CN109994817A - 一种超宽带双极化基站天线 - Google Patents
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Abstract
一种超宽带双极化基站天线，包括第一介质基板、上层金属层、下层金属层、金属反射板、同轴线和支撑柱；第一介质基板由至少四个支撑柱支撑在金属反射板上，第一介质基板由同轴线直接馈电；上层金属层和下层金属层分别印刷在第一介质基板的上表面和下表面；在上层金属层和下层金属层上分别印制两个呈交叉分布的偶极子天线；位于上层金属层的两对偶极子天线与位于下层金属层的两对偶极子天线位置对应。交叉分布的偶极子天线均为双方形环结构，引入三种模式，极大地拓展带宽，从而实现超宽带特性；交叉分布的偶极子天线均为双环结构，外环为方形，内环为环形，引入三种模式，极大地拓展带宽，从而实现超宽带特性。
Description
技术领域
本发明涉及天线工程领域，具体涉及一种超宽带双极化基站天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，双极化天线已经被广泛应用于无线通信系统中，以缓解信号的多径效应衰落，提高信道容量。在2G/3G/4G基站应用中，拥有高隔离、高交叉极化比和稳定的半功率波束宽度(65±5°)的宽带(1.7-2.7 GHz)双极化天线通常采用，以满足严格的实际应用需求。随着第五代(5G)无线通信系统等新型无线系统的出现，研究设计覆盖5G频段(3.4-3.6GHz)和 2G/3G/4G频段(1.7-2.7GHz)的超宽带双极化天线迫在眉睫。因此，为了缩小无线通信设备的安装体积和较少加工成本，设计小型化、宽频带、高隔离度、高交叉极化比和具有稳定辐射方向图的基站天线，已经成为天线研究者的挑战。基站天线主要有以下三种形式：微带贴片天线，电磁偶极子天线，交叉偶极子天线。微带贴片天线存在很多缺点：带宽很难满足1.71-3.6GHz，较高的交叉极化比，频带内方向图随频率变化较大。电磁偶极子天线虽然性能优异，然而结构复杂，体积较大。交叉偶极子目前被广泛地应用于无线通信系统，因为拥有以下几个优势：适合的工作带宽，稳定的辐射方向图，平面化易于加工。然而，随着通信系统的要求逐渐增高，具有覆盖2G/3G/4G/5G的超宽带基站天线依旧是研究的热门课题。
B.Feng等人在IEEE Access(vol.6,pp.36083-36091,Jul.2018)上发表了题为“ABeamwidth Reconfigurable Antenna Array With Triple Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole Elements”的文章，基于电磁偶极子设计了一种覆盖1.7-3.6GHz的天线，然而，天线结构不是平面结构，加工较为复杂，辐射口径为65.9mm×65.9mm，天线的VSWR为2。R.Wu等人在Electron. Lett.(vol.54,no.10,pp.614-616,May 2018)上发表的题为“Multi-mode broadband antenna for 2G/3G/LTE/5G wireless communication”中介绍了一种耦合馈电的交叉偶极子天线，该天线具有三种模式在1.7-3.6GHz的带宽内驻波比小于2，然而，该天线驻波同样大于1.5。
Y.Cui等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.66,no.12,pp. 7368-7373,Dec.2018)发表了“Bandwidth Enhancement of a Broadband Dual-Polarized Antennafor 2G/3G/4G and IMT Base Stations”一文，该天线采用在天线表面开槽和天线上方寄生的方式，将天线带宽拓展至67％，然而，天线高度较高，天线加工复杂，天线辐射方向图在1.7-2.7GHz的频段内波束宽度不稳定。L.-H.Wen等人在IEEE Access(vol.6,pp.39725-39733,Jul.2018) 发表了“A Wideband Dual-Polarized Antenna Using ShortedDipoles”一文，该天线馈电结构采用耦合巴伦馈电结构，对短路偶极子进行馈电，天线尺寸较小，49mm×49mm，天线高度35m，天线易于加工，驻波小于1.5，然而，天线在高频波束较宽，增益下降明显，在主辐射±60°的方向上，交叉极化比较差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种超宽带双极化基站天线，具体技术方案如下：一种超宽带双极化基站天线，其特征在于：包括第一介质基板(1)、上层金属层(2)、下层金属层(3)、金属反射板(4)、同轴线(5)和支撑柱(6)；
所述第一介质基板(1)由至少四个支撑柱(6)支撑在所述金属反射板(4) 上，所述第一介质基板(1)由同轴线(5)直接馈电；
所述上层金属层(2)和所述下层金属层(3)分别印刷在所述第一介质基板(1)的上表面和下表面；
在所述上层金属层(2)和所述下层金属层(3)上分别印制两个呈交叉分布的偶极子天线；
位于所述上层金属层(2)的两对偶极子天线与位于所述下层金属层(3) 的两对偶极子天线位置对应；
所述偶极子天线包括两个呈镜像对称的外矩形结构，两个所述外矩形结构的第一角分别连接在一起；
在所述外矩形结构内部套设有内矩形结构，所述内矩形结构的第一角插入所述外矩形结构的第一角中；
位于所述内矩形结构第一角的两边紧邻位于所述外矩形结构第一角的两边。
为更好的实现本发明，可进一步为：两个偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构。
进一步地：所述偶极子天线包括两个呈镜像对称的外矩形结构，两个所述外矩形结构的第一角分别连接在一起，在所述外矩形结构内部套设有环形结构。
进一步地：所述支撑柱(6)为尼龙塑料柱。
本发明的有益效果为：第一，交叉分布的偶极子天线均为双方形环结构，引入三种模式，极大地拓展带宽，从而实现超宽带特性；
第二，交叉分布的偶极子天线均为双环结构，外环为方形，内环为环形，引入三种模式，极大地拓展带宽，从而实现超宽带特性；
第三，交叉偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构，极大地改善了天线的匹配；
第四，交叉偶极子采用双层金属，介质板的上下金属层各印制两对交叉偶极子，起到了耦合馈电的效果，极大的改善了匹配。
附图说明
图1是本发明实施例1中天线的侧视图；
图2是图1中的各部分分解之后整体示意图；
图3是图1的俯视图示意图；
图4为实施例1中的驻波VSWR和隔离度的仿真与测试结果示意图；
图5为实施例1中的波束宽度和增益的仿真与测试结果示意图；
图6为实施例1中的1.7GHz、2.7GHz、3.4GHz、3.6GHz四个频点的水平面辐射方向；
图7是本发明实施例2中天线的侧视图；
图8是图7的俯视图示意图；
图9是实施例2中的驻波比VSWR和隔离度的仿真与测试结果示意图；
图10是实施例2中的波束宽度和增益的仿真与测试结果示意图；
图11是实施例2中的2.4GHz、3.5GHz、5.5GHz三个频点的水平面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1至图3所示，为本实施例1中的具体结构：
一种宽带小型化双极化高隔离度基站天线，包括FR-4介质基板1、上层金属层2、下层金属层3、金属反射板4、同轴线5和尼龙塑料柱6；
FR-4介质基板1由至少四个尼龙塑料柱6支撑在金属反射板4上，FR-4介质基板1由同轴线5直接馈电；
上层金属层2和下层金属层3分别印刷在FR-4介质基板1的上下层，上层金属层2和下层金属层3通过8个短路针7相连，同轴线的正极与上层金属层相连，通过上层金属层2的过度金属带8馈电到天线的正极，同轴线的负极与下层金属层3相连。
在上层金属层2和下层金属层3上均印制有两个呈交叉分布的偶极子天线。
实施例1中采用的参数为，上层金属层2和下层金属层3的交叉偶极子大小相同，边长总长度均为49mm，上下金属层均印制交叉的两对偶极子，交叉的偶极子之间的间距从中心到边缘是逐渐变大的，曲线呈指数形。FR-4介质基板1 的厚度为1mm，介电常数为4.4。天线到金属反射板4的距离为35mm。金属反射板4的大小为145mm×145mm。同轴线5为标准同轴线，内径0.52mm。
图4是所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线的驻波VSWR和隔离度的仿真与测试结果示意图。在1.7-3.7GHz的频率范围内，天线的驻波VSWR小于 1.5，同时隔离度大于28dB，仿真与测试的结果吻合的很好。
图5为所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线的水平面波束宽度和天线增益的仿真与测试结果示意图。在1.7-2.7GHz的频率范围内，天线的辐射方向图在水平面的波束宽度在65°左右，天线的增益约为8.5dBi，仿真与测试的结果吻合的很好。
图6为所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线在1.7GHz、2.7GHz、3.4GHz、3.6GHz四个频点的水平面的辐射方向图，四个频点的主极化和交叉极化比大于 23dB，辐射方向图稳定，仿真与测试的结果吻合的很好。
如图7至图8所示，为本实施例2中的具体结构：
该实施例2相对实施例1中的区别技术特征在于，所述偶极子天线包括两个呈镜像对称的外矩形结构，两个所述外矩形结构的第一角分别连接在一起，在所述外矩形结构内部套设有环形结构。
本实施例2的参数为，上层金属层2和下层金属层3的交叉偶极子大小相同，边长总长度均为35.2mm，上下金属层均印制交叉的两对偶极子，交叉的偶极子之间的间距从中心到边缘是逐渐变大的，曲线呈指数形。Rogers-4350介质基板 1的厚度为1mm，介电常数为3.66。天线到金属反射板4的距离为19.5mm。金属反射板4的大小为80mm×80mm。同轴线5为标准同轴线，内径0.52mm。
图9是所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线的驻波比VSWR和隔离度的仿真与测试结果示意图。在2.4-6.4GHz的频率范围内，天线的驻波比VSWR 小于2，相对带宽达到92％，同时隔离度大于28dB，仿真与测试的结果吻合的很好。
图10为所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线的水平面波束宽度和天线增益的仿真与测试结果示意图。在2.4-5.85GHz的频率范围内，天线的辐射方向图在水平面的波束宽度在65°左右，天线的增益在低频频段约为8.5dBi，高频频段有所下降，仿真与测试的结果吻合的很好。
图11为所发明的宽带小型化双极化高隔离度天线在2.4GHz、3.5GHz、 5.5GHz、三个频点的水平面的辐射方向图，三个频点的主极化和交叉极化比大于23dB，辐射方向图稳定，仿真与测试的结果吻合的很好。
Claims (4)
1.一种超宽带双极化基站天线，其特征在于：包括第一介质基板(1)、上层金属层(2)、下层金属层(3)、金属反射板(4)、同轴线(5)和支撑柱(6)；
所述第一介质基板(1)由至少四个支撑柱(6)支撑在所述金属反射板(4)上，所述第一介质基板(1)由同轴线(5)直接馈电；
所述上层金属层(2)和所述下层金属层(3)分别印刷在所述第一介质基板(1)的上表面和下表面；
在所述上层金属层(2)和所述下层金属层(3)上分别印制两个呈交叉分布的偶极子天线；
位于所述上层金属层(2)的两对偶极子天线与位于所述下层金属层(3)的两对偶极子天线位置对应；
所述偶极子天线包括两个呈镜像对称的外矩形结构，两个所述外矩形结构的第一角分别连接在一起；
在所述外矩形结构内部套设有内矩形结构，所述内矩形结构的第一角插入所述外矩形结构的第一角中；
位于所述内矩形结构第一角的两边紧邻位于所述外矩形结构第一角的两边。
2.根据权利要求1所述一种超宽带双极化基站天线，其特征在于：两个偶极子之间的间距采用指数曲线渐变结构。
3.根据权利要求1所述一种超宽带双极化基站天线，其特征在于：所述偶极子天线包括两个呈镜像对称的外矩形结构，两个所述外矩形结构的第一角分别连接在一起，在所述外矩形结构内部套设有环形结构。
4.根据权利要求1所述一种超宽带双极化基站天线，其特征在于：所述支撑柱(6)为尼龙塑料柱。
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