CN113224532B - 一种基于反射表面的宽带双频融合天线及通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反射表面的宽带双频融合天线及通信设备，包括反射板、低频天线辐射单元、超表面结构及高频天线辐射单元，所述高频天线辐射单元设置在反射板的上方，所述低频天线辐射单元设置在高频天线辐射单元的上方，超表面结构位于高频天线辐射单元的上方。本发明结构新颖，隔离度高，方向图稳定。

Description

一种基于反射表面的宽带双频融合天线及通信设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种基于反射表面的宽带双频融合天线及通信设备。
背景技术
随着移动通信技术不断发展，移动通信技术丰富了我们的生活，随着5G的商用，必将带来更大的改变。然而随着通信系统的更迭，通信系统中广泛存在着多种制式的通信系统，预见未来将保持多种通信应用标准并存的局面，目前我国现在使用的通信系统有2G、3G、4G以及5G。天线是通信系统重要的组成部分，其性能直接影响无线通信系统的功能，因此能够同时支持多个制式的多频天线研究具有强烈的应用背景。此外，随着通信系统的演进，在同一个基站站址上挂载的天线数量不断增加，基站选址困难，天面资源紧张，多频多制式移动通信系统对新设计研发的新型天线提出了多频共口径融合的要求，因此研发多频共口径天线是解决上述需求的重要技术途径。
为了解决这个问题，学者们采取频带融合的方式，即将不同频段的天线紧凑的放在一起，试图使得天线能在不同频段内正常工作。然而，工作在不同频段的天线在共口径融合时，由于相互耦合，阻抗匹配、端口隔离度和辐射性能恶化。通过采用滤波天线、扼流环加载和频率选择性表面等技术，实现了双频天线的共口径融合，但大多数融合天线的频带较窄，对于解决基站天线位面紧张的问题帮助有限；为了可以更好的改善天面资源紧张这一问题，急需要研究频带更宽的天线之间的融合。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种基于反射表面的宽带双频融合天线及通信设备，该天线通过采用加载部分反射表面的方式，实现两个工作在不同频段的宽带天线的共口径融合。
该天线频段覆盖690MHz-1520MHz和1700MHz-2700MHz两个频段，方向图稳定，匹配好，相比较于其他的双频共口径融合天线，带宽覆盖具有明显优势。
本发明采用如下技术方案：
一种基于反射表面的宽带双频融合天线，包括超表面结构、低频天线辐射单元、N个高频天线辐射单元及反射板，所述N个高频天线辐射单元呈阵列排布在反射板上方，所述低频天线辐射单元设置在高频天线辐射单元的上方，所述超表面结构位于高频天线辐射单元的上方，且与反射板构成一个工作在高频频段的Fabry-Perot谐振腔，高频天线辐射单元用作辐射源，激励该谐振腔，产生多路径反射后形成正向叠加，对高频天线辐射单元的辐射进行补偿。
进一步，超表面结构为单层，位于低频天线辐射单元的上方或下方，具有低频辐射的传输通带。
进一步，所述N个高频天线辐射单元的结构相等，每一个高频天线辐射单元包括四个高频辐射臂、高频介质基板、高频馈线结构及高频同轴线，其中两个高频辐射臂构成+45度极化振子，由一条高频馈线馈电，另外两个高频辐射臂构成-45度极化振子，由另外一条高频馈线馈电，所述高频同轴线有两条，其分别与两条高频馈线相连。
进一步，还包括磁环，包围在高频同轴线上。
进一步，低频天线辐射单元包括四个低频辐射臂、一个环形结构、低频介质基板以及巴伦馈电结构，其中两个低频辐射臂构成+45度极化振子，另外两个低频辐射臂构成-45度极化振子，低频辐射臂设置在环形结构内，所述巴伦馈电结构分别与四个低频辐射臂相连。
进一步，当超表面结构为多层，用于扩展改善高频天线辐射单元的带宽。
进一步，超表面结构加载的高度为0.1λH-0.7λH的范围，相对于反射板，其中λH为目标改善高频工作频段的中心频点。
进一步，所述高频天线辐射单元、低频天线辐射单元、超表面结构及反射板关于同轴对称。
进一步，低频辐射臂设置挖空结构，所述挖空结构为梯形与直角三角形的组合形状。
一种通信设备，包括所述的宽带双频融合天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明共口径双频融合天线结构简单，能在690MHz-1520MHz和1700MHz-2700MHz两个频段工作；
(2)本发明共口径双频融合天线具体为共口径架构，高频天线辐射单元放置在反射板的上方，低频天线辐射单元放置在高频天线辐射单元的上方，这种架构能基本保持低频天线阻抗和辐射性能不变，为解决工作在不同频段的天线共口径融合提供便利条件。
(3)本发明针对高频天线辐射单元所收到的来自低频天线辐射单元的辐射遮挡，提出基于部分反射表面的共口径融合方法，利用部分反射表面和反射板所构成的Fabry-Perot腔来改善恢复高频天线单元的辐射方向图和增益。
(4)本发明利用部分反射表面对高频天线辐射单元和低频天线辐射单元都起到改善阻抗匹配的作用，有利于获得宽带性能。
(5)本发明所采用的部分反射表面结构丰富，可根据高频带宽加载一层或者多层的部分反射表面，并且加载的高度由标的的需改善的频率来决定。
(6)本发明结构新颖，方向图稳定，操作简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的隐藏表面结构后的俯视图；
图3是本发明实施例1使用超表面结构前后的带宽、隔离度对比测试图。
图4(a)-图4(b)分别是本发明实施例1在使用超表面前后在工作频段内0.69GHz三个频点的方向图测试图；
图4(c)及图4(d)分别是本发明实施例1低频天线使用超表面前后在工作频段内1.1GHz三个频点的方向图测试图。
图4(e)及图4(f)分别是本发明实施例1低频天线使用超表面前后在工作频段内1.52GHz三个频点的方向图测试图。
图5是本发明实施例1低频天线使用超表面前后的增益测试图。
图6是本发明实施例1高频天线使用超表面前后的带宽隔离度、测试图。
图7(a)-图7(f)分别是本发明实施例1高频天线使用超表面前后在工作频段内1.7GHz、1.9GHz、2.1GHz、2.3GHz、2.5GHz、2.7GHz六个频点的方向图测试图。
图8是本发明实施例1高频天线的使用超表面结构前后的增益测试图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1及图2所示，一种基于反射表面的宽带双频融合天线，包括超表面结构1、低频天线辐射单元2、高频天线辐射单元3及反射板4，所述高频天线辐射单元有四个，呈2*2等间距阵列排布，通过支撑柱设置在反射板上方，相邻高频天线辐射单元的间距为126mm，与反射板的距离为44mm。所述低频天线辐射单元设置在高频天线辐射单元的上方，所述超表面结构位于高频天线辐射单元的上方。
所述低频天线辐射单元设置在高频天线辐射单元上方，由于低频天线辐射单元相对于高频天线辐射单元属于电大尺寸的遮挡物，低频天线辐射单元对高频天线辐射单元在高频天线辐射单元的工作频段内产生辐射遮挡，导致高频天线辐射单元的阻抗匹配失配，辐射方向图产生畸变，畸变的表征凹陷、偏转、以及抖动波纹。为了克服上述的缺陷，本发明在高频天线辐射单元上方引入超表面结构作为部分反射表面，通过部分反射表面与反射板一起构成Fabry-Perot谐振腔来解决遮挡问题。
另外，为了使得超表面结构无论处于低频天线辐射单元同高度，或者其上方或下方都不影响低频天线辐射单元辐射性能的效果，超表面结构必须具有对低频天线辐射单元有传输通带，也就是为低通部分反射表面。
进一步，本实施例超表面结构位于低频天线辐射单元的上方，且为单层结构，则与反射板一起形成一个工作在高频频段的Fabry-Perot谐振腔，高频天线辐射单元可用作辐射源，激励该谐振腔。对于高频天线辐射单元的上空辐射性能，综合设计部分反射表面的传输性能和加载高度，使得通过Fabry-Perot谐振腔多路反射的电磁场能量处于叠加加强的状态，结合通过部分反射表面透射的电磁能量，一起加强原本被低频天线辐射单元抑制辐射的高频天线辐射单元辐射，使得高频天线辐射单元的辐射方向图恢复。
进一步，本实施例中超表面结构的尺寸与高频天线辐射单元的尺寸相当，可以与反射板构成一个能包裹高频天线辐射单元的谐振腔，所述超表面结构的尺寸具体是受频段的约束，而且在高频段要具有部分反射透射的性能。
所述超表面结构为方形，由13*13个呈阵列排布的的超表面单元构成，所述超表面单元包括介质基板和贴片，所述贴片印制在介质基板上方，所述贴片的形状为方形，本实施例长度为10.5mm，超表面单元之间的间距为1.5mm。
所述超表面结构、低频天线辐射单元及高频天线辐射单元采用同一种介质基板，相对介电常数为3.48。
所述超表面结构和高频天线辐射单元介质基板厚度为0.508mm。
所述低频天线辐射单元介质基板厚度为0.76mm。
本天线为对称结构，超表面、低频天线辐射单元、高频天线辐射单元及反射板的中心点均在同一条竖直直线上。
进一步，当超表面结构为多层设置时，多层超表面结构相同，加载在高频天线辐射单元上方的不同高度，用于实现改善带宽的增强。
每一层都需要具有低通的性能，使得这些表面无论相对于低频天线挂载在什么位置，都确保对低频天线的性能影响微小，基本可忽略不计。多层的高度设计只需要与高频天线挂钩，取决于想要改善的高频频率。
所述低频天线辐射单元的工作频段为690MHz-1520MHz，位于高频天线辐射单元的上方，主要包括四个低频辐射臂8A-8D、一个环形结构12、低频介质基板10以及低频巴伦馈电结构5，所述低频辐射臂及环形结构印制在低频介质基板上表面，环形结构设置在四个低频辐射臂外围。其中两个低频辐射臂构成+45度极化振子，另外两个低频辐射臂构成-45度极化振子，所述低频巴伦馈电结构分别与四个低频辐射臂相连。
所述四个低频辐射臂的结构相同，大小尺寸也相同，均包括印制在低频介质基板的贴片，形状为方形贴片。
所述环形结构，包围在低频辐射臂外，本实施例中外边长为97mm，宽度为1.5mm。
所述低频辐射臂设置挖空结构，所述挖空结构由等腰梯形结构和直角三角形结构构成，所述梯形结构的下底与三角形结构的斜边长度相等且重合，所述直角三角形直角边、梯形的两条斜边距离辐射臂边缘的距离相等。
所述挖空结构要减少低频天线的金属结构，以减小对高频天线的辐射遮挡，有利于高频天线辐射性能的保持。
所述直角边长度为34.2mm。所述直角三角形直角边、梯形的两条斜边距离辐射臂边缘的距离相等，实施例距离为4mm。
所述低频天线辐射臂设有两个槽。
所述两个槽均为L字形，所述第一槽与第二槽的位置均位于挖空结构与辐射臂边缘之间，所述第一槽与中间挖空结构的梯形结构的斜边在同一直线上且相接，所述第二槽与第一槽关于辐射臂极化方向对称。
所述高频天线辐射单元包括第一高频辐射臂9A、第二高频辐射臂9B、第三高频辐射臂9C、第四高频辐射臂9D、高频介质基板11、高频馈线结构、一对同轴线6和磁环7，所述高频馈线结构包括第一及第二高频馈线，所述第一高频辐射臂、第四高频辐射臂及第一高频馈线12B印制在高频介质基板的下表面，所述第二高频辐射臂、第三高频辐射臂及第二高频馈线12A印制在高频介质基板8的上表面，所述第一高频辐射臂及第三高频辐射臂构成+45度极化振子，由第一高频馈线馈电，所述第二高频辐射臂及第四高频辐射臂构成-45度极化振子，由第二高频馈线馈电，所述两条同轴线分别与第一馈线和第二馈线相连，所述磁环7包裹在同轴线外。
所述第一高频馈线及第二高频馈线相互垂直，交点位于高频介质基板的中心点。
所述四个高频辐射臂的结构相同，大小尺寸也相同，均包括印制在高频介质基板的贴片，形状结构为由梯形结构和三角形结构构成。
所述高频辐射臂结构上有一个槽，为L形，所述L形槽与高频天线辐射臂外边缘平行，距离高频辐射臂边缘距离为3mm，所述L形槽宽度为1.75mm。
所述高频同轴线与第一高频馈线、第二高频馈线垂直。
本实施例中采用四个高频天线辐射单元，其数量的设置是根据目标架构来进行排布，这种插花式排布方式是当前基站天线多频融合的重要方式，也即四个高频天线辐射单元按照一定的间距排布，而低频天线辐射单元则位于四个高频天线单元所组成阵列的中心位置。这种阵列排布则可以作为基本排布结构，进行阵列的扩充。
所述高频天线辐射单元放置于低频天线辐射单元的下方，高频天线辐射单元基本不对低频天线辐射单元的辐射性能、阻抗匹配和端口隔离度产生影响，但高频天线辐射单元上可能在特定频点感应低频共模电流，其工作频点由高频天线辐射单元的辐射臂长度和馈电同轴的长度之和决定，共模电流为单极子工作模式，会使得低频天线辐射方向图发散，低频增益在共模电流的工作频点上骤降。针对这个问题，本发明在高频天线辐射单元的同轴线上引入磁环，抑制共模电流的辐射效应，从而解决高频天线单元对低频天线单元的影响。
所述低频天线辐射单元位于反射板的上方，本实施例中两者距离为55mm。所述超表面结构位于所述低频天线辐射单元的上方，本实施例中两者距离为14mm，
反射板与高频天线辐射单元的距离为0.1λL1-0.5λL1，其中λL1为该宽带基站天线中心频率2.2GHz在自由空间中所对应波长，反射板与低频天线辐射单元的距离为0.1λL2-0.5λL2，其中λL2为该宽带基站天线中心频率1.1GHz在自由空间中所对应波长。
所述低频天线辐射单元的工作频段为690MHz-1520MHz，所述高频天线辐射单元的工作频段为1700MHz-2700MHz。
如图3、图4(a)-图4(f)及图5所示，是本实施例的低频天线阻抗带宽、隔离度、方向图及增益，本发明的超表面可以使低频天线辐射单元恢复到690-1520MHz的带宽，回波损耗大于15dB，并且在该带宽上隔离度30dB以上，且天线辐射方向图恢复良好，增益约为7.5-9dBi。
如图6、图7(a)-图7(f)及图8所示，是本实施例的高频天线阻抗带宽、方向图及增益，本发明的超表面可以使高频天线辐射单元恢复到1700-2700Mhz的带宽，回波损耗大于15dB，并且在该带宽上隔离度在30dB以上，且天线辐射方向图恢复良好，增益约为10.5-12dBi。
本双频融合天线具有结构新颖，操作简单，制作方便，带宽宽，辐射方向图稳定等特点。
实施例2
一种通信设备，包括如实施例所述的的一种基于超表面扩频的宽带双频融合天线，从上至下依次包括超表面、低频天线辐射单元、高频天线辐射单元及反射板。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于反射表面的宽带双频融合天线，其特征在于，包括超表面结构、低频天线辐射单元、N个高频天线辐射单元及反射板，所述N个高频天线辐射单元呈阵列排布在反射板上方，所述低频天线辐射单元设置在高频天线辐射单元的上方，超表面结构为单层，位于低频天线辐射单元的上方或下方，具有低频辐射的传输带；所述超表面结构和高频天线阵列尺寸相当；
所述超表面结构与反射板构成一个工作在高频频段的Fabry-Perot谐振腔，高频天线辐射单元用作辐射源，激励该谐振腔，产生多路径反射后形成正向叠加，实现对高频天线辐射单元的辐射进行补偿。
2.根据权利要求1所述的宽带双频融合天线，其特征在于，所述N个高频天线辐射单元的结构相等，每一个高频天线辐射单元包括四个高频辐射臂、高频介质基板、高频馈线结构及高频同轴线，其中两个高频辐射臂构成+45度极化振子，由一条高频馈线馈电，另外两个高频辐射臂构成-45度极化振子，由另外一条高频馈线馈电，所述高频同轴线有两条，其分别与两条高频馈线相连。
3.根据权利要求2所述的宽带双频融合天线，其特征在于，还包括磁环，包围在高频同轴线上。
4.根据权利要求1所述的宽带双频融合天线，其特征在于，低频天线辐射单元包括四个低频辐射臂、一个环形结构、低频介质基板以及巴伦馈电结构，其中两个低频辐射臂构成+45度极化振子，另外两个低频辐射臂构成-45度极化振子，低频辐射臂设置在环形结构内，所述巴伦馈电结构分别与四个低频辐射臂相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的宽带双频融合天线，其特征在于，当超表面结构为多层，用于扩展改善高频天线辐射单元的带宽。
6.根据权利要求1-4任一项所述的宽带双频融合天线，其特征在于，超表面结构加载的高度为0.1lH-0.7lH的范围，其中lH为目标改善高频工作频段的中心频点。
7.根据权利要求6所述的宽带双频融合天线，其特征在于，所述高频天线辐射单元、低频天线辐射单元、超表面结构及反射板关于同轴对称。
8.根据权利要求4所述的宽带双频融合天线，其特征在于，低频辐射臂设置挖空结构，所述挖空结构为梯形与直角三角形的组合形状。
9.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的宽带双频融合天线。
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