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CN111883906A - 一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线 - Google Patents

一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线 Download PDF

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CN111883906A CN202010796574.XA CN202010796574A CN111883906A CN 111883906 A CN111883906 A CN 111883906A CN 202010796574 A CN202010796574 A CN 202010796574A CN 111883906 A CN111883906 A CN 111883906A
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Abstract

本发明涉及一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线，属于无线通信领域。该天线包括高频天线单元、低频天线单元、介质基板Ⅰ和反射板；高频天线单元由4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线组成；低频天线单元由2对叶状偶极子贴片、2条交叉正交的月牙形微带馈线以及一条矩形馈线桥组成；低频天线单元通过2条正交的月牙形微带馈线与偶极子贴片耦合进行馈电；反射板中的超表面结构通过金属贴片在介质基板Ⅱ上周期性排列而成；周期性结构为在矩形金属贴片上6×6的刻蚀4个“5”型缝隙的矩形贴片阵列。本发明解决了实现了馈电方式简单、容易实现、剖面高度低、多频化、可以实现5G/4G/3G多系统覆盖的基站天线。

Description

一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线。
背景技术
随着移动通信系统的快速发展，蜂窝无线网络中同时存在多种通信标准。在5G(第五代移动通信系统)已经商用但还不成熟而4G仍然是主要的通信制式的情况下，多制式系统共站址共存成为了未来必须解决的问题。同时，目前移动通信系统的基站天面资源稀缺，且很多居民地带基站林立也导致了对电磁辐射畏惧的居民排斥新的基站天线建设。所以目前基站天线的发展方向主要有以下几个方面：①多频带；②小型化；③宽频化。
目前主要的双频带双极化基站天线可以实现5G/4G/3G多系统覆盖，同时双极化可以实现极化分集，减少多径衰落和干扰，提高通信系统的信道容量。2017年工信部发布了24.75GHz-27.5GHz频段作为我国5G技术研发试验的毫米波频段。同时覆盖3G，4G和5G毫米波频段的多频双极化天线在5G移动通信系统中具有巨大的应用前景。
现有的基站天线主要采用以下技术：(1)高/低频天线单元采用组合的形式，如高低频单元“肩并肩”嵌套排列和在碗状低频单元中心共轴嵌套高频单元等形式，实现双频双极化；(2)通过加载谐振器或寄生枝节与原有的馈电枝节之间进行耦合，引入新的谐振模式，实现天线的多频化；(3)加载短路墙或探针使得天线可以在四分之一波长处谐振，从而减小了天线尺寸达到小型化的效果；(4)采用曲流技术将天线辐射振子进行弯折或者是在振子上开槽，在电尺寸不变的情况下增加电流路径，减小天线尺寸实现了天线的小型化。
但是，现有技术存在以下缺点：现有的基站天线采用加载谐振器或者是寄生枝节来引入新的谐振模式拓宽频带会导致方向图带宽问题；高低频单元的“肩并肩”排布和共轴嵌套会存在高低频互耦导致隔离度较低且方向图不对称等问题；加载短路墙或者是短路探针会降低天线的效率和增益特性；增加介质基板介电常数通常也可以在谐振频率不变的情况下减小天线的尺寸，但过大的介电常数会损耗大量能量，造成天线的增益不高以及发射的信号出现时域波形失真等问题；通过曲流技术实现天线的小型化会增加天线辐射体部分的横向尺寸，辐射体结构不对称也会导致交叉极化过大从而造成天线的方向性恶化。
因此，目前亟需一种馈电方式简单、容易实现、剖面高度低、多频化、可以实现5G/4G/3G多系统覆盖，适应当前第五代移动通信系统的高低频复合结构基站天线。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线，满足第五代移动通信业务更严格的性能需求，在有限的空间内部署性能优良且覆盖更多频段以至于满足多制式的通信系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线，包括高频天线单元、低频天线单元和介质基板Ⅰ；
所述高频天线单元由4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线1组成，设置在介质基板Ⅰ上表面；
所述低频天线单元由2对叶状偶极子贴片3、2条交叉正交的月牙形微带馈线2以及一条矩形馈电桥组成，其中月牙形微带馈线设置在介质基板Ⅰ上表面，叶状偶极子贴片和矩形馈电桥设置在介质基板Ⅰ下表面；低频天线单元通过2条正交的月牙形微带馈线与叶状偶极子贴片耦合进行馈电；
高频天线单元与低频天线单元独立馈电。
进一步，该天线还包括从上至下采用超表面结构-介质基板Ⅱ-空气-金属板四层结构的反射板；超表面结构由人工磁导体实现，通过金属贴片在介质基板Ⅱ上周期性排列而成；其中，周期性结构为在矩形金属贴片上6×6的刻蚀4个“5”型缝隙的矩形贴片阵列。
进一步，所述4×4的矩形微带阵列天线1通过1个馈电中心焊盘101和2个微带线Ⅲ106将4个微带阵列单元连接在一起；每个微带阵列单元包括4个高频贴片单元102、1个弓形微带线103、2个微带线Ⅰ104和微带线Ⅱ105；
所述高频贴片单元102呈凹形；所述弓形微带线103两端分别连接两个高频贴片单元102的凹槽中部；所述微带线Ⅰ104粗端与弓形微带线103中部连接，细端与微带线Ⅱ105粗端连接；所述微带线Ⅱ105粗端通过四分之一圆弧与两个微带线Ⅰ104的细端垂直连接；所述微带线Ⅲ106粗端与两个微带线Ⅱ105的细端垂直连接，细端连接至馈电中心焊盘101；两个微带线Ⅲ106通过馈电中心焊盘101连接在成一条直线。
进一步，所述2条交叉正交的月牙形微带馈线的圆弧部分尺寸相同，矩形部分长度不同，其中月牙形微带馈线Ⅱ202通过矩形微带线Ⅰ203与矩形微带线Ⅱ204连接。
进一步，两条月牙形微带馈线矩形尾部均预留有与叶状偶极子贴片匹配的孔。
进一步，2对叶状偶极子贴片呈正负45度交叉极化放置。
进一步，4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线按辐射单元的非辐射边沿正负45度方向两两正交放置。
进一步，所述低频天线单元采用双同轴馈电，通过月牙形微带馈线与叶状偶极子贴片耦合进行馈电。
进一步，通过控制叶状偶极子贴片的圆切角半径可以改变电流路径长度来移动谐振频点从而改变阻抗匹配带宽。
本发明的有益效果在于：本发明基站天线与传统的基站天线(现有应用于第五代移动通信系统的多频基站天线的工作频段多为Sub-6G，且在阻抗带宽，方向图稳定性，天线体积以及高低频天线耦合方面存在不足)不同，它的工作频段分别覆盖0.69-1.08GHz和24.23-26.98GHz，且在频段内具有良好的阻抗匹配、端口隔离度以及方向图稳定性，具有低剖面小型化的特点，能定向地发射和接收信号，完成与移动通信设备的信息交互，能够满足第五代通信系统对多制式系统共存的需求。本发明具有以下优点：
1)高低频段天线的阻抗匹配相对带宽均具有宽频带的特点。
2)高低频天线辐射体寄生共用介质基板，间接实现了天线的小型化。
3)剖面高度低，仅为0.139λ(λ为低频频段中心频率所对应波长)，缓解了基站天线天面资源紧张的问题。
4)可以同时覆盖了LTE700/GSM800/GSM900以及5G的毫米波频段。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基站天线的整体俯视图；
图2为本发明基站天线的整体侧视图；
图3为高频毫米波4×4矩形微带阵列结构图；
图4为低频叶状偶极子贴片结构图；
图5为高频矩形微带阵列与低频叶状偶极子贴片相对位置示意图；
图6为低频叶状偶极子的微带馈线结构图；
图7为人工磁导体反射板结构俯视图；
图8为人工磁导体周期性结构单元俯视图；
图9为本发明基站天线的整体结构连接关系侧视图；
图10为本实施例基站天线在低频的S11仿真图；
图11为本实施例基站天线在低频的双端口之间的隔离度仿真图；
图12为本实施例基站天线在低频的主极化和交叉极化方向图；
图13为本实施例基站天线在高频的S11以及几个端口间的隔离度；
图14为本实施例基站天线在高频的方向图；
图15为本实施例基站天线在高频的增益仿真图；
附图标记：1-4×4的矩形微带阵列天线，2-月牙形微带馈线，3-叶状偶极子贴片，4-“5”型缝隙的矩形贴片，101-馈电中心焊盘，102-高频贴片单元，103-弓形微带线，104-微带线Ⅰ，105-微带线Ⅱ，106-微带线Ⅲ，201-月牙形微带馈线Ⅰ，202-月牙形微带馈线Ⅱ，203-矩形微带线Ⅰ，204-矩形微带线Ⅱ。
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。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图15，图1为本发明提供的一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线，包括高频天线单元、低频天线单元、介质基板Ⅰ和反射板。高频天线单元由4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线1组成，设置在介质基板Ⅰ上表面。低频天线单元由2对叶状偶极子贴片3、2条交叉正交的月牙形微带馈线2以及1条矩形馈电桥组成，其中月牙形微带馈线设置在介质基板Ⅰ上表面，叶状偶极子贴片和矩形馈电桥设置在介质基板Ⅰ下表面；低频天线单元通过2条正交的月牙形微带馈线与叶状偶极子贴片耦合进行馈电。高频天线单元与低频天线单元独立馈电。如图1所示，4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线按辐射单元的非辐射边沿正负45度方向两两正交放置。
反射板采用从上至下为超表面结构-介质基板Ⅱ-空气-金属板的四层结构；超表面结构由人工磁导体实现，通过金属贴片在介质基板Ⅱ上周期性排列而成；其中，周期性结构为在矩形金属贴片上6×6的刻蚀4个“5”型缝隙的矩形贴片阵列。
如图3所示，4×4的矩形微带阵列天线通过1个馈电中心焊盘101和2个微带线Ⅲ106将4个微带阵列单元连接在一起；每个微带阵列单元包括4个高频贴片单元102、1个弓形微带线103、2个微带线Ⅰ104和微带线Ⅱ105。高频贴片单元102呈凹形；弓形微带线103两端分别连接两个高频贴片单元102的凹槽中部；微带线Ⅰ104粗端与弓形微带线103中部连接，细端与微带线Ⅱ105粗端连接；微带线Ⅱ105粗端通过四分之一圆弧(圆弧内半径r＝0.5mm)与两个微带线Ⅰ104的细端垂直连接；微带线Ⅲ106粗端与两个微带线Ⅱ105的细端垂直连接，细端连接至馈电中心焊盘101；两个微带线Ⅲ106通过馈电中心焊盘101连接在成一条直线。
如图4所示，2对叶状偶极子贴片采用正负45度交叉极化的形式放置。通过控制叶状偶极子贴片的圆切角半径可以改变电流路径长度来移动谐振频点从而改变阻抗匹配带宽。
如图6所示，2条交叉正交的月牙形微带馈线2的圆弧部分尺寸相同，矩形部分长度不同，其中月牙形微带馈线Ⅱ202通过矩形微带线Ⅰ203与矩形微带线Ⅱ204连接。两条月牙形微带馈线矩形尾部均预留有与叶状偶极子贴片匹配的孔。
如图9所示，低频天线单元采用双同轴馈电，通过月牙形微带馈线与叶状偶极子贴片耦合进行馈电。
优选实施例
1、结构组成
本实施例基站天线由上往下分别是微带馈线和矩形阵列、介质基板I、微带馈电桥和叶状偶极子天线、周期性结构、介质基板II、铝板。高低频天线辐射体共用的介质基板I材质采用Rogers RO4350(tm)，厚度为0.508mm。介质基板I上表面为2条交叉正交的月牙形馈线和4个两两正交4×4的矩形微带阵列天线，下表面为2对叶状偶极子贴片以及中间的1条矩形馈电桥，均由铜片构成。
如图3所示，馈电中心焊盘101的外环直径D1＝1mm，焊盘环宽R1＝0.05mm。高频贴片单元102的凹槽外部长L1＝2.74mm，宽W1＝3.92mm，内部长L2＝1.86mm，宽W2＝0.58mm。弓形微带线103的长L3＝7.07mm，宽W3＝0.24mm，拐角宽W3’＝0.382mm。微带线Ⅰ104的粗端长L4＝1.41mm，宽W4＝0.6mm，细端长L5＝1.97mm，宽W5＝0.24mm。微带线Ⅱ105的粗端长L6＝2.67mm，宽W6＝0.6mm，细端长L7＝8.62mm，宽W7＝0.24mm。微带线Ⅲ106的粗端长L8＝1.71mm，宽W8＝0.6mm，细端长L9＝5.26mm，宽W9＝0.24mm。
如图4所示，2对叶状偶极子贴片之间的间距d＝1mm，端部相对间距分别为L10＝8.5mm，L11＝11.3mm；叶状偶极子贴片圆弧部分的半径R2＝18mm；L12＝68mm，L13＝7mm。叶状偶极子贴片相邻处设置用于连接月牙形微带馈线的孔直径D3＝1.2mm。在每个叶状偶极子贴片中部设置用于连接矩形微带阵列天线的孔直径D2＝0.69mm。如图5所示，高频矩形微带阵列天线的中心点与低频叶状偶极子贴片的叶子尖的距离D2＝48mm。
如图6所示，月牙形微带馈线Ⅰ的矩形部分长L14＝19.5mm，宽W14＝0.8mm；月牙形微带馈线Ⅱ的矩形部分长L168.5＝mm，宽W16＝0.8mm；月牙形微带馈线Ⅰ与月牙形微带馈线Ⅱ的圆弧部分的内半径R3＝9mm，圆弧部分宽R4＝1mm。矩形微带线Ⅰ203的长L17＝6mm，宽W17＝0.8mm。矩形微带线Ⅱ的长L15＝8mm，宽W15＝0.8mm。
如图7所示，每个“5”型缝隙的矩形贴片之间的间距d1＝4mm，周期性结构为在矩形金属贴片上6×6的刻蚀4个“5”型缝隙的矩形贴片阵列，长宽均为L18＝348mm，介质基板Ⅱ的长宽均为L＝448mm。
如图8所示，每个“5”型开缝矩形贴片内部的“5”型结构中，l1＝1.8mm，l2＝4mm，l3＝7mm，l4＝6mm，l5＝8mm，l6＝7mm，l7＝1mm，l8＝8mm，l9＝4mm，l10＝4mm，l11＝1.2mm，l12＝5mm，R5＝10mm。
本实施例中天线的反射板从上到下分别由周期性结构、介质基板Ⅱ、空气层和铝板。其中周期性结构为6×6的刻蚀4个类似“5”型缝隙的矩形贴片阵列，为铜片构成。介质基板Ⅱ材质为FR4，厚度为1.5mm。如图9所示，铝板与介质基板Ⅱ高度差h2＝20mm，介质基板Ⅱ与介质基板Ⅰ的距离为h1＝30mm。
2、各部分之间的连接关系以及功能作用
介质基板Ⅰ上表面中间为2条正交的月牙形微带馈线，通过同轴线给该月牙形微带馈线馈入能量，然后分别给介质基板I下方的2对偶极子耦合馈电。介质基板I下方的矩形馈电桥是为了解决馈线交叉的问题。
上方介质基板Ⅰ下表面的2对偶极子用于辐射电磁波，正负45度双极化且工作在低频频段；上表面4个角上的微带矩形阵列通过同轴馈电来辐射电磁波，其工作在高频毫米波频段。
下方6×6的周期性结构，介质基板Ⅱ，空气层和铝板共同形成一个人工磁导体结构的反射板，利用其在天线阻抗匹配的频带内具有正负90度同相反射特性，降低了天线的剖面高度，减小了后瓣辐射，提高了天线的增益。
3、各部分或某一部分可达到相同目的的其他替换方案
高频阵列的馈电部分，可采用侧馈的方法，或者是通过接SMA头，然后再同轴馈电。
仿真实验，验证本实施例基站天线的性能，如图10～图15所示，偶极子天线在低频频段的有效带宽为390MHz，相对带宽达到44％，端口隔离度在频段内均小于-30dB，且在该频段内的平均增益为9.39dBi，在V面和H面的半功率波瓣宽度为65°±5°，且方向图稳定。阵列天线在高频频段的有效带宽为2.75GHz，相对带宽达到10.7％，端口隔离度在频段内均小于35dB，且在该频段的平均增益为17.33dBi，在V面和H面的半功率波瓣宽度均为20°±2°，且方向图稳定。且天线整体的剖面高度为0.139λ(λ为低频频段中心频率所对应波长)，较一般天线0.25λ的剖面高度降低了4/9，同时提高了天线在低频频段内的增益。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种加载人工磁导体结构反射板的高低频复合结构基站天线，其特征在于，该天线包括高频天线单元、低频天线单元和介质基板Ⅰ；
所述高频天线单元由4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线(1)组成，设置在介质基板Ⅰ上表面；
所述低频天线单元由2对叶状偶极子贴片(3)和2条交叉正交的月牙形微带馈线(2)以及一条矩形馈电桥组成，其中月牙形微带馈线(2)设置在介质基板Ⅰ上表面，叶状偶极子贴片和矩形馈电桥设置在介质基板Ⅰ下表面；低频天线单元通过2条正交的月牙形微带馈线与叶状偶极子贴片耦合进行馈电；
高频天线单元与低频天线单元独立馈电。
2.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，该天线还包括从上至下采用超表面结构-介质基板Ⅱ-空气-金属板四层结构的反射板；超表面结构由人工磁导体实现，通过金属贴片在介质基板Ⅱ上周期性排列而成；其中，周期性结构为在矩形金属贴片上6×6的刻蚀4个“5”型缝隙的矩形贴片阵列。
3.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，所述4×4的矩形微带阵列天线(1)通过1个馈电中心焊盘(101)和2个微带线Ⅲ(106)将4个微带阵列单元连接在一起；每个微带阵列单元包括4个高频贴片单元(102)、1个弓形微带线(103)、2个微带线Ⅰ(104)和微带线Ⅱ(105)；
所述高频贴片单元(102)呈凹形；所述弓形微带线(103)两端分别连接两个高频贴片单元(102)的凹槽中部；所述微带线Ⅰ(104)粗端与弓形微带线(103)中部连接，细端与微带线Ⅱ(105)粗端连接；所述微带线Ⅱ(105)粗端通过四分之一圆弧与两个微带线Ⅰ(104)的细端垂直连接；所述微带线Ⅲ(106)粗端与两个微带线Ⅱ(105)的细端垂直连接，细端连接至馈电中心焊盘(101)；两个微带线Ⅲ(106)通过馈电中心焊盘(101)连接在成一条直线。
4.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，所述2条交叉正交的月牙形微带馈线的圆弧部分尺寸相同，矩形部分长度不同，其中月牙形微带馈线Ⅱ(202)通过矩形微带线Ⅰ(203)与矩形微带线Ⅱ(204)连接。
5.根据权利要求4所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，两条月牙形微带馈线矩形尾部均预留有与叶状偶极子贴片匹配的孔，通过金属柱或金属化过孔连通。
6.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，2对叶状偶极子贴片呈正负45度交叉极化的形式放置。
7.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，4个两两正交的4×4的矩形微带阵列天线按辐射单元的非辐射边沿正负45度方向两两正交放置。
8.根据权利要求5所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，所述低频天线单元采用双同轴馈电，通过月牙形微带馈线与偶极子贴片耦合进行馈电。
9.根据权利要求1所述的高低频复合结构基站天线，其特征在于，通过控制叶状偶极子贴片的圆切角半径改变电流路径长度来移动谐振频点从而改变阻抗匹配带宽。
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