CN113300085A - 一种面向3g/4g/5g小型宽带双极化基站天线单元 - Google Patents

一种面向3g/4g/5g小型宽带双极化基站天线单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元设计，属于天线技术领域，本发明中所述基站天线单元包括反射板、固定设置于反射板上方的辐射单元、两对相同的非规则偶极子，以及穿过反射板与辐射贴片连接的两根同轴线。利用三次Hermite样条插值对辐射单元上辐射贴片的形状进行优化，延长了辐射贴片上电流的有效传播路径，使其在有限的设计空间内达到更高的设计空间利用率，进而增加了天线的工作带宽，有利于天线设计的小型化，与传统的基站天线相比，本发明中的天线具有小型化、宽频带、稳定性高等特点，适用于3G/4G/5G射频前端系统中小型化基站天线等应用。

Description

一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种面向3G/4G/5G的小型化、宽频带、方向图稳定性强的双极化基站天线单元设计。
背景技术
近年来，随着现代移动通信的迅速发展，人们对移动通信系统高传输速率、稳定的通信质量以及多种复杂应用场景等方面的要求越来越高。而作为移动通信系统中重要组成部分的基站天线，其设计技术也随着系统技术的演进而不断发展和提高。支持多网络通信系统的宽带天线引起了人们的广泛关注。它们可以减少天线的总数，节省安装空间，并节省基站的建设和运营成本。双极化天线被广泛用于极化分集，以减少多径衰落效应并增加系统信道容量。为了服务于3G(1880-2170MHz)，4G(2300-2400MHz和2570-2690MHz)和Sub-6GHz(3300-3600MHz)通信系统，覆盖1880-3600MHz的双极化天线是非常有必要的。此外，由于基站天线站址的资源紧张，宽频带基站天线小型化的需求愈发迫切，已经成为未来基站天线发展趋势。在满足3G/4G/5G的频带要求下，实现方向图稳定、小型化的基站天线将会有着广阔的应用前景。
首先，天线方向图稳定和较小的增益变化将大大有利于用户的实际使用体验，由于天线覆盖区域用户的分布位置散落，较大的增益变化将影响用户日常网络的使用，为了提升用户的使用体验就会增加基站的数量，提高覆盖成本。
其次，小型化的基站天线将大大有利于移动通信的网络建设与优化。天线尺寸的缩小节约了基站天线的建站空间，可以使得天线与数字移相电路为主体的馈电网络高度集成。这样便能实时调控基站的网络覆盖，使得网络资源得到最佳分配。除此之外，在基站天线安装与维护方面，小型化的基站天线使得基站天线体积缩小、重量减轻，有利于降低天线的安装难度与维护成本。最后，小型化有利于基站天线的美化与伪装，这样可以有效避免视觉污染，美化环境。也能够降低用户对基站天线辐射的担忧心理，降低基站天线的建站难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，其工作频段为：1.88GHz-3.6GHz，可满足3G(1880-2170MHz)，4G(2300-2400MHz和2570-2690MHz)和Sub-6G(3300-3600MHz)，以能够满足通信系统中双极化基站天线设计需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，所述基站天线单元由反射板、固定设置于反射板上方的辐射单元、两对相同的非规则偶极子以及两根同轴线构成，所述辐射单元由介质基板，以及印刷于介质基板上的辐射贴片组成，所述辐射贴片为两对非规则结构的交叉偶极子，所述偶极子的每个臂皆通过三次Hermite样条插值法进行形状构造，延长了辐射贴片上电流的有效传播路径，其轮廓点为P0、P1、P2、P3、P0'、P1'和P2'，并且P0'、P1'和P2'分别与P0、P1、P2对称；
其中，每个偶极子的一半印刷在介质基板的正面，而另一半蚀刻在介质基板的背面，并且每对所述偶极子的两个臂通过一个宽度线性变化的金属贴片来激励，从而使双极化天线增益变得平坦轻巧；
两根同轴线分别穿过反射板并与辐射贴片相连，用于对所述基站天线单元进行馈电。
进一步，所述同轴线具有内导体和外导体，内导体穿过介质基板与其正面的辐射贴片相连接，外导体与介质基板背面的另一个辐射贴片相连接。
进一步，所述同轴线的内导体为铜线，同轴线的外导体为接地线。
进一步，所述反射板为正面镀覆有铜层的FR4介质基板。
进一步，所述辐射贴片的材质为金属铜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明，利用三次Hermite样条插值对辐射单元上辐射贴片的形状进行优化，延长了辐射贴片上电流的有效传播路径，使其在有限的设计空间内达到更高的设计空间利用率，进而增加了天线的工作带宽，有利于天线设计的小型化。
本发明，在有限的设计空间内，通过使用非规则结构偶极子，延长电流的有效传播路径，增加了天线的工作带宽。与传统的基站天线相比，本发明中的天线具有小型化、宽频带、稳定性高等特点，适用于3G/4G/5G射频前端系统中小型化基站天线等应用。
附图说明
图1传统规则偶极子与非规则偶极子结构示意图
图2本发明中的偶极子结构示意图
图3本发明天线实物图
图4本发明基站天线S11、S22、S21的仿真与测试结果示意图
图5本发明基站天线在1.88-3.6GHz频段内增益和半功率波束宽度的仿真与测试结果示意图
图6本发明基站天线在1.88-3.6GHz频段内几个频点的主极化与交叉极化的仿真与测试结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例采用的±45°双极化基站天线。
如图1-3所示，一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，所述基站天线单元由反射板、固定设置于反射板上方的辐射单元、两对相同的非规则偶极子以及两根同轴线构成，介质基板的长宽高尺寸分别为40.8mm、40.8mm、0.8mm，也就是辐射尺寸为0.38λ(λ为中心频点所对应的波长)，所述辐射贴片为两对相同的非规则交叉偶极子，所述偶极子的每个臂皆通过三次Hermite样条插值法进行形状构造，以延长辐射贴片上电流的有效传播路径，其轮廓点为P0、P1、P2、P3、P0'、P1'和P2'，并且P0'、P1'和P2'分别与P0、P1、P2对称；
其中，每个偶极子的一半印刷在介质基板的正面，而另一半蚀刻在介质基板的背面，并且每对所述偶极子的两个臂通过一个宽度线性变化的金属贴片来激励，从而使双极化天线增益变得平坦轻巧；
两根所述同轴线分别穿过反射板并与辐射贴片相连，用于对所述基站天线单元进行馈电。具体的，两根同轴线皆为50Ω同轴线，其将电流传输到辐射贴片上，最终通过偶极子贴片将信号以电磁波的形式传递出去。
需要说明的是，通过在偶极子的一臂引入7个轮廓点，这种不规则结构的偶极子可以充分利用有限的设计空间以获得良好的阻抗匹配，较高的隔离度和稳定的辐射性能；在HFSS中，由于轮廓点P0和P0'分别在d1、d2和h1处，因此共优化了八个几何参数(x1，y1，x2，y2，x3，d1，d2，h1)，通过优化参数，将天线单元的尺寸下降到0.25λ。
本发明实施例中，辐射单元的作用是将信号以电磁波的形式向空间辐射，并通过改变偶极子的形状可以延长电流的传输路径从而达到减小天线尺寸以及实现阻抗匹配的目的。
实验说明：
本发明的3G/4G/5G双极化基站天线的回波损耗以及两个端口的隔离度如图4所示。天线仿真的回拨损耗大于10dB，实际测量结果大于10dB，天线隔离度仿真结果大于30dB，实际测量结果大于28dB。通过实际测量结果可知本发明5G基站天线单元具有良好的回波损耗以及较高的隔离度。
本发明3G/4G/5G双极化基站天线在1.88-3.6GHz频段内增益的仿真与测试结果如图5所示。由天线增益公式G＝4π×Ae/λ2，其中λ表示天线中心频点的波长，Ae表示天线的有效口径；
从上述天线增益公式可知，天线增益与天线口径成正比关系。天线口径下降，增益也会下降。由图可知，本发明的3G/4G/5G双极化基站天线的仿真增益最大为8.6dB，测试结果在工作频段内增益范围为：8.0-8.6dB，与传统基站单元相比，本发明具有较稳定的增益变化。传统基站天线大多采用规则的偶极子贴片，天线在工作频段内具有较高的增益波动；而本发明通过优化辐射贴片的形状，使其与传统基站天线具有相同的增益，但是增益在频带内更加稳定。
本发明3G/4G/5G双极化基站天线在1.88-3.6GHz频段内的主极化与交叉极化比如图6所示。天线的实际测量结果可知，本发明基站天线的主极化与交叉极化比大于30dB，说明本发明基站天线具有良好的极化特性，进而说明本发明沿主辐射方向的能量更加集中，具有良好的辐射性能。
本发明，利用三次Hermite样条插值对辐射单元上辐射贴片的形状进行优化，延长了辐射贴片上电流的有效传播路径，使其在有限的设计空间内达到更高的设计空间利用率，进而增加了天线的工作带宽，有利于天线设计的小型化，并且在有限的设计空间内，通过使用非规则结构偶极子，延长电流的有效传播路径，增加了天线的工作带宽。与传统的基站天线相比，本发明中的天线具有小型化、宽频带、稳定性高等特点，适用于3G/4G/5G射频前端系统中小型化基站天线等应用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，所述基站天线单元由反射板、固定设置于反射板上方的辐射单元、两对相同的非规则偶极子，以及穿过反射板与辐射贴片连接的两根同轴线，其特征在于，所述辐射单元由介质基板，以及印刷于介质基板上的辐射贴片组成，所述辐射贴片为两对非规则结构的交叉偶极子，所述偶极子的每个臂皆通过三次Hermite样条插值法进行形状构造，以延长辐射贴片上电流的有效传播路径，其轮廓点为P0、P1、P2、P3、P0'、P1'和P2'，并且P0'、P1'和P2'分别与P0、P1、P2对称；
其中，每个偶极子的一半印刷在介质基板的正面，而另一半蚀刻在介质基板的背面，并且每对所述偶极子的两个臂通过一个宽度线性变化的金属贴片来激励；
两根所述同轴线分别穿过反射板并与辐射贴片相连，用于对所述基站天线单元进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，其特征在于，所述同轴线具有内导体和外导体，内导体穿过辐射单元的介质基板与其正面的辐射贴片相连接，外导体与介质基板背面的另一个辐射贴片相连接。
3.根据权利要求2所述的一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，其特征在于，所述同轴线的内导体为铜线，同轴线的外导体为接地线。
4.根据权利要求1所述的一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，其特征在于，所述反射板为正面镀覆有铜层的FR4介质基板。
5.根据权利要求1所述的一种面向3G/4G/5G小型宽带双极化基站天线单元，其特征在于，所述辐射贴片的材质为金属铜。
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