CN116190997A - 一种低剖面基站天线及双极化天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面基站天线及双极化天线阵列,所述低剖面基站天线包括:第一辐射体、第二辐射体、上层介质板、下层介质板、金属地面和支撑柱,所述第一辐射体设置于上层介质板的顶面,所述第二辐射体设置于上层介质板的底面,且所述第一辐射体与第二辐射体的其中一个顶点相互对齐设置;所述上层介质板设置于下层介质板的顶侧,并经支撑柱相连;所述金属地面设置于所述下层介质板的底面上。通过本发明低剖面基站天线的结构设计,无需采用背景技术中提到的多辐射臂技术或者人工磁导体技术,仅依靠改变天线自身结构及工作模式调整天线输入阻抗至匹配,使得天线剖面降低至0.094λc(λc为2350MHz对应的自由空间波长),并且可覆盖2010‑2690MHz宽频通信频段。
Description
技术领域
本发明属于移动通信技术领域,尤其涉及一种低剖面基站天线及双极化天线阵列。
背景技术
基站天线是移动通信用户信息与基站设备连接的出口和入口,是载有各种信息的电磁波能量的转换器,在整个通信系统中具有举足轻重的地位。由于第二代至第五代乃至未来第六代通信系统将会长期共存,各个频段基站天线的空间不断被压缩,基站天线技术不断向小型化、低剖面发展。
根据镜像原理,基站天线放置在金属反射板上方时,可以将其等效为基站天线与其镜像天线构成的二元阵,通过分析该二元阵的方向图函数,可知,当基站天线与其镜像天线之间的距离为二分之一空气波长,即基站天线与金属反射板之间的距离为四分之一空气波长时,天线主辐射方向与金属反射板垂直,并且在主辐射方向增益达到最大。但是,将基站天线放置在金属反射板上方四分之一空气波长的高度,并不符合基站天线小型化的趋势。研究人员们正在通过各种技术手段降低天线剖面高度。
2004年,Steven R.Best在“Improving the Performance Properties of aDipole Element Closely Spaced to a PEC Ground Plane”一文中提出,使用具有多个辐射臂且折叠的偶极子天线,可以补偿由于压低剖面带来天线输入阻抗减小的问题,进而实现低剖面,本文偶极子天线与金属反射板之间的距离仅为0.023λc(λc为279.5MHz对应的自由空间波长)。2020年,申请号为CN202022027285.1,名称为“一种基于AMC的低剖面宽带基站天线及通信设备”的实用新型专利,提出采用人工磁导体这一具有周期性的特殊电磁材料降低天线剖面高度的方法,天线与金属反射板之间的距离可降低至0.154λc(λc为2050MHz对应的自由空间波长)。
发明内容
本发明的目的在于:公开了一种低剖面基站天线及双极化天线阵列,通过本发明所述低剖面基站天线的结构设置,无需采用背景技术中提到的多辐射臂技术或者人工磁导体技术,仅依靠改变天线自身结构及工作模式调整天线输入阻抗至匹配。
一方面,本发明目的通过下述技术方案来实现:
一种低剖面基站天线,所述低剖面基站天线包括:第一辐射体、第二辐射体、上层介质板、下层介质板、金属地面和支撑柱,所述第一辐射体设置于上层介质板的顶面,所述第二辐射体设置于上层介质板的底面,且所述第一辐射体与第二辐射体的其中一个顶点相互对齐设置;所述上层介质板设置于下层介质板的顶侧,并经支撑柱相连;所述金属地面设置于所述下层介质板的底面上。
根据一个优选的实施方式,所述第一辐射体为通过在正方形贴片上靠近顶角位置处设置第一扇形槽,并在相邻两顶角位置处设置第二扇形槽和第三扇形槽得到。
根据一个优选的实施方式,所述第二辐射体的形状与第一辐射体的形状相似设置。
根据一个优选的实施方式,所述第一辐射体与第二辐射体相互对齐的顶点位置处附近设有馈电端口,馈电端口同轴线的内芯与第一辐射体相连,馈电端口同轴线的外层金属线与第二辐射体相连,以完成电信号的馈入。
根据一个优选的实施方式,所述上层介质板通过支撑柱固定于下层介质板正上方12mm位置处。
根据一个优选的实施方式,所述上层介质板和下层介质板采用厚度为1.6mm,介电常数为4.4的FR-4介质板。
根据一个优选的实施方式,所述第一辐射体的边长为63mm,所述第二辐射体的边长为53mm。
根据一个优选的实施方式,所述第一辐射体通过印制的方式设置于上层介质板的顶面;所述第二辐射体通过印制的方式设置于上层介质板的底面。
根据一个优选的实施方式,所述金属地面通过印制的方式设置于下层介质板的底面上。
另一方面,本发明还公开了:
一种双极化天线阵列,所述双极化天线阵列包括四个天线,分别为第一天线、第二天线、第三天线和第四天线,其中,第一天线和第三天线沿第一方向设置,第二天线和第三天线沿第二方向设置;且第一方向上设置的两天线与第二方向设置两天线的极化方向垂直设置,所述第一天线、第二天线、第三天线和第四天线采用前述的低剖面基站天线。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案,均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合,均为本发明所要保护的技术方案,在此不做穷举。
本发明的有益效果:
通过本发明低剖面基站天线的结构设计,无需采用背景技术中提到的多辐射臂技术或者人工磁导体技术,仅依靠改变天线自身结构及工作模式调整天线输入阻抗至匹配,使得天线剖面降低至0.094λc(λc为2350MHz对应的自由空间波长),并且可覆盖2010-2690MHz宽频通信频段。
附图说明
图1是低剖面基站天线的结构示意图;
图2是低剖面基站天线的第一辐射体结构示意图;
图3是低剖面基站天线的S参数图;
图4是低剖面基站天线在XOZ面的仿真方向图;
图5是低剖面基站天线构成的双极化天线阵列示意图;
图6是低剖面基站天线构成的双极化天线阵列的S参数图;
图7是低剖面基站天线构成的双极化天线阵列在XOZ面的仿真方向图;
其中,1-第一辐射体,11-正方形贴片,12-第一扇形槽,13-第二扇形槽,14-第三扇形槽,2-第二辐射体,3-上层介质板,4-下层介质板,5-金属地面,6-支撑柱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,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”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“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,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外,本发明要指出的是,本发明中,如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等,则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上,可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1:
参考图1所示,图中示出了一种低剖面基站天线,所述低剖面基站天线包括:第一辐射体1、第二辐射体2、上层介质板3、下层介质板4、金属地面5和支撑柱6。
优选地,第一辐射体1设置于上层介质板3的顶面,所述第二辐射体2设置于上层介质板3的底面,且所述第一辐射体1与第二辐射体2的其中一个顶点相互对齐设置。
进一步地,所述第一辐射体1通过印制的方式设置于上层介质板3的顶面;所述第二辐射体2通过印制的方式设置于上层介质板3的底面。
优选地,所述上层介质板3设置于下层介质板4的顶侧,并经支撑柱6相连。所述金属地面5设置于所述下层介质板4的底面上。所述金属地面5通过印制的方式设置于下层介质板4的底面上。所述上层介质板3通过支撑柱6固定于下层介质板4正上方12mm位置处。本天线工作频段为2010-2690MHz,中心频点为2350MHz,经计算,中心频点为2350MHz时对应的波长为127.66mm(λc)。将天线剖面12mm换算成关于中心频点对应波长的表达式,即为0.094λc。本发明实施例中,上层介质板3和下层介质板4均采用厚度为1.6mm、介电常数为4.4的FR-4介质板,上层介质板3和下层介质板4的介电常数以及厚度可根据实际需要进行选择。
优选地,第一辐射体1和第二辐射体2的边长是根据其谐振频率的要求设计的,通过调整第一辐射体1和第二辐射体2的边长可以调整天线的谐振频率,第一辐射体1的边长为63mm,约为0.5λc,第二辐射体2的边长为53mm,约为0.4λc。技术人员可根据实际需要自行调整尺寸。
进一步地,参考图2所示,第一辐射体1是不规则结构。所述第一辐射体1为通过在正方形贴片11上靠近顶角位置处设置第一扇形槽12,并在相邻两顶角位置处设置第二扇形槽13和第三扇形槽14得到。所述第二辐射体2的形状与第一辐射体1的形状相似设置。设置若干扇形槽的目的是延长电流路径、扩展带宽。研究人员可以根据实际所需频段设计不同的第一辐射体1和第二辐射体2结构。
所述第一辐射体1与第二辐射体2相互对齐的顶点位置处附近设有馈电端口,馈电端口同轴线的内芯与第一辐射体1相连,馈电端口同轴线的外层金属线与第二辐射体2相连,以完成电信号的馈入。
传统基站采用臂长为半个波长左右的对称振子(辐射体整体长度约为0.5λc)作为辐射体,放置在反射板上方四分之一空气波长的位置,以产生单向辐射。当半波对称振子的高度逐渐降低时,其输入阻抗由原来的50欧姆逐渐降低至几欧姆,阻抗匹配程度大幅下降。为了解决剖面降低带来的天线输入阻抗降低问题,理论上只需要增加天线的输入阻抗即可。增加天线的输入阻抗有两种方法,一是额外增加调谐电路,另一种方法是采用输入阻抗较大的天线代替原有的半波对称振子。由于前者会导致天线效率和增益降低,本专利采用后者,即采用输入阻抗较大的天线代替原有的半波对称振子。根据天线理论知识,臂长为1个波长左右的对称振子(又名全波对称振子),其自由空间中工作时输入阻抗约为1314Ω,较大的输入阻抗有利于抵消剖面降低带来的输入阻抗值减小的问题。但是采用真正意义上的全波对称振子时,天线的长度会增大一倍,不利于天线的小型化,而且全波对称振子的输入阻抗相对50欧姆这一最优匹配值来说,差距过大,使得阻抗匹配的难度增加。本专利提出一种低剖面基站天线,辐射体包含印制在上层介质板3上表面的第一辐射体1和印制在上层介质板3下表面的第二辐射体2,长度各为0.5λc和0.4λc,辐射体整体长度仍为0.5λc,与半波对称振子的长度相当,第一辐射体1和第二辐射体2置于上下两层并采用非对称结构的设计,使其工作在全波模式,其输入阻抗相比真正全波对称振子输入阻抗1314Ω大幅降低,保证了天线输入阻抗重新匹配到50Ω左右。
图3和4分别给出了该具体实施例天线的S参数图、XOZ面的仿真方向图。结果表明,该天线在反射系数(|S11|)小于-10dB时,可覆盖2010-2690MHz,可覆盖中国三大运营商的TD-LTE频段,方向图3dB波瓣宽度约为65°。值得注意的是,此时方向图最大值方向偏离0°方向大约15°左右,该现象是由于第一辐射体1与第二辐射体2不是完全对称的结构造成的。这一问题在组成阵列以后,会得到很好地解决。
实施例2
本实施例公开了一种双极化天线阵列。基站天线设计中,需要采用将多个天线排列成面阵,以获得高增益。图5给出了图1所示的天线构成的双极化天线阵列示意图。
所述双极化天线阵列包括四个天线,分别为第一天线、第二天线、第三天线和第四天线,其中,第一天线和第三天线沿第一方向设置,第二天线和第三天线沿第二方向设置;且第一方向上设置的两天线与第二方向设置两天线的极化方向垂直设置,所述第一天线、第二天线、第三天线和第四天线采用前述实施例1的低剖面基站天线结构设置。
具体地,参考图5所示,该示意图包含沿-45°方向放置的两个天线(对应端口分别称为端口1和端口3)以及沿+45°方向放置的另外两个天线,-45°方向放置的两个天线和+45°方向放置的两个天线极化方向垂直,可实现双极化工作。研究人员可以根据天线系统增益要求,在-45°方向和+45°方向分别放置多个天线。上述沿-45°方向放置的两个天线中心点相距100mm(约为0.78λc),天线间距一般选为0.5~0.8λc,具体数值可根据波束宽度要求进行调整。为了使上述沿-45°方向放置的两个天线构成的二元阵的主辐射方向沿0°方向,在给端口1和3馈电时,需保证其相位差为180度,这样可以使两天线的辐射远场相互抵消,由此解决了由于单个天线的第一辐射体1与第二辐射体2非完全对称的结构造成的方向图偏转问题。沿+45°方向放置的两个天线中心点的间距、馈电方式与沿-45°方向放置的两个天线中心点的间距、馈电方式相同。当-45°方向和+45°方向分别设置多个天线时,天线间距与馈电方式依然相同。
图6~7给出了图5所示的双极化天线阵列的S参数图和XOZ面的仿真方向图。从图6中可以看出,该双极化天线阵列在反射系数(|S11|)小于-10dB时,仍工作在2010-2690MHz,可覆盖中国三大运营商的TD-LTE频段,且各天线端口之间的隔离度(-|S21|,-|S31|,-|S41|)均保持在22dB以上。从图7中可以看出,给-45°方向的两个天线对应的端口1和端口3提供等幅反相(幅度相等,相位相差180°)的激励时,天线主极化方向图3dB波瓣宽度约为33°,最大辐射方向指向0°,交叉极化较小。
本发明提出的低剖面基站天线,仅依靠改变天线自身结构及工作模式对天线输入阻抗进行调整,最终使得天线剖面降低至0.094λc(λc为2350MHz对应的自由空间波长),并且可覆盖2010-2690MHz通信频段,是实现天线低剖面的一种崭新的解决方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低剖面基站天线,其特征在于,所述低剖面基站天线包括:第一辐射体(1)、第二辐射体(2)、上层介质板(3)、下层介质板(4)、金属地面(5)和支撑柱(6),
所述第一辐射体(1)设置于上层介质板(3)的顶面,所述第二辐射体(2)设置于上层介质板(3)的底面,且所述第一辐射体(1)与第二辐射体(2)的其中一个顶点相互对齐设置;
所述上层介质板(3)设置于下层介质板(4)的顶侧,并经支撑柱(6)相连;所述金属地面(5)设置于所述下层介质板(4)的底面上。
2.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述第一辐射体(1)为通过在正方形贴片(11)上靠近顶角位置处设置第一扇形槽(12),并在相邻两顶角位置处设置第二扇形槽(13)和第三扇形槽(14)得到。
3.如权利要求2所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述第二辐射体(2)的形状与第一辐射体(1)的形状相似设置。
4.如权利要求3所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述第一辐射体(1)与第二辐射体(2)相互对齐的顶点位置处附近设有馈电端口,馈电端口同轴线的内芯与第一辐射体(1)相连,馈电端口同轴线的外层金属线与第二辐射体(2)相连,以完成电信号的馈入。
5.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述上层介质板(3)通过支撑柱(6)固定于下层介质板(4)正上方12mm位置处。
6.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述上层介质板(3)和下层介质板(4)采用厚度为1.6mm,介电常数为4.4的FR-4介质板。
7.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述第一辐射体(1)的边长为63mm,所述第二辐射体(2)的边长为53mm。
8.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述第一辐射体(1)通过印制的方式设置于上层介质板(3)的顶面;所述第二辐射体(2)通过印制的方式设置于上层介质板(3)的底面。
9.如权利要求1所述的低剖面基站天线,其特征在于,所述金属地面(5)通过印制的方式设置于下层介质板(4)的底面上。
10.一种双极化天线阵列,其特征在于,所述双极化天线阵列包括四个天线,分别为第一天线、第二天线、第三天线和第四天线,
其中,第一天线和第三天线沿第一方向设置,第二天线和第三天线沿第二方向设置;且第一方向上设置的两天线与第二方向设置两天线的极化方向垂直设置;
所述第一天线、第二天线、第三天线和第四天线采用如权利要求1至9任一项所述的低剖面基站天线。
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