CN114300835A - 一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线，包括金属底板、第一PCB板和第二PCB板，所述金属底板的中心处设置有正交矩形槽，所述第一PCB板和第二PCB板通过正交矩形槽安装在金属底板上，所述第一PCB板包括第一介质基板、第一馈线和辐射天线，所述第一馈线和辐射天线分别贴附在第一介质基板的两侧，所述第二PCB板包括第二介质基板、第二馈线和辐射天线，所述第二馈线和辐射天线分别贴附在第二介质基板的两侧，基于谐振巴伦结构和阶梯阻抗结构设计，不仅具有良好的带外抑制性能，较宽的工作频带，并且结构简单，可采用印刷电路工艺制作，进而方便大规模量产，有效降低生产成本。

Description

一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线

技术领域

本发明涉及移动通信基站天线技术领域，具体涉及一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，天线作为高频电流与空间电磁波之间的转化元件，在无线通信中有着极为广泛的应用。从模拟时代到数字时代，从2G、3G、4G，再到现在的5G商业化应用，天线的发展可用宽带化、小型化、多模化、高增益、低成本等词来概括。

无线技术在发展的同时也带来了新的问题，例如，有限的频谱资源导致系统间相互干扰。传统的天线带外抑制性能通常都不是很好，窄带无线通信系统和超宽带通信系统之间的干扰最为明显，频带抑制技术成为了宽带天线研究一个重要的内容。多频段、多系统共存对电路小型化、高效率的要求越来越高，而单个器件性能的提升非常困难。

针对上述技术问题，目前有人提出通过多器件协同融合设计的方法，该方法可以较好地解决这类问题，滤波天线就是上述技术的产物。级联滤波电路用天线辐射器取代滤波器最后一级的谐振器，即在滤波器和天线之间引入阻抗变换器，或在滤波器和天线采用波阻抗连接，这可以带来良好的性能。

然而通过在天线前段集成滤波器的设计不仅加大了天线的尺寸，还使得天线结构变得复杂，制造难度加大，进而导致生产成本提高，不适于大规模量产和推广。

发明内容

本发明根据现有技术的不足，提出一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线，基于谐振巴伦结构和阶梯阻抗结构设计，不仅具有良好的带外抑制性能，较宽的工作频带，并且结构简单，可采用印刷电路工艺制作，进而方便大规模量产，有效降低生产成本。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线，包括金属底板、第一PCB板和第二PCB板，所述金属底板的中心处设置有正交矩形槽，所述第一PCB板和第二PCB板通过正交矩形槽安装在金属底板上，所述第一PCB板包括第一介质基板、第一馈线和辐射天线，所述第一馈线和辐射天线分别贴附在第一介质基板的两侧，所述第二PCB板包括第二介质基板、第二馈线和辐射天线，所述第二馈线和辐射天线分别贴附在第二介质基板的两侧。

作为优选，所述第一馈线和第二馈线上均设置有两个耦合点。

作为优选，所述第一馈线和第二馈线均为Γ形结构，所述第一馈线和第二馈线通过正交分布相配合形成馈电单元。

作为优选，所述第一介质基板和第二介质基板的规格相同，所述第一介质基板上开设有上连接槽，所述上连接槽由第一介质基板的上边缘向下开设至第一馈线的上方，所述第二介质基板上开设有下连接槽，所述下连接槽由第二介质基板的下边缘向上开设至第二馈线的下方，所述第一介质基板和第二介质基板通过相配合的上连接槽和下连接槽进行正交连接。

作为优选，所述辐射天线包括右辐射体和左辐射体，所述右辐射体和左辐射体之间设有间隙，所述右辐射体和左辐射体的顶部均设置有平衡体，两个所述平衡体呈对称结构设置。

作为优选，所述右辐射体和左辐射体上均设置有振子臂，两个所述振子臂呈对称结构设置。

作为优选，所述振子臂为阶梯结构，所述振子臂上设置有至少两个不同宽度的阶梯。

作为优选，所述辐射天线上连接有金属微带线，所述金属微带线折叠成方波状结构。

作为优选，所述辐射天线上开设有方波状结构的槽体。

作为优选，所述平衡体、金属微带线和槽体共同构成微带巴伦。

本发明具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，第一、在馈线末端引入矩形的开路耦合点，以及在馈电端附近引入另一耦合点；通过引入所述两个耦合点可以更好地调节耦合匹配，得到良好的端口隔离度；相比于其他双极化天线，该方法可获得宽频带的驻波比特性；

第二、基于阶梯阻抗谐振器(SIR)的结构在辐射天线上设置对称的振子臂，即由两个具有不同阻抗的传输线组合而成的横向电磁场模式的谐振器，相比于单一阻抗构成的传输线结构，可在通带边缘产生一个传输零点，提高天线的选择性，并展宽工作频带；

第三、引入微带巴伦能够实现阻抗匹配，同时有效遏制电缆屏蔽层外部高频电流；此外，微带巴伦和基于SIR结构设计的对称振子臂共同构成谐振器，可在通带边缘产生传输零点，实现较好的带外抑制，进一步提高选择性；

第四、采用谐振结构传输线替代一般传输线，通过引入等效电感有效隔离交流信号，通过引入交指电容有效抑制直流信号，同时通过调整电感电容的物理尺寸可调整其电学特性，实现较好地阻抗匹配；

第五、本发明结构简单，采用印刷电路工艺制作，方便大规模量产，组装简易，使用方便，易于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中第一介质基板结构示意图；

图3为本发明实施例中第一馈线的结构示意图；

图4为本发明实施例中第二介质基板结构示意图；

图5为本发明实施例中第二馈线的结构示意图；

图6为本发明实施例中辐射贴片的结构示意图

图7为图6中并联电感结构放大示意图；

图8为图6中交指电容结构放大示意图；

图9为图1中金属底板结构示意图；

图10为本发明天线单元回波损耗(S11)仿真结果；

图11为本发明天线单元端口隔离度(S21)仿真结果；

图12为本发明天线单元的增益(Gain)仿真结果；

图13、15为本发明天线单元在2GHz工作频率下XZ方向的远场辐射方向图；

图14、16为本发明天线单元在2GHz工作频率下YZ方向的远场辐射方向图。

图中，1-第一PCB板；11-第一介质基板；12-上连接槽；13-第一馈线；2-第二PCB板；21-第二介质基板；22-下连接槽；23-第二馈线；24-金属层通孔；25-介质基板通孔；26-馈电线通孔；3-金属底板；31-正交矩形槽；4-辐射天线；41-平衡体；42-振子臂；43-金属微带线；44-槽体；45-右辐射体；46-左辐射体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线，如图1、图3和图5所示，包括金属底板3、第一PCB板1和第二PCB板2，所述金属底板3的中心处设置有正交矩形槽31，所述第一PCB板1和第二PCB板2通过正交矩形槽31安装在金属底板3上，所述第一PCB板1包括第一介质基板11、第一馈线13和辐射天线4，所述第一馈线13和辐射天线4分别贴附在第一介质基板11的两侧，所述第二PCB板2包括第二介质基板21、第二馈线23和辐射天线4，所述第二馈线23和辐射天线4分别贴附在第二介质基板21的两侧。所述第一馈线13和第二馈线23上均设置有两个耦合点。所述第一馈线13和第二馈线23均为Γ形结构，所述第一馈线13和第二馈线23通过正交分布相配合形成馈电单元。

上述技术方案中，在呈Γ形结构的第一馈线13和第二馈线23上均设置了两个耦合点。其中馈线13、23(第一馈线13、第二馈线23)的底端为馈电端，其中一个耦合点设置在靠近馈电端处，而另一个耦合点则设置于馈线13、23的另一个末端为开路端，设置于开路端的耦合点为开路耦合点；通过设置两个相配合的耦合点，可以更好地调节耦合匹配，得到良好的端口隔离度；相比于其他双极化天线，该方法可获得宽频带的驻波比特性。

具体的，第一馈线13、第二馈线23的整体高度E5为43.4mm，宽度E4为2mm，其中靠近馈电端的耦合点为矩形结构，且长度E3为3.3mm，宽度E4为2mm，开路端设置的开路耦合点为矩形结构，且长度E2为8.7mm，宽度E1为4.7mm。可以理解的，两处耦合点还可用于调节天线的阻抗匹配。

可以想到的，通过第一馈线13、第二馈线23以及辐射天线4组成的馈电网络，采用电磁耦合馈电方式馈电，该方法辐射天线与馈线之间没有接触，通过电流相互耦合。所述馈电结构由两条相互垂直的Γ型馈线构成，两条馈线在交汇处错开，避免两条馈线相交；相比于普通馈线结构，Γ型馈线可以实现较好地阻抗匹配，提高天线的带宽，并且能够有效减小天线的物理尺寸。

可以理解的，如图9所示，金属底板3上设置的正交矩形槽31是由两条条型槽正交而成，且两条条型槽的宽度与第一PCB板1和第二PCB板2的厚度相同。另外，第一PCB板1和第二PCB板2的底侧设置有宽度与条型槽长度相同的插接板。

本发明的进一步设置，如图2和图4所示，所述第一介质基板11上开设有上连接槽12，所述上连接槽12由第一介质基板11的上边缘向下开设至第一馈线13的上方，所述第二介质基板21上开设有下连接槽22，所述下连接槽22由第二介质基板21的下边缘向上开设至第二馈线23的下方，所述第一介质基板11和第二介质基板21通过相配合的上连接槽12和下连接槽22进行正交连接。

具体的，所述第一介质基板11和第二介质基板21的规格相同，其长度为40mm，宽度为58mm；相对介电常数er＝4.4，介质损耗角的正切值为0.02，相对渗透率为1。

可以理解的，金属底板3采用金属材质设计，天线被激励时，所述金属底板3可将电磁波反射并产生辐射，在增加带宽的同时，还增强了天线的定向性。

其中，上连接槽12和下连接槽22的宽度与第一PCB板1和第二PCB板2的厚度相同均为gap2＝1mm，并且上连接槽12的长度为gap3＝18mm，下连接槽22的长度为gap4＝40mm。

可以理解的，PCB板上的介质基板上设置有介质基板通孔25；馈线上设置有馈电线通孔26，以及辐射天线4上也设置有通孔。其中d1为辐射天线4上通孔直径，通过焊锡连接同轴电缆绝缘体外面的网状导电体；d2为介质基板通孔25和馈电线通孔26直径，同轴电缆内层导电铜线通过所有通孔，并通过通过焊锡将其与背面辐射天线4连接。

本发明的进一步设置，如图6所示，所述辐射天线4包括右辐射体45和左辐射体46，所述右辐射体45和左辐射体46之间设有间隙，所述右辐射体45和左辐射体46的顶部均设置有平衡体41，两个所述平衡体41呈对称结构设置。所述右辐射体45和左辐射体46上均设置有振子臂42，两个所述振子臂42呈对称结构设置。所述振子臂42为阶梯结构，所述振子臂42上设置有至少两个不同宽度的阶梯。

具体的，平衡体41的宽度K5为8mm，高度G4为10mm，两个平衡体41之间的间隙宽度gap1为1mm；其中振子臂42采用SIR结构设计，本实施例中不同阶梯数量为两个，其中阶梯高度依次为G2＝5mm、G3＝3.1mm，宽度依次为K3＝4.6mm、K4＝12mm，所述振子臂距离金属底板的高度G1为33mm。

可以理解的，所述SIR结构是由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准向电磁场模式的谐振器，其能够通过改变阻抗比来调整谐振长度和相应的杂散谐振频率，得到谐波与基频的比值，进而达到控制谐波的目的。因此，可以利用该特性来实现天线的滤波功能。此外，相比于宽度一致的振子臂，采用SIR结构设计还能够有效增加天线的工作带宽。

本发明的进一步设置，如图6、图7和图8所示，所述辐射天线4上连接有金属微带线43，所述金属微带线43折叠成方波状结构。所述辐射天线4上开设有方波状结构的槽体44。

可以理解的，通过折叠呈方波状结构，可有效的减小辐射天线的尺寸，其中，金属微带线43在高频时可等效为电感。具体的，金属微带线的一个重复单元的长度Llengthshort为3.5mm，宽度Lheight为1.5mm，所述辐射结构附属金属微带线距离金属底板的高度Lcitez为4mm。

可以理解的，槽体44等效为交指电容，相比于传统的电容，交指电容的尺寸更小。具体的，开槽宽度Cwide为0.15mm，其一个重复单元的宽度Clength为1.14mm，高度Cheight为13mm，所述槽体44开槽距离金属底板3的高度Ccitez为9mm。

上述技术方案中，通过设置电感和电容，形成谐振结构。高频状态时，电感用于隔离交流信号，防止其进入直流源；所述交指电容用于抑制直流信号，防止其进入交流源。所述电感采用微带折叠的方波结构，所述电容采用微带交指结构，与辐射结构共面，可有效减小天线尺寸，通过改变其枝节宽度及高度即可调整其电感、电容值，从而实现较好地阻抗匹配。所述谐振结构可以更好地匹配振子臂带来的阻抗虚部，实现共轭匹配；相比于一般传输线，具有较大、可调的相位传播常数，可用较小的物理尺寸实现一定的电长度，并且能有效展宽了工作频带，由原先的带宽范围：1.71GHz—2.55GHz，展宽至：1.67GHz—2.69GHz。

进一步的，所述平衡体41、金属微带线43和槽体44共同构成微带巴伦。

上述技术方案中，引入微带巴伦结构(平衡-非平衡转换器)，能够实现阻抗匹配，可以将需要的信号有效传输，将不需要的信号有效抑制。更为具体的，在辐射天线和同轴电缆之间引入巴伦，可以有效扼制电缆屏蔽层外部高频电流，而电缆外层的高频电流若流过天线，则会影响天线的极化方向。在本发明中引入的微带巴伦，其具有结构简单、电气性能稳定、工作频带宽等优点，制作在印刷电路板上的微带巴伦成本低，同时也易于小型化。

此外，微带巴伦和基于SIR结构设计的振子臂共同构成谐振器，可在通带边缘产生传输零点，实现较好的带外抑制，进一步提高选择性；

根据上述实施例记载的技术方案，综合利用ANSYS HFSS仿真软件得到的结果，对本发明的技术效果更进一步进行阐述和说明。

如图10所示，本实施例中在1.67—2.69GHz工作频带范围内S11均低于-10dB；

如图11所示，本实施例中在1.46—1.63GHz及1.70—3.13GHz这两个频带范围内S21均低于-20dB；在1.5GHz左右，S散射参数曲线有一个突变状态，该谐振点是馈电网络自谐引起的，但在1.63—1.70GHz频带范围内S21均低于-16dB；

如图12所示，本实施例中在1.67—2.69GHz工作频带范围内的平均增益大于7dBi，在1.25GHz左右和3GHz左右分别出现一个增益零点，这表明本发明提出的天线具有较好的滤波特性，即天线可以有效将工作频带内的电磁波辐射并放大，在工作频带边缘的电磁波被削弱，这就可将频带外的电磁波与频带内的电磁波明显区分开，具有滤波的作用；

如图13所示，本实施例中辐射天线在2GHz工作频率下，从端口1输入激励，XZ方向的远场辐射方向图由两个极化方向构成，整个通带上获得了稳定的辐射特性；θ方向电场为主极化场，φ方向电场为交叉极化场，主极化场至少比交叉极化场强20dB，在最大辐射方向上的增益为7.91dBi；

如图14所示，本实施例中辐射天线在2GHz工作频率下，从端口1输入激励，YZ方向的远场辐射方向图由两个极化方向构成，整个通带上获得了稳定的辐射特性；φ方向电场为主极化场，θ方向电场为交叉极化场，主极化场至少比交叉极化场强21dB，在最大辐射方向上的增益为7.91dBi。

如图15所示，本实施例中辐射天线在2GHz工作频率下，从端口2输入激励，XZ方向的远场辐射方向图由两个极化方向构成，整个通带上获得了稳定的辐射特性；φ方向电场为主极化场，θ方向电场为交叉极化场；

如图16所示，本实施例中辐射天线在2GHz工作频率下，从端口2输入激励，YZ方向的远场辐射方向图由两个极化方向构成，整个通带上获得了稳定的辐射特性；θ方向电场为主极化场，φ方向电场为交叉极化场；

对比图13和图16，图14和图15，两个端口的主极化方向图几乎相同，交叉极化均控制在-10dB以下，说明天线两个端口间的匹配良好，并具有较高的隔离度；

由上述仿真结果可得，本发明提出天线具有较宽的工作频带，在工作频带内的平均增益大于7dBi，两个端口具有较高的隔离度，同时，在上边带和下边带附近分别产生一个传输零点，因此具有滤波特性。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，包括金属底板(3)、第一PCB板(1)和第二PCB板(2)，所述金属底板(3)的中心处设置有正交矩形槽(31)，所述第一PCB板(1)和第二PCB板(2)通过正交矩形槽(31)安装在金属底板(3)上，所述第一PCB板(1)包括第一介质基板(11)、第一馈线(13)和辐射天线(4)，所述第一馈线(13)和辐射天线(4)分别贴附在第一介质基板(11)的两侧，所述第二PCB板(2)包括第二介质基板(21)、第二馈线(23)和辐射天线(4)，所述第二馈线(23)和辐射天线(4)分别贴附在第二介质基板(21)的两侧。

2.根据权利要求1所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述第一馈线(13)和第二馈线(23)上均设置有两个耦合点。

3.根据权利要求1所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述第一馈线(13)和第二馈线(23)均为Γ形结构，所述第一馈线(13)和第二馈线(23)通过正交分布相配合构成馈电单元。

4.根据权利要求1或2或3所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述第一介质基板(11)和第二介质基板(21)的规格相同，所述第一介质基板(11)上开设有上连接槽(12)，所述上连接槽(12)由第一介质基板(11)的上边缘向下开设至第一馈线(13)的上方，所述第二介质基板(21)上开设有下连接槽(22)，所述下连接槽(22)由第二介质基板(21)的下边缘向上开设至第二馈线(23)的下方，所述第一介质基板(11)和第二介质基板(21)通过相配合的上连接槽(12)和下连接槽(22)进行正交连接。

5.根据权利要求1所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射天线(4)包括右辐射体(45)和左辐射体(46)，所述右辐射体(45)和左辐射体(46)之间设有间隙，所述右辐射体(45)和左辐射体(46)的顶部均设置有平衡体(41)，两个所述平衡体(41)呈对称结构设置。

6.根据权利要求5所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述右辐射体(45)和左辐射体(46)上均设置有振子臂(42)，两个所述振子臂(42)呈对称结构设置。

7.根据权利要求6所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述振子臂(42)为阶梯结构，所述振子臂(42)上设置有至少两个不同宽度的阶梯。

8.根据权利要求5或6或7所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射天线(4)上连接有金属微带线(43)，所述金属微带线(43)折叠成方波状结构。

9.根据权利要求8所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述辐射天线(4)上开设有方波状结构的槽体(44)。

10.根据权利要求9所述的适用于基站的宽频带双极化滤波天线，其特征在于，所述平衡体(41)、金属微带线(43)和槽体(44)共同构成微带巴伦。

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