CN113497357A - 一种宽带双极化滤波天线 - Google Patents

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Abstract

发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种宽带双极化滤波天线，可用于5G基站应用。其特征是：包括第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第五介质板、辐射贴片、寄生金属环、第一短路墙、第二短路墙、第三短路墙、第四短路墙、反射板和微带功分器；第一介质板水平放置在天线本体的最上层；反射板水平放置在天线本体的最下层，反射板中心刻蚀十字交叉缝隙；在第一介质板和反射板中间有四个中心对称放置的短路墙；第一介质板和反射板分别与短路墙上下垂直；辐射贴片和寄生金属环印刷在第一介质板的下表面，辐射贴片与四个短路墙的一端相连接；短路墙的另一端与反射板的对应位置相连接；反射板的下面印刷微带功分器。它在保证宽带的同时，保证了天线的双极化滤波响应。

Description

一种宽带双极化滤波天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及一种宽带双极化滤波天线，可用于5G基站应用。
背景技术
随着无线通讯系统的发展，其通信频谱越来越拥挤，工作在临近频段天线之间的耦合会影响系统的性能。这对天线通带边缘的选择性和带外抑制能力提出了更高的要求。将滤波器和天线集成设计，在不增加额外空间占有率的前提下，可以让天线具有滤波响应，因此成为当前的研究热点之一。
然而近年来出现的滤波天线，大多是基于贴片天线等窄带天线集成设计，其带宽不能覆盖多个通信频段。而宽带滤波方案又很难拓展为双极化以改善多径衰落和增加信道容量，因此大多都不适用于基站天线应用。
发明内容
本发明针对现有基站天线的不足，提供了一种带宽宽，能覆盖多个通信频段，适用于基站应用的宽带双极化滤波天线，以满足5G无线通信的需求。
本发明采用如下方案:一种宽带双极化滤波天线，其特征是：包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)、第四介质板(4)、第五介质板(5)、辐射贴片(6)、寄生金属环(7)、第一短路墙(8)、第二短路墙(9)、第三短路墙(10)、第四短路墙(11)、反射板(12)和微带功分器(13)；第一介质板（1）水平放置在天线本体的最上层；反射板（12）水平放置在天线本体的最下层；所述的反射板（12）的中心刻蚀有十字交叉缝隙（14）；
在第一介质板（1）和反射板（12）中间有四个中心对称放置的短路墙；第一介质板（1）和反射板（12）分别与短路墙上下垂直；
第一短路墙（8）的两个正交面分别印刷在第二介质板（2）和第四介质板（4）上；
第二短路墙（9）的两个正交面分别印刷在第二介质板（2）和第五介质板（5）上；
第三短路墙（10）的两个正交面分别印刷在第三介质板（3）和第四介质板（4）上；
第四短路墙（11）的两个正交面分别印刷在第三介质板（3）和第五介质板（5）上；
第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的下端与反射板（12）的对应位置相连接；反射板（12）的下面印刷微带功分器（13），两个功分器重合部分采用馈电搭桥（15）；微带功分器（13）的末端与同轴连接器相焊接。
所述的第一介质板（1）的下表面包括有4片辐射贴片（6）和寄生金属环（7），4片辐射贴片（6）分别与第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）上外角的一段相连接，使两个辐射贴片（6）分别在第二短路墙（9）和第三短路墙（10）对角线上，两个辐射贴片（6）在第一短路墙（8）和第四短路墙（11）的对角线上；寄生金属环（7）环绕4片辐射贴片（6）外侧，并与4片辐射贴片（6）外角等距离。
所述的寄生金属环（7）在辐射贴片（6）的周围构成八边形金属环。
所述的辐射贴片（6）是四个双菱形结构的金属片，两个菱形结构的边长均为8mm，重叠部分的尺寸为1.4mm。
所述的第一介质板（1）、第二介质板（2）、第三介质板（3）、第四介质板（4）和第五介质板（5）都采用F4B板材。
所述的第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）由两个正交面组成，短路墙从正交交点到开路端的长度为19.5mm。
所述的反射板（12）为双面PCB板，PCB板的介质为F4B板材，其上表面刻蚀有带有十字交叉缝隙（14）和馈电搭桥（15）的金属体，下表面印刷微带功分器（13）；微带功分器（13）和馈电搭桥（15）通过短路过孔电连接；天线辐射贴片（6）到反射板（12）的距离为12.8mm，反射板（12）的尺寸为135mm×135mm。
所述辐射贴片（6）和短路墙边界工作在谐振点的二分之一波长谐振模式，短路墙边界工作在高频辐射零点的四分之一波长谐振模式上，微带功分器（13）开路端延长线工作在高频另一辐射零点的的四分之一波长谐振模式。
所述第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的上端分别与辐射贴片（6）的外角边缘相焊接，第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的下端焊接到反射板（12）上，第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）至少一边与第一介质板（1）和反射板（12）形成垂直连接，在反射板（12）上有垂直对应第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的相应焊接导电面。
所述辐射贴片（6）的尺寸、第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的高度和长度、地板上十字交叉缝隙（14）的长度和宽度、微带功分器（13）的长度和宽度用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节辐射贴片（6）的尺寸和短路墙的长度用于对天线谐振点的位置和低频零点进行调整；调节短路墙的长度用于对高频零点进行调整；调节微带功分器（13）的开路端尺寸用于对高频另一零点进行调整；调节寄生金属环（7）的尺寸，用于使天线获得更高的带内增益，使天线工作在带宽为2.7GHz-5.3GHz，其双端口的反射系数小于-10dB，端口间的隔离度大于23dB，增益在8.6dBi左右；其端口1的低频阻带抑制水平大于16.9dB，高频阻带抑制水平大于18.2dB；端口2的低频阻带抑制水平大于16.6dB，高频阻带抑制水平大于19.4dB。
本发明的有益效果是：本发明所公开的天线，辐射贴片作为电偶极子，短路墙作为磁偶极子，利用磁电偶极子天线固有特性产生低频辐射零点和较宽的带宽；双菱形辐射贴片和短路墙的边缘产生了二分之波长谐振；短路墙的边缘产生交叉极化方向的四分之一波长谐振，形成了高频辐射零点；微带功分器开路端产生四分之一波长谐振，产生高频另一零点，提高了高频阻带抑制水平。利用辐射贴片周围的八边形金属环，提高了带内增益，同时降低了带外增益，进一步提高了高低频阻带抑制水平。
本发明所公开的天线，辐射贴片相对于中心对称，两个极化的馈电方式相同，因此方向图稳定。由于没有增加任何其他谐振结构，保证了天线没有额外的空间占用率。
总之，本发明由于采用上述，使天线具有集成度高、宽带、通带边缘选择新高、滤波特性优良、带内增益和方向图稳定等优点，适用于无线通信领域。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的立体结构示意示意图；
图2是本发明实施例1天线结构顶部视示意图；
图3是本发明实施例1辐射贴片结构示意图；
图4是本发明实施例1短路墙结构示意图；
图5是本发明实施例1天线结构侧视示意图；
图6是本发明实施例1天线结构底部视示意图；
图7是本发明实施例1端口1和端口2的反射系数和两端口间的隔离度数据图；
图8是本发明实施例1端口1和端口2的增益数据图。
图中，1、第一介质板；2、第二介质板；3、第三介质板；4、第四介质板；5、第五介质板；6、辐射贴片；7、寄生金属环；8、第一短路墙；9、第二短路墙；10、第三短路墙；11、第四短路墙；12、反射板；13、微带功分器；14、十字交叉缝隙；15、馈电搭桥。
具体实施方式
如图1、图2、图4所示，一种宽带双极化滤波天线，包括第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4、第五介质板5、辐射贴片6、寄生金属环7、第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11、反射板12和微带功分器13；第一介质板1水平放置在天线本体的最上层；反射板12水平放置在天线本体的最下层；所述的反射板12的中心刻蚀有十字交叉缝隙14；
在第一介质板1和反射板12中间有四个中心对称放置的短路墙；第一介质板1和反射板12分别与短路墙上下垂直；
第一短路墙8的两个正交面分别印刷在第二介质板2和第四介质板4上；
第二短路墙9的两个正交面分别印刷在第二介质板2和第五介质板5上；
第三短路墙10的两个正交面分别印刷在第三介质板3和第四介质板4上；
第四短路墙11的两个正交面分别印刷在第三介质板3和第五介质板5上；
第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的两个正交面相连接。
如图1所示，第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的下端与反射板12的对应位置相连接；反射板12的下面印刷微带功分器13，两个功分器重合部分采用馈电搭桥15。
如图1、图2和图3所示，在第一介质板1的下表面包括有4片辐射贴片6和寄生金属环7，4片辐射贴片6分别与第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11上外角的一段相连接，使两个辐射贴片6分别在第二短路墙9和第三短路墙10对角线上，两个辐射贴片6在第一短路墙8和第四短路墙11的对角线上；寄生金属环7环绕4片辐射贴片6外侧，并与4片辐射贴片6外角等距离。
寄生金属环7在辐射贴片6的周围构成八边形金属环。
所述的辐射贴片6是四个双菱形结构的金属片，两个菱形结构的边长均为8mm，重叠部分的尺寸为1.4mm。
所述的第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4和第五介质板5都采用F4B板材。
所述的第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11由两个正交面组成，短路墙从正交交点到开路端的长度为19.5mm。
所述的反射板12为双面PCB板，PCB板的介质为F4B板材，其上表面刻蚀有带有十字交叉缝隙14和馈电搭桥15的金属体，下表面印刷微带功分器13；微带功分器13和馈电搭桥15通过短路过孔电连接；天线辐射贴片6到反射板12的距离为12.8mm，反射板12的尺寸为135mm×135mm。
所述辐射贴片6和短路墙边界工作在新谐振点的二分之一波长谐振模式，短路墙边界工作在高频辐射零点的四分之一波长谐振模式上，微带功分器13开路端延长线工作在高频另一辐射零点的的四分之一波长谐振模式。
如图5所示，所述第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的上端分别与辐射贴片6的外角边缘相焊接，第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的下端焊接到反射板12上，第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11至少一边与第一介质板1和反射板12形成垂直连接，在反射板12上有垂直对应第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的相应焊接导电面。
微带功分器13的末端与同轴连接器相焊接。
所述辐射贴片6的尺寸、第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的高度和长度、地板上十字交叉缝隙14的长度和宽度、微带功分器13的长度和宽度用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节辐射贴片6的尺寸和短路墙的长度用于对天线谐振点的位置和低频零点进行调整；调节短路墙的长度用于对高频零点进行调整；调节微带功分器13的开路端尺寸用于对高频另一零点进行调整；调节寄生金属环7的尺寸，用于使天线获得更高的带内增益和更好的阻带抑制水平。
综上所述，对辐射贴片6的尺寸、第一短路墙8、第二短路墙9、第三短路墙10、第四短路墙11的高度和长度、地板上十字交叉缝隙14的长度和宽度、微带功分器13的长度和宽度、微带功分器13的开路端尺寸、寄生金属环7的尺寸进行调整和优化配置，可使天线工作带宽增加、不同极化的隔离度提高、增益提高、阻带抑制水平提升、远场辐射稳定。
本发明所工作的带宽为2.7GHz-5.3GHz，其双端口的反射系数小于-10dB，端口间的隔离度大于23dB，增益在8.6dBi左右。其端口1的低频阻带抑制水平大于16.9dB，高频阻带抑制水平大于18.2dB；端口2的低频阻带抑制水平大于16.6dB，高频阻带抑制水平大于19.4dB。
本发明天线产生±90°方向的极化辐射。该天线可以应用于频谱复杂的无线通信领域，所述的无线通信包括但不限于基站通信、卫星通信和无线局域网，并且该天线可以拓展为线阵、面阵以及其他形式的阵列。
本发明天线不同极化的一致性和隔离度通过天线结构的对称性以及馈电结构的搭桥操作保证。x和y方向的微带功分器分别激励一个极化辐射方向。
图7是本发明所公开天线的两个端口的反射系数和隔离度参数曲线。本发明天线的可工作带宽为2.7-5.3GHz，其反射系数小于-10dB，隔离度大于23dB。
图8是本发明实施例1所公开天线两个极化的增益曲线。本发明天线在工作频段增益大约为8.6dB。其端口1的低频阻带抑制水平大于16.9dB，高频阻带抑制水平大于18.2dB；端口2的低频阻带抑制水平大于16.6dB，高频阻带抑制水平大于19.4dB。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.一种宽带双极化滤波天线，其特征是：包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)、第四介质板(4)、第五介质板(5)、辐射贴片(6)、寄生金属环(7)、第一短路墙(8)、第二短路墙(9)、第三短路墙(10)、第四短路墙(11)、反射板(12)和微带功分器(13)；第一介质板（1）水平放置在天线本体的最上层；反射板（12）水平放置在天线本体的最下层；所述的反射板（12）的中心刻蚀有十字交叉缝隙（14）；
在第一介质板（1）和反射板（12）中间有四个中心对称放置的短路墙；第一介质板（1）和反射板（12）分别与短路墙上下垂直；
第一短路墙（8）的两个正交面分别印刷在第二介质板（2）和第四介质板（4）上；
第二短路墙（9）的两个正交面分别印刷在第二介质板（2）和第五介质板（5）上；
第三短路墙（10）的两个正交面分别印刷在第三介质板（3）和第四介质板（4）上；
第四短路墙（11）的两个正交面分别印刷在第三介质板（3）和第五介质板（5）上；
第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的下端与反射板（12）的对应位置相连接；反射板（12）的下面印刷微带功分器（13），两个功分器重合部分采用馈电搭桥（15）；微带功分器（13）的末端与同轴连接器相焊接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的第一介质板（1）的下表面包括有4片辐射贴片（6）和寄生金属环（7），4片辐射贴片（6）分别与第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）上外角的一段相连接，使两个辐射贴片（6）分别在第二短路墙（9）和第三短路墙（10）对角线上，两个辐射贴片（6）在第一短路墙（8）和第四短路墙（11）的对角线上；寄生金属环（7）环绕4片辐射贴片（6）外侧，并与4片辐射贴片（6）外角等距离。
3.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的寄生金属环（7）在辐射贴片（6）的周围构成八边形金属环。
4.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的辐射贴片（6）是四个双菱形结构的金属片，两个菱形结构的边长均为8mm，重叠部分的尺寸为1.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的第一介质板（1）、第二介质板（2）、第三介质板（3）、第四介质板（4）和第五介质板（5）都采用F4B板材。
6.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）由两个正交面组成，短路墙从正交交点到开路端的长度为19.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述的反射板（12）为双面PCB板，PCB板的介质为F4B板材，其上表面刻蚀有带有十字交叉缝隙（14）和馈电搭桥（15）的金属体，下表面印刷微带功分器（13）；微带功分器（13）和馈电搭桥（15）通过短路过孔电连接；天线辐射贴片（6）到反射板（12）的距离为12.8mm，反射板（12）的尺寸为135mm×135mm。
8.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述辐射贴片（6）和短路墙边界工作在谐振点的二分之一波长谐振模式，短路墙边界工作在高频辐射零点的四分之一波长谐振模式上，微带功分器（13）开路端延长线工作在高频另一辐射零点的的四分之一波长谐振模式。
9.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的上端分别与辐射贴片（6）的外角边缘相焊接，第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的下端焊接到反射板（12）上，第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）至少一边与第一介质板（1）和反射板（12）形成垂直连接，在反射板（12）上有垂直对应第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的相应焊接导电面。
10.根据权利要求1所述的一种宽带双极化滤波天线，其特征是：所述辐射贴片（6）的尺寸、第一短路墙（8）、第二短路墙（9）、第三短路墙（10）、第四短路墙（11）的高度和长度、地板上十字交叉缝隙（14）的长度和宽度、微带功分器（13）的长度和宽度用于对天线的输入阻抗和带宽进行匹配；调节辐射贴片（6）的尺寸和短路墙的长度用于对天线谐振点的位置和低频零点进行调整；调节短路墙的长度用于对高频零点进行调整；调节微带功分器（13）的开路端尺寸用于对高频另一零点进行调整；调节寄生金属环（7）的尺寸，用于使天线获得更高的带内增益，使天线工作在带宽为2.7GHz-5.3GHz，其双端口的反射系数小于-10dB，端口间的隔离度大于23dB，增益在8.6dBi左右；其端口1的低频阻带抑制水平大于16.9dB，高频阻带抑制水平大于18.2dB；端口2的低频阻带抑制水平大于16.6dB，高频阻带抑制水平大于19.4dB。
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