CN113794044A - 一种紧凑型全向小基站天线 - Google Patents

一种紧凑型全向小基站天线 Download PDF

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谢建华
杨椰楠
徐雨
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Abstract

本发明公开一种紧凑型全向小基站天线，包括介质板；所述介质板上具有馈电网络和沿圆周均匀分布的多个弧形的偶极子单元；各个所述偶极子单元的两个辐射臂均分别位于所述介质板的顶面与底面；所述馈电网络分别电连接各个所述辐射臂的一端，各个所述辐射臂的另一端开有强电场端槽。通过将半波偶极子天线引入小基站天线设计，使得小基站天线受散热底座影响变小，水平面不圆度提升，同时在辐射臂强电端开有强电端槽，强电端槽不仅可使天线谐振往低频偏移，即固定当前谐振频率，以实现更小的偶极子单元尺寸；同时也可减小相邻偶极子单元之间的耦合面积，提升偶极子单元间的隔离度，即减小相邻偶极子单元之间的距离，实现更小的天线尺寸。

Description

一种紧凑型全向小基站天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种紧凑型全向小基站天线。
背景技术
随着新一代移动通信的发展，小基站由于具有一体化、小型化、低成本、安装维护方便等优点而备受关注。设计小基站天线的难点之一在于在满足天线性能同时要求尽可能的降低天线的剖面高度、尺寸和成本。在城市以及室内通信中，通常除了要求小基站天线具有双极化、宽频带、低剖面等特点外，为了实现360度均匀全覆盖，安装在室内屋顶的小基站天线，还要求具有水平全向方向图的特性，以实现室内信号覆盖。
随着5G技术的普及，室内热点及扩容覆盖进一步使市场更加瞩目和青睐于小基站，现代城市的公寓、会议室、小型场馆等场景要求小基站天线具备水平面全向，不圆度小于8dB，垂直面蝶形的方向图。目前常规的解决方案是使用单锥天线或者接地单锥天线，现有技术中介绍了一种低剖面超宽带单极子天线结构，该天线通过单锥子上面放置一个十字形的贴片加载，十字形贴片通过四根短路探针接地，从而有效的降低天线剖面高度。
但单锥天线或接地单锥天线属于1/4波长天线，需依靠接地板才能构成完整的天线辐射体，在实际工程场景，小基站的散热外壳构成天线的接地板，不仅导致天线尺寸无法进一步降低，且由于散热外壳复杂的表面结构，导致单锥天线或接地单锥天线的关键指标---不圆度急剧恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种紧凑型全向小基站天线，同时兼顾了不圆度优良和体积小的需求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种紧凑型全向小基站天线，包括介质板；
所述介质板上具有馈电网络和沿圆周均匀分布的多个弧形的偶极子单元；
各个所述偶极子单元的两个辐射臂均分别位于所述介质板的顶面与底面；
所述馈电网络分别电连接各个所述辐射臂的一端，各个所述辐射臂的另一端开有强电场端槽。
本发明的有益效果在于：通过将半波偶极子天线引入小基站天线设计，使得小基站天线受散热底座影响变小，水平面不圆度提升，同时在辐射臂强电端开有强电端槽，强电端槽不仅可使天线谐振往低频偏移，即固定当前谐振频率，以实现更小的偶极子单元尺寸；同时也可减小相邻偶极子单元之间的耦合面积，提升偶极子单元间的隔离度，即减小相邻偶极子单元之间的距离，实现更小的天线尺寸。
附图说明
图1为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线介质板顶面的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线介质板底面的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线的驻波图；
图5为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线的垂直面方向图；
图6为本发明实施例的一种紧凑型全向小基站天线的水平面方向图。
标号说明：
1、介质板；11、偶极子单元；111顶面辐射臂；112底面辐射臂；151功分器走线；1511功分器一级变换段；1512功分器二级变换段；1513、功分器馈点；2、同轴线。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1以及图2，本发明实施例提供了一种紧凑型全向小基站天线，包括介质板；
所述介质板上具有馈电网络和沿圆周均匀分布的多个弧形的偶极子单元；
各个所述偶极子单元的两个辐射臂均分别位于所述介质板的顶面与底面；
所述馈电网络分别电连接各个所述辐射臂的一端，各个所述辐射臂的另一端开有强电场端槽。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过将半波偶极子天线引入小基站天线设计，使得小基站天线受散热底座影响变小，水平面不圆度提升，同时在辐射臂强电端开有强电端槽，强电端槽不仅可使天线谐振往低频偏移，即固定当前谐振频率，以实现更小的偶极子单元尺寸；同时也可减小相邻偶极子单元之间的耦合面积，即减小相邻偶极子单元之间的距离，提升偶极子单元间的隔离度，实现更小的天线尺寸。
进一步地，各个所述辐射臂的所述一端开有馈电端槽。
由上述描述可知，各个辐射臂的馈电端开有馈电端槽，馈电端槽能调节偶极子单元的阻抗，利于阻抗匹配以进一步实现更小的天线尺寸。
进一步地，所述馈电网络具体为四路等功分器，
所述四路等功分器包括功分器馈点和双倍偶极子单元数量的功分器走线；
每个所述功分器走线均包括功分器一级变换段和功分器二级变换段；
各个所述功分器走线与各个所述辐射臂一一对应；
各个所述功分器走线的一级变换段的一端连接馈点，另一端连接同一功分器走线的二级变换段的一端，各个所述功分器走线的二级变换段的另一端连接对应的各个所述辐射臂。
由上述描述可知，功分器一级变换段和功分器二级变换段共同组成二级阻抗变换以实现天线的宽带工作。
进一步地，所述功分器一级变换段和/或所述功分器二级变换段是蛇形布线。
由上述描述可知，蛇形布线有助于减小四路等功分器的尺寸，实现天线的紧凑化设计，能够有效的减小天线的尺寸，满足市场的需求。
进一步地，一半功分器走线位于所述介质板的顶面，另外一半功分器走线位于所述介质板的底面；
所述位于所述介质板的顶面的功分器走线和所述位于所述介质板的底面的功分器走线关于所述介质板对称。
进一步地，各个所述功分器走线均为平行双板线。
由上述描述可知，在相同阻抗时，平行双板线的线宽较其他线材更宽，这就能选择板厚更薄和/或介电常数更高的的板材，有利于降低天线的制造成本和减小天线的尺寸。
进一步地，所述介质板为FR4板。
由上述描述可知，选用FR4板材，能达成成本与小型化的平衡，即满足了市场对小型化的需求，又满足了市场对制造成本的需求。
进一步地，所述介质板的形状为圆形，所述功分器馈点位于所述介质板圆心，各个所述偶极子单元均匀分布在所述介质板的同心圆周上。
由上述描述可知，通过合理的选用天线的板材形状，不仅利于天线设计，能设计出更小型化的天线，也不会造成板材的浪费，避免制造成本增加。
进一步地，各个所述偶极子单元均匀分布在介质板的外圆周上。
由上述描述可知，各个所述偶极子单元均匀分布在介质板的外圆周上，最大化的完成了天线的小型化。
进一步地，所述偶极子单元是四个。
由上述描述可知，四个偶极子单元兼顾了制造成本、小型化和天线对全向性的需求，满足了三者的平衡，符合市场的需要，天线能达到在2.5GHz～2.7GHz频段驻波小于2，且在2.45GHz～3.15GHz频段驻波仍小于2，相对带宽25％，看出垂直方向图为蝶形，不圆度小于8dB。
本发明上述紧凑型全向小基站天线能够适用于各类现代都市环境，比如公寓、会议室、小型场馆等，从而为以上都市场所带来良好的信号连接，以下通过具体实施方式说明：
实施例一
请参照图1，本实施例的一种紧凑型全向小基站天线包括圆形的介质板1和同轴线2，同轴线2与介质板1的中心处的四路等功分器电连接，从而同轴线为四路等功分器馈电。
请参照图2-3，四个偶极子单元11均呈圆弧形且均匀分布在介质板1的外圆周上，每个偶极子单元11均具有顶面辐射臂111和底面辐射臂112，其中，顶面辐射臂111位于介质板1的顶面，底面辐射臂112位于介质板1的底面。
四路等功分器包括功分器馈点1513、四路位于介质板1顶面的功分器走线151和四路位于介质板1底面的功分器走线151，功分器馈点1513位于介质板1中心，用于与同轴线2电连接，介质板1顶面的四路功分器走线151呈十字形排布并分别与各个偶极子单元11的顶面辐射臂111电连接，介质板1底面的四路功分器走线151同样呈十字形排布并分别与各个偶极子单元14的底面辐射臂112电连接。
每路功分器走线151均包括功分器一级变换段1511和功分器二级变换段1512，功分器一级变换段1511一端与功分器馈点1513电连接，另一端与功分器二级变换段1512的一端电连接，顶面的功分器二级变换段1512的另一端与对应的顶面辐射臂111靠近同一偶极子11的底面辐射臂112的一端电连接，底面的功分器二级变换段1512的另一端与对应的底面辐射臂111靠近同一偶极子11的顶面辐射臂112的一端电连接，从而实现天线的宽带工作，其中，功分器一级变换段1511蛇形布线，功分器二级变换段1512直线型布线，从而减小四路等功分器的尺寸，实现天线的紧凑化设计。
功分器走线151的功分器一级变换段1511阻抗需对应同轴线2的阻抗设置，这就要求功分器一级变换段1511的线宽对应功分器走线151的线材、介质板1的介电常数和介质板1的厚度对应设置，但由于工业化加工生产的需要，线宽无法无限做小，这就要求介质板1的介电常数较小，厚度较厚，不仅不利于天线的小型化，也带来了成本的上升。
本实施例中，同轴线2具体采用了50欧姆的馈电同轴线，对应的四路等功分器在功分器第一阻抗变换段1511靠近馈点1513处的阻抗为200欧姆，功分器走线151的线材是平行双板线，在相同阻抗时，平行双板线的线宽较其他线材更宽，这就能选择板厚更薄和/或介电常数更高的的板材，本实施例的板材具体选择0.762mm的FR4板材，相对介电常数为4.4，以实现成本与小型化的平衡。
顶面辐射臂111和底面辐射臂112远离对应功分器二级变换段1512的一端为强电端，强电端开有强电端槽，强电端槽不仅可使天线谐振往低频偏移，即固定当前谐振频率，以实现更小的偶极子单元11尺寸；同时也可减小相邻偶极子单元11之间的耦合面积，提升偶极子单元11间的隔离度，即减小相邻偶极子单元11之间的距离，实现更小的天线尺寸。
本实施例的天线驻波图如图4所示，天线在2.5GHz～2.7GHz频段驻波小于2，足以支持5G NR N7/N38/N41等频段，且在2.45GHz～3.15GHz频段驻波仍小于2，相对带宽25％，说明该天线可宽带工作；垂直面方向图如图5所示，可以看出垂直方向图为蝶形；水平面方向图如图6所示，可以看出天线的不圆度小于8dB，满足对小基站的需求。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于：顶面辐射臂111和底面辐射臂112靠近对应功分器二级变换段1512的一端为馈电端，开有馈电端槽，馈电端槽能调节偶极子单元11的阻抗，利于阻抗匹配以进一步实现更小的天线尺寸。
综上所述，本发明提供的一种紧凑型全向小基站天线，通过将半波偶极子天线引入小基站天线设计，使得小基站天线受散热底座影响变小，水平面不圆度提升，同时采用了辐射臂强电场端及馈电端开槽、馈电网络功分器蛇形布线等方式减少天线的尺寸，综合考量了天线的性能、尺寸与成本，同时实现了天线的紧凑化、小型化设计，具有成本较低、尺寸较小、不圆度良好、加工简单等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：包括介质板；
所述介质板上具有馈电网络和沿圆周均匀分布的多个弧形的偶极子单元；
各个所述偶极子单元的两个辐射臂均分别位于所述介质板的顶面与底面；
所述馈电网络分别电连接各个所述辐射臂的一端，各个所述辐射臂的另一端开有强电场端槽。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：各个所述辐射臂的所述一端开有馈电端槽。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：所述馈电网络具体为四路等功分器，
所述四路等功分器包括功分器馈点和双倍偶极子单元数量的功分器走线；
每个所述功分器走线均包括功分器一级变换段和功分器二级变换段；
各个所述功分器走线与各个所述辐射臂一一对应；
各个所述功分器走线的一级变换段的一端连接馈点，另一端连接同一功分器走线的二级变换段的一端，各个所述功分器走线的二级变换段的另一端连接对应的各个所述辐射臂。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：所述功分器一级变换段和/或所述功分器二级变换段是蛇形布线。
5.根据权利要求3所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：一半功分器走线位于所述介质板的顶面，另外一半功分器走线位于所述介质板的底面；
所述位于所述介质板的顶面的功分器走线和所述位于所述介质板的底面的功分器走线关于所述介质板对称。
6.根据权利要求3所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：各个所述功分器走线均为平行双板线。
7.根据权利要求6所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：所述介质板为FR4板。
8.根据权利要求3所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：所述介质板的形状为圆形，所述功分器馈点位于所述介质板圆心，各个所述偶极子单元均匀分布在所述介质板的同心圆周上。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：各个所述偶极子单元均匀分布在介质板的外圆周上。
10.根据权利要求1所述的一种紧凑型全向小基站天线，其特征在于：所述偶极子单元的个数为四个。
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