构，成本低，组装方便、结构简单等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子的三维结构示意图；
图2为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子的耦合馈电结构细节示意图；
图4为有无Y型枝节时的多模双极化基站天线阻抗特性参数图；
图5为有Y型枝节为变量时的多模双极化基站天线S参数图；
图6为有Y型枝节时的多模双极化基站天线S参数图；
图7为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子在有无Y型枝节时谐振频点1.7GHz的电流分布；
图8为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子在有无Y型枝节时谐振频点2.7GHz的电流分布；
图9为本发明实施例的一种多模双极化基站天线振子在频点2.2GHz时的辐射方向图；
图1-9中各标号：1-基站天线振子；2-振子天线单元；4-微带线；5-介质基板；6-同轴线；7-反射板；8-振子天线子单元；41-外环；42-Y型枝节；43-互耦部；91-Y型部；92-导通部；93-连接部；94-首端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
下面结合附图，对本发明所提供的一种多模双极化基站天线振子进行详细描述，实施例1，如图1-图9所示，一种多模双极化的基站天线振子1，包括介质基板5、振子天线单元2、反射板7；所述振子天线单元2设置在介质基板5底面，微带线4放置于所述介质基板5顶面；振子天线单元2包括两对相互正交的振子天线子单元，第一对包括第一个振子天线子单元8、第三个振子天线子单元8，第二对包括第二个振子天线子单元8、第四个振子天线子单元8；每个振子天线子单元8包括一个四分之一波长的振子臂，同轴线6上端穿过介质基板5，每一对振子天线子单元8中的一个振子天线子单元8与一个同轴线6上端的外导体相连接，此同轴线6上端的内导体再与微带线4的首端连接，微带线4的尾端与该对振子天线子单元8中的另一个振子天线子单元8耦合馈电，同轴线6下端安装在反射板7上，且同轴线6下端外导体与反射板7连接，反射板7和介质基板5均平行放置。
进一步地，四个振子天线子单元8的结构均相同，每一个振子天线子单元8均包括外环41和Y型枝节42，所述Y型枝节42位于外环41内并与外环41相连接，相邻两个振子天线子单元8之间留有缝隙形成互耦部43。
进一步地，所述介质基板5为PCB板，并且PCB板的材质为FR4，PCB板的尺寸为55mm×55mm×1mm，四个振子天线子单元8在同一平面。
进一步地，所述外环41的轮廓呈多边环形，Y型枝节42呈Y字型。
进一步地，所述微带线4作为耦合馈电结构放置在介质基板5上表面，所述微带线4呈Y字型。
进一步地，所述反射板7为金属地板，金属地板的尺寸为140mm×140mm；介质基板5下表面距离金属地板的高度为34mm，为天线中心工作频点2.2GHz时的四分之一倍波长。
进一步地，所述微带线4有两个，包括第一个微带线4、第二个微带线4，同轴线6有两根，包括第一根同轴线6、第二根同轴线6；
第一个振子天线子单元8与第一根同轴线6上端的外导体相连接，第一根同轴线6上端的内导体再与第一个微带线4的首端连接，第一个微带线4的尾端与第三个振子天线子单元8耦合馈电，第一根同轴线6下端安装在反射板7上，且第一根同轴线6下端外导体与反射板7连接；
第二个振子天线子单元8与第二根同轴线6上端的外导体相连接，第二根同轴线6上端的内导体再与第二个微带线4的首端连接，第二个微带线4的尾端与第四个振子天线子单元8耦合馈电，第二根同轴线6下端安装在反射板7上，且第二根同轴线6下端外导体与反射板7连接；
进一步地，为了避免微带线结构相互交叉对微带线进行了特殊处理；所述第一个微带线4包括第一Y型部91、第一首端94；第二个微带线4包括第二Y型部91、连接部93和第二首端94；
第一Y型部91和第一首端94、第二Y型部91和第二首端94均放置于介质基板5顶面，连接部93放置于介质基板5底面，
第二首端94上设有导通部92，连接部件依次穿过连接部93、介质基板5、导通部92使得第二Y型部91、第二首端94分别与介质基板5顶面连接，第一首端94穿过第二Y型部91、第二首端94之间，导通部92为介质基板5内的金属化过孔。
进一步地，所述外环41的形状为菱形，所述Y型枝节42的顶部两边平行于外环41的两边。
本发明的工作原理是：
本发明的振子天线单元2包括两对相互正交的振子天线子单元，每一个振子天线子单元8均包括外环41和Y型枝节42，由于互耦的双极化振天线单元外环本身就有能够产生两个不同频点的谐振模式，其中第一个谐振模式由振子的物理长度决定，第二个谐振由于互耦部在较高频点处产生的谐振模式，为了让基站天线能覆盖更宽的频段，在振子天线内部引入枝节，通过与外圈相互耦合，使得在振子天线更高频处产生新的谐振模式，控制此谐振模式与前两个谐振模式形成多模，使得天线的工作频段更宽。
本发明提供了一种多模双极化基站天线振子，包括能印制在所述介质基板5顶面的微带结构和背面的由外环和内部枝节相连组成的振子天线子单元，同轴线的外导体的底端连接反射板，同轴线上端外导体连接振子天线子单元，同轴线内导体连接微带线。本发明通过上述结构提高了天线的工作带宽，且在天线的辐射性能上也保持优良，及天线的半功率波束宽度收敛，轴向交叉极化比和±60°交叉极化比高等性能。同时，本发明通过采用PCB结构降低了天线的成本，结构简单和安装简单。
本发明所述基站天线振子1，通过上述结构，天线在整个工作频带内能形成多个谐振模式，拓宽基站天线的工作带宽。
接下来，所述振子天线子单元8的原理及仿真结果进行叙述：由于设计的基站天线需要同时覆盖2G/3G/4G，即工作频段为1710-2690MHz，为了能让天线能更容易覆盖此频段，采用多谐振模式更加容易。在本实施例中，振子天线子单元8的物理长度决定了天线的第一个谐振模式，振子天线子单元8间的耦合部43决定了天线的第二个谐振模式，Y型枝节42决定了天线的第三个谐振模式。
振子天线在有无Y型枝节42时，对振子天线进行仿真得到阻抗特性参数如图4所示，当菱形振子没有枝节时，天线在2.7GHz处的阻抗为37Ω+30j；当加载Y型枝节42之后，菱形振子天线2.7GHz处的阻抗变为49Ω+10j，发现天线在高频处出现一个新的谐振模式，当控制此谐振点向第二个谐振点靠近时，第二谐振点和第三谐振点便可以形成阻抗带宽。
为了更好的理解新增Y型枝节42对天线S参数的影响，取Y型枝节42的边长为L4，从图5可以看出，随着L4的变长，可以看到天线在高频处出现新的谐振模式，并且逐渐向第二个谐振模式靠拢。
图6为振子天线最后确定Y型枝节42的长度之后的仿真结果，从图6能看出振子天线带内的多个谐振模式。其中，S11和S22为分别激励两根同轴线时的回波损耗，S21为激励两根同轴线时的隔离度，图中的回波损耗S11和S22几乎重合，在频段1.69-2.87GHz内小于-14dB，且端口隔离度S21小于-27dB，完全满足了移动通信中基站天线的指标要求。
为了更好的解释该天线的工作原理，图7和图8给出了天线振子在有无Y型枝节42在工作频点1.7GHz和2.7GHz时的电流分布图。对比了+45°极化的偶极子在有无Y型枝节的情况下电流被激发，发现在Y型枝节42上面的电流分布与菱形振子的电流分布相反。在1.7GHz时，菱形振子上面的主电流远远大于Y型枝节42上面的相反电流。所以，振子的总电流路径几乎不改变。在较高频2.7GHz时，枝节的反向电流更强。结果，由于反向电流与主电流会抵消，使得总电流路径变短。另外一个极化(-45°)从电流分布来看充当寄生单元，不参与辐射。众所周知，偶极子的辐射电阻与电流路径的电长度成正比。
图9时本实施例中的一种多模双极化基站天线振子在频点2.2GHz时的辐射方向图，从图9可以看出，轴向交叉极化比大于25dB，±60°交叉极化比大于9dB。满足基站天线要求。
综上，本案例的基站天线振子是利用多模谐振原理，利用枝节加载技术，使新增加的谐振模式形成多模谐振，多个谐振模式相互靠拢形成宽带天线。由于天线振子相互正交，产生±45°双极化，最后使得天线端口的隔离度大于27dB。
另外，在设计频段更宽的天线时，如扩充5G频段，也可以此采用多模谐振原理进行设计。
综上所述，本发明专利提供了一种多模谐振双极化基站天线振子，包括介质基板和两对相互正交的振子天线单元，所述两对天线振子单元通过耦合馈电连接，所述振子天线子单元包括菱形外环和内部枝节，所述外环和内部枝节相连接。本发明通过加载内部枝节使得振子天线在高频处新增加一个新的谐振模式，使得原始菱形振子的双谐振模式变成多谐振模式，增强了振子天线的工作带宽，且振子天线的辐射性能并没受到影响，具有高增益、高交叉极化比等优点。同时，本发明专利采用PCB结构，成本低，组装方便、结构简单等优点。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种多模双极化基站天线振子，其特征在于：包括介质基板(5)、振子天线单元(2)、反射板(7)；所述振子天线单元(2)设置在介质基板(5)底面，微带线(4)放置于所述介质基板(5)顶面；振子天线单元(2)包括两对相互正交的振子天线子单元，第一对包括第一个振子天线子单元(8)、第三个振子天线子单元(8)，第二对包括第二个振子天线子单元(8)、第四个振子天线子单元(8)；每个振子天线子单元(8)包括一个四分之一波长的振子臂，同轴线(6)上端穿过介质基板(5)，每一对振子天线子单元(8)中的一个振子天线子单元(8)与一个同轴线(6)上端的外导体相连接，此同轴线(6)上端的内导体再与微带线(4)的首端连接，微带线(4)的尾端与该对振子天线子单元(8)中的另一个振子天线子单元(8)耦合馈电，同轴线(6)下端安装在反射板(7)上，且同轴线(6)下端外导体与反射板(7)连接，反射板(7)和介质基板(5)均平行放置。
2.根据权利要求1所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：四个振子天线子单元(8)的结构均相同，每一个振子天线子单元(8)均包括外环(41)和Y型枝节(42)，所述Y型枝节(42)位于外环(41)内并与外环(41)相连接，相邻两个振子天线子单元(8)之间留有缝隙形成互耦部(43)。
3.根据权利要求1所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述介质基板(5)为PCB板，并且PCB板的材质为FR4，PCB板的尺寸为55mm×55mm×1mm，四个振子天线子单元(8)在同一平面。
4.根据权利要求2所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述外环(41)的轮廓呈多边环形，Y型枝节(42)呈Y字型。
5.根据权利要求1所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述微带线(4)作为耦合馈电结构放置在介质基板(5)上表面，所述微带线(4)呈Y字型。
6.根据权利要求1所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述反射板(7)为金属地板，金属地板的尺寸为140mm×140mm；介质基板(5)下表面距离金属地板的高度为34mm，为天线中心工作频点2.2GHz时的四分之一倍波长。
7.根据权利要求1所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述微带线(4)有两个，包括第一个微带线(4)、第二个微带线(4)，同轴线(6)有两根，包括第一根同轴线(6)、第二根同轴线(6)；
第一个振子天线子单元(8)与第一根同轴线(6)上端的外导体相连接，第一根同轴线(6)上端的内导体再与第一个微带线(4)的首端连接，第一个微带线(4)的尾端与第三个振子天线子单元(8)耦合馈电，第一根同轴线(6)下端安装在反射板(7)上，且第一根同轴线(6)下端外导体与反射板(7)连接；
第二个振子天线子单元(8)与第二根同轴线(6)上端的外导体相连接，第二根同轴线(6)上端的内导体再与第二个微带线(4)的首端连接，第二个微带线(4)的尾端与第四个振子天线子单元(8)耦合馈电，第二根同轴线(6)下端安装在反射板(7)上，且第二根同轴线(6)下端外导体与反射板(7)连接。
8.根据权利要求7所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述第一个微带线(4)包括第一Y型部(91)、第一首端(94)；第二个微带线(4)包括第二Y型部(91)、连接部(93)和第二首端(94)；
第一Y型部(91)和第一首端(94)、第二Y型部(91)和第二首端(94)均放置于介质基板(5)顶面，连接部(93)放置于介质基板(5)底面，
第二首端(94)上设有导通部(92)，连接部件依次穿过连接部(93)、介质基板(5)、导通部(92)使得第二Y型部(91)、第二首端(94)分别与介质基板(5)顶面连接，第一首端(94)穿过第二Y型部(91)、第二首端(94)之间，导通部(92)为介质基板(5)内的金属化过孔。
9.根据权利要求2所述的多模双极化基站天线振子，其特征在于：所述外环(41)的形状为菱形，所述Y型枝节(42)的顶部两边平行于外环(41)的两边。
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