CN212380562U - 一种层叠式差分宽带基站天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种层叠式差分宽带基站天线。包括天线主体、反射板、同轴线；天线主体通过同轴线安装在反射板上方；天线主体包括辐射单元、十字型馈电结构、寄生单元、第一块介质基板和第二块介质基板；辐射单元、十字型馈电结构分别安装在第一块介质基板的下表面和上表面；寄生单元安装在第二块介质基板的下表面；第二块介质基板放置在第一块介质基板上方；辐射单元由四个线性辐射臂组成；辐射单元的每个辐射臂的尾端加载了L型枝节。本实用新型的上述结构满足天线的电气性能，且具有较优的辐射性能。相较于传统的单端口天线，本实用新型采用双端口馈电提高了天线的抗干扰能力，且天线采用PCB板材，具有低成本、加工简单等优点。

Description

一种层叠式差分宽带基站天线

技术领域

本实用新型涉及一种层叠式差分宽带基站天线，属于天线技术领域。

背景技术

基站天线的发展正朝着宽带化进行，要求基站天线的阻抗带宽能覆盖1710-2690MHz，而且双极化天线在提高天线容量的同时还有对抗多路径衰落等优势。

另外，差分信号电路由于本身易于集成的特点，而且有抑制谐波、低噪声和偶模抑制等性质，被广泛的运用到射频电路当中。由于传统的双端口基站天线的端口的不对称性，导致其方向图会有一定的倾斜，导致±60°的交叉极化比不一致的缺点。并且单端口的天线无法直接集成到差分电路当中，且传统的单端口天线抗干扰能力差，如果需要运用到差分电路中，不仅会增加整体体积还会带来额外的工作量和插入损耗。

此外，使用差分馈电结构激励天线可以抑制高次谐波，这样可以大大降低天线在远场辐射的交叉极化分量从而提高天线极化比。所以差分天线运用在基站邻域有很存在的研究价值和意义。应该在基站建设中引起关注。

发明内容

为了克服单端口天线的缺点，本实用新型采取了差分馈电的双端口馈电结构的一种层叠式差分宽带基站天线，该天线的工作带宽能覆盖1710-2690MHz，具有高隔离度、高对称辐射方向图及高交叉极化比等优点。

本实用新型技术方案是：一种层叠式差分宽带基站天线，包括天线主体1、反射板7、同轴线8；天线主体1通过同轴线8安装在反射板7上方；天线主体1包括辐射单元2、十字型馈电结构3、寄生单元4、第一块介质基板5和第二块介质基板6；

所述辐射单元2安装在第一块介质基板5的下表面；

所述十字型馈电结构3安装在第一块介质基板5的上表面，且位于辐射单元2的正上方；

所述寄生单元4安装在第二块介质基板6的下表面；

所述第二块介质基板6放置在第一块介质基板5上方；

所述辐射单元2包括第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D；

所述辐射单元2的每个辐射臂的尾端加载了L型枝节22，四个辐射臂尾端的L型枝节22分别与相对应的辐射臂相连；第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D中相邻两个辐射臂之间的夹角为90°，第一辐射臂21A和第三辐射臂21C是一对偶极子天线组成-45°极化，第二辐射臂21B和第四辐射臂21D是另一对偶极子天线组成+45°极化，且第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D关于第一块介质基板5的中心呈中心对称分布；在对应辐射单元2的位置上方的寄生单元4上设有开槽缝隙42。

进一步地，所述十字型馈电结构3的设置位置在辐射单元2的每个辐射臂的对应方向上。

进一步地，所述辐射单元2印刷在第一块介质基板5的下表面，十字型馈电结构3印刷在第一块介质基板5的上表面，寄生单元4印刷在第二块介质基板6的下表面，第二块介质基板6通过绝缘塑料柱固定在第一块介质基板5上方，第二块介质基板6和第一块介质基板5通过绝缘塑料柱固定连接的地方均设有非金属化过孔9用于为绝缘塑料柱提供固定支撑作用。

进一步地，所述寄生单元4由一个圆形寄生贴片41印刷在第二块介质基板6的下表面。

进一步地，所述寄生单元4中心和所述辐射单元2中心均处于同一中心轴上，第二块介质基板6放置在第一块介质基板5上方，两者之间的距离为0.034λ；所述圆形寄生贴片41为金属材料，所述圆形寄生贴片41的直径为0.147λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

进一步地，所述第一块介质基板5和第二块介质基板6均采用FR4高频板材，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，厚度均为1mm。

进一步地，在对应辐射单元2的位置上方的寄生单元4上设有的开槽缝隙42的长度为0.07λ，宽度为0.147-0.029λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

进一步地，所述第一块介质基板5的下表面安装的辐射单元2与反射板7距离为0.24λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

进一步地，所述同轴线8穿过第一块介质基板5，其中，同轴线8外导体与辐射单元2连接，同轴线8内导体与十字型馈电结构3尾部连接。

进一步地，所述同轴线8一共有四根，包括第一根同轴线81、第二根同轴线82、第三根同轴线83和第四根同轴线84；其中，第一根同轴线81外导体与辐射单元2的第一辐射臂21A连接，第一根同轴线81的内导体与十字型馈电结构3位于第一辐射臂21A方向上的尾部连接，第二根同轴线82外导体与辐射单元2的第二辐射臂21B连接，第二根同轴线82的内导体与十字型馈电结构3位于第二辐射臂21B方向上的尾部连接，第三根同轴线83外导体与辐射单元2的第三辐射臂21C连接，第三根同轴线83的内导体与十字型馈电结构3位于第三辐射臂21C方向上的尾部连接，第四根同轴线84外导体与辐射单元2的第四辐射臂21D连接，第四根同轴线84的内导体与十字型馈电结构3位于第四辐射臂21D方向上的尾部连接。

本实用新型的有益效果是：

1、一种层叠式差分宽带基站天线所覆盖的工作频段为1710-2690MHz，完全覆盖了2G/3G/4G的通信频段。

2、本实用新型辐射结构采用线性结构、寄生贴片采用圆形结构、馈电采用十字型馈电结构，以上结构简单，具有宽带、高隔离度、高对称方向图和高交叉极化比易于制作的优点。

3、本实用新型采用十字型馈电结构由两段微带线组成，利用阻抗匹配来调节天线，优化频带内的电压驻波比。

4、本实用新型采用带开槽缝隙的圆形寄生贴片，利用缝隙来改变由线性辐射臂耦合到寄生贴片上的电流分布，使得可以影响第一谐振模式和第二谐振模式，调节到所需的工作频带范围。

5、本实用新型考虑到小型化特点，在四个线性辐射臂的末端增加了一段L型枝节，使得不直接增加线性偶极子的距离来调节第一谐振模式，这样有利于天线的小型化。

6、本实用新型采用差分馈电方式，利用差分馈电的优势，采用十字型馈电避免了传统馈电形式的不对称性，提高了天线异极化的端口隔离度，相较于传统的单端口有了很大的指标提升。

附图说明

图1为本实用新型一种层叠式差分宽带基站天线的三维结构图；

图2为本实用新型一种层叠式差分宽带基站天线的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例的回波损耗和隔离度示意图；

图4为本实用新型实施例的+45°方向1.7GHz和2.69GHz的方向图；

图5为本实用新型实施例的有无圆形寄生贴片的变化曲线；

图6为本实用新型实施例的圆形寄生贴片高度的变化曲线；

图7为本实用新型实施例的在频点1.81GHz时的电流分布；

图8为本实用新型实施例的在频点2.48GHz时的电流分布。

标号说明：

1-天线主体；2-辐射单元；3-十字型馈电结构；4-寄生单元；5-第一块介质基板；6-第二块介质基板；7-反射板；8-同轴线；9-非金属化过孔。

21A-第一辐射臂；21B-第二辐射臂；21C-第三辐射臂；21D-第四辐射臂；22-L型枝节；41-圆形寄生贴片；42-开槽缝隙，81-第一根同轴线；82-第二根同轴线；83-第三根同轴线；84-第四根同轴线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

本实用新型最关键的思路在于：振子主体的辐射结构采用带有L型枝节的线性辐射臂构成，为了引入差分馈电结构，采用简单的十字型交叉馈电结构，十字型馈电结构由两段微带线组成，所述线性辐射臂的上方增加了圆形寄生贴片。

下面结合附图，对本实用新型所提供的一种层叠式差分宽带基站天线进行详细描述，实施例1，如图1-图8所示，一种层叠式差分宽带基站天线，包括天线主体1、反射板7、同轴线8；天线主体1通过同轴线8安装在反射板7上方；天线主体1包括辐射单元2、十字型馈电结构3、寄生单元4、第一块介质基板5和第二块介质基板6；所述辐射单元2安装在第一块介质基板5的下表面；所述十字型馈电结构3安装在第一块介质基板5的上表面，且位于辐射单元2的正上方；所述寄生单元4安装在第二块介质基板6的下表面；所述第二块介质基板6放置在第一块介质基板5上方；所述辐射单元2包括第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D；所述辐射单元2的每个辐射臂的尾端加载了L型枝节22，四个辐射臂尾端的L型枝节22分别与相对应的辐射臂相连；第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D中相邻两个辐射臂之间的夹角为90°，第一辐射臂21A和第三辐射臂21C是一对偶极子天线组成-45°极化，第二辐射臂21B和第四辐射臂21D是另一对偶极子天线组成+45°极化，且第一辐射臂21A、第二辐射臂21B、第三辐射臂21C、第四辐射臂21D关于第一块介质基板5的中心呈中心对称分布；在对应辐射单元2的位置上方的寄生单元4上设有开槽缝隙42。所述L型枝节22用于调节低频谐振模式，但是相较于线性的辐射单元2处于垂直和水平方向，因L型枝节22不宜与过长，导致与主辐射方向产生较大的影响。

进一步地，所述十字型馈电结构3的设置位置在辐射单元2的每个辐射臂的对应方向上。十字型馈电结构由两段微带线组成，采用十字型馈电结构是为了引入差分馈电形式，而且十字型馈电结构简单，易于调节天线的阻抗匹配。

进一步地，所述辐射单元2印刷在第一块介质基板5的下表面，十字型馈电结构3印刷在第一块介质基板5的上表面，寄生单元4印刷在第二块介质基板6的下表面，第二块介质基板6通过绝缘塑料柱固定在第一块介质基板5上方，第二块介质基板6和第一块介质基板5通过绝缘塑料柱固定连接的地方均设有非金属化过孔9用于为绝缘塑料柱提供固定支撑作用。

进一步地，所述寄生单元4由一个圆形寄生贴片41印刷在第二块介质基板6的下表面，在对应辐射单元2的位置上方的寄生单元4上设有开槽缝隙42，利用缝隙来改变由线性辐射臂耦合到寄生贴片上的电流分布，使得可以影响第一谐振模式和第二谐振模式，调节到所需的工作频带范围。

进一步地，所述寄生单元4中心和所述辐射单元2中心均处于同一中心轴上，第二块介质基板6放置在第一块介质基板5上方，两者之间的距离为0.034λ；所述圆形寄生贴片41为金属材料，所述圆形寄生贴片41的直径为0.147λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

进一步地，第二块介质基板6放置在第一块介质基板5上方，距离可以为4.6mm。

进一步地，所述第一块介质基板5和第二块介质基板6均采用FR4高频板材，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，厚度均为1mm。

进一步地，在对应辐射单元2的位置上方的寄生单元4上设有的开槽缝隙42的长度为0.07λ，宽度为0.147-0.029λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

进一步地，所述第一块介质基板5的下表面安装的辐射单元2与反射板7距离为0.24λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。进一步地具体的，所述辐射单元2与反射板7的距离可以为33mm。

进一步地，所述同轴线8穿过第一块介质基板5，其中，同轴线8外导体与辐射单元2连接，同轴线8内导体与十字型馈电结构3尾部连接。

进一步地，所述同轴线8一共有四根，包括第一根同轴线81、第二根同轴线82、第三根同轴线83和第四根同轴线84；其中，第一根同轴线81外导体与辐射单元2的第一辐射臂21A连接，第一根同轴线81的内导体与十字型馈电结构3位于第一辐射臂21A方向上的尾部连接，第二根同轴线82外导体与辐射单元2的第二辐射臂21B连接，第二根同轴线82的内导体与十字型馈电结构3位于第二辐射臂21B方向上的尾部连接，第三根同轴线83外导体与辐射单元2的第三辐射臂21C连接，第三根同轴线83的内导体与十字型馈电结构3位于第三辐射臂21C方向上的尾部连接，第四根同轴线84外导体与辐射单元2的第四辐射臂21D连接，第四根同轴线84的内导体与十字型馈电结构3位于第四辐射臂21D方向上的尾部连接。第一根同轴线81与第三根同轴线83共同激励-45°极化，第二根同轴线82与第四根同轴线84共同激励+45°极化，实现差分馈电方式。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型通过辐射臂的物理长度决定天线的第一个谐振模式，圆形寄生贴片41激励起高频处的第二谐振模式，激励起的第二谐振模式与第一谐振模式一起形成阻抗带宽。为了不增大尺寸，在线性辐射臂的末端加载了L型枝节22用于增加所述辐射臂的电流路径，从而控制第一谐振模式向低频靠近，使之天线的工作频段能够覆盖1.71GHz即可。

由于现如今涉及的基站天线的工作频段最低要求需要覆盖2G/3G/4G通信频段，虽然振子结构相较于微带结构带宽上有着很大的优势，但是即使使用振子结构也无法满足上诉带宽，因此为了实现宽频天线，通过引入耦合结构增加带内的谐振模式，使得双谐振模式一起形成阻抗带宽。即在本实用新型中，线性的辐射单元2决定了带宽内的第一个谐振模式，圆形寄生贴片41决定了带宽内的第二个谐振模式。

图5给出了有无圆形寄生贴片41的S参数变化图。从图5中能清楚的看到在引入圆形寄生贴片41之后，在高频处增加了一个新的谐振模式。

由于圆形寄生贴片41的引入，使得圆形寄生贴片41和线性的辐射单元2产生了耦合效应，而圆形寄生贴片41和线性的辐射单元2的耦合强度由它们的距离决定，因此，图6给出了不同高度下对S参数的影响，图6能看出，高度对于第二谐振模式影响较大。

为了更好的理解天线工作原理，图7和图8给出了天线在工作频点1.81GHz和2.48GHz时的电流分布图。天线第一个谐振模式1.81GHz工作时，直线偶极子上面的电流分布在+45°的方向。-45°方向的直线偶极子也耦合起电流，但电流方向呈环形不参与主要辐射。当天线工作在第二个谐振模式2.48GHz时，直线形偶极子上面的电流分布与第一个谐振模式的电流分布相当。但是此时圆形寄生贴片上面的电流分布与直线形偶极子的电流分布相反，且电流强度也比之前的提高了。正是由于圆形寄生贴片的相反电流抵消了主极化上的电流，导致天线在高频工作时，天线的电长度减小了。

图3给出了天线最后的仿真和测试结果。Simulated表示仿真时的参数，Measured表示测试时的参数。其中回波损耗Sd11表示同时激励第一根同轴线81和第三根同轴线83时的参数结果，回波损耗Sd22表示同时激励第二根同轴线82和第四根同轴线84时的参数结果，Sd21表示激励时端口的隔离度。可以看到天线工作在1.71-2.69GHz频带内回波损耗小于-15dB，端口隔离度大于42dB。

图4给出了天线+45°的辐射方向图，可以看到天线方向图对称性高，且交叉极化比性能良好。

本实用新型一种层叠式差分宽带基站天线辐射结构简单，天线的工作频带、隔离度和辐射方向图均达到工业设计要求。

综上，差分馈电方式的基站天线相较于传统的单端口天线而言，在端口隔离度和辐射方向图的交叉极化比和对称性上有很大的提高。

此外，本实施例采用差分馈电方式设计了一款工作频段为1.71-2.69GHz,但是本实用新型也可利用此设计方式将工作频带扩展到5G工作频带。

综上所述，本实用新型采用带开槽缝隙的圆形寄生贴片，利用缝隙来改变由线性辐射臂耦合到寄生贴片上的电流分布，使得可以影响第一谐振模式和第二谐振模式，调节到所需的工作频带范围。本实用新型采用差分馈电方式，利用差分馈电的优势，采用十字型馈电避免了传统馈电形式的不对称性，提高了天线异极化的端口隔离度，相较于传统的单端口有了很大的指标提升。本实用新型辐射结构采用线性结构、寄生贴片采用圆形结构、馈电采用十字型馈电结构，以上结构简单，具有宽带、高隔离度、高对称方向图和高交叉极化比易于制作的优点。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：包括天线主体(1)、反射板(7)、同轴线(8)；天线主体(1)通过同轴线(8)安装在反射板(7)上方；天线主体(1)包括辐射单元(2)、十字型馈电结构(3)、寄生单元(4)、第一块介质基板(5)和第二块介质基板(6)；

所述辐射单元(2)安装在第一块介质基板(5)的下表面；

所述十字型馈电结构(3)安装在第一块介质基板(5)的上表面，且位于辐射单元(2)的正上方；

所述寄生单元(4)安装在第二块介质基板(6)的下表面；

所述第二块介质基板(6)放置在第一块介质基板(5)上方；

所述辐射单元(2)包括第一辐射臂(21A)、第二辐射臂(21B)、第三辐射臂(21C)、第四辐射臂(21D)；

所述辐射单元(2)的每个辐射臂的尾端加载了L型枝节(22)，四个辐射臂尾端的L型枝节(22)分别与相对应的辐射臂相连；第一辐射臂(21A)、第二辐射臂(21B)、第三辐射臂(21C)、第四辐射臂(21D)中相邻两个辐射臂之间的夹角为90°，第一辐射臂(21A)和第三辐射臂(21C)是一对偶极子天线组成-45°极化，第二辐射臂(21B)和第四辐射臂(21D)是另一对偶极子天线组成+45°极化，且第一辐射臂(21A)、第二辐射臂(21B)、第三辐射臂(21C)、第四辐射臂(21D)关于第一块介质基板(5)的中心呈中心对称分布；在对应辐射单元(2)的位置上方的寄生单元(4)上设有开槽缝隙(42)。

2.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述十字型馈电结构(3)的设置位置在辐射单元(2)的每个辐射臂的对应方向上。

3.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述辐射单元(2)印刷在第一块介质基板(5)的下表面，十字型馈电结构(3)印刷在第一块介质基板(5)的上表面，寄生单元(4)印刷在第二块介质基板(6)的下表面，第二块介质基板(6)通过绝缘塑料柱固定在第一块介质基板(5)上方，第二块介质基板(6)和第一块介质基板(5)通过绝缘塑料柱固定连接的地方均设有非金属化过孔(9)用于为绝缘塑料柱提供固定支撑作用。

4.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述寄生单元(4)由一个圆形寄生贴片(41)印刷在第二块介质基板(6)的下表面。

5.根据权利要求4所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述寄生单元(4)中心和所述辐射单元(2)中心均处于同一中心轴上，第二块介质基板(6)放置在第一块介质基板(5)上方，两者之间的距离为0.034λ；所述圆形寄生贴片(41)为金属材料，所述圆形寄生贴片(41)的直径为0.147λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

6.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述第一块介质基板(5)和第二块介质基板(6)均采用FR4高频板材，介电常数为4.4，损耗正切为0.02，厚度均为1mm。

7.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：在对应辐射单元(2)的位置上方的寄生单元(4)上设有的开槽缝隙(42)的长度为0.07λ，宽度为0.147-0.029λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

8.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述第一块介质基板(5)的下表面安装的辐射单元(2)与反射板(7)距离为0.24λ，其中λ为中心频点2.2GHz的真空波长。

9.根据权利要求1所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述同轴线(8)穿过第一块介质基板(5)，其中，同轴线(8)外导体与辐射单元(2)连接，同轴线(8)内导体与十字型馈电结构(3)尾部连接。

10.根据权利要求9所述的层叠式差分宽带基站天线，其特征在于：所述同轴线(8)一共有四根，包括第一根同轴线(81)、第二根同轴线(82)、第三根同轴线(83)和第四根同轴线(84)；其中，第一根同轴线(81)外导体与辐射单元(2)的第一辐射臂(21A)连接，第一根同轴线(81)的内导体与十字型馈电结构(3)位于第一辐射臂(21A)方向上的尾部连接，第二根同轴线(82)外导体与辐射单元(2)的第二辐射臂(21B)连接，第二根同轴线(82)的内导体与十字型馈电结构(3)位于第二辐射臂(21B)方向上的尾部连接，第三根同轴线(83)外导体与辐射单元(2)的第三辐射臂(21C)连接，第三根同轴线(83)的内导体与十字型馈电结构(3)位于第三辐射臂(21C)方向上的尾部连接，第四根同轴线(84)外导体与辐射单元(2)的第四辐射臂(21D)连接，第四根同轴线(84)的内导体与十字型馈电结构(3)位于第四辐射臂(21D)方向上的尾部连接。

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