CN113285219A - 一种三频共口径融合天线、融合方法及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三频共口径融合天线、融合方法及通信设备，由上至下依次包括低频单元、非均匀表面、中频单元、低频单元及反射板，所述低频单元为±45°双极化的平面振子天线，包括低频辐射臂、低频介质基板、低频馈线结构、低频同轴线、谐振结构和扼流结构，相邻低频辐射臂之间设置谐振结构，低频辐射臂远离低频介质基板中心点的一端设置断开，扼流结构设置在每个低频辐射臂的断开位置。该天线通过采用扼流结构和非均匀表面结合的方式，解决不同频段单元之间的耦合问题，实现天线在不同频段正常工作。

Description

一种三频共口径融合天线、融合方法及通信设备

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种三频共口径融合天线、融合方法及通信设备。

背景技术

移动通信技术的不断发展给我们的生活带来了巨大的改变。天线是通信系统重要的组成部分，它的性能直接影响了无线通信系统的性能和通信质量。随着通信需求的增加，移动通信频段不断扩展，通信制式不断更迭，在Sub 6GHz 频段形成了从690-5000MHz的宽带覆盖需求，并且多种制式的通信系统共存，目前我国正在使用的通信制式有2G、3G、4G和5G通信制式，其中4G之前的制式天线多采用线阵排布，5G天线为主要为大规模MIMO形式，不同制式的天线需要同时工作。由于基站天线的站址紧张，天线架设空间有限，难以在同一位置架设多副工作在不同制式的天线，因此迫切需要将天线设计为一副工作在多个频段的天线形成多频共口径融合天线。

将不同频段不同制式的天线共口径融合，这使得不同频段的天线之间产生强烈的互耦，带来天线的方向图等辐射性能严重恶化，阻抗失配，隔离度变差等问题使得天线无法正常工作。如何让多个频段的天线能够共口径融合并保持各自能正常工作是需要研究的关键问题。

为了解决这些问题，学者们对于双频共口径融合天线进行了研究，并且有了一些进展，然而大多数带宽较窄。在此基础上，为了覆盖更多制式的频段，进行三频共口径融合的研究。由于三个频段天线的高度都不同，带来的互耦问题也更加复杂，因此需要提出一种融合方法实现三频共口径融合。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明首要目的是提供一种三频共口径融合天线，该天线在不同频段正常工作，天线频段覆盖低频690MHz-960MHz、中频1700MHz-2200MHz和高频4800MHz-5000MHz三个频段，隔离度高，辐射性能稳定。

本发明的第二个目的是提供一种融合方法，该方法采用扼流结构和非均匀表面结合的方式，解决不同频段之间的耦合问题，实现天线在不同频段正常工作。

本发明的第三个目的是提供一种通信设备。

本发明首要目的采用如下技术方案：

一种三频共口径融合天线，由上至下依次包括低频单元、非均匀表面、中频单元、高频单元和反射板，所述低频单元为±45°双极化的平面振子天线，包括低频辐射臂、低频介质基板、谐振结构和扼流结构，相邻低频辐射臂之间设置谐振结构，低频辐射臂远离低频介质基板中心点的一端设置断开，扼流结构设置在每个低频辐射臂的断开位置。

进一步，所述低频辐射臂为轴对称的环状八边形。

进一步，所述扼流结构的个数与低频辐射臂的个数相同，所述扼流结构为几字形结构，其开口位置与低频辐射臂的断开位置重合。

进一步，所述谐振结构的个数与低频辐射臂的个数相同，所述谐振结构为V形，所述V形与相邻低频辐射臂的距离相等，V形的两个枝节末端向内弯折。

进一步，所述低频单元还包括低频馈线结构及低频同轴线，所述低频辐射臂包括第一低频辐射臂、第二低频辐射臂、第三低频辐射臂及第四低频辐射臂；所述低频馈线结构包括相互垂直的第一低频馈线及第二低频馈线；所述低频同轴线包括两对，所述第一低频辐射臂、第二低频辐射臂及第二低频馈线印制在低频介质基板的第一板面，所述第三低频辐射臂、第四低频辐射臂及第一低频馈线印制在低频介质基板的第二板面，所述第一板面与第二板面为相对面，所述第一低频辐射臂及第三低频辐射臂构成+45度极化振子，由第二低频馈线馈电，所述第二低频辐射臂及第四低频辐射臂构成-45度极化振子，由第一低频馈线馈电；一对低频同轴线分别与第一低频馈线和第二低频馈线相连，另外一对低频同轴线分别与第一低频辐射臂和第四低频辐射臂相连。

进一步，所述中频单元包括四个中频辐射臂、中频介质基板、中频馈线结构及两对中频同轴线，四个中频辐射臂包括第一中频辐射臂、第二中频辐射臂、第三中频辐射臂及第四中频辐射臂；所述中频馈线结构包括相互垂直设置的第一中频馈线及第二中频馈线；第一中频辐射臂、第二中频辐射臂及第二中频馈线印制在中频介质基板的第一板面；所述第三中频辐射臂、第四中频辐射臂及第一中频馈线印制在中频介质基板第二板面，第二板面为第一板面的相对面；所述第一中频辐射臂及第三中频辐射臂构成+45度极化振子，由第二中频馈线馈电，所述第二中频辐射臂及第四中频辐射臂构成-45度极化振子，由第一中频馈线馈电；其中，一对中频同轴线分别与第一中频馈线和第二中频馈线相连，另外一对中频同轴线分别与第一中频辐射臂和第四中频辐射臂相连。

进一步，所述高频单元为±45°双极化的平面振子天线，包括四个高频辐射臂、高频介质基板、高频馈线结构及一对高频同轴线。

进一步，所述低频辐射臂及中频辐射臂为挖空的环形。

进一步，所述非均匀表面呈现十字形，所述十字形的中间部分及四个边缘部分设置多个方形贴片。

本发明的第二个目的采用如下技术方案：

一种实现三频共口径融合天线的融合方法，包括将高频单元和中频单元放置在低频单元的下方。因为低频单元工作频率低，天线高度高，低频单元工作时的辐射性能不受其它频段天线的影响。

中频单元工作时，低频单元上会产生感应电流，感应电流形成的二次辐射会使得中频单元的方向图恶化，阻抗失配。通过断开低频辐射臂，并在断开位置加载扼流结构能够在保证低频单元的正常工作同时遏制低频单元产生的中频感应电流，从而减轻甚至消除对中频单元的影响，使得中频单元正常辐射。

高频单元工作时，中频单元以及低频单元由于位于高频单元的上方，尺寸大于高频单元，对高频单元产生辐射遮挡，使得高频单元主辐射方向凹陷，阻抗匹配变差。通过采用非均匀表面恢复高频单元的方向图和阻抗匹配，并且非均匀表面的加载不会影响加载扼流结构的低频单元和中频单元的结果，扼流结构的加载不会影响非均匀表面对于高频单元的恢复效果。

本发明第三个目的采用如下技术方案：

一种通信设备，包括所述的三频共口径融合天线。

本发明的有益效果：

（1）本发明低频单元和中频单元的辐射臂为挖空结构，是为了减少辐射遮挡，更好的实现三频共口径天线。

（2）扼流结构的作用是遏制在低频单元上产生的中频感应，用于恢复中频单元的方向图同时改善由于低频辐射臂断开引起的低频匹配问题，并且不影响高频单元的正常工作。

（3）本发明通过采用复合融合结构实现三频共口径融合，即使用扼流结构恢复中频单元的方向图，用非均匀表面恢复高频单元的方向图，并且扼流结构和非均匀表面都不影响低频单元性能，达到工作在三个不同频段的天线单元都能正常辐射的效果。

（4）本发明谐振结构用于扩展低频单元的带宽，而不影响高频单元以及中频单元的方向图。

（5）本天线结构简单，能在690MHz-960MHz、1700MHz-2200MHz和4800MHz-5000MHz三个频段工作。

（6）本发明结构率先实现了三频天线共口径融合，结构新颖，性能好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明高频单元的俯视图；

图3是本发明中频单元的俯视图；

图4是本发明低频单元的俯视图；

图5是本发明低频单元加载扼流结构前后的带宽、隔离度的仿真图；

图6（a）-图6（c）分别是本发明低频单元加载扼流结构前后在工作频段内690MHz、820MHz、960MHz三个频点的方向图；

图7是本发明低频单元的加载扼流结构前后的增益图；

图8是本发明中频单元在低频单元加载扼流结构前后的带宽、隔离度仿真图；

图9（a）-图9（c）分别是本发明中频单元在低频单元加载扼流结构前后在工作频段内1700MHz、2000MHz、2200MHz三个频点的方向图；

图10是本发明中频单元在低频单元加载扼流结构前后的增益图；

图11是本发明高频单元在加载非均匀表面前后的带宽、隔离度仿真图；

图12（a）-图12（c）分别是本发明高频单元在加载非均匀表面前后在工作频段内4800MHz、4900MHz、5000MHz三个频点的方向图；

图13是本发明高频单元在加载非均匀表面前后的增益图。

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

本实施例1中的第一板面为介质基板的上表面，第二板面为介质基板的下表面。

如图1所示，一种三频共口径融合天线，由上至下依次包括低频单元1、非均匀表面2、中频单元3、高频单元4及反射板5，所述低频单元的工作频段为690-960MHz，所述中频单元的工作频段为1700MHz-2200MHz，所述高频单元的工作频段为4800MHz-5000MHz。

所述高频单元4位于反射板5的上方，本实施例中两者距离为19mm。所述中频单元位于高频单元的上方，本实施例中两者距离为17mm，所述低频单元位于中频单元的上方，本实施例中两者距离为54mm，所述非均匀表面位于所述中频单元的上方，本实施例中两者距离为4mm。

所述高频单元、中频单元及低频单元均为±45°双极化的平面振子天线。

如图2所示，所述高频单元4包括高频辐射臂、高频介质基板9、高频馈线结构及一对高频同轴线6，所述高频辐射臂包括第一高频辐射臂10A、第二高频辐射臂10B、第三高频辐射臂10C及第四高频辐射臂10D，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、第二高频辐射臂及第一高频馈线11A印制在高频介质基板9的上表面，所述第三高频辐射臂、第四高频辐射臂及第二高频馈线11B印制在高频介质基板的下表面，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，由第二高频馈线馈电，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，由第一高频馈线馈电，所述一对高频同轴线分别与第一高频馈线和第二高频馈线相连。

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，贴片形状是梯形结构和三角形结构构成的环形结构，贴片中梯形结构腰的交点为高频介质基板的中心点。

如图3所示，中频单元3包括中频辐射臂、中频介质基板12、中频馈线结构及两对中频同轴线7，所述中频辐射臂包括第一中频辐射臂13A、第二中频辐射臂13B、第三中频辐射臂13C及第四中频辐射臂13D，所述中频馈线结构包括第一及第二中频馈线，所述第一中频辐射臂、第二中频辐射臂及第二中频馈线14B印制在中频介质基板12的上表面，所述第三中频辐射臂、第四中频辐射臂及第一中频馈线14A印制在中频介质基板的下表面，所述第一中频辐射臂及第三中频辐射臂构成+45度极化振子，由第二中频馈线馈电，所述第二中频辐射臂及第四中频辐射臂构成-45度极化振子，由第一中频馈线馈电，一对中频同轴线分别与第一中频馈线和第二中频馈线相连。另外一对中轴同轴线分别与第一中频辐射臂和第四中频辐射臂相连。

所述第一中频馈线及第二中频馈线相互垂直，交点位于中频介质基板的中心点。

所述四个中频辐射臂的结构相同，大小尺寸也相同，均包括印制在中频介质基板的贴片，形状结构为由梯形结构和三角形结构构成的环形结构。

本单元设置两对同轴线为了抵消较低频单元的同轴线上电流对于较高频天线单元的方向图的影响。

如图4所示，所述低频单元1包括第一低频辐射臂15A、第二低频辐射臂15B、第三低频辐射臂15C、第四低频辐射臂15D、第一谐振结构16A、第二谐振结构16B、第三谐振结构16C、第四谐振结构16D、低频介质基板17、第一扼流结构18A、第二扼流结构18B、第三扼流结构18C、第四扼流结构18D、低频馈线结构、两对低频同轴线8，所述低频馈线结构包括第一及第二低频馈线，所述第一低频辐射臂、第二低频辐射臂及第二低频馈线19B印制在低频介质基板17的上表面，所述第三低频辐射臂、第四低频辐射臂及第一低频馈线19A印制在低频介质基板的下表面，所述第一低频辐射臂及第三低频辐射臂构成+45度极化振子，由第二低频馈线馈电，所述第二低频辐射臂及第四低频辐射臂构成-45度极化振子，由第一低频馈线馈电。其中一对低频同轴线分别与第一低频馈线和第二低频馈线相连，另外一对低频同轴线分别与第一低频辐射臂和第四低频辐射臂相连。

所述第一低频馈线及第二低频馈线相互垂直，交点位于低频介质基板的中心点。

进一步，四个低频辐射臂结构尺寸均相同，均包括印制在低频介质基板上的贴片，其贴片形状为轴对称的环状八边形结构，轴为低频介质基板的对角线。环状八边形为挖空结构，本实施例1中的八边形具体依次由等腰梯形、矩形和等腰梯形连接构成。所述等腰梯形两条腰的交点为低频介质板的中心点，等腰梯形的腰与相邻辐射臂不重合，夹角为2.5°。八边形远离低频介质基板中心点的一边（等腰梯形的一个底边）在中间位置断开，断开宽度为2mm。

所述谐振结构的个数与低频辐射臂相等数量，谐振结构可以设置在低频介质基板的上表面或下表面，本实施例中谐振结构设置在低频介质基板的下表面。所述谐振结构为V形，设置在相邻低频辐射臂之间，并且与两侧相邻低频辐射臂距离相等，V形的两个枝节在末端向内弯折，V形总长度为111.7mm，弯折部分长度为27mm。V型的结构用于扩展低频单元的带宽，而不影响高频单元以及中频单元的方向图。

所述扼流结构的个数与低频辐射臂相等数量，所述扼流结构与对应的低频辐射臂印制不同表面，所述扼流结构设置在低频辐射臂的断开位置，具体为“几”字形，其开口端设置在断开位置，开口两侧与低频辐射臂重合。所述扼流结构总长度为44.5mm，所述扼流结构其弯折部分长度为16mm。

低频单元和高频单元本质上都是振子结构。低频单元及中频单元的辐射臂之所以是挖空的环形，是因为要减少低频天线单元的金属结构，以减小对中、高频天线单元的辐射遮挡，有利于中、高频单元辐射性能的保持。高频单元是否挖空对于实现融合影响不大，仅便于同轴线的摆放。扼流结构的加载是由于低频单元对于中频单元辐射性能有剧烈影响，其对于恢复中频单元的方向图有着有效的作用，而非均匀表面对恢复高频单元的方向图恢复具有重要作用。

所述非均匀表面2为对称结构，具体为十字形，十字形的两条边分别朝向±45°方向，距离反射板39mm。

所述非均匀表面的四个边缘及中间部分设置多个方形贴片，所述方形贴片印制在介质基板上。

具体方形贴片设置如下：

印制在十字形边缘的方形贴片有两行，每一行的方形贴片大小相等，相邻方形贴片距离相等，每一行的方形贴片有6个，本实施例1中相邻间距为10mm。由内向外，靠近十字形中心点的一行方形贴片尺寸大于另一行方形贴片尺寸，本实施例1中，按照由内至外的顺序，方形贴片的边长依次为8.4mm、6.9mm。

印制在十字形中间部分的方形贴片，具体是以十字形中心点为圆心，由内至外设置三圈，分别是第一圈、第二圈及第三圈，第一圈由8个方形贴片构成，8个方形贴片围成方形，第二圈由16个方形贴片构成，围成方形，第三圈由12个方形贴片构成，在第二圈方形的每一条边外侧设置三个方形贴片。

每圈方形贴片大小相等，相邻方形贴片中心之间的距离大小相等，本实施例1为10.4mm，三圈方形贴片大小从内向外依次增大，依次为7.9mm、8.4mm和8.8mm。

所述贴片的位置以及大小的设置是为了实现高频单元频段内辐射方向图主辐射方向上宽角度的恢复。

所述扼流结构、低频单元、中频单元和高频单元采用同一种介质基板为TaconicTLY(tm)，相对介电常数为2.2。

所述非均匀表面采用的介质基板的相对介电常数为3.48。

所述扼流结构、低频单元、中频单元、高频单元和非均匀表面的介质基板厚度均为0.5mm。

本天线为对称结构，非均匀表面、低频单元、中频单元、高频单元及反射板的中心点均在同一条竖直直线上。

反射板与高频单元的距离为0.1λ _4900MHz -0.5λ _4900MHz ，其中λ _4900MHz 为该宽带基站高频天线单元中心频率4900MHz在自由空间中所对应波长。反射板与中频单元的距离为0.1λ _2000MHz -0.5λ _2000MHz ，其中λ _2000MHz 为该宽带基站天线中频单元中心频率2000MHz在自由空间中所对应波长，反射板与低频单元的距离为0.1λ _820MHz -0.5λ _820MHz ，其中λ _820MHz 为该宽带基站天线低频单元中心频率820MHz在自由空间中所对应波长。

所述低频单元的工作频段为690-960MHz，所述中频单元的工作频段为1700MHz-2200MHz，所述高频单元的工作频段为4800MHz-5000MHz。

本发明实现三个不同频段天线的共口径融合方法，具体如下：

高频单元和中频单元放置在低频单元的下方，因为低频单元工作频率低，天线高度高，低频单元工作时的辐射性能不受其它频段天线的影响；

中频单元工作时，低频单元上会产生感应电流，感应电流的二次辐射会使得中频单元的方向图恶化，阻抗失配，通过切断低频辐射臂并在切断位置加载扼流结构能够在保证低频单元的正常工作的同时遏制低频单元产生的中频感应电流，从而减轻甚至消除对中频单元的影响，使得中频单元正常辐射；

高频单元工作时，中频单元以及低频单元由于位于高频单元的上方，尺寸大于高频单元，对于高频单元产生辐射遮挡，使得高频单元主辐射方向产生凹陷。

通过采用非均匀表面恢复高频单元的方向图和阻抗匹配，并且非均匀表面的加载不会影响加载扼流结构的低频单元和中频单元的结果，扼流结构的加载不会影响非均匀表面对于高频单元的恢复效果。

本方法中的尺寸是指低频单元、中频单元及高频单元的金属部分尺寸。

如图5、图6（a）-图6（c）及图7所示，是本实施例的低频单元阻抗带宽、隔离度、方向图及增益，本发明可以使低频单元覆盖690-960MHz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8dBi。

如图8、图9（a）-图9（c）及图10所示，是本实施例的中频单元阻抗带宽、方向图及增益，本发明中扼流结构的加载可以使中频单元恢复到1700-2200MHz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 6-8dBi。

如图11、图12（a）-图12（c）及图13所示，是本实施例的高频单元阻抗带宽、方向图及增益，本发明的非均匀表面可以使高频单元恢复到4800-5000MHz的带宽，回波损耗大于15dB，并且在该带宽上隔离度在28dB以上，且天线辐射方向图恢复良好，增益约为 8.7-10.4 dBi。

本天线率先实现了三频天线共口径融合，其具有结构新颖，隔离度高，辐射性能稳定等特点。

实施例2

一种通信设备，包括如实施例1所述的一种三频共口径融合天线，从上至下依次包括低频单元、非均匀表面、中频单元、高频单元及反射板。

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 (10)

1.一种三频共口径融合天线，其特征在于，由上至下依次包括低频单元、非均匀表面、中频单元、高频单元及反射板，所述低频单元为±45°双极化的平面振子天线，包括低频辐射臂、低频介质基板、谐振结构和扼流结构，相邻低频辐射臂之间设置谐振结构，在低频辐射臂远离低频介质基板中心点的一端设置断开，扼流结构设置在每个低频辐射臂的断开位置。

2.根据权利要求1所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述低频辐射臂为轴对称的环状八边形。

3.根据权利要求2所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述扼流结构的个数与低频辐射臂的个数相同，所述扼流结构为几字形结构，其开口位置与低频辐射臂的断开位置重合。

4.根据权利要求1所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述谐振结构的个数与低频辐射臂的个数相同，所述谐振结构为V形，所述V形与相邻低频辐射臂的距离相等，V形的两个枝节末端向内弯折。

5.根据权利要求1所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述中频单元包括四个中频辐射臂、中频介质基板、中频馈线结构及两对中频同轴线，四个中频辐射臂包括第一中频辐射臂、第二中频辐射臂、第三中频辐射臂及第四中频辐射臂；所述中频馈线结构包括相互垂直设置的第一中频馈线及第二中频馈线；第一中频辐射臂、第二中频辐射臂及第二中频馈线印制在中频介质基板的第一板面；所述第三中频辐射臂、第四中频辐射臂及第一中频馈线印制在中频介质基板第二板面，第二板面为第一板面的相对面；所述第一中频辐射臂及第三中频辐射臂构成+45度极化振子，由第二中频馈线馈电，所述第二中频辐射臂及第四中频辐射臂构成-45度极化振子，由第一中频馈线馈电；其中，一对中频同轴线分别与第一中频馈线和第二中频馈线相连，另外一对中频同轴线分别与第一中频辐射臂和第四中频辐射臂相连。

6.根据权利要求1所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述非均匀表面呈现十字形，所述十字形的中间部分及四个边缘部分设置多个方形贴片。

7.根据权利要求1所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述高频单元为±45°双极化的平面振子天线，包括四个高频辐射臂、高频介质基板、高频馈线结构及一对高频同轴线。

8.根据权利要求5所述的三频共口径融合天线，其特征在于，所述低频辐射臂及中频辐射臂为挖空的环形。

9.根据权利要求1-8任一项所述的三频共口径融合天线的融合方法，其特征在于，包括：

高频单元和中频单元设置在低频单元的下方，低频单元由于工作频率低，天线高度高，不受其它频段天线单元的影响；

中频单元工作时，低频单元上会产生感应电流，感应电流形成的二次辐射会使得中频单元的方向图恶化，阻抗失配；通过断开低频辐射臂，并在断开位置加载扼流结构能够在保证低频单元的正常工作同时遏制低频单元产生的中频感应电流，从而减轻甚至消除对中频单元的影响，使得中频单元正常辐射；

高频单元工作时，中频单元以及低频单元由于位于高频单元的上方，尺寸大于高频单元，对高频单元产生辐射遮挡，使得高频单元主辐射方向凹陷，阻抗匹配变差；通过采用非均匀表面恢复高频单元的方向图和阻抗匹配，并且非均匀表面的加载不会影响加载扼流结构的低频单元和中频单元的结果，扼流结构的加载不会影响非均匀表面对于高频单元的恢复效果。

10.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的三频共口径融合天线。

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