CN217062493U - 天线匹配电路、巴伦支撑及小型化天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种天线匹配电路、巴伦支撑及小型化天线，本实用新型采用多级耦合馈电的方式，解决了全波偶极子天线工作频带内阻抗曲线振幅过大的问题；同时，本实用新型能够在尺寸较小的天线上完成匹配，且可灵活采用多种设计方法，在降低天线高度的情况下依旧保持阻抗带宽不减小；而且，本实用新型利用多级耦合馈电结构配合多个宽带匹配电路的形式，使得尽管工作频带内阻抗方差较大的全波偶极子天线依旧能够覆盖0.69~0.96 GHz，相比当前国内外同领域技术，本实用新型所需成本更低，实现方法更简易，所达到的效果更优异。

Description

天线匹配电路、巴伦支撑及小型化天线

技术领域

本实用新型属于小型化天线技术领域，具体涉及天线匹配电路、巴伦支撑及小型化天线。

背景技术

随着5G通信技术的快速发展，基站的集成化和小型化变成了国内外通信运营商主要研究的方向之一，在5G基站中分布0.69~0.96 GHz、1.7~2.7 GHz、3.3~3.8 GHz频段的天线，需要阵元实现高增益，高隔离，抗干扰，低损耗等效果。对于工作在0.69~0.96 GHz的天线，其体积过大，是小型化的重点研究对象；然而，随着辐射面越小，天线的增益也越低，于是，小型双极化全波偶极子天线便成为了各大天线设备制造商的重点研究对象。

为了解决全波偶极子天线带宽窄的问题，当今国内外有很多学者都对其进行了研究，并发表了多篇文章及专利。2019年悉尼科技大学发表过一篇文章，针对全波偶极子天线的匹配电路进行设计，对全波偶极子天线工作频段内的“逆谐振点”进行处理，并通过并联LC电路增加带宽，然而该设计只适用于“逆谐振点”阻抗较低的情况，当“逆谐振点”电阻值与频段内电阻最小值的差值超过300 Ω，便无法在较宽的频带上完成匹配；2020年Chu和Chang在IEEE上发表了一篇文章，在天线匹配电路上增加一段特别设计的低通滤波器，可在不影响原有带宽的情况下，在频带左/右侧新增一个谐振点，进而将带宽增加约百分之二十，然而该方法需要对较长的微带线段进行设计。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种天线匹配电路、巴伦支撑及小型化天线，本实用新型的天线匹配电路在不降低天线带宽的情况下，将天线在工作频段内的阻抗曲线变得尽可能平滑；之后，再通过多种宽带匹配电路的组合，使天线工作带宽明显增加。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：天线匹配电路，连接在天线辐射体与馈电线之间，所述天线匹配电路包括连接至天线辐射体的多级耦合馈电结构以及连接至馈电线的巴伦电路，所述的多级耦合馈电结构与巴伦电路之间以及巴伦电路与馈电线之间均可选择性的设置有用于拓宽电路带宽的宽带匹配电路。

进一步的，多级耦合馈电结构由若干依次连接的耦合馈电单元组成，每个耦合馈电单元均包括至少一个电容性元件和至少一个电感性元件，且相邻元件之间为串接连接。

进一步的，其中一个宽带匹配电路上连接有用于接地的短路线。

进一步的，所述宽带匹配电路为由弯折线和/或阶梯型带线组成的带线电路结构。

进一步的，所述带线电路结构上还串接有微带阻抗渐变段。

进一步的，所述微带阻抗渐变段上间隔设置有多个用于低通滤波的微带线枝节，且该微带线枝节的宽度不小于带线电路结构的宽度，长度远小于带线电路结构的长度。

进一步的，巴伦电路的输出端还连接有开路微带线。

本实用新型的巴伦支撑，包括两个正交设置的巴伦介质基板，每个巴伦介质基板上均设置有所述的天线匹配电路。

本实用新型的小型化天线，包括辐射件、巴伦支撑以及底板，所述巴伦支撑包括两个正交设置的巴伦介质基板，每个巴伦介质基板上均设置有所述的天线匹配电路，该天线匹配电路是通过在巴伦介质基板上印刷铜层来实现。

进一步的，所述底板包括用于安装巴伦介质基板的底板介质基板、设置在底板介质基板上的多条馈电线以及设置在底板介质基板底部并用于连接外部其他部件的同轴线，同轴线通过底板介质基板上的通孔将电流馈进馈电线。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用多级耦合馈电的方式，解决了全波偶极子天线工作频带内阻抗曲线振幅过大的问题；同时，本实用新型能够在尺寸较小的天线上完成匹配，且可灵活采用多种设计方法，在降低天线高度的情况下依旧保持阻抗带宽不减小；

2、本实用新型利用多级耦合馈电结构配合多个宽带匹配电路的形式，使得尽管工作频带内阻抗方差较大的全波偶极子天线依旧能够覆盖0.69~0.96 GHz，相比当前国内外同领域技术，本实用新型所需成本更低，实现方法更简易，所达到的效果更优异；

3、在带线电路结构的微带阻抗渐变段上穿插设置多个尺寸不一的较宽、较短的微带线，从而在原有工作频带内新增了多个谐振点，使带宽进一步拓宽；

4、其中一个宽带匹配电路上连接有用于接地的短路线，一方面可使天线阵元实现了可插拔，另一方面使天线在不接触基站大接地板的情况下也能保持应有的带宽不变小；

5、本实用新型实现方法简单，可在成本较低的天线上实现宽带宽匹配，并且在0.69~0.96 GHz，1.4~2.7 GHz，3.3~3.8 GHz均可使用，在未来多天线基站阵列中具有十分强的竞争力。

附图说明

图1为一种用于0.69~0.96 GHz的常规的正交双极化全波偶极子天线的Z参数仿真图；

图2为实施例中本实用新型的巴伦支撑的结构示意图；

图3为实施例中本实用新型的巴伦支撑在另一个角度下的结构示意图；

图4为实施例中本实用新型的天线匹配电路的简易电路模型图；

图5为实施例中天线匹配电路的正面示意图；

图6为实施例中天线匹配电路的背面示意图；

图7为实施例中耦合馈电结构的一种横向施展的耦合方式示意图；

图8为图7所示横向施展的耦合方式的多级耦合设计示意图；

图9为在图1所示的常规正交双极化全波偶极子天线上施加本实用新型的天线匹配电路时，该天线的S参数仿真图，LB_P1为负责天线45 °极化的端口，LB_P2为负责天线-45°极化的端口；

图10为在图1所示的常规正交双极化全波偶极子天线上施加本实用新型的天线匹配电路并激励LB_P1时，该天线在工作频段内部分频点的方向图；

图11为在图1所示的常规正交双极化全波偶极子天线上施加本实用新型的天线匹配电路并激励LB_P1时，该天线在工作频段内部分频点的主极化分量图和交叉极化分量图；

图12为实施例中小型化天线的结构示意图；

图13为没有加载匹配电路时，实施例中小型化天线的Z参数仿真图；

图14为没有加载匹配电路时，实施例中小型化天线的电压驻波比仿真图；

图15为加载匹配电路后，实施例中小型化天线的电压驻波比仿真图；

图16为一种由16个工作在1.4~2.7 GHz的天线（图中阵元A）和4个工作在0.69~0.96 GHz的天线（图中阵元B）所组成的阵列示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示为一种用于0.69~0.96 GHz的常规的正交双极化全波偶极子天线的Z参数仿真图，由图可知，该振子在工作频段内最大电阻和最小电阻差值约为800 Ω，最大电抗与最小电抗差值约为700 jΩ，辐射体偏感性，其“逆谐振点”的阻抗为(996.79+j*188.12)Ω，对于这种常规的正交双极化全波偶极子天线，常规匹配电路是很难在0.69~0.96 GHz上将其驻波匹配至1.4以下的。

对于图1所示的常规的正交双极化全波偶极子天线，图2和图3给出了一种巴伦支撑的结构示意图，图中，2-1为负责辐射45 °极化电场的辐射体之巴伦及匹配电路， 2-2为负责辐射-45 °极化电场的辐射体之巴伦及匹配电路，2-1与2-2所指代的两个巴伦及相应匹配电路，即为本实用新型中的天线匹配电路，其所在平面在空间上相互正交，因此可控制天线在空间中进行+/-45 °极化电场的辐射。2-3为承载两块巴伦及匹配电路的巴伦介质基板；2-4为馈电线，具体为50Ω馈线，用来连接匹配电路与同轴线，其中2-4 (a)连接2-1，2-4(b)连接2-2；2-5为承载馈电线2-4的底板介质基板，2-6为底板介质基板2-5背面的背腔，用来作为接地面；底板介质基板2-5的焊接点共2处，其可通过螺丝固定在基站上，实现阵元可插拔；连接外部其他部件的同轴线在巴伦介质基板2-5的背面，通过底板介质基板2-5上的通孔将电流馈进馈电线2-4，该实例的整体高度为83 mm，介质基板的材料可根据厂家具体生产情况而定，图2和图3中所使用的巴伦介质基板2-3以及用于承载巴伦支撑的底板介质基板2-5所使用的材料为ARLON系列基板，介电常数为3.0，若使用如ROGERS 5880等精度更高、损耗更小的介质基板，则该技术所带来的效果会更加优异。

由于全波天线在频段内电长度为1个波长的频点会产生“逆谐振点”，因此该天线在工作频段内电阻最大值与最小值之差会非常大。为了解决这个问题，对于2-1和2-2所指代的两个巴伦及相应匹配电路与天线辐射面之间的4个馈电位置，本实用新型所采用的馈电方法为耦合馈电，并且选取了辐射面所指电路中阻抗较小的位置作为馈电处。如图4所示，为本实用新型中的馈电方法的简易等效电路图，在馈电点前一级，本实用新型提供了一种多级耦合馈电结构，通过不断的使用电容性元件和电感性元件串联电路，将全波偶极子天线工作频段内的阻抗最大值与最小值之差减小，最终使驻波曲线变得平滑。

进一步的，如图5和图6所示，本实施例中的天线匹配电路是由6部分电路所组成，分别为多级耦合馈电结构4-1、由弯折线和/或阶梯型带线组成的带线电路结构4-2、以变压器电路为主的巴伦电路4-3、开路微带线4-4、中间穿插多个可等效为并联电容的微带线的阻抗渐变型微带电路结构4-5以及接地的短路线4-6，其中，多级耦合馈电结构4-1连接天线辐射体，阻抗渐变型微带电路结构4-5连接50欧姆微带线。进一步的，中间穿插多个可等效为并联电容的微带线的阻抗渐变型微带电路结构4-5可以等效的看成在由弯折线和/或阶梯型带线组成的带线电路结构4-2上串接微带阻抗渐变段，并在微带阻抗渐变段上间隔设置多个用于低通滤波的微带线枝节，为了达到最佳的使用效果，该微带线枝节的宽度不小于带线电路结构的宽度，长度远小于带线电路结构的长度，微带线枝节可等效为并联电容，该枝节结构可弥补阻抗渐变微带电路结构在阻抗变化范围上的不足，通过在微带电路中间穿插较宽较短的微带线枝节，相当于在不同频段增加了一个个低通滤波器，使谐振点增加，最终使带宽增加；接地短路线4-6可保证天线接地，因此天线无需焊接在基站阵列的大功分板上。

上述结构为本实用新型的一种实现形式，对于本实用新型而言，其中心思想是：通过多级耦合结构大幅将全波偶极子天线在工作频段内的驻波变化变得平缓，再使用多种宽带匹配电路，适当的组合在一起，将电路的带宽拓宽。经仿真与实测所得，与正常微带匹配电路相比，若使用该天线匹配电路结构，可将天线的带宽增加百分之三十四左右。

进一步的，天线匹配电路是通过在巴伦介质基板2-3以及底板介质基板2-5上印刷铜层来实现的，实例中的介质基板均为双面板，所用铜线最小宽度为0.7 mm，最大宽度为7mm。

随着近年来国内外天线生产商对天线高度和巴伦尺寸的要求越来越严格，因此天线的匹配电路应尽可能在较小的空间内完成。本实用新型中的多级耦合结构也可以横向施展，如图7所示，当电流流过点A进入巴伦电路中时，首先经过一条非常宽的带状线，它将电流引导至一个由两条带状线所组成的平板电容上，两条带状线分别位于介质基板的两侧面上，电流从其中一条带状线耦合至另一条，再通过一些带状线流入巴伦电路中。当然，该耦合结构也可以按具体需求做成多级电路，如图8所示，当电流被耦合到介质基板另一面上的带状线B上后，流经一定的路径，又被耦合回基板这一面上的另一块带状线C上，然后再流入巴伦电路中。

当天线辐射面阻抗如图1所示，所施加的天线匹配电路如图2所示时，则图1所示天线的仿真结果如图9-11所示，其中，图9为该天线双端口的S参数仿真图，LB_P1为负责天线45 °极化的端口，LB_P2为负责天线-45 °极化的端口；图10为激励LB_P1时该天线在工作频段内部分频点的方向图，图11为激励LB_P1时该天线在工作频段内部分频点的主极化分量图和交叉极化分量图。由图可知，搭载本实用新型的天线匹配电路可将图1中所示的常规的正交双极化全波偶极子天线的S参数在0.69~0.96 GHz内匹配至-15 dB以下，隔离度处于-30 dB以下，半功率波束宽度保持正常，增益保持在-8.5 dBi以上，交叉极化比在0 °保持在30 dB以上。

本实用新型的小型化天线，如图12所示，该小型化天线由天线辐射面7-1，承载辐射面的基板7-2，巴伦及匹配电路7-3，承载巴伦及匹配电路的基板7-4以及底板7-5组成，其中7-3、7-4、7-5与图2和图3中的2-1/2-2、2-3、2-5分别对应，原理相同，但尺寸不同，该小型化天线和巴伦支撑一样，均使用了本实用新型的天线匹配电路。

进一步的，本实例中，天线辐射面7-1的尺寸为130 mm*130 mm，高度为90 mm；其承载天线辐射面的基板7-2，所用材料为FR4系列的板材，成本非常低；底板7-5与图2和图3中的2-4 ~ 2-6所限定的底板结构一致，实现了阵元可插拔。

本实用新型的小型化天线，其天线辐射体7-1为双极化全波偶极子天线，在没有加载本实用新型的天线匹配电路时，其Z参数仿真结果如图13所示，其电压驻波比如图14；当加上本实用新型的天线匹配电路7-3并经过一系列优化调试后，其电压驻波比如图15所示，可见，本实用新型对于小型化后的全波偶极子基站天线同样适用。

进一步的，本实用新型的小型化天线对多端口天线依旧适用，不会对其端口间隔离度有任何恶劣影响，也不会对阵列中其他阵元有任何影响。如图16所示，为一种由16个工作在1.4~2.7 GHz的天线（图中阵元A）和4个工作在0.69~0.96 GHz的天线（图中阵元B）所组成的阵列，其中阵元B上搭载了本技术实用新型，经仿真与测试，该阵列可在0.69~0.96 GHz良好、高效地工作。此处需要说明的是，本实用新型的小型化天线可以使用在0.69~0.96GHz、1.4~2.7 GHz、3.3~3.8 GHz等多种频段中，针对特定的频带进行宽带匹配，整体成本较低，拆卸方便，在未来多天线基站阵列中具有十分强的竞争力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.天线匹配电路，连接在天线辐射体与馈电线之间，其特征在于：所述天线匹配电路包括连接至天线辐射体的多级耦合馈电结构以及连接至馈电线的巴伦电路，所述的多级耦合馈电结构与巴伦电路之间以及巴伦电路与馈电线之间均可选择性的设置有用于拓宽电路带宽的宽带匹配电路。

2.根据权利要求1所述的天线匹配电路，其特征在于：多级耦合馈电结构由若干依次连接的耦合馈电单元组成，每个耦合馈电单元均包括至少一个电容性元件和至少一个电感性元件，且相邻元件之间为串接连接。

3.根据权利要求2所述的天线匹配电路，其特征在于：其中一个宽带匹配电路上连接有用于接地的短路线。

4.根据权利要求3所述的天线匹配电路，其特征在于：所述宽带匹配电路为由弯折线和/或阶梯型带线组成的带线电路结构。

5.根据权利要求4所述的天线匹配电路，其特征在于：所述带线电路结构上还串接有微带阻抗渐变段。

6.根据权利要求5所述的天线匹配电路，其特征在于：所述微带阻抗渐变段上间隔设置有多个用于低通滤波的微带线枝节，且该微带线枝节的宽度不小于带线电路结构的宽度，长度远小于带线电路结构的长度。

7.根据权利要求3所述的天线匹配电路，其特征在于：巴伦电路的输出端还连接有开路微带线。

8.巴伦支撑，包括两个正交设置的巴伦介质基板，其特征在于：每个巴伦介质基板上均设置有如权利要求1-7任一项所述的天线匹配电路。

9.小型化天线，包括辐射件、巴伦支撑以及底板，所述巴伦支撑包括两个正交设置的巴伦介质基板，其特征在于：每个巴伦介质基板上均设置有如权利要求1-7任一项所述的天线匹配电路，该天线匹配电路是通过在巴伦介质基板上印刷铜层来实现。

10.根据权利要求9所述的小型化天线，其特征在于：所述底板包括用于安装巴伦介质基板的底板介质基板、设置在底板介质基板上的多条馈电线以及设置在底板介质基板底部并用于连接外部其他部件的同轴线，同轴线通过底板介质基板上的通孔将电流馈进馈电线。

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