CN218867384U - 振子单元及基站天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了振子单元及基站天线，振子单元包括第一介质基板、第二介质基板、接地面、设置在第一介质基板上的小口径辐射面以及设置在第二介质基板上的双巴伦电路；小口径辐射面包括两个相互正交极化的偶极子天线辐射体、若干个设置在偶极子天线辐射体的每一臂上的高阶滤波电路以及若干个连接相邻两个高阶滤波电路之间的匹配电路；双巴伦电路与偶极子天线辐射体电性连接，用于同时控制两个偶极子天线辐射体；第二介质基板的一端与第一介质基板连接、另一端与接地面之间具有间隙，用于支撑第一介质基板；通过上述结构实现了天线的小口径设计，同时提高了天线的增益。

Description

振子单元及基站天线

技术领域

本实用新型涉及基站天线领域，特别涉及振子单元及基站天线。

背景技术

随着通讯技术的快速发展，人们对于信息传输提出了更高的要求；在追求小型化的设计时，需要考虑到天线辐射特性的变化，天线的尺寸大小改变会降低覆盖频段、增益、方向图、驻波的情况。

对于工作在多天线阵列系统中的天线振子，除了要考虑自身性能外，还要考虑其对其他天线的影响；当天线小型化后，若能保证该天线上对其他振子滤波的功能不变，则从综合角度来看，该天线毫无疑问对于其他振子的影响会减小；但事实上，当天线小型化后，为了保证其自身辐射性能和电路匹配达标，工程师往往会牺牲其他额外功能，如跨带滤波能力、结构整体稳定性等；为了保障天线各方面性能优异的基础上，减少其口径及制作成本，各家厂商做了不懈努力；2021年，中信科公司提供了一种天线，其辐射面物理口径约120mm*120mm，高度为90mm，在采用了国内板材商提供的中高成本板材的基础上，实现了对1.7-2.7GHz中部分频带滤波的同时，在0.69-0.96GHz良好工作；然而上述天线由于电路设计的限制，无法在更小的口径上良好工作，导致其对附近其他天线单元产生明显影响，且该滤波电路无法良好的滤除1.7-2.7GHz整个频段内的所有电波。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种振子单元及基站天线。

本实用新型的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：振子单元，包括第一介质基板、第二介质基板、接地面、设置在第一介质基板上的小口径辐射面以及设置在第二介质基板上的双巴伦电路；

小口径辐射面包括两个相互正交极化的偶极子天线辐射体、若干个设置在偶极子天线辐射体的每一臂上的高阶滤波电路以及若干个连接相邻两个高阶滤波电路之间的匹配电路；

双巴伦电路与偶极子天线辐射体电性连接，用于同时控制两个偶极子天线辐射体；

第二介质基板的一端与第一介质基板连接、另一端与接地面之间具有间隙，用于支撑第一介质基板。

进一步地，高阶滤波电路由若干节串联电容电感电路和并联电容电感电路相互串联组成。

进一步地，双巴伦电路包括：

设置于第二介质基板的第一表面的带宽阻抗匹配电路以及与带宽阻抗匹配电路电性连接的开路枝节和短路枝节；

设置于第二介质基板的第二表面的接地电路，短路枝节与接地电路电性连接；

第一馈电点和第二馈电点；

第一馈电点通过金属化过孔与带宽阻抗匹配电路的一端连接，第二馈电点与带宽阻抗匹配电路的另一端连接。

进一步地，金属化过孔设置为双排孔。

进一步地，振子单元还包括与带宽阻抗匹配电路电性连接的低通滤波电路以及耦合于带宽阻抗匹配电路和低通滤波电路之间的缝隙带线电路。

进一步地，第二介质基板设置为双面覆铜的单层PCB板。

进一步地，小口径辐射面的尺寸小于0.23λ*0.23λ*0.2mm。

进一步地，偶极子天线辐射体的单臂口径小于0.11λ*0.11λ。

基站天线，包括所述的振子单元。

本实用新型的有益效果：

1.采用小口径设计，提高了相邻同频阵元间的隔离度，提高抗干扰能力；

2.设计了一种高阶滤波电路，对阵列中工作在其他宽频带的天线进行跨带滤波，并在保证宽频跨带滤波的同时，增大了天线辐射面的电长度，进而实现了天线的小口径设计，并增加了天线的增益；

3.相比于同频段的辐射特性的阵子，尺寸小型化，或者也可以说，同尺寸下，提高了辐射特性；

4.采用低成本巴伦基板设计，在单块巴伦基板上集成了两组巴伦电路，分别控制+/-45°极化辐射体，通过本实用新型的匹配电路，成功减小了天线的高度，并减小了天线整体的建造成本；

5.本实用新型提供实施例的辐射面尺寸小于0.23λ*0.23λ*0.2mm，距反射板高度仅0.19λ，偶极子单臂口径小于0.11λ*0.11λ，设计者可利用本实用新型思路，进一步将其口径减小，做到超小型化；可采用FR4板材，成本低，工艺简单，适合大批量生产。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为振子单元的电路结构图；

图2为第一介质基板和小口径辐射面的俯视图；

图3为第二介质基板和双巴伦电路的结构图；

图4为匹配电路的电路图；

图5为振子单元第一实施例的仿真电压驻波比结果图；

图6为振子单元第一实施例仿真得出的方向图；

图7为振子单元第一实施例的实测电压驻波比结果图；

图8为振子单元第二实施例的阵元图；

图9为振子单元第三实施例的阵元图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

本实用新型中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图9，振子单元，包括第一介质基板10、第二介质基板20、接地面30、设置在第一介质基板10上的小口径辐射面40以及设置在第二介质基板20上的双巴伦电路50；

小口径辐射面40包括两个相互正交极化的偶极子天线辐射体41、42、若干个设置在偶极子天线辐射体41、42的每一臂上的高阶滤波电路43以及若干个连接相邻两个高阶滤波电路43之间的匹配电路44；

双巴伦电路50与偶极子天线辐射体41、42电性连接，用于同时控制两个偶极子天线辐射体41、42；

第二介质基板20的一端与第一介质基板10连接、另一端与接地面30之间具有间隙，用于支撑第一介质基板10。

1、参照图1，为本实用新型的电路结构图，该天线工作在0.69-0.96GHz，其电路模块由小口径辐射面40和双巴伦电路50组成，其中，小口径辐射面40搭载在第一介质基板10上，双巴伦电路50搭载在第二介质基板20上，第一介质基板10和第二介质基板20优选地采用低成本国产FR4板材，其介电常数均为4.4，但不局限于FR4材料，若采用精度和损耗更小的高性能板材，则该天线的性能会更加优异；第一介质基板10的尺寸为100mm*100mm*0.2mm，第二介质基板20的尺寸为23mm*84mm*0.762mm，可以看到的是，该天线的结构非常精简，且成本很低；需要说明的是，小口径天线，是指通过物理或化学方法，使天线保持电长度不变、工作频段不变的情况下，整体长宽高比常规天线小很多的天线，此处“口径”，指天线辐射面的最大物理横截面积，本实用新型所指的小口径天线，特指偶极子天线，经过本实用新型的技术方案，可使工作在同频段的半波长偶极子口径缩小25％。

2、由图1和2可知，小口径天线辐射面40上具有多节高阶滤波电路43，多节高阶滤波电路43近乎均匀的分布在偶极子天线辐射体41、42的每一臂上，并靠近偶极子天线辐射体41、42单臂的末端；该高阶滤波电路43采用了串联电感电容电路和并联电感电容电路相互串联的混接方式，使带阻滤波电路的带宽被放大，进一步的，经过仿真验证，该高阶滤波电路43，可以将从工作在1.4-2.7GHz的外来电波滤除，使天线可以放置在工作在1.4-2.7GHz与0.69-0.96GHz的多频双极化多天线阵列的基站天线中；

3、如图2所示，通过高阶滤波电路43及匹配电路44，匹配电路44优选的电路,参照图4，可将该辐射面在尽可能小的口径上，做成半波长偶极子天线，例如本实用新型优选实施例中的辐射面，其口径仅有100mm，可用在十分紧凑的基站天线阵列中，减小了同类天线间的互耦，以及减少对工作在其他频段的天线的遮挡；

4、由于使用了高阶滤波电路43，使得天线的阻抗难以匹配，因此，本实用新型使用了多种匹配电路，并将控制天线双极化的电路集成在同一块第二介质基板20上，优选的，第二介质基板20设置为双面覆铜的单层PCB板，将控制天线双极化的电路统称为双巴伦电路50；如图3所示，双巴伦电路50馈进小口径天线辐射面40的4个馈电点，均匀分布在双巴伦电路50的最上方，分别对应图2中的55-A、55-B、55-C、55-D，馈电点下是4段较宽带线，其作用在于：1、通过金属化过孔573和576连接宽带阻抗匹配电路51，将电流引导至小口径天线辐射面40的两个馈电点55-A和55-B上；2、通过金属化过孔571、572、574、575、577、578将相位经巴伦滞后90°的电流引导至小口径天线辐射面40的另外两个馈电点55-C和55-D上；3、对电流进行阻抗匹配；作为金属化过孔的优选实施例，金属化过孔采用了双排孔的形式，经过仿真和实测，证明其比单排过孔的电路阻抗带宽更宽，电路损耗更小；

5、图3中的双巴伦电路50所流进的电流，是由外部电缆通过第二馈电点56流入的，短路枝节53将部分电流从宽带阻抗匹配电路51导向位于第二介质基板20的第二表面的接地电路54，能够防止电流逆流回第二馈电点56，从而造成不必要的损耗以及功率过载；

6、本实用新型对双巴伦电路50使用了大量的并联RLC电路，如宽带阻抗匹配电路51和开路枝节52，通过在宽带阻抗匹配电路51的不同位置添加可等效为并联电容的电路，对电路在不同频点上进行阻抗匹配，使天线得以在698-960MHz低损耗工作，而为了保证该天线的S参数在698-960MHz小于-15dB，需要引入与宽带阻抗匹配电路51电性连接的低通滤波电路61，并在其中耦合一条带状线，形成缝隙带线电路62，使天线的相对阻抗带宽拓宽了约5％；

7、经过一系列仿真与优化，该天线的最终电压驻波比(VSWR)仿真结果如图5所示，其电压驻波比在工作频段内均小于1.4；而方向图如图6所示，该天线在0.69-0.96GHz内的指向角增益在8.5-9.0dBi范围内，经过打样后实测得出，该天线的电压驻波比如图7所示，可以正常在上述工作频段内使用；

8、本实用新型的第二实施例如图8所示，将一个搭载本实用新型的天线(命名为LBA)与4个工作在1.4-2.7GHz的天线阵元(命名为HBA)紧凑的组合在一个反射板上；由于使用了本实用新型，使得当HBA位于LBA下方时，其辐射出的波束也不会受到LBA明显的影响，经过仿真和实测，并选择了L1分别为110mm、120mm、130mm时，对阵列的方向图进行测试，结果证明：在搭载本实用新型时，HBA的方向图始终呈“0”型无畸变；需注意的是，上述第二实施例中的3种L1尺寸，仅是为对L1进行抽样仿真和实测所用，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，对图8阵列所采用的其他L1值所进行的仿真与实测，所得出的成果，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内；并且上述第二实施例中所涉及的阵列拓扑数量，仅是为抽样进行仿真和实测所用，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，对图8阵列进行扩充阵元数或减少阵元数所进行的仿真与实测，所得出的成果，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内；

9、本实用新型的第三实施例如图9所示，将16个搭载本实用新型的天线(命名为LB)与64个工作在1.4-2.7GHz的天线阵元(命名为HB)紧凑的组合在一个反射板上，由于使用了本实用新型，使得两列LBA之间的最小间距被相对地拉大了，经过仿真和实测，并选择了当+L2分别为210mm、220mm、230mm、240mm时，对阵列方向图和两列LB间的隔离度进行测试；结果证明：在搭载本实用新型时，HB和LB的方向图始终呈“0”型无畸变，两列LB间的隔离度始终保持在-25dB以下；需注意的是，上述第三实施例中的4种L2尺寸，仅是为对L2进行抽样仿真和实测所用，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，对图9阵列所采用的其他L2值所进行的仿真与实测，所得出的成果，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内；并且上述第三实施例中所涉及的阵列拓扑数量，仅是为抽样进行仿真和实测所用，任何熟悉本并不能技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，对图9阵列进行扩充阵元数或减少阵元数所进行的仿真与实测，所得出的成果，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

高阶滤波电路43由若干节串联电容电感电路和并联电容电感电路相互串联组成。

双巴伦电路50包括：

设置于第二介质基板20的第一表面的带宽阻抗匹配电路51以及与带宽阻抗匹配电路51电性连接的开路枝节52和短路枝节53；

设置于第二介质基板20的第二表面的接地电路54，短路枝节53与接地电路54电性连接；

第一馈电点55和第二馈电点56；

第一馈电点55通过金属化过孔57与带宽阻抗匹配电路51的一端连接，第二馈电点56与带宽阻抗匹配电路51的另一端连接，外部电缆接入第二馈电点56。

金属化过孔57设置为双排孔。

小口径辐射面40的尺寸小于0.23λ*0.23λ*0.2mm。

偶极子天线辐射体41、42的单臂口径小于0.11λ*0.11λ。

基站天线，包括所述的振子单元。

当然，本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形和替换均包含在本实用新型权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.振子单元，其特征在于：包括第一介质基板(10)、第二介质基板(20)、接地面(30)、设置在所述第一介质基板(10)上的小口径辐射面(40)以及设置在所述第二介质基板(20)上的双巴伦电路(50)；

所述小口径辐射面(40)包括两个相互正交极化的偶极子天线辐射体(41、42)、若干个设置在所述偶极子天线辐射体(41、42)的每一臂上的高阶滤波电路(43)以及若干个连接相邻两个所述高阶滤波电路(43)之间的匹配电路(44)；

所述双巴伦电路(50)与所述偶极子天线辐射体(41、42)电性连接，用于同时控制两个所述偶极子天线辐射体(41、42)；

所述第二介质基板(20)的一端与所述第一介质基板(10)连接、另一端与所述接地面(30)之间具有间隙，用于支撑所述第一介质基板(10)。

2.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于：所述高阶滤波电路(43)由若干节串联电容电感电路和并联电容电感电路相互串联组成。

3.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于，所述双巴伦电路(50)包括：

设置于所述第二介质基板(20)的第一表面的带宽阻抗匹配电路(51)以及与所述带宽阻抗匹配电路(51)电性连接的开路枝节(52)和短路枝节(53)；

设置于所述第二介质基板(20)的第二表面的接地电路(54)，所述短路枝节(53)与所述接地电路(54)电性连接；

第一馈电点(55)和第二馈电点(56)；

所述第一馈电点(55)通过金属化过孔(57)与所述带宽阻抗匹配电路(51)的一端连接，所述第二馈电点(56)与所述带宽阻抗匹配电路(51)的另一端连接，外部电缆接入所述第二馈电点(56)。

4.根据权利要求3所述的振子单元，其特征在于：所述金属化过孔(57)设置为双排孔。

5.根据权利要求3所述的振子单元，其特征在于：还包括与所述带宽阻抗匹配电路(51)电性连接的低通滤波电路(61)以及耦合于所述带宽阻抗匹配电路(51)和低通滤波电路(61)之间的缝隙带线电路(62)。

6.根据权利要求3所述的振子单元，其特征在于：所述第二介质基板(20)设置为双面覆铜的单层PCB板。

7.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于：所述小口径辐射面(40)的尺寸小于0.23λ*0.23λ*0.2mm。

8.根据权利要求1所述的振子单元，其特征在于：所述偶极子天线辐射体(41、42)的单臂口径小于0.11λ*0.11λ。

9.基站天线，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的振子单元。

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