CN113594701A - 基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线 - Google Patents

基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线 Download PDF

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CN113594701A CN202110907057.XA CN202110907057A CN113594701A CN 113594701 A CN113594701 A CN 113594701A CN 202110907057 A CN202110907057 A CN 202110907057A CN 113594701 A CN113594701 A CN 113594701A
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张立
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Abstract

本发明公开一种基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，包括带凹槽的腔体1、圆形介质基板2、梯形偶极子辐射单元3、寄生偶极子4、同轴电缆5、支撑柱61。带凹槽的腔体1内部从上到下依次为梯形偶极子辐射单元3、圆形介质基板2、寄生偶极子4、同轴电缆5和支撑柱61。本发明天线中带凹槽腔体1的侧壁被耦合起垂直电流，显著的展宽了天线的方向图波束宽度，实现了宽波束覆盖。本发明天线中的寄生偶极子4被主要辐射单元耦合激励出新的谐振点，该谐振点的出现展宽了天线的阻抗带宽，使得本发明天线的阻抗带宽可完全覆盖5G的n77、n78、n79频段。上述两个优点使得本发明天线可用于第五代(5G)移动通信系统。

Description

基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及双极化天线中的一种基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线。本发明可用于第五代(5G)移动通信系统中作为基站天线使用。
背景技术
为了满足第五代(5G)移动通信系统日益增长的需求，天线作为5G通信系统的关键部件之一，对其性能的要求也在不断提高。应用于5G通信系统的天线应具有提供大系统容量的双极化特性，用于更快的传输速率的宽频带特性和用于实现更远距离的通信、更宽覆盖区域的宽波束特性等。目前，关于宽频带双极化天线和宽波束天线方面的专利和论文非常多，从采取的技术路线来看，这两种天线一般较为广泛的采用的形式为偶极子天线和贴片天线。
广东通宇通讯股份有限公司在其申请的专利文献“一种宽频带宽波束双极化天线单元”(专利申请号：201010581043.5，申请公布号：CN 102025023 A)中公开了一种采取正交偶极子形式的宽带宽波束双极化天线。该天线使用两组正交的偶极子辐射单元形成双极化，每组偶极子辐射单元包括一对呈中心对称设置的U型辐射臂，所述U型辐射臂均设置在与其对应的巴伦上。该天线能够覆盖0.78GHz-0.98GHz频段，获得了86°的波束宽度。该天线存在的不足之处是，采用U型辐射臂的偶极子实现的工作频段并不能覆盖5G通信系统的工作频段，虽然该天线采用U型辐射臂实现了86°的波束宽度，但是仍然达不到5G通信系统的应用需求。
Yijing He,and Yue Li在其发表的论文“Dual-Polarized Microstrip AntennasWith Capacitive via Fence for Wide Beamwidth and High Isolation”(IEEEtransactions on antennas and propagation,2020)中提出了一款电容栅加载的双极化天线。天线采用两个馈电端口实现双极化辐射特性，并通过在辐射贴片与地面之间增加电容性盲孔栅栏，使场集中在栅栏和地面之间，实现了双极化天线宽波束辐射特性。该天线存在的不足之处是，虽然双极化天线可以通过加载电容栅展宽天线的波束宽度，但是该天线宽波束特性的阻抗带宽并不能覆盖5G的n77、n78、n79通信频段。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，解决现有的双极化天线阻抗带宽不能完全覆盖5G的n77、n78、n79通信频段的问题和现有的双极化天线在工作频率范围内的波束宽度覆盖达不到5G通信系统的应用需求的问题。
为了实现上述目的，本发明的思路是，本发明通过加载带凹槽的腔体获得宽波束辐射特性。当侧壁上刻蚀凹槽后，带凹槽的腔体上产生垂直的耦合电流，电流路径被延长，垂直的耦合电流增加了低仰角的电场，在天线的低仰角处辐射能量增强，增益提高，天线的波束宽度被展宽。由此，本发明解决了现有的双极化天线在工作频率范围内的波束宽度覆盖达不到5G通信系统的应用需求的问题。本发明通过在圆形介质基板的下表面加载寄生偶极子，因此梯形偶极子辐射单元会在寄生偶极子上激励出新的谐振点，而该谐振点的出现则会在原有带宽的基础上进一步的将阻抗带宽拓展，使得本发明具有宽频带特性。据此，本发明解决了现有的双极化天线阻抗带宽不能完全覆盖5G的n77、n78、n79通信频段的问题。
为了实现上述目的，本发明天线的包括圆形介质基板、位于圆形介质基板上层的梯形偶极子辐射单元、同轴电缆、支撑柱、带凹槽的腔体和位于圆形介质基板下层的寄生偶极子；所述支撑柱自上到下依次焊接梯形偶极子辐射单元、圆形介质基板、寄生偶极子以及带凹槽的腔体的底盘；所述带凹槽的腔体的侧壁上均匀的刻蚀四个尺寸相同的凹槽，且与底盘相距H1-H2，其中H1表示侧壁的高度，H2表示凹槽的高度；所述的寄生偶极子由四个正交分布在圆形介质基板下层的大小相等、形状相同的偶极子贴片组成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明天线在梯形偶极子天线的外侧加载了带凹槽的腔体，当天线工作时，带凹槽腔体的侧壁被耦合起垂直电流，显著的提高了天线的方向图波束宽度，由此弥补了现有技术天线的远场方向图在E面和H面的低俯仰角情况下增益偏低的不足，解决了现有的双极化天线在工作频率范围内的波束宽度覆盖达不到5G通信系统的应用需求的问题，使得本发明的天线实现了宽波束覆盖，可满足5G通信系统中基站天线对宽波束覆盖范围的应用需求。
第二，由于本发明天线在圆形介质基板的下层加载寄生偶极子，此寄生偶极子被主要辐射单元耦合激励出新的谐振点，而该谐振点的出现在现有技术天线带宽的基础上进一步的将阻抗带宽展宽，解决了现有的双极化天线阻抗带宽不能完全覆盖5G的n77、n78、n79通信频段的问题，使得本发明天线的阻抗带宽可完全覆盖5G的n77、n78、n79频段，可满足5G通信系统中基站天线对宽阻抗带宽的应用需求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中带有凹槽的金属腔体结构示意图；
图3为本发明实施例中寄生偶极子结构示意图；
图4为本发明实施例中圆形介质基板结构示意图；
图5为本发明实施例中梯形偶极子辐射单元结构示意图；
图6为本发明实施例中同轴电缆结构示意图；
图7为本发明实施例中支撑柱结构示意图；
图8为本发明实施例中梯形偶极子辐射单元3的表面电流分布示意图；其中，图8(a)为本发明实施例中同轴电缆51对梯形偶极子辐射单元3馈电时其表面电流分布示意图，图8(b)为本发明实施例中同轴电缆52对梯形偶极子辐射单元3馈电时其表面电流分布示意图；
图9为本发明实施例中腔体的电流分布图；其中，图9(a)为本发明实施例中不带凹槽腔体的电流分布示意图，图9(b)为本发明实施例中带凹槽腔体的电流分布示意图；
图10为本发明仿真结果的S参数曲线图；
图11为本发明仿真结果在E面和H面的辐射方向图；其中，图11(a)为本发明仿真结果在3.3GHz的E面辐射方向图，图11(b)为本发明仿真结果在3.3GHz的H面辐射方向图，图11(c)为本发明仿真结果在4.2GHz的E面辐射方向图，图11(d)为本发明仿真结果在4.2GHz的H面辐射方向图，图11(e)为本发明仿真结果在5GHz的E面辐射方向图，图11(f)为本发明仿真结果在5GHz的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1，对本发明天线的整体结构作进一步的描述。
本发明的天线包括带凹槽的腔体1、圆形介质基板2、位于圆形介质基板2上层的梯形偶极子辐射单元3、位于圆形介质基板2下层的寄生偶极子4、同轴电缆5、支撑柱61。
带凹槽的腔体1内部从上到下依次为梯形偶极子辐射单元3、圆形介质基板2、寄生偶极子4、同轴电缆5和支撑柱61。圆形介质基板2通过支撑柱61固定在带凹槽的腔体的上方，其中圆形介质基板2的介电常数为3.5,圆形介质基板顶部距离带凹槽的腔体底部的高度为H5。同轴电缆5用于给梯形偶极子辐射单元3馈电，其一端穿过带凹槽的腔体1底部，另一端与梯形偶极子辐射单元3连接。其中支撑柱61自上到下依次连接梯形偶极子辐射单元3、圆形介质基板2、寄生偶极子4以及带凹槽的腔体1的底盘。
参照图2，对本发明天线的带凹槽的腔体1、侧壁11、凹槽12和底盘13作进一步的描述。
所述带凹槽的腔体1、侧壁11和底盘13均为金属材料，且四者采用同一金属材料。由于铜具有极好的导电和导热性能，其导电率、传热系数仅次于银，高出所有其他金属，考虑到成本问题，本发明实施例中天线的带凹槽的腔体1、侧壁11和底盘13均采用金属铜。带凹槽的腔体1的高度H1为10mm～12mm，壁厚W1为0.4mm～0.6mm。所述带凹槽的腔体1的侧壁11上均匀的刻蚀四个尺寸相同的凹槽12，且与底盘13相距H1-H2，其中H1表示侧壁11的高度，H2表示凹槽12的高度，凹槽12的宽度W2为6mm～8mm，高度H2为8mm～10mm。均匀分布在底盘13上的四个圆形孔131关于底盘13的法线方向旋转对称，其中底盘13的半径R1为14mm-16mm，圆形孔131的半径R2为0.9mm-1.1mm。本发明实施例中天线的带凹槽的腔体1的高度H1为11mm、壁厚W1为0.5mm，凹槽12的高度H2为9mm、宽度W2为7mm，底盘13的半径R1为15mm，圆形孔131的半径R2为1mm。
参照图3，对本发明天线的寄生偶极子4作进一步的描述。
所述组成寄生偶极子4的四个相同结构的偶极子贴片41的形状均为梯形，梯形的上底边长W5为7mm～9mm，下底边长W6为1mm～2mm，高H4为9mm～11mm，正交分布在四个梯形偶极子贴片41中心的矩形枝节42和枝节43，一端焊接同轴电缆的外导体512和522的顶部，另一端焊接小支撑柱62的底部，枝节42的边长L3为5.1mm～7.1mm，宽W8为0.6mm～1mm，枝节43的边长L2为1.9mm～3.9mm，宽W7为0.6mm～1mm。本发明实施例中天线的梯形偶极子贴片41的上底边长W5为8mm、下底边长W6为1.5mm、高H4为10mm，枝节42的边长L3为6.1mm、宽W8为0.8mm，枝节43的边长L2为2.9mm、W7为0.8mm。
参照图4，对本发明天线的圆形介质基板2作进一步的描述。
所述圆形介质基板2，其采用的板材为Arlon AD350A，其相对介电常数为3.5，损耗正切角为0.003，半径R3＝14mm～16mm；圆形介质基板2上开有两个大小相同的大圆孔21，且这两个大圆形孔关于圆形介质基板2的法线方向旋转相差90°，其中大圆孔21的半径R2为0.9mm～1.1mm；4个小圆孔22为支撑柱62以及同轴电缆内导体521和511穿过圆形介质基板2的过孔，其中小圆孔22的直径D1为0.5mm～0.7mm。本发明实施例中天线的圆形介质基板2半径R3为15mm，大圆孔21的半径R2为1mm，小圆孔22的直径D1为0.6mm。
参照图5，对本发明天线的梯形偶极子辐射单元3作进一步的描述。
所述梯形偶极子辐射单元3由四个正交分布在圆形介质基板2上层的大小相等、形状相同的四个梯形偶极子贴片31、32、33、34组成，其中梯形偶极子贴片32与矩形枝节35)相焊接，其中梯形偶极子贴片的上底边长W3为8mm-10mm，下底边长W4为1.2mm-2.2mm，高H3为9mm-11mm；枝节35的边长L1为2.25mm-4.25mm，宽W5为0.3mm-0.9mm。本发明实施例中天线的四个梯形偶极子贴片31、32、33、34的上底边长W3为9mm、下底边长W4为1mm、高H3为10mm，枝节35的边长L1为3mm、宽W5为0.5mm。
参照图6，对本发明天线的同轴电缆5作进一步的描述。
所述同轴电缆5由同轴电缆51与同轴电缆52组成，其电缆型号为SYV-50-3，此型号同轴电缆的内导体511和521的材质为铜，其直径D1为0.9mm。同轴电缆绝缘层的材质为聚乙烯，绝缘层的直径为2.95mm。同轴电缆的外导体512和522的材质为铜，其半径R2为2.5mm。同轴电缆51的内导体511穿过圆形介质基板2与梯形偶极子贴片33相焊接，同轴电缆的外导体512通过枝节42和小支撑柱62焊接到梯形偶极子贴片31上，同轴电缆52的内导体521穿过圆形介质基板2焊接到梯形偶极子贴片34上，同轴电缆的外导体522通过枝节43和小支撑柱62焊接到梯形偶极子贴片32上。
参照图7，对本发明天线的支撑柱61作进一步的描述。
所述支撑柱61的材质为金属铜，其上端穿过圆形介质基板2与梯形偶极子辐射单元3相焊接，下端与带凹槽的腔体1的底盘13相焊接，支撑柱61的半径R2为2.5mm。小支撑柱62的材质为铜，其顶部穿过圆形介质基板2焊接到梯形辐射偶极子单元3上，其底部焊接到同轴电缆的外导体512和522上，小支撑柱62的直径D1为0.9mm。
参照图8，对本发明天线的梯形偶极子辐射单元3上表面电流作进一步的描述。
在图8(a)中当同轴电缆51对梯形偶极子辐射单元3馈电时，梯形偶极子辐射单元3被激励起沿+x轴的电流，此时天线的极化方向沿+x轴。
在图8(b)中当同轴电缆52对梯形偶极子辐射单元3馈电时，梯形偶极子辐射单元3被激励起沿+y轴的电流，此时天线的极化方向沿+y轴。据此，天线获得双极化辐射特性。
参照图9，对本发明天线的带凹槽的腔体表面电流作进一步的描述。
图9(a)为不带凹槽腔体表面电流，由图9(a)可知不带凹槽的腔体上只有水平电流。如图9(b)所示，当侧壁上刻蚀凹槽后，带凹槽的腔体上产生垂直的耦合电流，电流路径被延长，垂直的耦合电流增加了低仰角的电场，在天线的低仰角处辐射能量增强，增益提高。据此，天线的波束宽度被展宽。
下面结合本发明的仿真实验对本发明的效果作进一步的说明。
1、仿真以及测试内容：
本发明的仿真实验共有两个。其中，仿真实验1为本发明天线对反射系数S参数的仿真，反射系数S参数反应本发明的阻抗带宽。仿真实验2为本发明天线对远场辐射方向图的仿真，远场辐射方向图反应天线的波束覆盖范围。
仿真实验1，利用商业仿真软件HFSS_19.0以及矢量网络分析仪对本发明天线的反射系数S参数进行仿真以及测试计算，结果如图10所示。
从图10可见，以本发明天线的同轴电缆51对梯形偶极子辐射单元3的反射系数S11≤-10dB为标准，本发明的仿真实验1中天线的仿真阻抗带宽为3.25GHz-5.5GHz，相对带宽为51.4％，测试阻抗带宽为3.28GHz-5.4GHz，相对带宽为48.8％。以本发明天线的同轴电缆52对梯形偶极子辐射单元3的反射系数S22≤-10dB为标准，本发明的仿真实验1中天线的仿真阻抗带宽为3.25GHz-5.5GHz，相对带宽为51.4％，测试阻抗带宽为3.28GHz-5.34GHz，相对带宽为48％。利用矢量网络分析仪对本发明天线的反射系数S参数进行了测试。本发明仿真实验1的测试结果与现有技术公开的阻抗带宽相比，该天线的阻抗带宽明显展宽，本发明天线的阻抗带宽可完全覆盖5G的n77、n78、n79频段，解决了现有的双极化天线阻抗带宽不能完全覆盖5G的n77、n78、n79通信频段的问题，可满足5G通信系统中基站天线对宽阻抗带宽的应用需求。
所述现有技术指的是Yijing He,and Yue Li在其发表的论文“Dual-PolarizedMicrostrip Antennas With Capacitive via Fence for Wide Beamwidth and HighIsolation”(IEEE transactions on antennas and propagation,2020)中提出的基于电容栅加载的双极化天线。
仿真实验2，利用商业仿真软件HFSS_19.0对本发明天线的远场辐射方向图进行仿真以及在暗室中利用天线方向图测量系统对本发明天线的远场辐射方向图进行测试计算，结果如图11所示：
从图11(a)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在3.3GHz时，对于仿真和测试的主极化E面辐射方向图，其半功率波束宽度大于100°，前后比在10dB以上。对于仿真和测试的交叉极化E面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小20dB。从图11(b)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在3.3GHz时，对于仿真和测试的主极化H面辐射方向图，其半功率波束宽度大于120°，前后比在10dB以上。对于仿真和测试的交叉极化H面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小18dB。从图11(c)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在4.2GHz时，对于仿真和测试的主极化E面辐射方向图，其半功率波束宽度大于100°，前后比在8dB以上。对于仿真和测试的交叉极化E面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小15dB。从图11(d)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在4.2GHz时，对于仿真和测试的主极化H面辐射方向图，其半功率波束宽度大于120°，前后比在10dB以上。对于仿真和测试的交叉极化H面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小20dB。从图11(e)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在5GHz时，对于仿真和测试的主极化E面辐射方向图，其半功率波束宽度大于100°，前后比在10dB以上；对于仿真和测试的交叉极化E面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小20dB。从图11(f)可见，本发明的仿真实验2中天线工作在5GHz时，对于仿真和测试的主极化H面辐射方向图，其半功率波束宽度大于120°，前后比在9dB以上。对于仿真和测试的交叉极化H面辐射方向图，其电平值在最大辐射方向比主极化小20dB。在暗室中利用天线方向图测量系统对本发明天线的远场辐射方向图进行测试计算。本发明仿真实验2的测试结果与现有技术公开的波束覆盖范围相比，本发明天线在5G通信系统的n77、n78、n79这三个常用频带，实现了E面100°和H面120°的宽波束覆盖，与现有技术公开的波束覆盖范围相比本发明天线的波束覆盖范围明显展宽。解决了现有的双极化天线在工作频率范围内的波束宽度覆盖达不到5G通信系统的应用需求的问题，可满足5G通信系统中基站天线对宽波束覆盖范围的应用需求。
所述现有技术指的是广东通宇通讯股份有限公司在其申请的专利文献“一种宽频带宽波束双极化天线单元”(专利申请号：201010581043.5，申请公布号：CN 102025023A)中公开的一种采取正交偶极子形式的宽带宽波束双极化天线。
本发明的仿真中的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，现有技术公开的阻抗带宽相比，本发明天线的阻抗带宽可完全覆盖5G的n77、n78、n79频段，解决了现有的双极化天线阻抗带宽不能完全覆盖5G的n77、n78、n79通信频段的问题，本发明天线可满足5G通信系统中基站天线对宽阻抗带宽的应用需求。与现有技术公开的波束覆盖范围相比，本发明的天线在5G通信系统的n77、n78、n79这三个常用频带实现了E面100°和H面120°的宽波束覆盖，解决了现有的双极化天线在工作频率范围内的波束宽度覆盖达不到5G通信系统的应用需求的问题，本发明天线可满足5G通信系统中基站天线对宽波束覆盖范围的应用需求。

Claims (9)

1.一种基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，包括圆形介质基板(2)、位于圆形介质基板(2)上层的梯形偶极子辐射单元(3)、同轴电缆(5)、支撑柱(61)；其特征在于，还包括带凹槽的腔体(1)和位于圆形介质基板(2)下层的寄生偶极子(4)；所述支撑柱(61)自上到下依次焊接梯形偶极子辐射单元(3)、圆形介质基板(2)、寄生偶极子(4)以及带凹槽的腔体(1)的底盘(13)；所述带凹槽的腔体(1)的侧壁(11)上均匀的刻蚀四个尺寸相同的凹槽(12)，且与底盘(13)相距H1-H2，其中H1表示侧壁(11)的高度，H2表示凹槽(12)的高度；所述的寄生偶极子(4)由四个正交分布在圆形介质基板(2)下层的大小相等、形状相同的偶极子贴片(41)组成。
2.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述带凹槽的腔体(1)、侧壁(11)、支撑柱(61)和底盘(13)的材料均为金属，且四者采用同一金属材料。
3.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述带凹槽的腔体(1)的高度H1为10mm～12mm，壁厚W1为0.4mm～0.6mm，带凹槽的腔体(1)的底盘(13)的半径R1为14mm～16mm。
4.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述侧壁(11)上的凹槽(12)的宽度W2为6mm～8mm，高度H2为8mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述组成寄生偶极子(4)的四个相同结构的偶极子贴片(41)的形状均为梯形，梯形的上底边长W5为7mm～9mm，下底边长W6为1mm～2mm，高H4为9mm～11mm，正交分布在四个梯形偶极子贴片(41)中心的矩形枝节(42)和枝节(43)，一端焊接同轴电缆的外导体(512)和(522)另一端焊接小支撑柱(62)的底部，小支撑柱(62)的顶部穿过圆形介质基板(2)焊接到梯形辐射偶极子单元(3)上。
6.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述底盘(13)上开有四个相同大小的圆形孔缝(131)，便于支撑柱(61)与带凹槽的腔体(1)焊接。
7.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述梯形偶极子辐射单元(3)由四个正交分布在圆形介质基板(2)上层的大小相等、形状相同的四个梯形偶极子贴片(31)(31)、(32)、(33)、(34)组成，其中梯形偶极子贴片(32)与矩形枝节(35)相焊接。
8.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述同轴电缆(5)由同轴电缆(51)与同轴电缆(52)组成，同轴电缆(51)的内导体(511)穿过圆形介质基板(2)与梯形偶极子贴片(33)相焊接，同轴电缆的外导体(512)通过枝节(42)和小支撑柱(62)焊接到梯形偶极子贴片(31)上，同轴电缆(52)的内导体(521)穿过圆形介质基板(2)焊接到梯形偶极子贴片(34)上，同轴电缆的外导体(522)通过枝节(43)和小支撑柱(62)焊接到梯形偶极子贴片(32)上。
9.根据权利要求1所述的基于金属腔体和寄生偶极子的宽频带宽波束双极化天线，其特征在于，所述支撑柱(61)的上端穿过圆形介质基板(2)与梯形偶极子辐射单元(3)相焊接，下端与带凹槽的腔体(1)的底盘(13)相焊接。
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