CN107799891B - 一种应用于5g通信的磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，包含反射地板、介质板、馈电结构，两对磁电偶极子，本发明集宽H面、三线极化和频率可重构于一体，能应用于2G/3G/LTE和5G通信，在即将到来的5G通信***中将会有广泛的应用。该天线工作于5G频段时，其H面宽度高达160度，是普通天线H面宽度的两倍；另外其每种工作模式对应一个极化方向，同时能实现频率的可重构，确保工作频段内的每个频率点都能利用到，在现在拥挤的频带范围内很好地提升了频率的利用率。

Description

一种应用于5G通信的磁电偶极子天线

[技术领域]

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种应用于5G通信的磁电偶极子天线及其控制方法。

[背景技术]

随着无线通信的迅猛发展，无线通信***对天线的性能提出了越来越高的要求。一方面，由于通信***对天线覆盖范围的要求，天线的宽H面特性已吸引了越来越多业内人士的关注。另一方面，相比传统天线，频率可重构天线能拓展天线信道容量，强化天线的抗干扰性能；多线极化天线能避免天线的多径衰落，同时能有效提高工作频段的利用效率，因此频率可重构和多线极化天线也成为了现阶段研究的一个热点。

现阶段的宽H面天线一般存在两方面的问题，一方面是现阶段的天线主要针对2G/3G/LTE设计，其覆盖范围一般都过窄而难以达到5G通信的要求；另一方面是虽然天线的H面宽度有所增加，但天线的其他性能往往较差，如阻抗带宽不够，前后比太小等。

另外，多线极化天线有效避免天线多径衰落和提高工作频段利用率这一特点，使得该类型的天线在现在的通信***中有着重要的应用并成为一个研究热点。传统的天线一般通过控制PIN二极管通断实现极化可重构，随后的极化可重构天线的研究主要在馈电方式上进行改进。但这些馈电方式仍有许多可以改进的空间，如同轴馈电方式难以实现多线极化，双端口馈电方式中两馈电口的耦合使得两端口的信号相互影响等。

最后对于频率可重构天线，其高效的频带利用率和精确的频移特性使得该类型的天线在通信***中也是不可或缺的。现有的频率可重构天线多存在着体积庞大、天线数目多等缺点，这与未来天线小型化、高集成的发展趋势不符。

[发明内容]

针对上述缺点，本发明在磁电偶极子天线基础上进行了设计并对现有天线性能进行了明显提升，为即将到来的5G通信提供了保障。

本发明的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线采用了如下技术方案：

一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，包含反射地板、介质板、馈电结构，两对磁电偶极子；

两对磁电偶极子以中心为原点呈十字形排列，所述磁电偶极子由磁偶极子和电偶极子构成，磁电偶极子设置在反射地板上，所述磁偶极子为垂直于反射地板上的竖直贴片，所述电偶极子为弧形辐射贴片，所述弧形辐射贴片用于提升H面宽度；

馈电结构，中间有一同轴电缆，信号由同轴电缆馈入，同轴电缆上方设有第一支臂、第二支臂、第三支臂、第四支臂，四个支臂分别通过方形贴片连接同轴电缆；同轴电缆有内芯和外包层，内芯连接第一和第二支臂，外包层连接第三和第四支臂；其中第一支臂和第二支臂为在介质板的上表面，第三支臂和第四支臂在介质板的下表面；第一和第二支臂与第三第四支臂不在同一水平面；

介质板，为方形且位于馈电结构上方，同轴电缆的内芯穿过介质板。

其中，所述四个支臂组成相同，支臂由方形贴片通过馈电线延展，依次为馈电线，梯型贴片和门型贴片，梯型贴片和方形贴片之间的馈电线上还有开关二极管和变容二极管，梯型贴片和门型贴片之间的馈电线上还有变容二极管；

第一支臂和第二支臂的门型贴片穿过介质板，第三支臂和第四支臂的门型贴片位于介质板下方，无需穿透介质板；第一支臂和第二支臂的梯型贴片位于介质板上方，第三支臂和第四支臂的梯型贴片位于介质板下方。

其中，介质板与反射地板还设有开孔用于通直流电源控制交叉馈电偶极子可变电容的通断，实现极化频率可重构。所述介质板开孔数量为两组，每组五个，反射地板开孔跟介质板开孔一一对应。

其中，所述反射地板四周设有直立的反射墙。

其中，所述同轴电缆下方穿过反射地板，设有SMA接头。

其中，所述介质板为FR-4玻璃纤维环氧树脂覆铜板，反射地板为铝或铜。

本发明提供的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，通过上述新型馈电结构，本发明设计的天线线极化方式达三种之多，工作频率范围可从2G频段横跨至5G频段；另外用单端口馈电方式就巧妙地实现了双端口馈电的功能，在实现三线极化和频率可重构的同时有效地避免了双端口馈电互相干扰的缺陷。本发明设计的天线主要是针对即将到来的5G通信所设计，是一款集宽H面、三线极化、频率可重构于一体的，可应用于2G/3G/LTE和5G通信的新型磁电偶极子天线。

[附图说明]

图1为本发明天线仿真的3D结构图。

图2为本发明天线馈电结构放大图。

图3为本发明天线中心局部放大图。

图4为本发明天线侧视图。

图5为本发明天线馈电结构尺寸标记图。

图6为本发明天线仿真结果。

1为反射地板，2为介质板，3为反射墙，31为同轴电缆内芯，32为同轴电缆外包层，33为方形贴片，34为方形贴片，35为SMA接头，301为开关二极管，302为变容二极管，303为馈电线，304为梯型贴片，35为门型贴片，306变容二极管，41为第一磁电偶极子，42为第二磁电偶极子，43为第三磁电偶极子，44为第四磁电偶极子。

[具体实施方式]

为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，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。

如图1-4所示，一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，包含反射地板1、介质板2、馈电结构，第一磁电偶极子41，第二磁电偶极子42，第三磁电偶极子43，第四磁电偶极子44，第一磁电偶极子41与第四磁电偶极子44为一对，第二磁电偶极子42和第三磁电偶极子43为一对。如图1所示，两对磁电偶极子以中心为原点呈十字形排列，所述磁电偶极子由磁偶极子和电偶极子构成，磁电偶极子设置在反射地板上，所述磁偶极子为垂直于反射地板上的竖直贴片，所述电偶极子为弧形辐射贴片，所述弧形辐射贴片用于提升H面宽度；

如图2所示的馈电结构，中间有一同轴电缆，信号由同轴电缆馈入，同轴电缆上方设有第一支臂、第二支臂、第三支臂、第四支臂，四个支臂分别通过方形贴片连接同轴电缆；同轴电缆有内芯31和同轴电缆外包层32，内芯31连接第一支臂和第二支臂，外包层32连接第三和第四支臂；其中第一支臂和第二支臂为在介质板2的上表面，第三支臂和第四支臂在介质板2的下表面；第一支臂和第二支臂与第三支臂和第四支臂不在同一水平面；

介质板2，为方形且位于馈电结构上方，同轴电缆的内芯穿过介质板。

其中，所述四个支臂组成相同，以下详细描述其中一个支臂的结构，其余支臂相同。支臂由方形贴片33通过馈电线303延展，依次为馈电线303，梯型贴片304和门型贴片305，梯型贴片304和方形贴片33之间的馈电线303上还有开关二极管301和变容二极管302，梯型贴片304和门型贴片305之间的馈电线上还有变容二极管306；

开关二极管为PIN二极管，变容二极管的嵌入能使天线在x和y方向的线极化模式工作于5G频段。x、y方向第二个槽缝嵌有相同的变容二极管，变容二极管属于反偏压二极管，反向偏压越高，结电容则越少，其容值在偏置电路的控制下可以从0.3pF连续变化至4.3pF。贴片外接直流偏置电压源，通过控制偏置电压控制PIN二极管通断实现线极化的选择，通过控制变容二极管容值大小实现天线频率的连续性平移。

第一支臂和第二支臂的门型贴片穿过介质板向介质板下方延伸，第三支臂和第四支臂的门型贴片位于介质板下方，无需穿透介质板；第一支臂与第二支臂的梯型贴片以及连接的方形贴片33都内嵌在介质板2上表面，第三支臂与第四支臂的梯型贴片以及连接的方形贴片34都内嵌在介质板2下表面。

为获得更好的阻抗匹配，采用呈梯型形状的贴片，竖直贴片采用呈梯形状的同时开有“门”型槽。至此，本发明的馈电结构实现了良好阻抗匹配、天线的三线极化和频率可重构的功能。

其中，所述反射地板四周设有直立的反射墙，提高增益。

其中，所述同轴电缆下方穿过反射地板，设有SMA接头，SMA接头，为馈电端口。该天线的SMA头作为馈电结构一部分。内芯与铜皮外包层均需延长，分别与上下方形贴片相连。馈电贴片与辐射贴片非直接相连，能量通过耦合的方式通过馈电片传输到辐射贴片，这样能降低馈电结构对辐射贴片的影响，提升辐射效率和性能。辐射贴片呈弧形弯曲状，能极大地提升天线宽H面性能。

方形贴片33和34的四周是电偶极子的弧形辐射贴片，弧形辐射贴片41、42、43、44下方是反射地板，上方是一块0.787mm厚的FR4介质板，所述介质板为FR-4玻璃纤维环氧树脂覆铜板。铜板接地，FR4介质板起支撑作用，支撑上层馈电贴片和偏置电路导线。射地板为铝或铜。

表1和表2为本发明不同开关二极管通断下的不同天线模式方法以及天线的尺寸参数，参照图3，四个开关二极管分别为D1、D2、D3、D4，通过控制开关，能够覆盖不同极化方向，尺寸参数具体请对照图1-5的参数标记。

表1 不同开关二极管通断下的不同天线模式

D4	D1	D2	D3	极化方向
					关	关	开	开	X方向线极化
开	开	开	开	45°方向线极化
					开	开	关	关	Y方向线极化

表2 天线尺寸参数

图6(a)为本发明的S参数和增益(仿真)，展示了本发明天线可以产生三个线极化方向，且每个线极化方向的工作频率均可覆盖2G/3G/LTE和5G。

图6(b)为本发明的H面宽度(仿真)。由图6(b)可知，本发明在5G频段时H面宽度达到了160°，为常见天线的1.5倍。

图6(c)、(d)、(e)分别为本发明的3.6GHz方向图(仿真)、本发明的2.7GHz方向图(仿真)和本发明的1.8GHz方向图(仿真)，分别展示了本发明分别在1.8GHz、2.7GHz、3.6GHz时的辐射模式。从中可以看到E平面和H平面的交叉极化强度均在-20dB以下，平均前后比都在20dB以上。另外，本发明在1.8GHz、2.7GHz、3.6GHz时的主极化强度几乎完全相同且对称。

在天线宽H面性能要求方面，本发明设计的天线通过对贴片弯曲，在贴片边上开弹簧型凹槽，实现天线超宽H面的功能和增加带宽以及稳定增益的效果。本发明设计的天线5G频段覆盖范围可达160度，是普通天线覆盖范围的两倍。

在天线多线极化和频率可重构性能要求方面，利用十字交叉馈电结构，通过控制外接直流偏置电压来控制PIN二极管的通断，实现三线极化的转换功能；通过改变偏置电压来改变变容二极管的容值，实现频率可重构的效果。通过上述新型馈电结构，本发明设计的天线线极化方式达三种之多，工作频率范围可从2G频段横跨至5G频段；另外用单端口馈电方式就巧妙地实现了双端口馈电的功能，在实现三线极化和频率可重构的同时有效地避免了双端口馈电互相干扰的缺陷。

基于以上分析，本发明设计的天线主要是针对5G通信所设计，是一款集宽H面、三线极化、频率可重构于一体的，可应用于2G/3G/LTE和5G通信的新型磁电偶极子天线。

凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，其特征在于，包含反射地板、介质板、馈电结构，两对磁电偶极子；

两对磁电偶极子以中心为原点呈十字形排列，所述磁电偶极子由磁偶极子和电偶极子构成，磁电偶极子设置在反射地板上，所述磁偶极子为垂直于反射地板上的竖直贴片，所述电偶极子为弧形辐射贴片，所述弧形辐射贴片用于提升H面宽度；

馈电结构，中间有一同轴电缆，信号由同轴电缆馈入，同轴电缆上方设有第一支臂、第二支臂、第三支臂、第四支臂，四个支臂分别通过方形贴片连接同轴电缆；同轴电缆有内芯和外包层，内芯连接第一和第二支臂，外包层连接第三和第四支臂；其中第一支臂和第二支臂为在介质板的上表面，第三支臂和第四支臂在介质板的下表面；第一和第二支臂与第三第四支臂不在同一水平面；所述四个支臂组成相同，支臂由方形贴片通过馈电线延展，依次为馈电线，梯型贴片和门型贴片，梯型贴片和方形贴片之间的馈电线上还有开关二极管和变容二极管，梯型贴片和门型贴片之间的馈电线上还有变容二极管；第一支臂和第二支臂的门型贴片穿过介质板，第三支臂和第四支臂的门型贴片位于介质板下方，无需穿透介质板；第一支臂和第二支臂的梯型贴片位于介质板上方，第三支臂和第四支臂的梯型贴片位于介质板下方；

介质板，为方形且位于馈电结构上方，同轴电缆的内芯穿过介质板。

2.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，其特征在于，介质板与反射地板还设有开孔用于通直流电源控制交叉馈电偶极子可变电容的通断，实现极化频率可重构，所述介质板开孔数量为两组，每组五个，反射地板开孔跟介质板开孔一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，其特征在于，所述反射地板四周设有直立的反射墙。

4.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，其特征在于，所述同轴电缆下方穿过反射地板，设有SMA接头。

5.根据权利要求1所述的一种应用于5G通信的磁电偶极子天线，其特征在于，所述介质板为FR-4玻璃纤维环氧树脂覆铜板，反射地板为铝或铜。