CN112803156A - 一种宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线及通信终端 - Google Patents
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Abstract
一种宽频低剖面交叉双极化偶极子天线，包括反射板、第一高频介质板、分布在第一高频介质板上的功分器、偶极子天线阵元，其包括介质板、以及分布在介质板上的4个环形阵子臂，环形阵子臂分布在介质板表面上，构成2个对称阵子，分别呈现物理上的+45°和‑45°，以实现交叉极化；短辐射枝节，其分布在每个阵子臂对角线远离介质板中心的一侧；T型辐射枝节，其分布在阵子臂对角线靠近介质板中心的一侧；2个天线支架；第一馈电巴伦和第二馈电巴伦，相向交错排布，通过耦合对偶极子天线进行馈电。本发明通过改变偶极子的形式、加载枝节以及引入非均匀耦合等，解决偶极子天线带宽受限、剖面高等问题，实现了一种兼顾4G和5G通信需求的交叉双极化偶极子天线，为第五代移动通信系统的建设添砖加瓦。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信领域，尤其涉及一种宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线。
背景技术
随着移动通信的快速发展，通信技术从1G演变到4G时代，人们对无线通信的需求大幅度提升，对通信带宽和通信速度提出了更高的要求。目前的4G通信系统已经满足不了人们日益增长的通信需求了，于是5G通信呼之欲出、应运而生，届时无线通信不仅仅是信息的传递，而是人与人、物与人、物与物互通互联的枢纽。
天线作为无线通信的重要部分，势必面临新的挑战。时代发展的趋势要求天线尺寸小、频带宽、性能好。尺寸小是指天线能够小型化，在在横向实现小型化、在纵向实现低剖面，从而节省开支、便于集成；频带宽是在尺寸一定的情况下能够覆盖更多的频带，实现不同制式的独立工作；性能好是指天线在满足前两个特质下，能够在复杂的环境下实现更好的通信体验。对于推进5G通信系统，小基站是尤为重要的一个部分。因此对于小基站而言这是机遇与挑战。
微带天线是比较常用的基站天线，造价低、剖面低、易于集成，但其带宽有限，功率小。虽然通过目前的多层贴片堆叠、L型探针馈电技术、U型槽技术等技术能展宽一定的带宽，但其带宽还是会受到限制、其损耗也比较大；偶极子天线是另一种比较常用的基站天线，通过多个偶极子天线、巴伦馈电、耦合馈电等技术能实现较宽的带宽，但其剖面受限制，一般天线高度得在0.25λ。
现有技术中缺少一种可以兼顾4G和5G通信的宽频、低剖面、交叉双极化偶极子天线。
发明内容
本发明提供一种宽频、低剖面、交叉双极化偶极子天线，兼顾4G和5G通信，通过多个偶极子天线、巴伦馈电、耦合馈电等技术能实现较宽的带宽，而且剖面高度突破0.25λ的限制。
一种宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，包括：至少一反射板、至少一第一高频介质板、分布在所述第一高频介质板上的功分器、设置在所述第一高频介质板的若干双极化偶极子天线阵元，其中，所述偶极子天线阵元包括介质板、以及分布在介质基板上的4个环形阵子臂，
所述环形阵子臂分布在介质板基板表面上，构成2个对称阵子，其分别呈现物理上的+45°和-45°，以实现交叉极化；
短辐射枝节，所述短辐射枝节分布在每个阵子臂对角线远离介质板中心的一侧；
T型辐射枝节，所述T型辐射枝节分布在阵子臂对角线靠近介质板中心的一侧；
2个天线支架，所述天线支架是2个介质板交错垂直放置在反射板上，穿过介质板基板与对称阵子子臂电连接；
第一馈电巴伦和第二馈电巴伦，所述巴伦分别分布在所述天线支架的某一表面上，相向交错排布，通过耦合对偶极子天线进行馈电。
所述第一馈电巴伦和所述第二馈电巴伦分别用以实现-45°环形阵子臂的馈电、+45°环形阵子臂的馈电，所述第一馈电巴伦其分布在呈现-45°的天线支架的表面上，所述第二馈电巴伦分布在呈现+45的天线支架的表面上。
所述环形阵子臂包括-45°环形阵子臂和+45°环形阵子臂，其中，-45°环形阵子臂分布在介质板的上表面-45°对角线上，与天线支架在靠近介质板中心的对角线位置处上实现电连接；相对应的+45°环形阵子臂分布在介质板的上表面+45°对角线上，与天线支架在靠近介质板中心的对角线位置处实现电连接，并且在环形阵子臂的对角线位置上了分别加载所述短辐射枝节、所述T型辐射枝节。
每个环形阵子臂设置用以引入不均匀耦合以及改变电流分布的圆形切角。
所述短辐射枝节分布在所述环形阵子臂对角线一侧，调整宽其几何参数以实现展宽带宽；所述T型辐射枝节分布在所述环形阵子臂对角线的另一侧，其辐射枝节的几何参数的调整以实现谐振频率的调整。
所述天线支架是所述第一馈电巴伦和所述第二馈电巴伦的介质基板，其交叉竖立在反射板之上，并穿过所述介质板基板与所述环形阵子臂在靠近介质板中心一侧连接。
所述功分器，其分布在第一高频介质板上，与第一、第二馈电巴伦连接，依次调节其端口阻抗以及实现两个偶极子天线振元功率均分馈电。
所述2个偶极子天线单元，在第一高介质板上以间隔30-100mm横向排列，通过所述天线支架竖立在天线支架上。
所述反射板在第一高频介质板下方，与天线支架连接，实现天线小型化、定向辐射以及提高增益。较佳地，所述天线支架竖立在反射板之上。
宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，相对带宽达60％及以上(比如达68％)、天线剖面高度突破0.25λ的限制。
一种通信装置，频段为2.2G-4.3G，采用上面所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线。
相比于现有技术，本发明有以下几点优点：
(1)宽频低剖面交叉双极化偶极子天线是由偶极子天线阵元通过与功分器集成在第一高介质板组成的。2个偶极子天线阵元，在第一高介质板上以若干间隔横向排列，然后通过功分器与两个偶极子阵元的第一馈电巴伦、第二馈电巴伦连接，调节功分器的线宽、线距以实现阵元等幅同相的馈电。通过组阵实现高增益，定向辐射以及稳定的方向图、
(2)偶极子天线进行圆形切角，一方面改变了电流走向，另一方面改变了两个偶极子的间距，引入不均匀耦合，具体的是切角半径越大，低频谐振越往低，高频谐振越往高偏。通过调节半径大小，从而在不改变天线尺寸的情况下实现天线宽频谐振。
(3)短辐射枝节可控制低频和高频谐振的频偏，该枝节越长，低频往低偏，高频往高，最终通过改变枝节的尺寸来实现最优的谐振；T型枝节控制高频谐振，随着枝节越长，高频越往低偏，最终选取合适的尺寸来覆盖所需频带。
(4)本发明通过改变偶极子的形式、加载枝节以及引入非均匀耦合，使天线实现宽带、低剖面。具体的是天线相对带宽达68％(2.2G-4.3G，VSWR＜2)，天线高度也由传统的0.25λ的变为0.15λ。此外该天线可实现交叉双极化，可与功分器集成，可多个组阵以满足更高的要求。
附图说明
图1A为本发明的宽频低剖面交叉双极化偶极子阵子臂的立体图；
图1B为本发明的宽频低剖面交叉双极化偶极子天线支架及巴伦的立体图；
图2A、图2B分别为应用于2.2-4.3GHz频段的宽频低剖面交叉双极化立体图、支架及巴伦的剖示图；
图3为图2所示的宽频低剖面交叉双极化偶极子天线的立体图；
图4是图2所述-45°偶极子天线在2.2-4.3GHz频带内的驻波比实测曲线图；
图5是图所述+45°偶极子天线在2.2-4.3GHz频带内的驻波比实测曲线图；
其中：1、FR4介质基板；2、+45°环形阵子臂；3、-45°环形阵子臂；4、短辐射枝节；5、T型辐射枝节；6、天线支架；7、第一馈电巴伦；8、第二馈电巴伦；9、第一高频介质板；10、功分器；11、反射板。
具体实施方式
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
实施例1
如图1-3是应用于2.2-4.3GHz频段的宽频低剖面交叉双极化的实例，包括反射板11、第一高频介质板9、功分器10、以及2个偶极子天线阵元。具体的偶极子天线阵元包括天线支架6、第一馈电巴伦7分布在呈现-45°的天线支架6的表面上，负责-45°环形阵子臂的馈电、第二馈电巴伦8分布在呈现+45°的天线支架6的表面上，负责+45°环形阵子臂的馈电；介质基板1，实例中介质基板为FR4，尺寸为43mm×43mm×0.8mm、；-45°环形阵子臂3分布在介质板1的上表面-45°对角线上，与天线支架6在靠近介质板1中心的对角线位置处上实现电连接；相对应的+45°环形阵子臂2分布在介质板1的上表面+45°对角线上，与天线支架6在靠近介质板1中心的对角线位置处实现电连接，在环形阵子臂2、3的对角线位置上了加载的短辐射枝节4、T型辐射枝节5。
其中短辐射枝节4在环形阵子臂对角线远离介质板1中心的位置上延伸出来，其几何参数可以作为调谐的重要参数，本实例中枝节长为4mm，宽2.5mm，以确保低谐振中心频率在2.4GHz，高频谐振中心频率在3.5GHz左右。
另外T型辐射枝节5从在环形阵子臂对角线靠近介质板1中心的对角线位置上延伸出来，其几何参数可调节高频的频偏，本实例中该枝节长为5mm，宽为2mm，以确保高频谐振频率在4.0GHz左右。
本实例中具体的宽频低剖面交叉双极化偶极子天线是由2个偶极子天线阵元与集成在第一高介质板9的功分器以及反射板11组成的。具体的如图3所示通过天线支架与反射板相连的2个偶极子天线阵元，在第一高介质板9上以间隔30-100mm(比如d＝80mm)横向排列，然后通过功分器10与两个偶极子阵元的第一馈电巴伦7、第二馈电巴伦8连接，调节功分器10的线宽、线距以实现阵元等幅同相的馈电。
实施例的工作原理或工作流程：当+45°和-45°偶极子天线中只有一个天线出现并辐射时，天线只有一个低频谐振，且谐振的频点由阵子的尺寸决定.在加入另一个天线时，该天线在另一个偶极子天线辐射时，相当于耦合器，在低频谐振的基础之上耦合出第二个谐振模式，即在高频带出现谐振，继而通过调节两者的间距，来调节高频谐振的频偏，具体的是间距越大，谐振越往高偏且谐振变深，从而展宽带宽。其次是对偶极子天线进行圆形切角，一方面改变了电流走向，另一方面改变了两个偶极子的间距，引入不均匀耦合，具体的是切角半径越大，低频谐振越往低，高频谐振越往高偏。通过调节半径大小，从而在不改变天线尺寸的情况下实现天线宽频谐振，最终本实例中的切角半径选为5mm。短辐射枝节可控制低频和高频谐振的频偏，该枝节越长，低频往低偏，高频往高，最终通过改变枝节的尺寸来实现最优的谐振；T型枝节控制高频谐振，随着枝节越长，高频越往低偏，最终选取合适的尺寸来覆盖所需频带。利用巴伦馈电调节阻抗，调节巴伦的线宽、线长以达到更好的谐振，最后通过功分器实现阵列组合，实现高增益要求；反射板实现定向辐射，得到稳定的增益以及辐射方向图。
本实施例得到的结果：本实例中通过环形阵子臂、加载枝节等，使天线实现宽带、低剖面，天线相对带宽达65％(2.2G-4.3G，VSWR＜2)如图4、5所示，天线剖面降为0.15λ。此外该天线可实现交叉双极化，可与功分器集成，实现多个组阵以满足更高的要求。
一种通信装置，频段为2.2G-4.3G，采用上面所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线。
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 (11)
1.一种宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，包括：至少一反射板、至少一第一高频介质板、分布在所述第一高频介质板上的功分器、设置在所述第一高频介质板的若干双偶极子天线阵元，其中，所述偶极子天线阵元包括介质板、以及分布在介质基板上的4个环形阵子臂，
所述环形阵子臂分布在介质板基板表面上，构成2个对称阵子，其分别呈现物理上的+45°和-45°，以实现交叉极化；
短辐射枝节，所述短辐射枝节分布在每个阵子臂对角线远离介质板中心的一侧；
T型辐射枝节，所述T型辐射枝节分布在阵子臂对角线靠近介质板中心的一侧；
2个天线支架，所述天线支架是2个介质板交错垂直放置在反射板上，穿过介质板基板与对称阵子子臂电连接；
第一馈电巴伦和第二馈电巴伦，所述巴伦分别分布在所述天线支架的某一表面上，相向交错排布，通过耦合对偶极子天线进行馈电。
2.如权利要求1所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，所述第一馈电巴伦和所述第二馈电巴伦分别用以实现-45°环形阵子臂的馈电、+45°环形阵子臂的馈电，所述第一馈电巴伦其分布在呈现-45°的天线支架的表面上，所述第二馈电巴伦分布在呈现+45的天线支架的表面上。
3.如权利要求1或2所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，所述环形阵子臂包括-45°环形阵子臂和+45°环形阵子臂，其中，-45°环形阵子臂分布在介质板的上表面-45°对角线上，与天线支架在靠近介质板中心的对角线位置处上实现电连接；相对应的+45°环形阵子臂分布在介质板的上表面+45°对角线上，与天线支架在靠近介质板中心的对角线位置处实现电连接，并且在环形阵子臂的对角线位置上了分别加载所述短辐射枝节、所述T型辐射枝节。
4.如权利要求3所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，每个环形阵子臂设置用以引入不均匀耦合以及改变电流分布的圆形切角。
5.如权利要求1所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，所述短辐射枝节分布在所述环形阵子臂对角线一侧，调整其几何参数以实现展宽带宽；所述T型辐射枝节分布在所述环形阵子臂对角线的另一侧，其辐射枝节几何参数的调整以实现谐振频率的调整。
6.如权利要求1所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，所述天线支架是所述第一馈电巴伦和所述第二馈电巴伦的介质基板，其交叉竖立在反射板之上，并穿过所述介质板基板与所述环形阵子臂在靠近介质板中心一侧连接。
7.如权利要求1所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，功分器分布在第一高频介质板上，与第一、第二馈电巴伦连接，依次调节其端口阻抗以及实现两个偶极子天线阵元等幅同相馈电。
8.如权利要求7所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，2个偶极子天线阵元，在第一高介质板上以间隔30-100mm横向排列。
9.如权利要求8所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，其特征在于，包括所述反射板，所述天线支架竖立在反射板之上。
10.如权利要求9所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线，相对带宽达60％及以上、天线剖面高度突破0.25λ的限制。
11.一种通信装置，其特征在于采用权项1至权项10中任何一项所述的宽频、低剖面交叉双极化偶极子天线。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lv Linyun Inventor after: Yuan Yuan Inventor after: Chen Yijun Inventor after: Shen Linjun Inventor after: Zhang Chongrong Inventor before: Lv Linyun Inventor before: Yuan Yuan Inventor before: Chen Yijun Inventor before: Shen Linjun |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |