CN108232458B - 一种差分双频双极化双环基站天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差分双频双极化双环基站天线，包括介质基板、金属地板、馈电金属贴片、四组辐射贴片组，第一、二、三、四同轴线；馈电金属贴片设在介质基板上表面；四组辐射贴片组设在介质基板下表面，围绕介质基板中心彼此之间呈镜像对称；每组辐射贴片组由两个大小不一但形状相同的内、外辐射贴片组成，呈对角对称的两个内辐射贴片、两个外辐射贴片分别构成为一对偶极子贴片；金属地板设在介质基板下方，第一、二、三、四同轴线内导体与馈电金属贴片连接，外导体与四个外辐射贴片一一对应相接，其底部穿过金属地板后外接SMA头。本发明具有四对偶极子、双频、双极化和差分特性，且易加工、结构简单、体积小、成本低、频带宽。

Description

一种差分双频双极化双环基站天线
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种差分双频双极化双环基站天线。
背景技术
在移动通信中，密集地区的基站多为极化分集方式，在基站天线中，±45°双极化天线得到了大规模应用。目前用于3G、4G的基站天线的使用频段为1.71GHz～2.69GHz，现有的基站天线都能很好地覆盖这一频段。而对于5G通信频段3.3GHz～3.6GHz和4.8GHz～5GHz的覆盖，单频带基站天线则很难实现，因而双频的基站天线尤其适用于实现3G、4G、5G通信频段的覆盖。
而差分天线可以直接与差分电路集成，减少***的能量损耗，有利于***的高度集成和小型化，并且差分天线具有共模抑制，低交叉极化以及高度的端口隔离等特性，因此差分天线也成为目前天线领域研究的重要方向。
差分双频双极化双环天线兼具差分天线和双频双极化线的优势，使得它特别适用于3G、4G、5G移动通信领域。而对于已知的双频双极化天线，带宽较窄，端口隔离度不高，使其发展受到了限制。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2006年的《空间电子技术》，潘雪明、王泽美和焦永昌发表题为“一种新型双频双极化微带偶极子天线”的文章中提出了一种双频双极化天线。该文章采用改进的微带偶极子结构，并且采用耦合贴片以及平衡馈电方式。该双频双极化天线阻抗带宽可以覆盖880MHz～960MHz的GSM频段和1710MHz～1880MHz的DCS频段，且端口隔离度在两个频段上均大于31dB。但这种现有技术仍没解决带宽较窄、端口隔离度不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种差分双频双极化双环基站天线，该天线具有四对偶极子贴片、双频、双极化和差分特性，且易加工、结构简单、体积小、成本低、频带宽，可以应用于1.71GHz～2.69GHz和4.8GHz～5GHz的3G、4G、5G的手机基站中。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种差分双频双极化双环基站天线，包括介质基板、金属地板、馈电金属贴片、四组辐射贴片组、第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线、第四同轴线；所述馈电金属贴片设置在介质基板的上表面；所述四组辐射贴片组设置在介质基板的下表面，并围绕该介质基板的中心均匀分布，且彼此之间呈镜像对称；每组辐射贴片组均由两个大小不一但形状相同的内、外辐射贴片组成，为内外嵌套式双环结构，且呈对角对称的两个内辐射贴片、两个外辐射贴片分别构成为一对偶极子贴片，即四组辐射贴片组共构成有四对偶极子贴片；所述金属地板设置在介质基板的下方，所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线彼此平行地设置在介质基板和金属地板之间，且所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线的内导体穿过介质基板与馈电金属贴片连接，其外导体分别与四组辐射贴片组的四个外辐射贴片一一对应相接，即一个外辐射贴片连接一个同轴线的外导体，所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线的底部穿过金属地板后外接SMA头。
所述馈电金属贴片包括平衡馈电中心部位及四个馈电枝节，所述四个馈电枝节彼此呈镜像对称地均布在平衡馈电中心部位的四周，并分别与该平衡馈电中心部位连接，且一个馈电枝节对应一个内辐射贴片以及一个同轴线，并与相应的内辐射贴片实现耦合馈电及与相应同轴线的内导体连接。
所述内、外辐射贴片为圆形或多边形结构。
所述平衡馈电中心部位为圆形或多边形结构，所述馈电枝节为类工字型结构。
所述介质基板的上、下表面的面积均为金属地板面积的20％～30％，且所述介质基板与金属地板同一中心垂直线。
所述金属地板、第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线、第四同轴线、四组辐射贴片组采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金、铂中的任意一种或其中一种的合金。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的差分双频双极化双环基站天线与现有技术的设计相比，使用四条同轴线差分馈电，激励四对偶极子贴片，其中较大的两对偶极子贴片工作在低频频段，较小的两对偶极子工作在高频频段，以此实现双频双极化。由于使用差分馈电，该天线具有良好的共模抑制。
2、本发明的差分双频双极化双环基站天线与现有技术的设计相比，可以改善频带内性能，从输入端口回波损耗的仿真结果表明，该天线在1.66Ghz-2.88Ghz以及4.57GHz-5.31GHz的频段范围内，具有较宽的带宽，较高的增益；能够满足3G、4G、5G手机基站天线应用于1.71Ghz～2.69Ghz和4.8GHz～5.0GHz的宽带高速无线通讯***的要求。
3、本发明的差分双频双极化双环基站天线具有的四对偶极子贴片，可以采用单面覆盖金属片的PCB板构成，而对四对偶极子贴片进行切角，可以进一步增加天线的阻抗带宽。
4、本发明的差分双频双极化双环基站天线的介质基板加工工艺成熟，成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足该基站天线低造价的要求。
5、本发明的差分双频双极化双环基站天线具有低频段53.7％(1.66-2.88GHz)的阻抗带宽和15.0％(4.57Ghz-5.31Ghz)的阻抗带宽，且在通带内具有大于60dB的端口隔离度，解决了现有技术阻抗带宽窄，端口隔离度不高的问题。
附图说明
图1为本发明的差分双频双极化双环基站天线的立体图。
图2为本发明的差分双频双极化双环基站天线等轴视图。
图3为本发明的差分双频双极化双环基站天线主视图。
图4为本发明的差分双频双极化双环基站天线左视图。
图5为本发明的差分双频双极化双环基站天线俯视图。
图6为本发明的差分双频双极化双环基站天线的介质基板上表面结构图。
图7为本发明的差分双频双极化双环基站天线的介质基板下表面结构图。
图8为本发明的差分双频双极化双环基站天线S参数及隔离度的仿真结果曲线图。
图9为本发明的差分双频双极化双环基站天线Gain的仿真结果曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图7所示，本实施例所提供的差分双频双极化双环基站天线，包括有介质基板2、金属地板1、馈电金属贴片6、四组辐射贴片组、第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d。所述四组辐射贴片组设置在介质基板2的下表面，并围绕该介质基板2的中心均匀分布，且彼此之间呈镜像对称。每组辐射贴片组均由两个大小不一但形状相同的内、外辐射贴片组成，为内外嵌套式双环结构，图中的4a、4b、4c、4d为四组辐射贴片组的四个外辐射贴片，而图中的5a、5b、5c、5d为四组辐射贴片组的四个内辐射贴片，且所述内、外辐射贴片4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d均为圆形或多边形结构，而在本实施例中优选五边形结构。所述馈电金属贴片6设置在介质基板2的上表面，包括平衡馈电中心部位7及四个呈类工字型结构的馈电枝节，所述四个馈电枝节彼此呈镜像对称地均布在平衡馈电中心部位7的四周，并分别与该平衡馈电中心部位7连接，且一个馈电枝节对应一个内辐射贴片以及一个同轴线，并与相应的内辐射贴片实现耦合馈电及与相应同轴线的内导体连接，其中，所述平衡馈电中心部位7为圆形或多边形结构，而在本实施例优选正方形结构，所述四个馈电枝节分别为第一馈电枝节、第二馈电枝节、第三馈电枝节、第四馈电枝节，所述第一馈电枝节包括依次连接的正方形部8a、长方形部9a和长方形部10a，所述第二馈电枝节包括依次连接的正方形部8b、长方形部9b和长方形部10b，所述第三馈电枝节包括依次连接的正方形部8c、长方形部9c和长方形部10c，所述第四馈电枝节包括依次连接的正方形部8d、长方形部9d和长方形部10d，四个馈电枝节的正方形部8a、8b、8c、8d连接平衡馈电中心部位7。所述金属地板1设置在介质基板2的下方，所述第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d彼此平行地设置在介质基板2和金属地板1之间，且所述第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d的内导体穿过介质基板2分别与相应馈电枝节的正方形部连接，其外导体分别与四组辐射贴片组的四个外辐射贴片4a、4b、4c、4d一一对应相接，即一个外辐射贴片连接一个同轴线的外导体，所述第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d的底部穿过金属地板1后外接SMA头。
外辐射贴片4a与4c、4b与4d，内辐射贴片5a与5c、5b与5d，共构成四对偶极子贴片，偶极子贴片作为一对辐射体完成天线信号的发射或接收；信号从第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c和第四同轴线3d底端，通过SMA头接入或接出。
所述介质基板2的上、下表面的面积均为金属地板1面积的20％～30％，且所述介质基板2与金属地板1同一中心垂直线。
所述介质基板2采用FR4-epoxy材料制成，介质常数为4.4，损耗角为0.02，其加工工艺成熟，成本低，成品率高，制作过程简单，可以满足基站天线低造价的要求。所述第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d的内导体直径为0.5mm，外导体的直径为1.5mm。所述金属地板1、第一同轴线3a、第二同轴线3b、第三同轴线3c、第四同轴线3d、四组辐射贴片组采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金、铂中的任意一种或其中一种的合金。
调整本实施例的差分双频双极化双环基站天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的差分双频双极化双环基站天线进行了验证仿真，如图8所示，给出了该天线在1.5～6.0Ghz频率范围内的S参数(St(Diff1,Diff1)和St(Diff1,Diff2))仿真结果的曲线，图中有两条曲线，St(Diff1,Diff1)的曲线是指差模信号的|S11|仿真参数，St(Diff1,Diff2)的曲线是指两对差分端口的隔离；可以看到，在1.66GHz～2.88GHz和4.57GHz～5.31GHz的频段范围内，dB(St(Diff1,Diff1))的值都小于-10dB，而dB(St(Diff1,Diff2))的值都小于-60dB；如图9所示，给出了该天线在1.5～6.0Ghz频率范围内的PeakGain仿真结果的曲线，可以看出，在1.66GHz～2.88GHz和4.57GHz～5.31GHz的频段范围内，dB(PeakGain)的值都在8.75±0.73dBi范围内。仿真结果表明本发明的差分双频双极化双环天线具有较宽的带宽，较高的增益，极高的端口隔离，性能良好，能够满足3G、4G、5G手机基站天线应用于1.71GHz～2.69GHz和4.8GHz～5.0GHz的宽带高速无线通讯***的要求，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种差分双频双极化双环基站天线，其特征在于：包括介质基板、金属地板、馈电金属贴片、四组辐射贴片组、第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线、第四同轴线；所述馈电金属贴片设置在介质基板的上表面；所述四组辐射贴片组设置在介质基板的下表面，并围绕该介质基板的中心均匀分布，且彼此之间呈镜像对称；每组辐射贴片组均由两个大小不一但形状相同的内、外辐射贴片组成，为内外嵌套式双环结构，且呈对角对称的两个内辐射贴片、两个外辐射贴片分别构成为一对偶极子贴片，即四组辐射贴片组共构成有四对偶极子贴片；所述金属地板设置在介质基板的下方，所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线彼此平行地设置在介质基板和金属地板之间，且所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线的内导体穿过介质基板与馈电金属贴片连接，其外导体分别与四组辐射贴片组的四个外辐射贴片一一对应相接，即一个外辐射贴片连接一个同轴线的外导体，所述第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线和第四同轴线的底部穿过金属地板后外接SMA头；所述馈电金属贴片包括平衡馈电中心部位及四个馈电枝节，所述四个馈电枝节彼此呈镜像对称地均布在平衡馈电中心部位的四周，并分别与该平衡馈电中心部位连接，且一个馈电枝节对应一个内辐射贴片以及一个同轴线，并与相应的内辐射贴片实现耦合馈电及与相应同轴线的内导体连接；所述内、外辐射贴片为圆形或多边形结构。
2.根据权利要求1所述的一种差分双频双极化双环基站天线，其特征在于：所述平衡馈电中心部位为圆形或多边形结构，所述馈电枝节为类工字型结构。
3.根据权利要求1所述的一种差分双频双极化双环基站天线，其特征在于：所述介质基板的上、下表面的面积均为金属地板面积的20%~30%，且所述介质基板与金属地板同一中心垂直线。
4.根据权利要求1所述的一种差分双频双极化双环基站天线，其特征在于：所述金属地板、第一同轴线、第二同轴线、第三同轴线、第四同轴线、四组辐射贴片组采用的金属为铝、铁、锡、铜、银、金、铂中的任意一种或其中一种的合金。
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