CN115173065B - 一种多模式融合的宽带双极化基站天线及通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式融合的宽带双极化基站天线及通信设备，包括天线辐射单元、馈电巴伦、超表面和反射板，所述天线辐射单元通过馈电巴伦设置在反射板的上方，所述超表面设置在天线辐射单元的上方，所述天线辐射单元包括辐射介质基板，所述辐射介质基板的上表面印制金属贴片，所述金属贴片设置环形缝隙；本发明通过融合四种不同的工作模式实现了宽带特性，具有带宽大，辐射性能稳定，结构新颖，剖面低，制作简单等特点。

Description

一种多模式融合的宽带双极化基站天线及通信设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种多模式融合的宽带双极化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)、5G系统，LTE(4G)系统使用2300-2690MHz，而5G系统使用3.3-3.6GHz、4.8-5GHz。然而，基站选址困难、天面资源有限、安装空间有限，要求用尽可能少的天线提供尽可能多的频段和制式支持。随着三大运营商逐渐放弃2G和3G通信网络，实现4G/5G双制式的共存将会是未来5G移动通信发展的必经之路。
目前平面型的宽带基站天线带宽支持难以达到65％及更高带宽覆盖，特别是难以在65％及更高带宽覆盖上保持稳定的辐射方向图和增益，无法实现4G系统的2300-2690MHz和5G系统3.3-3.6GHz、4.8-5GHz的全频段覆盖。为适应更宽的频带需求，支持2.3-5GHz频段的宽带基站天线具有广阔的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种多模式融合的宽带双极化基站天线及通信设备。该天线辐射增益高，且方向图稳定，该宽带基站天线能实现76％的阻抗带宽，覆盖2.3～5.1GHz的频段。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种多模式融合的宽带双极化基站天线，包括天线辐射单元、超表面、馈电巴伦及反射板，所述天线辐射单元通过馈电巴伦设置在反射板的上方，所述超表面设置在天线辐射单元上方；
所述天线辐射单元包括辐射介质基板，所述辐射介质基板上表面印制金属贴片，所述金属贴片内设置环形缝隙，所述金属贴片与环形缝隙之间的部分产生第一谐振点，所述环形缝隙产生第三谐振点；
所述馈电巴伦包括两个结构相同且呈十字交叉的馈电巴伦，金属贴片分别由两个馈电巴伦馈电产生+45度极化及-45度极化；
每个馈电巴伦包括馈电振子臂，产生半波振子谐振模式形成第二谐振点；
所述金属贴片位于环形缝隙内的部分在超表面的加载作用下，形成贴片谐振模式，产生高频的第四个谐振点。
进一步，所述超表面包括超表面介质基板及矩形贴片，所述超表面介质基板上表面设置多个呈阵列分布的矩形贴片。
进一步，每个馈电巴伦还包括竖直介质基板，所述竖直介质基板的两个表面均印制馈线、金属地及馈电振子臂，所述金属地与馈电振子臂连接。
进一步，所述馈电振子臂为阶梯状长条，该阶梯状长条关于竖直介质基板中线对称设置，两端跨过环形缝隙的边缘。
进一步，所述环形缝隙为八边形。
进一步，所述金属贴片为方形。
进一步，所述金属地为矩形，该矩形关于竖直介质基板中线对称。
进一步，所述天线辐射单元与反射板的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。
进一步，所述超表面与天线辐射单元的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。
一种通信设备，包括所述的宽带双极化基站天线。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明带宽完全覆盖2.3-5.1GHz，适用于LTE(4G)、5G移动通信系统。
(2)本发明通过融合振子谐振、环谐振、贴片谐振以及超表面四种工作模式，实现了宽带性能且方向图稳定，增益高。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的正视剖面图；
图3是本发明的天线辐射单元结构示意图；
图4是本发明的超表面结构示意图；
图5是本发明的第一馈电巴伦结构示意图；
图6是本发明的第二馈电巴伦结构示意图；
图7是本发明多模式融合的宽带双极化基站天线的阻抗带宽；
图8是本发明多模式融合的宽带双极化基站天线的增益及波宽；
图9(a)-图9(f)是本发明多模式融合的宽带双极化基站天线的方向图，其中图9(a)-图9(b)分别是本发明工作频率为2.3GHz的方向图，图9(c)-图9(d)分别是本发明工作频率为3.7GHz的方向图，图9(e)-图9(f)分别是本发明工作频率为5.15GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合实施例，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-图6所示，一种多模式融合的宽带双极化基站天线，包括天线辐射单元1、超表面2、馈电巴伦3及反射板4，所述天线辐射单元1通过馈电巴伦3设置在反射板4的上方，所述超表面2设置在天线辐射单元1上方。
所述天线辐射单元包括辐射介质基板5，所述辐射介质基板的上表面印制金属贴片6，金属贴片根据实际需要选择不同形状，本实施例为方形金属贴片。所述方形金属贴片设置环形缝隙7，环形缝隙根据实际需要选择不同形状，本实施例为八边形环形缝隙。金属贴片被环形缝隙分为两个部分，一部分是位于环形缝隙外环外部，一部分是位于环形缝隙内环部分。
所述馈电巴伦3包括两个结构完全相同的第一馈电巴伦及第二馈电巴伦，第一馈电巴伦及第二馈电巴伦中间位置进行垂直交叉。所述第一馈电巴伦包括第一竖直介质基板8A，所述第一竖直介质基板8A的前后表面分别印制第一馈电巴伦馈线9A、第一馈电巴伦金属地10A和第一馈电振子臂11A，所述第一竖直介质基板在竖直方向的顶部设置第一馈电振子臂。
所述第二馈电巴伦包括第二竖直介质基板8B，所述第二竖直介质基板8B的前后表面分别印制第二馈电巴伦馈线9B、第二馈电巴伦金属地10B和第二馈电振子臂11B，第二竖直介质基板在竖直方向的顶部设置第二馈电振子臂，所述第一馈电巴伦金属地和第二馈电巴伦金属地的顶部均连接巴伦馈电振子臂。
所述第一及第二馈电振子臂的结构尺寸均相同，均为阶梯状长条，关于竖直介质基板的交叉中线对称设置，所述阶梯状长条包括两条宽度不同的长条，所述宽度较宽的一条设置在靠近中线位置，宽度较宽的长条与馈电巴伦金属地连接，所述两个馈电巴伦金属地均为矩形，并关于中线对称。
进一步，第一及第二馈电振子臂以竖直介质基板的中线为对称点，向竖直介质基板水平面的两端延伸，跨过环形缝隙外环部分。
进一步，两块竖直介质基板的尺寸相同，两个馈电巴伦金属地尺寸相同。
所述金属贴片由第一馈电巴伦耦合馈电，产生+45度极化，所述金属贴片由第二馈电巴伦耦合馈电，产生-45度极化，实现双极化。
方形金属贴片位于环形缝隙的外环部分产生低频第一谐振点；馈电巴伦馈电振子臂产生半波振子谐振模式，产生第二个谐振点；环形缝隙产生第三个谐振点。
环形缝隙的内环包围金属贴片部分在超表面的加载作用下，形成贴片谐振模式，产生高频的第四个谐振点，同时超表面改善阻抗匹配。
所述四个谐振点分别工作在2.4GHz、2.8GHz、4.1GHz及5GHz。
所述超表面2包括超表面介质基板12和矩形贴片13，设置在天线辐射单元上方。所述矩形贴片设置在超表面介质基板的上表面，并呈阵列分布，本实施例中由4×4个相同的矩形贴片呈周期性排列而成，每个矩形的边长为9.2mm，矩形贴片之间相距0.5mm。
所述介质基板采用高频板材RO4350B，相对介电常数3.48。
本发明可实现双极化带宽2.3～5.1GHz，回波损耗大于14dB。
本发明还包括SMA头用于天线整体馈电，SMA头的内外导体分别与巴伦的馈线和金属地焊接。
进一步，天线辐射单元与反射板的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。
进一步，超表面与天线辐射单元的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。优选为7.5mm。
本发明方形金属贴片被缝隙切割出来的外环产生最低频的第一个谐振点，偶极子产生第二个谐振点，最中间的小贴片产生第三个谐振点，超表面的加载改善了阻抗匹配且在最高频匹配出第四个谐振点。
如图7、图8及图9(a)-图9(f)所示，图7是本实施例的阻抗带宽，本发明的双极化天线具有2.3～5.1GHz的阻抗带宽，回波损耗达14dB，并且在该带宽上隔离度达到25dB以上，增益在8dBi以上，适用于现阶段4G(LTE)5G系统频段覆盖，也是大规模MIMO天线的良选。
本多模式融合基站天线具有结构新颖，制作简单，带宽大，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，包括如实施例1所述的宽带小型化基站天线，包括天线辐射单元1、超表面2、馈电巴伦3及反射板4，所述天线辐射单元通过馈电巴伦设置在反射板的上方，所述超表面设置在天线辐射单元上方。
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 (10)

1.一种多模式融合的宽带双极化基站天线，其特征在于，包括天线辐射单元、超表面、馈电巴伦及反射板，所述天线辐射单元通过馈电巴伦设置在反射板的上方，所述超表面设置在天线辐射单元上方；
所述天线辐射单元包括辐射介质基板，所述辐射介质基板上表面印制金属贴片，所述金属贴片内设置环形缝隙，所述金属贴片被环形缝隙分为两个部分，一部分是位于环形缝隙外环部分，一部分是位于环形缝隙内环部分；金属贴片位于环形缝隙的外环部分产生低频第一谐振点，所述环形缝隙产生第三谐振点；
所述馈电巴伦包括两个结构相同且呈十字交叉的馈电巴伦，金属贴片分别由两个馈电巴伦馈电产生+45度极化及-45度极化；
每个馈电巴伦包括馈电振子臂，产生半波振子谐振模式形成第二谐振点；
所述金属贴片位于环形缝隙内的部分在超表面的加载作用下，形成贴片谐振模式，产生高频的第四个谐振点。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述超表面包括超表面介质基板及矩形贴片，所述超表面介质基板上表面设置多个呈阵列分布的矩形贴片。
3.根据权利要求1所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，每个馈电巴伦还包括竖直介质基板，所述竖直介质基板的两个表面均印制馈线、金属地及馈电振子臂，所述金属地与馈电振子臂连接。
4.根据权利要求3所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述馈电振子臂为阶梯状长条，该阶梯状长条关于竖直介质基板中线对称设置，两端跨过环形缝隙的边缘。
5.根据权利要求1所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述环形分析为八边形。
6.根据权利要求1-5任一项所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述金属贴片为方形。
7.根据权利要求3所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述金属地为矩形，该矩形关于竖直介质基板中线对称。
8.根据权利要求1所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述天线辐射单元与反射板的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。
9.根据权利要求1所述的宽带双极化基站天线，其特征在于，所述超表面与天线辐射单元的距离为0.1λ0-0.5λ0，其中λ0为天线中心频率在自由空间中所对应波长。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的宽带双极化基站天线。
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