CN113794043B - 一种双频双极化滤波基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频双极化滤波基站天线，包括下层介质基板和上层介质基板，所述上层介质基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板与第二基板呈十字形垂直设置，所述第一基板和第二基板垂直固定在下层介质基板，所述第一基板和第二基板上均设置有F形金属微带线；所述下层介质基板下表面设置有微带线，所述微带线构成双频短负载谐振器。本发明在工作频段内有着良好的阻抗匹配，通过在巴伦接地板上刻蚀U形槽来减小垂直极化带来的双极化天线之间的耦合，增加端口到端口之间的隔离度；将天线作为滤波器的最后一阶谐振器，实现了较高的选择性，双频通带内天线增益平坦，阻带中有着较高的抑制比，使得天线具有滤波器的功能。

Description

一种双频双极化滤波基站天线
技术领域
本发明涉及滤波基站天线领域，特别涉及一种双频双极化滤波基站天线。
背景技术
随着通信领域的快速发展，5G基站对于工作在6GHz以下频段的天线需求不断增加，2.515-2.675GHz和3.4-3.6GHz被分配为5G频段，能够覆盖这两个5G频段的双极化天线越来越重要。在一般的射频系统中，天线作为微波信号收发器件，通过匹配电路与滤波器级联，从而抑制杂散信号，减小外部信号干扰，提高通信系统的抗干扰能力；但天线和滤波器端口连接处可能会出现阻抗不匹配问题，从而降低滤波器性能，带来插入损耗，同时也增大整个射频系统的体积。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种结构紧凑的双频双极化滤波基站天线，通过将天线和滤波器集成在单个模块，实现在5G频段的双频通信。
技术方案：本发明的一种双频双极化滤波基站天线，包括上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板与第二基板之间呈十字形垂直设置，所述第一基板和第二基板分别垂直固定在下层介质基板，所述第一基板和第二基板上均设置有F形金属微带线；
所述下层介质基板下表面设置有微带线，所述微带线构成双频短负载谐振器，所述双频短负载谐振器数量为2，且两个双频短负载谐振器关于十字形角分线对称分布。
进一步，所述F形金属微带线分别设置在第一基板和第二基板的前表面，所述F形金属微带线通过改变两条横向微带条的长度来控制天线的两个工作频段，通过改变上面一条横向微带线长度，使F形微带线产生一低频半波谐振路径，进而改变天线低频的谐振频率，同理改变下面一条横向微带线长度，使F形微带线产生一高频半波谐振路径，进而改变天线高频的谐振频率。
进一步，所述上层介质基板设置有第一金属板，所述第一金属板分别设置在第一基板和第二基板的后表面，所述第一金属板上刻蚀U形槽，每个第一金属板顶部设有一短边F形微带线，短边F形微带线与基板前表面的F形金属微带线的顶部结构关于十字形角分线对称分布。
进一步，所述双频短负载谐振器包括两个谐振器，两谐振器之间通过一L形微带线结构实现了两谐振频率下耦合系数的独立控制。
进一步，所述下层介质基板下表面设有馈电微带线，所述馈电微带线与双频短负载谐振器的微带线连接，通过馈电微带线对双频短负载谐振器进行耦合激励，电磁信号通过双频短负载谐振器耦合馈入辐射天线。
进一步，所述下层介质基板的上表面设置有第二金属板作为天线的反射器。
进一步，所述下层介质基板上刻蚀一对垂直的第一方形槽，所述第一基板和第二基板通过第一方形槽固定在下层介质基板。
进一步，所述第二金属板上刻蚀两个第二方形槽，用于避免双频短负载谐振器与水平第二金属板接触，所述第二方形槽尺寸大于第一方形槽尺寸。
进一步，所述第一基板和第二基板呈T字型，所述下层介质基板为一平板。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明滤波基站天线尺寸小，覆盖了中国移动通信的部分5G频段(2.515-2.675GHz)和电信和联通获取的5G频段(3.4-3.6GHz)，适用于5G通信；
2、在工作频段内有着良好的阻抗匹配，回波损耗大于10dB，通过在巴伦接地板上刻蚀U形槽来减小垂直极化带来的双极化天线之间的耦合，增加端口到端口之间的隔离度；天线的交叉极化始终小于-17dB，在两工作频段内能够实现稳定增益，低频段增益为8.15±0.35dBi，高频段增益为9.05±0.30dBi；
3、将天线作为滤波器的最后一阶谐振器，实现了较高的选择性，双频通带内天线增益平坦，阻带中有着较高的抑制比，使得天线具有滤波器的功能，在不需要的频带内，信号难以通过天线结构对外辐射。
附图说明
图1为本发明滤波基站天线结构示意图；
图2为本发明滤波基站天线x方向的视图；
图3为本发明滤波基站天线z方向的视图；
图4为本发明滤波基站天线的仿真反射系数；
图5为本发明滤波基站天线的仿真隔离度；
图6为本发明滤波基站天线分别在2.59GHz和3.5GHz的3D增益辐射方向图，其中(a)为2.59GHz的3D辐射方向图，其中(b)为2.59GHz的3D辐射方向图；
图7为本发明滤波基站天线在2.59GHz和3.5GHz的E面和H面辐射方向图，其中(a)为2.59GHz的E面方向图，(b)为2.59GHz的H面方向图，(c)为3.5GHz的E面方向图，(d)为3.5GHz的H面方向图；
图8为本发明滤波基站天线在2-4GHz频段的实际增益图。
具体实施方式
如图1-3所示，本实施例所述的一种双频双极化滤波基站天线，包括下层介质基板1和上层介质基板2，上层介质基板2包括第一基板201和第二基板202，第一基板201和第二基板202均呈T字型。下层介质基板1为一平板，下层介质基板1上刻蚀一对垂直的第一方形槽，第一基板201和第二基板202通过第一方形槽固定在下层介质基板1上。
下层介质基板1下表面设置有微带线，微带线构成双频短负载谐振器6，双频短负载谐振器6数量为2，且两个双频短负载谐振器6关于十字形角分线对称分布。双频短负载谐振器6包括第一谐振器601和第二谐振器602。第一谐振器601与第二谐振器602之间通过一L形微带线12结构实现了双频短负载谐振器6之间两谐振频率下耦合系数的独立控制。第二谐振器602的馈电微带线8延伸到第一金属板9上。
建立三维坐标系如图1所示，以下层介质基板1所在平面为xoy面，z轴垂直于下层介质基板1，z轴正方向为下层介质基板1的上表面，负方向为下层介质基板1的下表面；沿x轴正方向为第一基板201的前表面，负方向为第一基板201的后表面；沿y轴正方向为第二基板202的前表面，负方向为第二基板202的后表面。
第一基板201和第二基板202上均设置有F形金属微带线3。F形金属微带线3分别设置在第一基板201和第二基板201的前表面，F形金属微带线3通过改变两条横向微带条的长度来控制天线的两个工作频段。
上层介质基板2设置有第一金属板9，第一金属板9分别设置在第一基板201和第二基板202的后表面，第一金属板9上刻蚀U形槽4，每个第一金属板9顶部设有一短边F形微带线5，短边F形微带线5与前表面的F形金属微带线3的顶部结构关于十字形角分线对称分布。
下层介质基板1下表面设有馈电微带线7，馈电微带线7与第一谐振器601的微带线连接，馈电微带线7的端部为馈电端口11。下层介质基板1的上表面设置有第二金属板10作为天线的反射器。第二金属板10上刻蚀两个第二方形槽，第二方形槽尺寸大于第一方形槽尺寸。
本滤波基站天线首先构建一个利用短负载谐振器组成的双频带通滤波器，包括第一谐振器601和第二谐振器602，实现两个独立可控的谐振模式；然后在两个谐振器之间添加L形微带线12，实现两个频段下谐振器之间的耦合系数独立可控。最后将双频带通滤波器和天线高度集成，将天线代替滤波器的最后一阶谐振器，谐振器通过微带线之间的耦合馈入辐射天线，同步谐调谐振器和天线辐射器，以产生三阶双频双极化带通基站天线。
本滤波基站天线的尺寸为130*130(反射器长度和宽度)*23.5mm(高度)，上层介质基板2和下层介质基板1采用的材料为F4b，厚度为0.5mm，介电常数为2.65，损耗正切角为0.003。F形金属微带线3的宽度为0.5mm。第一方形槽尺寸为11*0.5*0.5mm，第二金属板10的尺寸为130*130*0.1mm。下层介质基板1上的馈电微带线7的宽度为0.5mm，构成谐振器的微带线宽度为0.5mm。
图4为本滤波基站天线的仿真反射系数，在目标频段内，即2.515～2.675GHz和3.4～3.6GHz实现了较好的阻抗匹配，回波损耗大于10dB。
图5为本滤波基站天线的仿真隔离度，在目标频段内该天线有着较高的隔离度，减少了端口之间的信号干扰。
图6为本滤波基站天线的仿真3D辐射方向图，该天线在两工作频段的中心频点处实现了较好的定向辐射功能。
图7为本滤波基站天线的仿真E面和H面辐射方向图，该天线在两工作频段的中心频点处有着较低的交叉极化水平。
图8为本滤波基站天线的仿真实际增益图，在工作频段内天线有着较高的实际增益，在工作频段外实际增益迅速下降，实现了天线高选择性的特性。

Claims (6)

1.一种双频双极化滤波基站天线，其特征在于，包括下层介质基板(1)和上层介质基板(2)，所述上层介质基板(2)包括第一基板(201)和第二基板(202)，所述第一基板(201)与第二基板(202)之间呈十字形垂直设置，所述第一基板(201)和第二基板(202)分别垂直固定在下层介质基板(1)，所述第一基板(201)和第二基板(202)上均设置有F形金属微带线(3)；
所述下层介质基板(1)下表面设置有微带线，所述微带线构成双频短负载谐振器(6)，所述双频短负载谐振器(6)数量为2，且两个双频短负载谐振器(6)关于十字形角分线对称分布；
所述上层介质基板(2)设置有第一金属板(9)，所述第一金属板(9)分别设置在第一基板(201)和第二基板(202)的后表面，所述第一金属板(9)上刻蚀U形槽(4)，每个第一金属板(9)顶部设有一短边F形微带线(5)，短边F形微带线(5)与前表面的F形金属微带线(3)的顶部结构关于十字形角分线对称分布；
所述双频短负载谐振器(6)包括两个谐振器，两谐振器之间通过一L形微带线(12)结构实现了两谐振频率下耦合系数的独立控制；
所述下层介质基板(1)下表面设有馈电微带线(7)，所述馈电微带线(7)与双频短负载谐振器(6)的微带线连接；双频短负载谐振器(6)包括第一谐振器(601)和第二谐振器(602)，第二谐振器(602)的馈电微带线(8)延伸到第一金属板(9)上。
2.根据权利要求1所述的双频双极化滤波基站天线，其特征在于，所述F形金属微带线(3)分别设置在第一基板(201)和第二基板(202)的前表面，所述F形金属微带线(3)通过改变两条横向微带条的长度来控制天线的两个工作频段。
3.根据权利要求1所述的双频双极化滤波基站天线，其特征在于，所述下层介质基板(1)的上表面设置有第二金属板(10)作为天线的反射器。
4.根据权利要求3所述的双频双极化滤波基站天线，其特征在于，所述下层介质基板(1)上刻蚀一对垂直的第一方形槽，所述第一基板(201)和第二基板(202)通过第一方形槽固定在下层介质基板(1)上。
5.根据权利要求4所述的双频双极化滤波基站天线，其特征在于，所述第二金属板(10)上刻蚀两个第二方形槽，第二方形槽尺寸大于第一方形槽尺寸。
6.根据权利要求1所述的双频双极化滤波基站天线，其特征在于，所述第一基板(201)和第二基板(202)呈T字型，所述下层介质基板(1)为一平板。
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