CN107706522B - 一种微基站天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种微基站天线,包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络,所述至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列;每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽。本发明的微基站天线是一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离度、高前后比,以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线,并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝移动通信天线设备与技术,特别是涉及一种微基站天线。
背景技术
宏蜂窝天线增益高、架高高、覆盖区域大、服务用户多,具有较好的性价比。依赖部署于广阔地理区域的众多宏站,整个国土范围已实现信号连续覆盖。然而,宏蜂窝难以做到局部精确覆盖和高速数据传输。前者只能靠小或微基站来补盲或增强覆盖,后者将在5GmMIMO时代得以解决。再者,宏基站尺寸大、选址困难、成本较高。相比之下,微基站(SmallCell)则有尺寸小、剖面低、易安装、隐蔽性强、低成本等优势,特别适合用户密集的局域高速数据业务。这类微站天线普遍具有中等增益(8-14dBi)、宽波束(水平波宽65o、90o或以上)、双极化(±45°或H/V)、MIMO化等特点,以覆盖较大区域、服务较多用户,从而获得良好覆盖效果和较佳经济性。另外,还具备小尺寸、低剖面、低成本、易量产等优点。
由于低剖面、平面化的要求,常规交叉振子方案并不适合微基站。目前,微基站天线的主流类型为微带天线及其变种,如PIFA天线。众所周知,微带天线具有低剖面、平面化、适合频率宽、易与电路集成、低成本、高精度等优势,是20世纪发明的重要天线类型,已在移动通信、卫星导航、雷达遥感、航空航天等领域获得了广泛应用。然而,微带天线存在带宽较窄、增益偏低、交叉极化比(XPD,Cross Polarization Ratio)较差的缺点。然而,上述问题的解决将变得极具挑战性。
发明内容
本发明解决的技术问题:
提供一种微基站天线,解决现有微带天线存在带宽较窄、增益偏低、交叉极化比(XPD,Cross Polarization Ratio)较差的缺点。
本发明采用以下技术方案:
一种微基站天线,包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络,所述至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列;每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽。
所述微带贴片为金属薄片;所述箭头形槽为带弧尾的箭头形槽,槽沿两条对称线方向设置,箭头的头朝外、弧尾在内部。
所述微带贴片几何形状为圆对称;所述两条对称线为所述圆对称图形的对角线,所述箭头形槽分别设置于四角处;箭头长(0.05~0.09)×λ C ,其中λ C 为中心波长;箭头头部张角为90°,头部直角边长为(0.035~0.085)×λ C ,头部底边的弧形边长角度为90°;其弧形尾部(弧尾)弧度为0~90°。
馈电网络的每路极化均为N级的两路功分,其中N≥1;贴片阵列采用双侧对称单馈点;所述馈电网络对应包括两路极化微带馈电支路;相邻贴片的同极化馈点对称分布于贴片中心线或对角线两侧;两微带馈电支路的长度相差半个导波波长。
各贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上设置四个馈电点作为两路极化的馈电点,一路极化的馈电点位于+45°对角线或水平中心线上,关于贴片中心对称,用作+45°极化或H极化的馈电点;另一路极化的馈电点位于-45°对角线或垂直中心线上,关于贴片中心对称,用作-45°极化或V极化的馈电点;各贴片中心开设一固定用的圆孔。
每一路馈电的末端有金属焊盘,焊盘上有馈电柱与馈电点连接,实现对阵列的双侧对称单点馈电;馈电网络的两支路相差0.5×λ g ,其中λ g 为导播波长;每一路馈电的起始端焊接同轴电缆或接头;贴片的馈电点通过金属探针连接下方的馈电网络中的焊盘。
馈电网络包含多节长宽不等的阻抗变换段,其中首节阻抗变换段连接馈电电缆或接头,末节阻抗变换段的焊盘连接馈电探针;网络走线方向与阵列平行或正交;馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ C ,其中λ C 为中心波长。
所述首节阻抗变换段及其连接阻抗变换段长度为(1/4)λ c ,其中λ C 为中心波长;末端阻抗变换段长度大于(1/4)λ c 。
所述馈电网络是印刷于介质基板正面的微带馈电网络;介质基板背面为覆铜层;所述贴片阵列位于介质基板正面的上方;介质基板背面进一步放置一块金属板,所述金属板作为地板,支撑所述介质基板并增强辐射;介质层背面的覆铜层紧靠所述金属底板放置。
进一步地,微带贴片距离地板高度H g 取值范围为:0.01~0.15×λ c ,其中λ C 为中心波长。
本发明的有益效果:
通过采取下列措施:1)两微带贴片共轴组阵,并采用对称排列的单馈点馈电;2)贴片四角开弧尾箭头形槽,提供一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离度、高前后比,以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线,并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。
通过上述措施,两元微带阵列实现了LTE1800频段工作(1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |VSWR≤2.0),隔离度大于25dB;增益G最高达到11.88dBi,水平/垂直面波宽为58~67°、34~44°,主瓣交叉极化XPD≤-19dB(≤-6dB @±60o),前后比FTBR大于23.5dB,效率大于85%。同时,天线尺寸较小(长1.245×λ C ,宽0.655×λ C ;λ C 为中心频率波长)、剖面超低(高度小于0.044×λ C )。
附图说明
图1为本发明实施例的微基站天线无地板的模型俯视图。
图2为本发明实施例的微基站天线的馈电网络俯视图。
图3为本发明实施例的微基站天线完整模型的俯视图。
图4为本发明实施例的微基站天线完整模型的右或左视图。
图5为本发明实施例的贴片组成的二元阵列模型的俯视图。
图6为本发明实施例的方形贴片模型的俯视图。
图7为本发明实施例的微基站天线的输入阻抗Z in 曲线。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是阻抗Z in ,单位为Ω;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示实部R in ,虚线表示虚部X in 。
图8为本发明实施例的微基站天线的S系数|S ij |曲线。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是S ij 的幅度|S ij |,单位为dB;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示反射系数|S 11 |/|S 22 |,虚线表示隔离度|S 21 |/|S 12 |。由图知,带内阻抗匹配较好,反射系数较低(1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |S 11 |≤-10 dB),两端口的隔离度好(|S 21 |≤-25 dB)。
图9为本发明实施例的微基站天线的驻波VSWR曲线。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是VSWR;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化。由图知,带内阻抗匹配较好,驻波较低(1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, VSWR≤2.0)。
图10为本发明实施例的微基站天线在f L =1.84GHz的E面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。
图11为本发明实施例的微基站天线在f L =1.84GHz的H面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。由图知,在主瓣方向(Theta=0°)和偏离主瓣方向(Theta=±60°),天线均具有较好的交叉极化比(XPD≤-19dB/-11dB@ Theta=0°/±60°)。
图12为本发明实施例的微基站天线在f C =1.96GHz的E面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。
图13为本发明实施例的微基站天线在f C =1.96GHz的H面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。由图知,在主瓣方向(Theta=0°)和偏离主瓣方向(Theta=±60°),天线均具有较好的交叉极化比(XPD≤-26dB/-9dB@ Theta=0°/±60°)。
图14为本发明实施例的微基站天线在f H =2.06GHz的E面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。
图15为本发明实施例的微基站天线在f H =2.06GHz的H面归一化增益方向图。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是相对增益Gr,单位为dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线表示主极化,虚线表示交叉极化。由图知,在主瓣方向(Theta=0°)和偏离主瓣方向(Theta=±60°),天线均具有较好的交叉极化比(XPD≤-22dB/-6dB@ Theta=0°/±60°)。
图16为本发明实施例的微基站天线的最大增益随频率f变化特性。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是增益,单位是dBi;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化。由图知,带内增益约为G=10.70~ 11.88dBi,两极化增益相差不大。
图17为本发明实施例的微基站天线的半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是波束宽度,单位是度(deg);光滑线为+45°极化,点线为-45°极化;实线为H面,虚线为E面。由图知,+45°/-45°极化的带内半功率波宽分别为HPBW=58~65o(H面)、34~44o(H面)和58~67o(H面)、34~43o(H面),两极化的波宽差异较小。
图18为本发明实施例的微基站天线的前后比FTBR随频率f变化特性。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是FTBR,单位是dB;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化。由图知,+45°/-45°极化的前后比分别为FTBR=24.3~28.1dB、23.4~27.6dB,两极化的FTBR差异较小。
图19为本发明实施例的微基站天线的效率η A 随频率f变化曲线。其中,横轴(X轴)是频率f,单位为GHz;纵轴(Y轴)是效率;光滑线为+45°极化,点线为-45°极化。由图知,整个频带内,天线效率η A ≥85%,最高达95%。
本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的具体实施例一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制或限定。
具体实施方式
下面结合附图给出发明的较佳实施例,以详细说明本发明的技术方案。这里,将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是,这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明,并不用于限制或限定本发明。
请参照图1-6,本发明实施例的一种微基站天线100,是一种宽带高交叉极化小基站或微基站天线,旨在为蜂窝通信提供一种定向性、宽带宽、高XPD、高增益、高效率、高隔离、高前后比,以及小型化、低剖面、易安装、低成本、易生产的微基站天线,并为超宽带、高增益微带阵列天线的设计和改进提供有益的参考方法。
本发明的实施例中,为了提高增益和改善XPD,将两个微带贴片10组阵形成辐射贴片阵列1,并使同极化的两个馈电点(21、22)(23、24)对称排列在方形贴片10对角线中心23、25的两侧。同时,为了扩展带宽和减小尺寸,在方形贴片10的四个顶点处分别开一带弧尾的箭头形槽11。
具体地,所述微基站天线100包括辐射贴片10以及位于辐射贴片10后方的微带馈电基板30。所述微带馈电基板30支撑所述辐射贴片10并给辐射贴片10馈电。辐射贴片10可以是多个贴片10组阵排列。
再次参照图6,所述辐射贴片10是金属薄片,作为一种实施方式,为方形金属薄片,边长或直径为L s 、厚度为T s 的方形金属薄片,在其四角处分别开设一个带弧尾的箭头形槽11,槽11关于对角线对称。
将辐射贴片10两个沿长度方向共轴排列,组成一个两单元阵列1,见图5的部分。
两单元阵列1各贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上,共选取四个馈电点21、22、23、24,用做两路极化的馈电点。其中,21、22在+45°对角线或水平中心线上,关于贴片中心对称,用作+45°极化或H极化的馈电点;23、24则在-45°对角线或垂直中心线上,也关于贴片中心对称,但用作-45°极化或V极化的馈电点,反之亦然。同时,在贴片10的中心开一固定用的圆孔25。
再次参照图2,在距贴片阵列1下方H g 处,设置有介质基板30,介质基板30的正面印制馈电网络40,介质基板30背面则为覆铜层。馈电网络40为微带馈电网络,包含左右两路馈电网络;其中左路网络包含42、421、422、423、424和425匹配段,它们长宽不等;右路网络则包含41、411、412、413、414和415匹配段,同样各段长宽不等。每一路馈电功分为两路,其末端有金属焊盘(未图标),焊盘上有馈电柱与馈电点连接,实现对阵列1的双侧对称单点馈电;馈电网络的两支路相差0.5×λ g (λ g 为导播波长),起始端则焊接同轴电缆或接头(未图示)。
在馈电介质基板30背面,放置一块金属板50,用作底板或地板,以支撑基板30并增强辐射。地板50距贴片10的距离H g 取值范围为:0.01~0.15×λ c 。
再次参照图4,在两贴片的四个馈电点21~24上,分别焊接有一根金属探针(未图示)到下方的馈电介质板的焊盘上,并在其中心圆孔25上设置一根直立柱251到金属地板50上,以进一步固定贴片10。
本发明的微基站天线100是一种宽带高XPD微基站天线,为微带贴片阵列设计,阵元共轴或共面排列,数量至少两个。
作为一种实施例,所述宽带高XPD微基站天线,微带贴片几何形状为圆对称,如方形、圆形或正多边形,在贴片的两条对称线末端分别开一个带弧尾的箭头形槽11,其头朝贴片外、尾14在内部,箭头长(0.05~0.09)×λ C (λ C 为中心波长);头部张角为90°,头部直角12边长为(0.035~0.085)×λ C ,头部底边13的弧形边长角度为90°;其弧尾14即弧形尾部弧度为0~90°。所述箭头形槽11的方向沿其所在对称线设置。对于方形贴片10,箭头形槽11位于沿两条对角线设置且位于四个顶点,箭头头部与顶点对齐。
本发明的实施例中,所述宽带高XPD微基站天线,贴片阵列1采用双侧对称单馈点方案,即相邻贴片的同极化馈点对称分布于贴片中心线或对角线两侧;两微带馈电支路的长度相差半个导波波长,即对应于180°相差。
本发明的实施例中,所述宽带高XPD微基站天线,贴片馈点21~24通过金属探针连接下方的微带馈电网络40,其与探针连接处有焊盘;馈电网络40印制在一块介质基板30上,其背面是覆铜层且紧靠一块金属底板50放置;馈电网络40的每路极化均为N级的两路功分设计,其中N≥1。
本发明的实施例中,所述宽带高XPD微基站天线,微带馈电网络40包含多节长宽不等的阻抗变换段42、421、422、423、424、425;41、411、412、413、414、415,其中首节41、42分别连接50Ω馈电电缆,424、425以及414、415末节的焊盘连接馈电探针,末节长度较长,作为一种实施方式,末节长度大于(1/4)×λ C 。首节以及与首节相连的阻抗变换段42、421、422、423;41、411、412、413、414、415比末节较短,作为一种实施方式,例如为(1/4)×λ C 。
网络走线方向与阵列平行或正交;馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ C 。
作为一些实施例,所述宽带高XPD微基站天线,微带馈电基板为Rogers、Taconic、Arlon等常见介质材料,其三阶互调PIM3不低于-153dBc(@2×43dBm)。
作为一种实施例,所述宽带高XPD微基站天线,微带贴片材料为金属良导体如紫铜、纯铝等,其表面镀金或沉锡以便焊接作业。
本发明主要采取了下列措施:1)两微带贴片共轴组阵,并采用对称排列的单馈点馈电;2)贴片四角开弧尾箭头形槽;3)两极化馈点及馈线间隔足够距离;3)宽带馈电网络设计。
请参照图7~19,通过上述措施,本发明采用两元微带阵列实现了LTE1800频段工作(1.84~2.06GHz, BW=220MHz, 11.28%, |VSWR≤2.0),隔离度大于25dB;增益G最高达到11.88dBi,水平/垂直面波宽为58~67°、34~44°,主瓣交叉极化XPD≤-19dB(≤-6dB @±60o),前后比FTBR大于23.5dB,效率大于85%。同时,天线尺寸较小(长1.245×λ C ,宽0.655×λ C ;λ C 为中心频率波长)、剖面超低(高度小于0.044×λ C ;)。
本发明的微基站天线结构还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合量产等特点,是适合小型化、低剖面、高XPD微基站的优选方案,而且对于常规宽带、高增益微带阵列的设计和改进也是适用和有效的。
以上仅为本发明的优选实例而已,并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微基站天线,包括微带贴片以及给所述微带贴片馈电的馈电网络,其特征在于,至少两个微带贴片以阵元共轴或共面排列的方式形成贴片阵列;每一微带贴片的两条对称线的末端分别开设一个箭头形槽;所述微带贴片几何形状为方形,所述两条对称线为所述方形的对角线;
贴片阵列中,两个微带贴片组成一个两单元阵列,馈电网络的每路极化均为N级的两路功分,其中N≥1;贴片阵列的两单元阵列采用双侧对称单馈点,所述的双侧对称单馈点是指相邻贴片的同极化馈点对称分布于两单元阵列轴线或对角线两侧;所述馈电网络对应包括两路极化微带馈电支路;两微带馈电支路的长度相差半个导波波长;
两单元阵列各微带贴片的±45°对角线或水平/垂直中心线上共设置四个馈电点用做两路极化的馈电点,其中,两个微带贴片一路同极化的两个馈电点在+45°对角线或水平中心线上,用作+45°极化或H极化的馈电点;另一路同极化的两个馈电点在-45°对角线或垂直中心线上,用作-45°极化或V极化的馈电点;
所述微带贴片为金属薄片;所述箭头形槽为带弧尾的箭头形槽,槽沿两条对称线方向设置,箭头的头朝外、弧尾在内部。
2.如权利要求1所述微基站天线,其特征在于,所述箭头形槽分别设置于四角处;箭头长(0.05~0.09)×λ C ,其中λ C 为中心波长;箭头头部张角为90°,头部直角边长为(0.035~0.085)×λ C ,头部底边的弧形边长角度为90°;其弧尾的弧度为0~90°。
3.如权利要求1所述微基站天线,其特征在于,各贴片中心开设一固定用的圆孔。
4.如权利要求1所述微基站天线,其特征在于,每一路馈电的末端有金属焊盘,焊盘上有馈电柱与馈电点连接,实现对阵列的双侧对称单点馈电;馈电网络的两支路相差0.5×λ g ,其中λ g 为导波波长;每一路馈电的起始端焊接同轴电缆或接头;贴片的馈电点通过金属探针连接下方的馈电网络中的焊盘。
5.如权利要求4所述微基站天线,其特征在于,每一路馈电电路包含多节阻抗变换段,各阻抗变换段的长宽不等,其中首节阻抗变换段连接馈电电缆或接头,末节阻抗变换段的焊盘连接馈电探针;馈电网络走线方向与阵列平行或正交;馈点处两极化馈线的最短距离不小于0.08×λ C ,其中λ C 为中心波长。
6.如权利要求5所述微基站天线,其特征在于,所述首节阻抗变换段及其连接的阻抗变换段长度为(1/4)×λ C ,末端阻抗变换段长度大于(1/4)×λ C ,其中λ C 为中心波长。
7.如权利要求1所述微基站天线,其特征在于,所述馈电网络是印刷于介质基板正面的微带馈电网络;介质基板背面为覆铜层;所述贴片阵列位于介质基板正面的上方;介质基板背面进一步放置一块金属板,所述金属板作为地板,支撑所述介质基板并增强辐射;介质层背面的覆铜层紧靠所述金属板放置。
8.如权利要求7所述微基站天线,其特征在于,微带贴片距离地板高度H g 取值范围为:0.01~0.15×λ c ,其中λ C 为中心波长。
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