CN113964504B - 一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备 - Google Patents

一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备，包括主介质基板，所述主介质基板设置在反射板的上方，所述主介质基板的上表面设置多边环形辐射体，所述多边环形辐射体内嵌渐变耦合单元，对多边环形辐射体进行耦合馈电，在主介质基板及反射板之间设置十字形交叉的第一直立巴伦馈电单元及第二直立巴伦馈电单元。该天线具有带宽大，结构新颖，辐射方向图稳定的优点。

Description

一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备。
背景技术
为满足日益提升的用户需求，移动通信技术也在飞速发展，从第一代模拟通信系统(1G)到发展目前的第五代移动通信系统(5G)。现阶段在中国有2G、3G、LTE(4G)及5G系统，2G系统使用频段1550-1710MHz，3G系统使用频段1710-2170MHz，LTE(4G)系统使用2300-2690MHz，而当前5G频段也已确定为3.3-3.6GHz、4.8-5GHz以及毫米波频段24.75-27.5GHz、37-42.5GHz，sub-6GHz频段是5G的核心频段，毫米波频段将作为补充方式来提供大容量热点区域的覆盖。由于不同移动系统的使用不同的频段，如果一副天线能覆盖多种通信频段，那将可以有效减少基站数量，从而减少基站的建设成本与空间以取得更大的经济效益。
目前，基站天线一般可以覆盖2G、3G、LTE(4G)系统的带宽，并不具备同时覆盖4G、5G系统的带宽。为适应更宽的频带需求，支持2.3-4.2GHz频段的宽带基站天线具有十分重要的实用价值和市场价值。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种多边环形双极化高增益宽带基站天线及通信设备。该宽带基站天线是一种辐射增益高，且方向图稳定的多边环形双极化高增益宽带基站天线，该宽带基站天线能实现58.3％的阻抗带宽，覆盖2370-4210MHz频段。
本发明采用如下技术方案：
一种多边环形双极化高增益宽带基站天线，包括主介质基板，所述主介质基板设置在反射板的上方，所述主介质基板的上表面设置多边环形辐射体，所述多边环形辐射体内嵌渐变耦合单元，对多边环形辐射体进行耦合馈电，在主介质基板及反射板之间设置十字形交叉的第一直立巴伦馈电单元及第二直立巴伦馈电单元。
进一步，所述多边环形辐射体包括十字矩形环，切掉所述十字矩形环设置在外围的八个顶角形成切角，切掉所述十字形矩形环设置在内围且相互连接的角形成切角。
进一步，每个设置在外围的切角开有一条矩形槽，所述矩形槽设置在十字矩形环内，同一个矩形的两个矩形槽关于主介质基板的对角线对称。
进一步，所述渐变耦合单元包括第一渐变耦合单元、第二渐变耦合单元、第三渐变耦合单元及第四渐变耦合单元，两两一组分别设置在主介质基板的两条对角线上。
进一步，四个渐变耦合单元结构相同，均包括一个五边形环，所述五边形环由一个矩形环及三角环构成，所述三角环的顶角向环内开槽，槽设置在主介质基板的对角线上。
进一步，所述多边环形辐射体在主介质基板的﹢45°和-45°方向最大宽度为0.45λ0，多边环形辐射体在主介质基板的X/Y方向最大宽度为0.41λ0，其中λ0为该高增益宽带基站天线中心频率3.25GHz在自由空间所对应的波长。
进一步，所述第一直立巴伦馈电单元包括两个巴伦地、第一巴伦微带馈电线和第一介质基板，所述第一介质基板垂直设置在反射板及主介质基板之间，两个巴伦地设置在第一介质基板的一侧，所述第一巴伦微带馈电线设置第一介质基板的另一侧。
进一步，所述第二直立巴伦馈电单元与第一直立巴伦馈电单元的结构相同，包括两个巴伦地、第二巴伦微带馈电线和第二介质基板，所述第二介质基板与第一介质基板垂直交叉设置。
进一步，第一及第二巴伦微带馈电线包括第一匹配段、第二耦合段和第三匹配段，所述第一匹配段和第三匹配段分别垂直于第二耦合段，所述第二耦合段在耦合点出向上凸起，其中，所述第一匹配段宽度采用渐进增加。
一种通信设备，包括所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明的辐射体与耦合馈电结构皆列于主介质基板之上，具有平面结构，结构紧凑，制作简单等特点。利用单一的多边环形的辐射体结构可同时实现±45°极化；
(2)本发明采用渐变耦合单元来实现扩频及阻抗匹配的功能，具有结构简单，扩展频带效果好等特点。
(3)本发明的辐射体为多边环形，其结构新颖，耦合单元结构简单，工作宽宽带，辐射方向图稳定，增益高。
(4)本发明的带宽完全覆盖2370-4210MHz，适用于4G/5G系统。
附图说明
图1是本发明的三维结构图；
图2是图1的正视图；
图3是图1的﹢45°剖面图；
图4是图1的﹣45°剖面图；
图5是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线的阻抗带宽仿真示意图；
图6是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线的高增益带宽仿真示意图；
图7(a)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在2.3GHz下的0°方向图；
图7(b)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在2.5GHz下的0°方向图；
图7(c)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在3.0GHz下的0°方向图；
图7(d)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在3.5GHz下的0°方向图；
图7(e)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在4.0GHz下的0°方向图；
图7(f)是本发明多边环形双极化高增益宽带基站天线在4.2GHz下的0°方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种多边环形双极化高增益宽带基站天线，包括多边环形辐射体1、渐变耦合单元2、第一直立巴伦馈电单元3、第二直立巴伦馈电单元4、反射板5、绝缘支撑结构6及主介质基板7，所述多边环形辐射体设置在主介质基板7的上表面，所述多边环形辐射体内嵌渐变耦合单元2，对多边环形辐射体进行耦合馈电，在主介质基板及反射板之间设置十字形交叉的第一直立巴伦馈电单元3及第二直立巴伦馈电单元4。该多边环形辐射体通过绝缘支撑结构固定在反射板上方，可以同时实现+45°和-45°的极化效果。本实施例中两者距离为20mm，所述绝缘支撑结构位于多边环形辐射体与反射板之间，等间隔放置，间隔为17mm。主介质基板为方形，采用高频板材Rogers RT5880，厚度为0.101mm，相对介电常数为2.2。
如图2所示，进一步改善天线的耦合及阻抗匹配，所述多边环形辐射体具体为辐射多边形环，本实施例中辐射多边形环具体为十字矩形环，十字矩形环沿着主介质基板的45度设置。切掉每个矩形的四个顶角形成切角，即将所述十字矩形环设置在外围的八个顶角切掉一个直角三角形形成切角，并且相邻两个矩形之间连接的角均为切角，即所述十字形矩形环设置在内围且相互连接的角切掉一个直角三角形形成切角。
设置在外围的每个切角开有一条矩形槽，改善耦合，矩形槽设置在多边形环内，在同一个矩形框内相邻的两个矩形槽关于主介质基板的对角线对称，两个矩形槽垂直该对角线设置，
所述多边环形辐射体在主介质基板的﹢45°和-45°方向最大宽度为0.45λ0，多边环形辐射体在主介质基板的X/Y方向最大宽度为0.41λ0，其中λ0为该高增益宽带基站天线中心频率3.25GHz在自由空间所对应的波长。
所述渐变耦合单元2内嵌在多边环形辐射体内，包括第一渐变耦合单元2A、第二渐变耦合单元2B、第三渐变耦合单元2C及第四渐变耦合单元2D，四个渐变耦合单元两两一组分别蚀刻所述主介质基板7上表面的对角线上，在﹢45°和-45°方向各有两个，用于和天线多边环形辐射体耦合，扩展带宽。
四个渐变耦合单元结构相同，具体为多边形环，本实施例中为一个五边形环，该五边形环由一个矩形环及三角环构成，三角环的顶角向内环开槽，槽设置在主介质基板的对角线上用于安装。
如图3所示，所述第一直立巴伦馈电单元3包括两个巴伦地3A、3B、第一巴伦微带馈电线12和第一介质基板10，所述第一介质基板10垂直设置在反射板及主介质基板之间，两个巴伦地设置在第一介质基板的一侧，另外一个设置在第一介质基板的顶端，并与设置在第一介质基板一侧的一个巴伦地连接，所述第一巴伦微带馈电线12设置第一介质基板的另一侧。
如图4所示，所述第二直立巴伦馈电单元与第一直立巴伦馈电单元的结构相同，包括巴伦地4A、巴伦地4B、第二巴伦微带馈电线13和第二介质基板11，介质基板采用高频板材Rogers RO4350，厚度为0.813mm，相对介电常数为3.66。
其中，所述巴伦地4A与所述巴伦地4B蚀刻所述第二介质基板11一侧，所述第二巴伦微带馈电线13蚀刻所述第二介质基板另一侧，第三耦合单元2C与巴伦地4A相连接，第四耦合单元2D与巴伦地4B相连接。
第二介质基板与第一介质基板十字交叉，十字分别与主介质基板的两条对角线重合。
第一及第二巴伦微带馈电线包括第一匹配段12A、13A、第二耦合段12B、13B和第三匹配段12C、13C，所述第一匹配段和第三匹配段分别垂直于第二耦合段，所述第二耦合段在耦合点出向上凸起，其中，所述第一匹配段宽度采用渐进增加，用以拓展带宽。
如图5及图6所示，本发明的双极化天线具有2370-4210MHz的阻抗带宽，回波损耗达10dB，可基本覆盖4G及5G频段，并且在该带宽上隔离度21dB以上，增益在9dBi附近。
如图7(a)～图7(f)所示，本发明的双极化天线在2370-4210MHz的阻抗带宽内辐射方向图稳定。
本多边环形双极化高增益宽带基站天线具有结构新颖、制作简单、带宽宽、隔离度高、辐射方向图稳定、增益高等特点。
实施例2
一种通信设备，包括所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线。包括多边环形辐射体1、渐变耦合单元2、第一直立巴伦馈电单元3、第二直立巴伦馈电单元4、反射板5、绝缘支撑结构6及主介质基板7，所述多边环形辐射体设置在主介质基板7的上表面，所述多边环形辐射体内嵌渐变耦合单元2，对多边环形辐射体进行耦合馈电，在主介质基板及反射板之间设置十字形交叉的第一直立巴伦馈电单元及第二直立巴伦馈电单元。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多边环形双极化高增益宽带基站天线，其特征在于，包括主介质基板，所述主介质基板设置在反射板的上方，所述主介质基板的上表面设置多边环形辐射体，所述多边环形辐射体内嵌渐变耦合单元，对所述多边环形辐射体进行耦合馈电，在主介质基板及反射板之间设置十字形交叉的第一直立巴伦馈电单元及第二直立巴伦馈电单元；
所述多边环形辐射体包括十字矩形环，切掉所述十字矩形环设置在外围的八个顶角形成切角，切掉所述十字形矩形环设置在内围且相互连接的角形成切角；
每个设置在外围的切角开有一条矩形槽，所述矩形槽设置在十字矩形环内，同一个矩形的两个矩形槽关于主介质基板的对角线对称；
所述渐变耦合单元包括第一渐变耦合单元、第二渐变耦合单元、第三渐变耦合单元及第四渐变耦合单元，两两一组分别设置在主介质基板的两条对角线上；
四个渐变耦合单元结构相同，均包括一个五边形，所述五边形由一个矩形及三角形构成，所述三角形的顶角向环内开槽，槽设置在主介质基板的对角线上。
2.根据权利要求1所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线，其特征在于，所述多边环形辐射体在主介质基板的﹢/-45°方向最大宽度为0.45λ0，多边环形辐射体在主介质基板的X/Y方向最大宽度为0.41λ0，其中λ0为该高增益宽带基站天线中心频率3.25GHz在自由空间所对应的波长。
3.根据权利要求1所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线，其特征在于，所述第一直立巴伦馈电单元包括两个巴伦地、第一巴伦微带馈电线和第一介质基板，所述第一介质基板垂直设置在反射板及主介质基板之间，两个巴伦地设置在第一介质基板的一侧，所述第一巴伦微带馈电线设置第一介质基板的另一侧。
4.根据权利要求3所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线，其特征在于，所述第二直立巴伦馈电单元包括两个巴伦地、第二巴伦微带馈电线和第二介质基板，所述第二介质基板与第一介质基板垂直交叉设置。
5.根据权利要求4所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线，其特征在于，第一及第二巴伦微带馈电线包括第一匹配段、第二耦合段和第三匹配段，所述第一匹配段和第三匹配段分别垂直于第二耦合段，所述第二耦合段在耦合点出向上凸起，其中，所述第一匹配段宽度采用渐进增加。
6.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的多边环形双极化高增益宽带基站天线。
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