CN113809537A - 一种新型双频段5g偶极子天线 - Google Patents

一种新型双频段5g偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够覆盖24.25GHz~27.5GHz和37GHz~43.5GHz两个规定的5G频段的蝶形偶极子天线，包括一对对称分布的变形蝴蝶触须型的辐射振子结构，所述振子加载在介质板上层；所述振子通过巴伦型微带线的方式进行耦合馈电，为了加强耦合馈电效果，在地板上侧中央，开两级宽度不等的槽；矩形金属地切角处理，从而拓展带宽，地板两侧挖四道弓形槽，引入新的谐振点，从而达到双频的工作特性。本发明具有双频段、增益较高、体积较小的特点。

Description

一种新型双频段5G偶极子天线
技术领域
本发明无源器件中天线技术领域，尤其涉及一种5G印刷偶极子天线。
背景技术
近几年来，数据流量几乎是呈指数显著增长，借此，拥有着极快的传输速率、极大的信道容量和功率容量、极低的传输时延的5G便不可避免的登上了历史舞台。5G通信应用中，与天线设计联系最为紧密的便是毫米波技术，而毫米波在通信中还具有波束窄、方向性好和传播稳定的优点，进一步促进了毫米波技术在5G中的应用。
现有5G毫米波频段的划定在不断的划分改进，根据联合国下属部门ITU（国际电信联盟）最新的召开的2019年世界无线电通信大会上，划分了24.25GHz~27.5GHz,37GHz ~43.5GHz, 66GHz~71GHz共14.75GHz带宽的毫米波频段，现有技术方案也紧跟标准划分需求。
目前的5G双频天线，大多采取的5G频段为Sub－6GHz，存在数据传输速度较低的问题，或者存在天线剖面高度较高的问题，对有高度要求的场景中，存在明显的局限性；如专利申请CN111799573A,其采用的是Sub－6GHz的5G双频双极化方案，该频段的特点是：信号穿透力强，但数据传输速度要慢于毫米波；而在基站天线应用场景中，对信号穿透能力要求较弱，而对数据传输能力更为看重。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，包括辐射振子、介质板、金属地板，所述介质板的后侧面加载有辐射振子及金属地板，所述辐射振子的下端连接所述金属地板，并通过介质板前侧面的巴伦微带线进行耦合馈电，所述金属地板沿其纵向中轴线对称开设有外侧弓形槽和内侧弓形槽。
进一步的，所述辐射振子为两个，其沿金属地板的纵向中轴线对称设置，每个辐射振子均包括矩形部和弧形部，所述矩形部的下端与金属地板连接，所述矩形部的上端连接有向外弯折的弧形部。
进一步的，所述金属地板为八边形结构，所述金属地板的上侧沿其纵向中轴线向下延伸设有两级矩形槽。
进一步的，所述两级矩形槽包括上下设置的第一矩形槽和第二矩形槽，第一矩形槽的宽度为0.09mm，长度为2.4mm，第二矩形槽的宽度为0.35mm，长度为0.7mm。
进一步的，所述外侧弓形槽包括外长边和外短边，所述外长边金属地板纵向中轴线平行，外长边的两端对称设有外短边，所述外短边与外长边的内侧夹角为45°。
进一步的，所述外长边的尺寸为5mm*0.5mm，外短边的尺寸为2.7mm*0.5mm。
进一步的，所述内侧弓形槽包括内长边和内短边，所述内长边金属地板纵向中轴线平行，内长边的两端对称设有内短边。
进一步的，所述内长边的尺寸为3.9mm*0.5mm，内短边的尺寸为1.7mm*0.5mm。
进一步的，所述巴伦微带线包括长方形状的第一级微带线、第二级微带线、第三级微带线、第四级微带线、第五级微带线，第四级微带线水平的设置在第二矩形槽的上方且以第二矩形槽的中线为对称轴居中放置，第五级微带线竖直朝下连接第四级微带线的一侧末端，第四级微带线的另一端与第三级微带线的顶端垂直连接，第三级微带线、第二级微带线、第一级微带线竖直朝下且从上至下依次居中连接，所述第一级微带线下端延伸至介质板的底端。
进一步的，所述第一级微带线、第二级微带线、第三级微带线、第四级微带线、第五级微带线的长度依次为：6.9mm，0.36mm，1.6mm，1.2mm，1.6mm，宽度依次为：0.46mm，0.35mm，0.24mm，0.24mm，0.24mm。
本发明所述的有益效果为：正常的天线工作带宽原来覆盖24.8Ghz-34.6GHz，本发明通过开弓形槽，在金属地上引入了新的电流回流路径，从而引入了新的38GHz谐振点，使天线呈现出双频特性，工作带宽能够覆盖24.25GHz~27.5GHz和37GHz ~43.5GHz两个规定的5G频段。弓形槽的长度大体与38GHz的1/4波长成正比，左右各两道弓形槽可进一步拓展38GHz附近带宽；本发明通过地板开槽谐振腔（矩形槽）、贴片切角等方法提高了天线的工作带宽，在金属地板有限的尺寸空间中，得到足够的带宽；通过对传统平行伸展的偶极子进行弯曲处理，使之成为有弧度的圆环，在保证由原来平行伸展偶极子的辐射性能不下降的前提下，极大的缩减了天线的尺寸。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所述天线的底视图；
图2为本发明所述天线的俯视图；
图3为本发明所述天线的补充俯视图；
图4为本发明所述天线的立体图；
图5为本发明所述天线的正视图；
图6为本发明所述天线回波损耗图；
图7为本发明所述天线驻波比示意图；
图8为本发明所述天线在26GHz处的E面和H面方向图；
图9为本发明所述天线在38GHz处的E面和H面方向图；
图10为本发明所述天线在所覆盖范围内的整体增益曲线图。
其中，1-辐射振子，2-介质板，3-金属地板，31-第一矩形槽，32-第二矩形槽，33-外侧弓形槽，331-外长边，332-外短边，34-内侧弓形槽，341-内长边，342-内短边，4-巴伦微带馈线，5-Lumped Port端口。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明所述的一种新型双频段5G偶极子天线，包括辐射振子1、介质板2、金属地板3，所述介质板2的后侧面加载有辐射振子1及金属地板3，所述辐射振子1的下端连接所述金属地板3，并通过介质板2前侧面的巴伦微带线4进行耦合馈电，所述巴伦微带线4的底端连接Lumped Port端口5，其用于仿真时给天线馈电。
本实例采用尺寸为13mm*12mm*0.17mm的介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009的Rogers5880介质板，通过蚀刻的方式构造辐射振子及金属地板组成。
本实施例中在厚度0.17mm的Rogers5880介质板2上覆12mm*10.5mm的铜作为金属地板3，对矩形的金属地板进行切角处理，四个角分别减去腰长为2.5mm的等腰直角三角形后构成八边形结构；对矩形进行切角处理后，延长了电流路径，相对于不做处理，可以做到较小的金属地尺寸而达到相同的辐射性能。
所述金属地板3的上侧沿其纵向中轴线向下依次开设有宽度不同的两级矩形槽，以加强耦合，拓展带宽；其中第一矩形槽31的宽度为0.09mm，长度为2.4mm，第二矩形槽32的宽度为0.35mm，长度为0.7mm。相比较于现有的进行单一宽度的挖槽处理，采用两级矩形槽兼具阻抗变换作用，在馈电时效果更佳。
所述金属地板3上沿其纵向中轴线还对称开设有外侧弓形槽33和内侧弓形槽34，所述外侧弓形槽33包括外长边331和外短边332，所述外长边331与金属地板3的纵向中轴线平行，其尺寸为5mm*0.5mm；外长边331的两端对称设有外短边332，其尺寸为2.7mm*0.5mm；所述外侧弓形槽的内侧设有与其结构相同且平行的内侧弓形槽34，其包括内长边341和内短边342，所述内长边的尺寸为3.9mm*0.5mm，内短边的尺寸为1.7mm*0.5mm；为了兼顾设计出的天线的美观效果，所述外短边332与外长边331的内侧夹角、所述内短边与内长边的内侧夹角优选设计为45°。
所述辐射振子1为两个，其沿金属地板3的纵向中轴线对称设置，每个辐射振子均包括矩形部11和弧形部12，其构成变形蝴蝶须状的辐射振子；所述矩形部11的下端与金属地板3连接，所述矩形部11的上端连接有向外弯折的弧形部12；其中矩形部的尺寸为1mm*0.6mm，弧形部为内径0.48mm、外径1.1mm的半圆环，以半圆环末端为基准减去一定的角度来以微调电流的路径长度，在本实施例中，经过调谐优化，最终减去角度为15°。
所述巴伦微带线4由五级金属过渡拼接而成，包括长方形状的第一级微带线、第二级微带线、第三级微带线、第四级微带线、第五级微带线，第四级微带线水平的设置在第二矩形槽32的上方且以第二矩形槽32的中线为对称轴居中放置，第五级微带线竖直朝下连接第四级微带线的一侧末端，第四级微带线的另一端与第三级微带线的顶端垂直连接，第三级微带线、第二级微带线、第一级微带线竖直朝下且从上至下依次居中连接，所述第一级微带线的下端延伸至介质板的底端；所述第一级微带线的长度a1、第二级微带线的长度a2、第三级微带线的长度a3、第四级微带线的长度a4、第五级微带线的长度a5依次为：6.85mm、0.37mm、1.64mm、1.2mm、1.64mm，所述第一级微带线的宽度b1、第二级微带线的宽度b2、第三级微带线的宽度b3、第四级微带线的宽度b4、第五级微带线的宽度b5依次为：0.46mm、0.35mm、0.24mm、0.24mm、0.24mm。第二矩形槽位于第三、四、五级微带线构成的n型框中，可增强与上方矩形槽位置对应的区域的电磁场能量。
图6和图7为所提出的天线的S11曲线图和驻波比曲线图，从图3中可看到所提出的天线结构工作带宽能够覆盖24.25GHz~27.5GHz和37GHz ~43.5GHz两个规定的5G频段，从图4中可以看到在覆盖的两个频段内，所提出的天线结构，能够达到工业要求的驻波比在2以下的损耗要求。
图8和图9分别为所提出的天线结构在两个5G频段的经典频点26GHz和38GHz处的E面和H面方向图，从图中可以看出，天线增益性能表现良好，且方向图波束宽度较宽，适用于基站天线应用；图10为所述天线在各个频点处的增益分布图，可以看到天线在工作频段内整体增益在4-6dB，表现良好。
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，包括辐射振子、介质板、金属地板，所述介质板的后侧面加载有辐射振子及金属地板，所述辐射振子的下端连接所述金属地板，并通过介质板前侧面的巴伦微带线进行耦合馈电，所述金属地板沿其纵向中轴线对称开设有外侧弓形槽和内侧弓形槽。
2.根据权利要求1所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述辐射振子为两个，其沿金属地板的纵向中轴线对称设置，每个辐射振子均包括矩形部和弧形部，所述矩形部的下端与金属地板连接，所述矩形部的上端连接有向外弯折的弧形部。
3.根据权利要求1所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述金属地板为八边形结构，所述金属地板的上侧沿其纵向中轴线向下延伸设有两级矩形槽。
4.根据权利要求3所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述两级矩形槽包括上下设置的第一矩形槽和第二矩形槽，第一矩形槽的宽度为0.09mm，长度为2.4mm，第二矩形槽的宽度为0.35mm，长度为0.7mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述外侧弓形槽包括外长边和外短边，所述外长边金属地板纵向中轴线平行，外长边的两端对称设有外短边。
6.根据权利要求5所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述外长边的尺寸为5mm*0.5mm，外短边的尺寸为2.7mm*0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述内侧弓形槽包括内长边和内短边，所述内长边金属地板纵向中轴线平行，内长边的两端对称设有内短边。
8.根据权利要求7所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述内长边的尺寸为3.9mm*0.5mm，内短边的尺寸为1.7mm*0.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述巴伦微带线包括长方形状的第一级微带线、第二级微带线、第三级微带线、第四级微带线、第五级微带线，第四级微带线水平的设置在第二矩形槽的上方且以第二矩形槽的中线为对称轴居中放置，第五级微带线竖直朝下连接第四级微带线的一侧末端，第四级微带线的另一端与第三级微带线的顶端垂直连接，第三级微带线、第二级微带线、第一级微带线竖直朝下且从上至下依次居中连接，所述第一级微带线下端延伸至介质板的底端。
10.根据权利要求9所述的一种新型双频段5G偶极子天线，其特征在于，所述第一级微带线、第二级微带线、第三级微带线、第四级微带线、第五级微带线的长度依次为：6.85mm，0.37mm，1.64mm，1.2mm，1.64mm，宽度依次为：0.46mm，0.35mm，0.24mm，0.24mm，0.24mm。
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