CN111799553A - 一种用于天线单元的寄生单元及天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于天线单元的寄生单元和天线单元，其中寄生单元包括介质基板及设置在介质基板上的寄生单元片，所述寄生单元片呈N×N的寄生阵列位于所述介质基板的表面，其中N≥2。一种天线单元，包括反射地、巴伦单元、辐射单元和寄生单元，所述寄生单元通过绝缘支柱固定在辐射单元上方，所述辐射单元由所述巴伦单元固定在所述反射地上。该NMIMO天线单元可以实现2/3/4/5G频段(1.7‑3.6GHz)±45°双极化稳定电磁辐射，具有工作频段宽、隔离度高、辐射方向图稳定的特点。

Description

一种用于天线单元的寄生单元及天线单元
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种适用于2G/3G/4G/5G移动通信的寄生单元及天线单元。
背景技术
随着5G移动通信技术的发展，传统2G/3G/4G将一种补充通信方式与5G长期共存。设计一款工作频段覆盖2G/3G/4G/5G移动通信的波束稳定MIMO天线单元，不仅可以改善基站天线电磁兼容难题，同时可以节约安装空间降低运营成本，因而具有极大的商业价值。传统的基站天线工作频段通常1.7-2.7GHz，工作带宽及辐射方向图不能满足设计需要。5G天线(3.5GHz、26.5GHz及40GHz)仅能支持单一工作频段，且隔离度、增益相较传统基站天线要求相差甚远。
传统寄生单元通常由一个金属片构成，放置在2/3/4G双极化天线上方，具有改善天线带内驻波及提高增益的作用。但是，对于工作在2/3/4/5G频段的宽带双极化天线，传统寄生单元无法实现相同的作用。专利CN207303347U，提出了一种可工作于1.4-2.7GHz的多层寄生单元，该寄生单元由四层圆形金属片堆叠构成，利用塑料支架放置在双极化天线商法，可改善1.4-2.7GHz带内驻波。
本发明设计一款可用于2G/3G/4G/5G移动通信的波束稳定MIMO天线需要满足以下要求：1、工作频段覆盖1.71-3.6GHz，满足2/3/4/5G移动通信频段要求。2、双极化辐射，可支持MIMO方式。3、稳定方向图，增益和半功率波束宽带在工作带宽内变化稳定保证信号均匀覆盖。4、尺寸紧凑、结构简单、安装便捷、成本低廉。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种可改善阻抗匹配的寄生单元和可拓展基站天线工作带宽的天线单元。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于天线单元的寄生单元，包括介质基板及设置在介质基板上的寄生单元片，其特征在于：所述寄生单元片呈N×N的寄生阵列位于所述介质基板的表面，其中N≥2。
所述寄生单元片直径0.05～0.15λ1，寄生单元片间距为0.1～0.25λ1，其中λ1为2.1GHz真空波长。
所述寄生单元片为圆形金属片。
所述圆形金属片为4片，呈正方形布置。
本发明寄生单元采用呈阵列布置的寄生阵列。在低频段，四个寄生单元片被共同视为一个容性寄生元件，利用近场电磁感应特性可以改善1.7-2.7GHz频带内的阻抗匹配；在高频段内，每个寄生单元片都视为一个容性寄生元件，改善3.4-3.5GHz频带内的阻抗匹配，同时四个寄生单元片被共同视为一个引向器，利用引向器的远场特性改善3.4-3.6GHz频带内的辐射方向图。测试数据表明，天线在1.7-3.6GHz频段内满足：回波损耗＜-15dB，增益9.2±0.6dBi，半功率波束宽度66±4°，详情参看附图说明13-15。
本发明具有如下技术效果：
本发明寄生单元及天线单元，具有宽带宽、高隔离、稳定方向图、结构简单的优势，具体体现在：
(1)本发明工作带宽覆盖1.7-3.62GHz，可以同时适用于2G/3G/4G/5G移动通信。
(2)本发明具有隔离高(端口隔离度>30dB)、辐射波束稳定、尺寸紧凑、结构简单、安装便捷、成本低廉的优点。
(3)本发明天线单元通过在宽带集成巴伦的金属条带上设计齿形缝隙，从阻抗匹配原理上拓展基站天线工作带宽，将传统的2/3/4G双极化天线带宽(1.7-2.7GHz)增强到1.7-3.6GHz，详情参看附图说明6。
(4)本发明结构简单，无需设计复杂的反射地。采用成熟稳定的结构形式，保证生产便捷性。相较传统2/3/4G双极化天线，本发明口径面积没有增加。
附图说明
图1所示为本发明可用于2G/3G/4G/5G移动通信的波束稳定MIMO天线单元三维结构图；
图2为寄生单元的平面图；
图3为寄生单元的侧视图；
图4所示为本发明巴伦单元三维结构图；
图5为第一宽带集成巴伦的结构示意图；
图6为第一宽带集成巴伦的正面图；
图7为第一宽带集成巴伦的背面图；
图8为第二宽带集成巴伦的结构示意图；
图9为第二宽带集成巴伦的正面图；
图10为第二宽带集成巴伦的背面图；
图11为辐射单元的平面图；
图12所示为传统2G/3G/4G双极化天线、使用齿形短路槽线双极化天线的输入阻抗图。
图13所示为未加载寄生阵列双极化天线、加载寄生阵列双极化天线(本发明)带内增益变化图。
图14所示为未加载寄生阵列双极化天线、加载寄生阵列双极化天线(本发明)带内半功率波束宽度变化图。
图15所示为传统2G/3G/4G双极化天线、使用所述齿形短路槽线双极化天线、使用所示寄生阵列双极化天线(本发明)回波损耗图。
具体实施方式
实施例1
如图2和图3所示，本发明用于天线单元的寄生单元，包括介质基板42及设置在介质基板42上的寄生单元片41。其中，寄生单元片41呈N×N的寄生阵列布置在介质基板42的表面，其中N≥2。
寄生单元片直径0.05～0.15λ1，寄生单元片间距为0.1～0.25λ1，其中λ1为2.1GHz真空波长。
在本实施例中，寄生单元片41为圆形金属片。圆形金属片41为4片，呈正方形布置。
实施例2
图1-11所示为可用于2G/3G/4G/5G移动通信的波束稳定MIMO天线单元，包括反射地1、巴伦单元2、辐射单元3和寄生阵列4。
寄生阵列4通过绝缘支柱固定在辐射单元3上方，辐射单元3由巴伦单元2固定在反射板上1。
寄生阵列4由印制在介质基板42表面的一组的寄生单元阵列41构成。
辐射单元3由印制在介质基板表面的第一辐射臂31、第二辐射臂32、第三辐射臂33、第四辐射臂34构成，第一辐射臂31、第三辐射臂33构成-45°极化辐射，第二辐射臂32、第四辐射臂34构成+45°极化辐射。
巴伦单元2包括第一宽带集成巴伦21、第二宽带集成巴伦22，第一宽带集成巴伦21、第二宽带集成巴伦22彼此垂直正交。
第一宽带集成巴伦21包括印制在介质基板211正面的第一微带线212和背面的形成第一齿形短路槽线213的两条金属条带。
第二宽带集成巴伦22包括印制在介质基板221正面的第二微带线222和背面的形成第二齿形短路槽线223的两条金属条带。
第一宽带集成巴伦21的齿形短路槽线213上部分别与第一辐射臂31、第三辐射臂33焊接，激励+45°极化辐射。第二宽带集成巴伦22的齿形短路槽线223上部分别与第二辐射臂32、第四辐射臂34焊接，激励-45°极化辐射。第一齿形短路槽线213、第二齿形短路槽线223底部与反射地1焊接。
寄生阵列4由2×2个寄生单元41构成方阵。
寄生单元41由圆形金属贴片构成。
生阵列4固定在辐射单元3上方，距离为18mm。
寄生单元直径为11m，寄生单元间距为15mm。寄生阵列在低频段内具有电磁感应特性，改善阻抗匹配；寄生阵列在高频段内具有远场引向特性，改善辐射方向图。图12、13分别所示为加载寄生阵列后，天线增益、半功率波束宽度随频率变化。由图可知加载寄生阵列后，天线带内增益稳定在9.2±0.9dBi，半功率波束宽度稳定在64.5±6.5°
第一辐射臂31、第二辐射臂32、第三辐射臂33、第四辐射臂34为实心八边形金属贴片。
第一齿形短路槽线由两根共面金属条带213构成，共面金属条带邻边边缘刻蚀第一齿形缝隙213A。第二齿形短路槽线由两根共面金属条带223构成，共面金属条带邻边边缘刻蚀第二齿形缝隙223A。第一齿形缝隙、第二齿形缝隙分别改变第一齿形短路槽线、第二齿形短路槽线特征阻抗，电流上表现为在齿形短路槽线上形成高阻特性，截断途径齿形短路槽线流向反射地的电流，等效电路上表现为改善天线高频阻抗匹配，拓展天线工作带宽。图11所示为传统2G/3G/4G双极化天线、使用所述齿形短路槽线双极化天线、使用所示寄生阵列双极化天线的回波损耗图，由图14可见，相较传统双极化天线，使用所述齿形短路槽线双极化天线带宽由1.7-2.7GHz(RL＜15dB)拓宽到1.7-3.7GHz(RL＜12dB)；使用所示寄生阵列双极化天线阻抗改善到1.7-3.6GHz(RL＜15dB)。
第一齿形缝隙213A分布起始于第一微带线212与第一齿形短路槽线耦合位置，终止于齿形短路槽线与反射地1连接处。
第二齿形缝隙223A分布起始于第二微带线222与第二齿形短路槽线耦合位置，终止于齿形短路槽线与反射地1连接处。
第一齿形缝隙213A、第二齿形缝隙223A深度H为2.5mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于天线单元的寄生单元，包括介质基板及设置在介质基板上的寄生单元片，其特征在于：所述寄生单元片呈N×N的寄生阵列位于所述介质基板的表面，其中N≥2。
2.根据权利要求1所述的寄生单元，其特征在于：所述寄生单元片直径0.05～0.15λ1，寄生单元片间距为0.1～0.25λ1，其中λ1为2.1GHz真空波长。
3.根据权利要求2所述的寄生单元，其特征在于，所述寄生单元片为圆形金属片。
4.根据权利要求3所述的寄生单元，其特征在于，所述圆形金属片为4片，呈正方形布置。
5.一种天线单元，包括反射地、巴伦单元、辐射单元和寄生单元，所述寄生单元通过绝缘支柱固定在辐射单元上方，所述辐射单元由所述巴伦单元固定在所述反射地上，其特征在于：所述寄生单元为权利要求1-4任一所述寄生单元。
6.根据权利要求5所述的天线单元，其特征在于：所述巴伦单元包括介质基板、微带线及金属条带，所述微带线设置在所述介质基板一面，所述金属条带设置在所述介质基板另一面；所述金属条带为共面设置的第一金属条带和第二金属条带，在第一金属条带与第二金属条带之间为隔离缝隙，在形成所述隔离缝隙的第一金属条带和第二金属条带一侧均设置有齿形缝隙。
7.根据权利要求6所述的天线单元，其特征在于：所述微带线包括第一微带段、第二微带段以及第三微带段，所述第二微带段连接所述第一微带段和第二微带段，所述第一微带段位于所述第一金属条带的背面，所述第三微带段位于所述第二金属条带的背面，所述第二微带段一端位于第一金属条带背面，所述第二微带段另一端位于第二金属条带背面；所述第一金属条带和第二金属条带对称分布在所述第二微带段中心的两侧，所述齿形缝隙起始于所述微带线与金属条带的耦合位置；所述齿形缝隙终止于所述隔离缝隙的末端。
8.根据权利要求6或7所述的天线单元，其特征在于：所述齿形缝隙两侧具有相同深度，约为0.02～0.05λ2，其中λ2为3.5GHz真空波长。
9.根据权利要求8所述的天线单元，其特征在于：所述齿形缝隙的形状包括但不限于矩形、半圆形、三角形。
10.根据权利要求5-9任一所述的天线单元，其特征在于，所述辐射单元由设置在介质基板表面的第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂及第四辐射臂构成，所述第一辐射臂和第三辐射臂构成+45°极化辐射，所述第二辐射臂和第四辐射臂构成-45°极化辐射；一个所述宽带集成巴伦上部分别与第一辐射臂和第三辐射臂焊接，激励+45°极化辐射；另一个所述宽带集成巴伦上部分别与第二辐射臂和第四辐射臂焊接，激励-45°极化辐射；两个所述宽带集成巴伦的底部与反射地焊接。
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