CN108987940A - 应用于基站的高增益高精度定位天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于基站的高增益高精度定位天线及其阵列，该高增益高精度定位天线，由辐射振子、馈电部件及传输线组成的天线辐射单元、介质基片和具有‑90°～90°的反射相位特性的DGS结构组成的DGS结构反射板和同轴馈电线组成；天线辐射单元，接收激励并发射电磁波或接收电磁波并转换为电信号；DGS结构反射板，反射天线辐射单元发射的能量，增加增益并提高辐射特性；同轴馈电线，向天线辐射单元传输能量；应用于基站的高增益高精度定位天线的天线阵列，至少包含一个由2个天线组成的天线组，所有天线紧密排列并位于同一平面内，天线间隔≥0；本发明的天线及其天线阵列，辐射性能稳定、阻抗带宽特性及工作频段方向性好。

Description

应用于基站的高增益高精度定位天线及其阵列
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种应用于基站的高增益高精度定位天线阵列。
背景技术
经过过去30年的快速发展，无线通信***已经植入我们生活的方方面面。作为***中的数据传输中心，无线通信基站是指在一定区域内，通过无线电波收发与移动终端进行数据交换的过移动通信交换中心和信号收发电台。作为基站中最重要的射频部件，通信天线主要负责将通信设备前端传输过来的数字信号转变为空间电磁波，反之亦然。随着2G/3G/4G/5G无线通信***的快速发展，基站天线同样需要适应它们的快速发展，尤其是在未来5G时代，基站天线不仅需要支持5G超高速数据传输，而且需要支持原来2G/3G/4G频段。在当前网络中，基站天线大都体积巨大，几乎没有空间留给5G天线。天线的小型化非常紧迫。同时，为了可以在基站覆盖有效区域内高精度侦测定位信号源点，基站天线***必须结构紧凑，频带宽，在多频段方向性好。
目前，现有的覆盖部分频段(1800-1900MHz)的双极化基站天线，提出了一种覆盖LTE频段的双极化基站天线(Rui Wu和Qing-Xin Chu，“A Wideband Dual-PolarizedAntenna for LTE Applications”)，该天线由四个偶极子和一个反射板组成，其中，相对的两个偶极子等幅同相馈电，形成一个极化，另外两个偶极子类似，形成另一个极化。一种仅可覆盖CDMA and GSM频段的双极化基站天线(Yejun He和Wei Tian，“A Broadband Dual-Polarized Base Station Antenna Element for European Digital Dividend”)，提出的双极化基站天线原理同上。其中，一种覆盖LTE频段的双极化基站天线中天线体积为180×180×90mm3，一种仅可覆盖CDMA and GSM频段的双极化基站天线中天线体积为166.5×166.5×68mm3，这类天线体积较大，也不利于移动终端定位基站天线组阵。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种应用于基站的高增益高精度定位天线及其阵列，解决了现有技术中基站天线体积大，而无预留空间及不利于移动终端定位基站天线组阵的问题，同时满足基站天线***结构紧凑，频带宽，在多频段方向性好、高增益高精度的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，应用于基站的高增益高精度定位天线，由天线辐射单元、DGS结构反射板和同轴馈电线组成；
所述天线辐射单元，用于接收激励并向外发射电磁波或接收电磁波并转换为电信号；
所述DGS结构反射板，用于反射由天线辐射单元发射的能量，增加天线增益并提高天线辐射特性；
所述同轴馈电线，用于向天线辐射单元传输能量。
所述天线辐射单元由辐射振子、馈电部件及传输线组成；
所述DGS结构反射板由介质基片和具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构组成；
所述馈电部件，用于将同轴馈电线的能量传输到传输线上；
所述传输线，用于将馈电部件上的能量传输到辐射振子上；
所述辐射振子，用于将接收的电能转化成电磁波，并向外发射该电磁波或者接收电磁波，并将它转化为电能；
所述具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构，作为天线辐射单元的地平面，用于增加天线增益并且提高天线***的效果；
所述介质基片，用于支撑印制上表面的天线辐射单元和下表面的具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构。
所述同轴馈电线一端设有外导电体，另一端设有同轴探针；同轴馈电线贯穿整个介质基片，其外导电体与DGS结构连接，其同轴探针通过介质基片上的圆形开口与馈电部件连接，馈电部件通过传输线与辐射振子连接。
所述天线辐射单元与具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构工作频率均为1.7-2.7GHz。
所述介质基片相对介电常数s为4.4、厚度H为1mm。
所述辐射振子相互夹角为90°，辐射振子数量为4个。
所述馈电部件为馈电片。
所述具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构由中心反射区和边缘反射区构成，边缘反射区设置用于增强天线辐射性能的空隙。
所述边缘反射区的用于增强天线辐射性能的空隙，分别位于辐射振子辐射方向的正下方。
应用于基站的高增益高精度定位天线的天线阵列，至少包含一个天线组，1个天线组由2个天线组成，所有天线紧密排列并位于同一平面内，天线间隔≥0。
本发明的有益效果是，应用于基站的高增益高精度定位天线，使用DGS结构作为天线的反射板，该DGS结构反射板使用相对介电常数s为4.4，厚度H为1mm的介质基片，将工作在1.7-2.7GHZ的印制天线辐射单元与相应工作频率的DGS进行一体化设计，增加天线增益并且提高反射板的效果，减小天线的纵向体积；在天线的工作频段，使DGS结构拥有-90°～90°的反射相位，使DGS结构获得更大的相对带宽，并设置天线的辐射振子大小不同，提高天线的增益，减小天线结构尺寸；再利用该天线进行紧密排布，获得辐射性能稳定、阻抗带宽特性好、在工作频段方向性好、高增益及高精度的超小型天线阵列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a是一体化设计天线俯视图-辐射单元示意图；
图1b是一体化设计天线仰视图-DGS结构示意图；
图2a是一体化设计天线俯视图-辐射单元结构尺寸示意图；
图2b是一体化设计天线仰视图-DGS结构结构尺寸示意图；
图3a是天线S参数-天线回波损耗仿真效果图；
图3b是天线S参数-天线辐射增益仿真效果图；
图4是角度差分别为0°、45、90°、135°的双天线阵列结构的侧视图；
图5是双天线阵列结构角度差分别为0°、45、90°、135°的S参数仿真效果图；
图6是双天线阵列结构相位差分别为0°、45、90°、135°方向仿真效果图；
图7是四天线阵列结构的侧视图；
图8是四天线阵列结构S参数仿真效果图；
图9是四天线阵列结构方向仿真效果图。
图中，1.天线辐射单元，2.DGS结构反射板，3.同轴馈电线，1-1.辐射振子，1-2.馈电部件，1-3.传输线，2-1.介质基片，2-2.DGS结构，2-3.中心反射区，2-4.边缘反射区，2-5.空隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应用于基站的高增益高精度定位天线，由天线辐射单元1、DGS结构反射板2和同轴馈电线3组成，将工作在1.7-2.7GHz的印制的天线辐射单元1与相应工作频率的DGS结构2-2进行一体化设计；如图1a和1b所示，天线辐射单元1由4组辐射振子1-1、馈电部件1-2及传输线1-3组成，为了拓宽天线的阻抗带宽和改善天线增益，4组辐射振子1-1大小不同；DGS结构反射板2采用相对介电常数s为4.4、厚度H为1mm的介质基片2-1；4组辐射振子1-1印制在介质基片2-1上表面，相互夹角为90°；如图1b所示，DGS结构2-2印制在介质基片2-1下表面，具有-90°～90°的反射相位特性，作为天线辐射单元1的地平面，降低定位基站天线的剖面高度，并且增强天线性能；DGS结构2-2由中心反射区2-3和边缘反射区2-4构成，边缘反射区2-4的4个互成90°的空隙2-5，分别位于天线辐射单元1的4组辐射振子1-1辐射方向的正下方，增强天线辐射性能；同轴馈电线3贯穿整个介质基片2-1，同轴馈电线3一端的外导电体与反射面DGS结构2-2连接，另一端的同轴探针通过介质基片2-1上的圆形开口穿过DGS结构2-2与天线辐射单元1的馈电部件1-2(馈电片)连接。
天线辐射单元1，用于接收激励并向外发射电磁波或接收电磁波并转换为电信号；
所述DGS结构反射板2，用于反射天线辐射单元1发射的电磁波，增加天线增益并提高天线辐射特性；
所述同轴馈电线3，用于向天线辐射单元1传输能量。
所述馈电部件1-2，用于将同轴馈电线3的能量传输到传输线1-3上；
所述传输线1-3，用于将馈电部件1-2上的能量传输到辐射振子1-1上；
所述辐射振子1-1，用于将接收的电能转化成电磁波，并向外发射该电磁波或者接受电磁波并转换为电信号；
所述具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构2-2，作为天线辐射单元1的地平面，用于增加天线增益并且提高反射板的效果。
如图2a和2b所示，本发明的每个天线已经单独优化好，能够在1.7-2.7GHz频率上工作，其大小约为工作频率的四分之一波长；具体天线结构几何尺寸参数如表1所示。
表1天线结构几何尺寸(单位/cm)
符号 尺寸 符号 尺寸 符号 尺寸 符号 尺寸 符号 尺寸
L1 6 LA1 2 LB1 7.8 LC1 27 LD1 3.5
L2 3.6 LA2 7 LB2 8.5 LC2 8 LD2 9.5
L3 1.1 LA3 3 LB3 20 LC3 6 LD3 25
L4 8 LA4 8.2 LB4 11 LC4 6.5 LD4 13
L5 4 LA5 29.2 LB5 6.5 LC5 2 LD5 4
L6 5 LA6 17.5 LB6 2 LC6 7.5 LD6 5
L7 14 LA7 12 LB7 5.1 LC7 14 LD7 2.3
L8 8.2 LA8 8.2 LB8 3 LC8 12 LD8 9.5
L9 7 LA9 11 LB9 17 LC9 14 LD9 8
L10 8.2 LA10 12.5 LB10 5
L11 6 LA11 4 LB11 9
L12 31 LB12 9.5
L13 17
L14 17.5
L15 6
L16 11
L17 4.6
利用商业仿真软件(CST)，对本发明的天线进行建模和仿真，仿真结果如图3a和图3b所示，对天线的S参数在1-3GHz的频率范围内进行仿真计算，天线回波损耗在工作频率内小于-10dB，天线辐射增益大于2dBi，基本满足移动通信行业标准。
为了验证本发明天线的实用性，对其进行组阵仿真分析，以最极限情况为例，天线间隔为0，以双天线阵列为例，对每个天线进行等幅同相馈电，如图4所示，为了测试天线在各种情况下的工作状况，在双天线角度差分别为0°、45、90°、135°时，其S参数仿真结果如图5所示，其中，S11和S22分别表示两个天线端口的回波损耗，∣S21∣和∣S12∣均表示两个天线端口之间的隔离度，∣S21∣＝∣S12∣；由图5可知，本发明的双天线阵列在两个天线端口的回波损耗S11和S22均小于-10dB，具有1.2-2.7GHz的工作频带，频带内隔离度∣S21∣大于20dB；这些说明本发明的天线具有良好的阻抗带宽特性，而且由于采用DGS反射技术，两个天线端口之间具有良好的隔离度；这大大提高了天线的适应性，天线可以紧密排列而不影响天线性能，这将极大的缩小天线阵列和基站的几何尺寸；通过不同的排列方式及增减天线数量的方法，天线***可以获得需要的增益。
对本发明天线的远场辐射方向图在2GHz处进行仿真计算，天线在H面的辐射方向图如图6所示；双天线阵列的辐射方向图满足基站天线的单向性要求，因为天线的4个辐射振子1-1并不相同，为了进一步验证天线在阵列中的作用，在双天线相位差分别为0°、45°、90°、145°时，天线主瓣宽度为56°～68°，天线最大增益大于4.67dB；天线方向图基本一致，说明本发明基站定位天线的辐射性能稳定。
以上仿真测试结果说明本发明具有体积小、频带宽、隔离度高、辐射性能稳定等优点，这些都很好的满足了小型基站定位天线的要求。
为了进一步验证本发明的天线，基于以上的仿真结果，使用4天线阵列进一步测试。如图7所示，4个天线被放置在同一平面内，天线间距为0mm，相邻天线相位角为0；相比其他阵列天线，本发明的天线阵列的尺寸可以被最大减小，可以被放置在各种基站结构内部，无需考虑相位和间距，在一个扁平空间内紧密排列不会增加天线之间的相互耦合，且会有效提高天线的增益。
图8为4天线阵列结构仿真S参数结果，由图8可知，在1.7-2.7GHz整个工作频段内4个天线端口反射参数S11、S22、S33、S44都小于-10dB，4个天线端口的相互耦合系数S12，S13，S14，S23，S24，S34小于-20dB，这些满足了基站天线的工作需要。4天线阵列的远场方向图如图9所示，天线***在2GHz频率下的增益大于8dBi，这满足了小型基站定位天线对于高精度定位的需求。
由上述分析，单独优化好的天线能够在1.7-2.7GHz频段保证端口的回波损耗小于-10dB，单天线辐射单元1的增益大于2dBi。为了测试天线组成阵列的性能，2个天线的相互间隔被设置为0mm，单元件相位被分别设置为0°、45°、90°、145°，仿真结果表明两天线端口的回波损耗大于10dB，具有1.2-2.7GHz的工作频带，频带内隔离度大于20dB；这些说明所提议的天线具有良好的阻抗带宽特性。同时，天线最大增益大于4.67dB；天线方向图基本一致，这说明本发明基站定位天线的辐射性能稳定。最后，四个天线被使用组成定位基准天线***，仿真结果表明***可以在1.7-2.7GHz整个工作频段工作并提供8dBi的天线增益，并具有良好的方向性。本发明的这种基站定位天线设计结构简单，性能良好，易于组合，并且实现了天馈一体化设计，可以很好的满足小型基站定位***的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，由天线辐射单元(1)、DGS结构反射板(2)和同轴馈电线(3)组成；
所述天线辐射单元(1)，用于接收激励并向外发射电磁波或接收电磁波并转换为电信号；
所述DGS结构反射板(2)，用于反射由天线辐射单元(1)发射的能量，增加天线增益并提高天线辐射特性；
所述同轴馈电线(3)，用于向天线辐射单元(1)传输能量。
2.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，
所述天线辐射单元(1)由辐射振子(1-1)、馈电部件(1-2)及传输线(1-3)组成；
所述DGS结构反射板(2)由介质基片(2-1)和具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构(2-2)组成；
所述馈电部件(1-2)，用于将同轴馈电线(3)的能量传输到传输线(1-3)上；
所述传输线(1-3)，用于将馈电部件(1-2)上的能量传输到辐射振子(1-1)上；
所述辐射振子(1-1)，用于将接收的电能转化成电磁波，并向外发射该电磁波或者接收电磁波，并将它转化为电能；
所述具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构(2-2)，作为天线辐射单元(1)的地平面，用于增加天线增益并且提高天线***的效果；
所述介质基片(2-1)，用于支撑印制上表面的天线辐射单元(1)和下表面的具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构(2-2)。
3.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述同轴馈电线(3)一端设有外导电体，另一端设有同轴探针；同轴馈电线(3)贯穿整个介质基片(2-1)，同轴馈电线(3)的外导电体与DGS结构(2-2)连接，同轴馈电线(3)的同轴探针通过介质基片(2-1)上的圆形开口与馈电部件(1-2)连接，馈电部件(1-2)通过传输线(1-3)与辐射振子(1-1)连接。
4.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述天线辐射单元(1)与具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构(2-2)工作频率均为1.7-2.7GHz。
5.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述介质基片(2-1)相对介电常数s为4.4、厚度H为1mm。
6.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述辐射振子(1-1)相互夹角为90°，辐射振子(1-1)数量为4个。
7.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述馈电部件(1-2)为馈电片。
8.根据权利要求1所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述具有-90°～90°的反射相位特性的DGS结构(2-2)由中心反射区(2-3)和边缘反射区(2-4)构成，边缘反射区(2-4)设置用于增强天线辐射性能的空隙(2-5)。
9.根据权利要求7所述的应用于基站的高增益高精度定位天线，其特征在于，所述边缘反射区(2-4)的用于增强天线辐射性能的空隙(2-5)，分别位于辐射振子(1-1)辐射方向的正下方。
10.如权利要求1～9任一项所述的应用于基站的高增益高精度定位天线的天线阵列，其特征在于，至少包含一个天线组，1个天线组由2个天线组成，所有天线紧密排列并位于同一平面内，天线间隔≥0。
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