CN115313028A - 应用于2g/3g/4g/5g频段的超宽带天线 - Google Patents

应用于2g/3g/4g/5g频段的超宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，包括由具有开槽与切角的一对交叉极化偶极子构成的辐射单元，由平衡单元和同轴电缆构成的馈电单元，以及上表面印刷有平衡单元，下表面印刷有交叉极化偶极子的介质基板；同轴电缆一端的内导体穿过介质基板并与其上表面的平衡单元连接，同轴电缆一端的外导体与介质基板下表面的交叉极化偶极子连接，同轴电缆另一端连接有接地反射板。本发明的结构简单，制造方便，通过对偶极子辐射贴片进行开槽和切角等操作，在双极化天线的基础谐振模式下引入了高次模，实现了多个谐振模式的合并，并包含了通信系统中的多个工作频段，从而实现了天线的超宽带性能。

Description

应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展和无线通信频段的不断拓展，人们对于通信质量、设备便携度等要求也相应有所提升。天线作为无线通信系统中重要的终端设备，起着发射和接收电磁波并与射频信号进行相互转换的重任，因此在通信系统中起着至关重要的作用。为适应现代通信设备和人们的需求，天线的主要研发方向有：小型化、多频段、宽带化等多个方向。同时，为了实现天线的大规模生产和应用，天线的结构应尽可能的简单。
现阶段，超宽带天线在众多领域已有了广泛的应用，随着电子信息技术的不断发展，人们对超宽带天线提出了方向性、高增益、小型化等设计要求，同时为了解决多频应用的问题，超宽带多频天线受到了很大的关注。
发明内容
本发明提供了一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，旨在保证天线的多频应用的前提下，解决天线的高增益，小型化等需求。
为解决上述技术问题，本发明提供的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，由具有开槽与切角的一对交叉极化偶极子构成的辐射单元；由平衡单元和同轴电缆构成的馈电单元；以及上表面设有所述平衡单元，下表面设有所述交叉极化偶极子的介质基板；所述同轴电缆一端的内导体穿过所述介质基板并与其上表面的平衡单元连接，所述同轴电缆一端的外导体与所述介质基板下表面的交叉极化偶极子连接，所述同轴电缆另一端连接有接地反射板。
进一步地，所述交叉极化偶极子包括两个呈±45°相交的偶极子。
进一步地，所述双极化偶极子包括四个互相均匀间隔设置的偶极子臂，且沿所述介质基板的对角线相对设置的两所述偶极子臂组成一个所述偶极子。
进一步地，所述偶极子臂包括朝向外侧一端的矩形结构以及靠近中心一端的三角形结构，各所述偶极子臂的矩形结构上均设有相同形状的矩形开口，且所述矩形结构朝向外侧的两角均设有相同的切角；每个所述偶极子的其中一所述三角形结构上设有用于连接所述同轴电缆外导体的通孔。
进一步地，所述馈电单元包括两Y型平衡-不平衡变换器以及两根同轴电缆，两所述Y型平衡-不平衡变换器分别于-45°与﹢45°对称设置。
进一步地，所述Y型平衡-不平衡变换器包括一L型器臂、1字型延伸部以及方形连接部，所述方形连接部上设有连接孔，所述连接孔与所述偶极子上的所述通孔相对应，用于连接所述同轴电缆。
进一步地，两所述Y型平衡-不平衡变换器分别为第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器，所述第一Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部从L型器臂的交叉弯折部分延伸出来而与所述L型器臂共面；所述第二Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部位于所述介质基板下表面形成一衔接部，且与所述第一Y型平衡-不平衡变换器的1字型延伸部异面相交，所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器通过贯穿所述介质基板的导电体电性连接。
进一步地，所述导电体为两馈电探针，两所述馈电探针设于两所述1字型延伸部的异面相交处且贯穿所述介质基板以连接所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器。
进一步地，各所述三角形结构的交汇处的内角采用切角处理以形成一留空空间用于容置所述衔接部。
进一步地，所述介质基板采用FR-4材料制成，其宽度Wg为60mm，厚度t为0.8mm。
本发明的一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其结构简单，制造方便，通过对偶极子辐射贴片进行开槽和切角等操作，在双极化天线的基础谐振模式下引入了高次模，实现了多个谐振模式的合并，并包含了通信系统中的多个工作频段，从而实现了天线的超宽带性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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为本发明的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线一实施例的整体结构示意图；
图2为图1所示实施例的整体结构侧视图；
图3为图1所示实施例中交叉极化偶极子的平面结构示意图；
图4为图1所示实施例中平衡-不平衡变换器的平面结构示意图；
图5为图1所示实施例的天线仿真S参数曲线图；
图6为图1所示实施例的天线测试增益随频率变化曲线图；
图7为图1所示实施例的天线半功率波瓣宽度随频率变化曲线图；
图8为图1所示实施例的天线交叉极化比随频率变化曲线图；
图9(a)为图1所示实施例的天线在1.7GHz时激励的xoz面测试方向图；
图9(b)为图1所示实施例的天线在1.7GHz时激励的yoz面测试方向图；
图10(a)为图1所示实施例的天线在3.3.GHz时激励的xoz面测试方向图；
图10(b)为图1所示实施例的天线在3.3GHz时激励的yoz面测试方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一单元分实施例，而不是全单元的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「中心」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。此外，在附图中，结构相似或相同的结构是以相同标号表示。
如图1所示的发明的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线一实施例的整体结构示意图；其包括由具有开槽与切角的一对交叉极化偶极子20构成的辐射单元；由平衡单元40和同轴电缆30构成的馈电单元；以及上表面设有所述平衡单元40，下表面设有所述交叉极化偶极子20的介质基板10；所述同轴电缆30一端的内导体穿过所述介质基板10并与其上表面的平衡-不平衡变换器40连接，所述同轴电缆30一端的外导体与所述介质基板10下表面的所述交叉极化偶极子20连接，所述同轴电缆30另一端连接有接地反射板50。其中，在本具体实施例中，所述平衡单元40和交叉极化偶极子20均采用印刷的方式形成于所述介质基板10上。
可以知道地，交叉极化偶极子天线相当于在一个偶极子天线的基础上添加了一个谐振腔，从而会再产生一个谐振点，实现宽带的展宽。同时，通过对偶极子进行开槽、切角等操作，即通过改变偶极子边缘形状以及中间挖孔等方式可以改变偶极子表面的电流流向，从而实现进一步宽展的目的。
在本具体实施例中，如图3所示，所述交叉极化偶极子20包括两个呈±45°相交的偶极子并对应四个互相均匀间隔设置的偶极子臂21，沿介质基板10对角线相对设置的两所述偶极子臂21组成一个所述偶极子。所述偶极子臂21包括朝向外侧一端的矩形结构201以及靠近中心一端的三角形结构202，且各所述偶极子臂21的所述矩形结构201内设有与该矩形结构形状相同，方向相同的矩形开口203，各所述矩形结构201朝向外侧的两外角205都进行了相同的切角处理。此外，每个所述偶极子20的其中一所述三角形结构202上设有用于连接所述同轴电缆30的外导体的通孔204。如图3所示，位于对角线且连成一直线的两个偶极子臂21组成一偶极子20，而相邻的两个偶极子臂21对应不同的偶极子20，在本具体实施例中，位于图中下侧的两所述偶极子臂21的三角形结构202上形成有通孔204。
可以理解地，通过一对交叉偶极子的耦合谐振产生较宽的辐射频段，同时在基础谐振模式下通过对偶极子进行开槽、切角等操作将多个谐振模式进行合并，大大地拓展了天线的辐射带宽，改善了天线的辐射性能；具体地，天线的辐射频段包含了2G/3G/4G(1.7～2.7GHz)工作频段和5G(3.3～3.6GHz)工作频段，实现了包含2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线；此外，双极化偶极子为±45°的交叉极化使得馈电端口间的隔离度提高，天线的辐射更加稳定以及具有良好的辐射方向图。
在本实施例中，如图4所示，所述馈电单元包括两个Y型平衡-不平衡变换器40’组成的平衡单元40以及两根所述同轴电缆30，所述Y型平衡-不平衡变换器以及所述同轴电缆分别位于所述介质基板10中心的上表面和下表面，两所述同轴电缆30的外导体分别与两个偶极子中的一所述偶极子臂21直接连接，内导体分别与两个Y型平衡-不平衡变换器直接连接，并分别对应两个偶极子进行耦合馈电；使用Y型平衡-不平衡变换器40’对偶极子进行耦合馈电能够有效抑制天线馈电过程中的高频电流的干扰，提高天线的辐射稳定性。
在本具体的实施例中，所述Y型平衡-不平衡变换器40’包括L型器臂401以及1字型延伸部402，两所述Y型平衡-不平衡变换器40’分别于±45°位置对称设置，且各自对应的所述1字型延伸部402正相交，所述1字型延伸部402的一端连接所述L型器臂401，另一端连有一方形连接部，所述方形连接部上设有与所述同轴电缆30内导体相连的连接孔403，所述连接孔403的位置与所述介质基板10下表面的所述偶极子臂21的所述通孔204位置相对齐。
在某些具体实施例中，例如本具体实施例，为了避免所述Y型平衡-不平衡变换器40’的交叉堆叠，造成馈电和辐射过程中的干扰，
两所述Y型平衡-不平衡变换器40’分别为第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器，所述第一Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部402从所述L型器臂401的交叉弯折部分延伸出来而与所述L型器臂401共面；所述第二Y型平衡-不平衡变换器40’的所述1字型延伸部402位于所述介质基板10下表面形成一衔接部404，且与所述第一Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部402异面相交，所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器通过贯穿所述介质基板的导电体电性连接。(如图2所示)。
所述导电体为两馈电探针405，两所述馈电探针405设于两所述1字型延伸部402的异面相交处且贯穿所述介质基板10以连接所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器。
由于两所述1字型延伸部402呈异面相交，通过设置一异面衔接部用于代替其中一个所述Y型平衡-不平衡变换器40’的所述1字型延伸部402，从而避免两所述Y型平衡-不平衡变换器40’的交叉堆叠。
同时，为了避免Y型平衡-不平衡变换器40’的所述衔接部404与所述偶极子交叉堆叠，所述偶极子的四个所述偶极子臂21的所述三角形结构202的交汇处的内角206均引入切角(如图3所示)从而在介质基板10的中间区域形成一呈矩形状的留空空间，该留空空间用于容置所述衔接部404。
可以理解地，通常采用同轴电缆30馈电时，存在不平衡馈电问题，因此需要加入平衡-不平衡变换器；通过采用所述Y型平衡-不平衡变换器40’有效抑制天线馈电过程中的高频电流的干扰，提高天线的辐射稳定性；且通过调节所述平衡-不平衡变换器40’的尺寸可以进一步提高天线的隔离度以及有效抑制天线的交叉极化。
参阅图1至图4中本实施例的天线各部分结构的尺寸标注图；本实施例中天线的具体参数如下：介质基板10使用FR-4材质，宽度Wg为60mm，厚度t为0.8mm，距离所述接地反射板50的高度H为34mm，所述接地反射板50的宽度GND为140mm。各所述偶极子臂21之间的间隙宽度g为1mm，所述偶极子臂21的主要尺寸：所述偶极子臂21的横向宽度W1，所述矩形结构201的宽度W2，所述矩形开口203的宽度W3，所述内角206切角的宽度W4分别为28mm，21.9mm，16mm，2.7mm。Y型平衡-不平衡器的主要尺寸：所述L型器臂401的宽度Y1，所述1字型延伸部402的宽度Y2，所述连接孔403的宽度Y3，所述1字型延伸部402的长度Y4分别为1.8mm，0.7mm，2.3mm，3.26mm。
参阅图5至图10(b)的仿真参数图，本实施例中天线的工作频段为1.62～4.19GHz，可应用于Sub-6G频段中2G/3G/4G(1.7～2.7GHz)和5G(3.3～3.6GHz)。
同时在工作频段1.7～2.7GHz内天线两个端口的隔离度均大于30dB，在3.3～3.6GHz内天线两个端口的隔离度均大于24dB。
天线在2G/3G/4G(1.7～2.7GHz)频段内的增益为8.4±0.5dB，HPBW最大为93°，在5G(3.3～3.6GHz)频段内的增益为6.0±1dB，HPBW最大为142°。
天线在2G/3G/4G(1.7～2.7GHz)频段内的交叉极化比为41±13dB，在5G(3.3～3.6GHz)频段内的交叉极化比为24.4±2dB，1.7GHz下天线的交叉极化比为47.2dB，3.3GHz下交叉极化比为28.5GHz。
本发明的一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其结构简单，制造方便，通过对偶极子辐射贴片进行开槽和切角等操作，在双极化天线的基础谐振模式下引入了高次模，实现了多个谐振模式的合并，并包含了通信系统中的多个工作频段，从而实现了天线的超宽带性能；进一步地，使用一对±45°交叉极化的偶极子进行辐射，相较其他极化方式，具有天线隔离度高，便于安装，以及高接收分集增益等优势。此外还使用了Y型平衡-不平衡器，提高了天线的辐射稳定性，同时能够有效抑制交叉极化。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，包括：
由具有开槽与切角的一对交叉极化偶极子构成的辐射单元；
由平衡单元和同轴电缆构成的馈电单元；以及
上表面设有所述平衡单元，下表面设有所述交叉极化偶极子的介质基板；
所述同轴电缆一端的内导体穿过所述介质基板并与其上表面的平衡单元连接，所述同轴电缆一端的外导体与所述介质基板下表面的交叉极化偶极子连接，所述同轴电缆另一端连接有接地反射板。
2.根据权利要求1所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述交叉极化偶极子包括两个呈±45°相交的偶极子。
3.根据权利要求2所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述偶极子包括四个互相均匀间隔设置的偶极子臂，且沿所述介质基板的对角线相对设置的两所述偶极子臂组成一个所述偶极子。
4.根据权利要求3所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述偶极子臂包括朝向外侧一端的矩形结构以及靠近中心一端的三角形结构，各所述偶极子臂的矩形结构上均设有相同形状的矩形开口，且所述矩形结构朝向外侧的两角均设有相同的切角；每个所述偶极子的其中一所述三角形结构上设有用于连接所述同轴电缆外导体的通孔。
5.根据权利要求4所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，所述馈电单元包括两Y型平衡-不平衡变换器以及两根同轴电缆，两所述Y型平衡-不平衡变换器分别于-45°与﹢45°对称设置。
6.根据权利要求5所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述Y型平衡-不平衡变换器包括一L型器臂、1字型延伸部以及方形连接部，所述方形连接部上设有连接孔，所述连接孔与所述偶极子上的所述通孔相对应，用于连接所述同轴电缆。
7.根据权利要求6所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，两所述Y型平衡-不平衡变换器分别为第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器，所述第一Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部从L型器臂的交叉弯折部分延伸出来而与所述L型器臂共面；所述第二Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部位于所述介质基板下表面形成一衔接部，且与所述第一Y型平衡-不平衡变换器的所述1字型延伸部异面相交，所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器通过贯穿所述介质基板的导电体电性连接。
8.根据权利要求7所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述导电体为两馈电探针，两所述馈电探针设于两所述1字型延伸部的异面相交处且贯穿所述介质基板以连接所述第一Y型平衡-不平衡变换器和第二Y型平衡-不平衡变换器。
9.根据权利要求7所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，各所述三角形结构的交汇处的内角采用切角处理以形成一留空空间用于容置所述衔接部。
10.根据权利要求1所述的应用于2G/3G/4G/5G频段的超宽带天线，其特征在于，所述介质基板采用FR-4材料制成，其宽度Wg为60mm，厚度t为0.8mm。
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