CN113113762A - 一种双频双极化共口径基站天线、移动通信*** - Google Patents

一种双频双极化共口径基站天线、移动通信*** Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种双频双极化共口径基站天线、移动通信***。此款共口径天线主要由天线上层介质板，天线下层介质板，馈电巴伦，接地连接器等四部分构成；其中，天线下层介质板与天线上层介质板共轴分布；高频±45°极化辐射贴片位于天线上层介质板的下表面；低频辐射贴片和低频寄生贴片位于天线上层介质板的上表面；天线的馈电巴伦主要由位于天线上层介质板上表面的微带线和天线两层介质板之间的同轴线组成。接地连接器和合路器焊接结构在天线下层介质板上表面，天线地板位于天线下层介质板的下表面。本发明天线体积很小且结构简单紧凑，性能优良，可以广泛地应用于2G/3G/4G频段的基站天线设计中。

Description

一种双频双极化共口径基站天线、移动通信***
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种双频双极化共口径基站天线、移动通信***。
背景技术
天线在现代通信***中具有非常重要的作用，它是发射和接收电磁波的设备，天线的性能好坏直接影响了整个通信***的工作质量。在现代通信***中，如何设计出高性能，低剖面，低成本，轻量化，小型化的天线是提升通信质量的重要一环。随着现代移动通信技术的发展，为了满足多场景，多任务的通信需求，无线通信频段越来越多。为了实现多频段的无线通信，通常可以将天线设计成宽频或多频天线。但是随着工作频段的增多，宽频及多频天线很难实现。而且由于不同频段天线通常具有不同的通信任务，所以一般将不同频段的天线设计成独立的天线是必须的。但是将不同频段的天线简单的排列在一起，势必会大大增加天线的安装空间，而且不同频段的天线之间可能会相互影响。共口径天线是一种将工作于不同频段，甚至不同极化的两副或多副天线放置于同一口径下，使其能够在同一个口径面内同时工作的一种天线形式。通过合理的设计布局不仅可以使工作于不同频段的天线单元之间可以相互独立且互不影响的工作，而且可以有效地共享安装天线的空间资源。所以在保证天线工作性能的基础上，共口径天线与将不同天线独立放置的方式相比可以极大地减少天线的实际占用空间，提高空间利用率。因此，近年来在无线通信***的天线设计中，共口径天线的实际需求与日俱增。
而且双极化能够让天线在收发双工模式下工作，所以对解决极化失配，传输效率低等问题具有一定积极作用。所以在现代移动通信领域，双频双极化共口径在基站天线中正在得到越来越多的应用。2017年，文献【1】[H.Huang,Y.Liu and S.Gong,"A Dual-Broadband,Dual-Polarized Base Station Antenna for2G/3G/4G Applications,"inIEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.16,pp.1111-1114,2017,doi:10.1109/LAWP.2016.2623315.]提出了一种可用于2G/3G/4G的双频双极化共口径基站天线，具有高隔离度、良好的辐射特性和易于阵列化的优点，但是其弧形挡板、盒型反射器以及附带分支的弯曲振子使得天线整体结构过于复杂，增加了工程实现难度。2017年，专利【2】[电子科技大学.一种双频段共面共口径基站天线:CN201710782963.5[P].2018-01-26.]提出了一种用于2G/3G/4G基站通信的双频共面共口径天线，具有平面化、剖面高度低、结构紧凑的优点，但是高频天线为单一线极化。2017年，专利【3】[西南交通大学.一种应用于2G/3G/4G基站通信的偶极子双极化天线:CN201711037034.8[P].2018-04-13.]提出了一种共面带状线馈电的环形偶极子辐射天线，其结构简单且VSWR<1.5的相对带宽达到了43.5％，但是未将800-960MHz频段考虑在内进行一体化设计。2018年，专利【4】[中天宽带技术有限公司.一种2G/3G/4G移动通信用的超宽频双极化基站天线:CN201820323893.7[P].2018-09-11.]设计了一种2G/3G/4G移动通信用的包括反射板、辐射单元和n型弯折的超宽频双极化基站天线，优点在于构思巧妙、结构简单、具有较高的隔离度和交叉极化比，但是波束宽度较窄。2019年，文献【5】[R.Wu and Q.Chu,"A Compact,Dual-PolarizedMultiband Array for2G/3G/4G Base Stations,"in IEEE Transactions on Antennasand Propagation,vol.67,no.4,pp.2298-2304,April 2019,doi:10.1109/TAP.2019.2902652.]提出了一种紧凑的宽带双频双极化天线阵列，但是低频段天线单元结构比较复杂。
综上所述，大多数2G/3G/4G基站天线具有工作频段较为单一，一般为单一线极化且结构较为复杂的缺点。如果天线工作频段和天线极化较为单一，必然满足不了现在越来越高的通信需求，而利用复杂结构必然会增加设计和实现难度，给天线维护带来不便，造成天线成本增加。文献【1】提出了一种可用于2G/3G/4G的双频双极化共口径基站天线，具有高隔离度、良好的辐射特性和易于阵列化的优点，但是弧形挡板、盒型反射器以及附带分支的弯曲振子的设计会增加工程实现难度。专利【2】虽然也设计了一款双频小型化低剖面共口径天线，但是只考虑高频一个方向上的线极化。专利【3】提出了一种共面带状线馈电的环形偶极子辐射天线，但是未考虑低频段进行共口径一体化设计。专利【4】提出了一种新型超宽频双极化基站天线，结构虽然新颖巧妙，但是水平波束宽度较窄。文献【5】中的提出的基站天线低频段天线单元结构比较复杂，不利于加工设计。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有大多数2G/3G/4G基站天线具有工作频段较为单一，一般为单一线极化且结构较为复杂的缺点。如果天线工作频段和天线极化较为单一，必然满足不了现在越来越高的通信需求，而利用复杂结构必然会增加设计和实现难度，给天线维护带来不便，造成天线成本增加。
解决以上问题及缺陷的难度为：将两个频段的天线设计在同一空间下，使两者能够独立，正常地工作。将高频天线单元设计为双极化天线，并保证端口隔离水平达到应用要求。需要考虑到工程应用背景和实现复杂度，使天线结构尽可能简单紧凑。
解决以上问题及缺陷的意义为：将两个频段的天线设计在同一空间下，使两者能够独立，正常地工作，可以达到共口径的效果，节省天线占用空间，减小不同频段天线之间的相互影响。将高频天线单元设计为双极化天线，并保证端口隔离水平达到应用要求可以让同一天线单元工作在收发双工模式下，对解决极化失配，传输效率低等问题具有一定积极作用。考虑到工程应用背景和实现复杂度，使天线结构尽可能简单紧凑。可以最大程度的将此天线与实际应用背景贴合，提高可实现性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双频双极化共口径基站天线、移动通信***。
本发明是这样实现的，一种双频双极化共口径基站天线，所述双频双极化共口径基站天线包括天线上层介质板，天线下层介质板，馈电巴伦，接地连接器，接地金属焊盘，合路器焊接结构，高频+45°极化辐射贴片，高频-45°极化辐射贴片和低频辐射贴片以及低频寄生贴片；
所述天线上层介质板位于天线下层介质板的正上方；所述天线下层介质板的中心与天线上层介质板的中心位于同一条直线上；所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片位于天线上层介质板的下表面；所述低频辐射贴片和低频寄生贴片位于天线上层介质板的上表面；所述天线下层介质板上还设置有接地连接器和合路器焊接结构。
进一步，所述天线上层介质板和以及高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片与低频辐射贴片和低频寄生贴片位于天线下层介质板上方，且高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片形状大小相同，两者呈垂直交叉状态，整体呈“田”字状。
进一步，所述低频辐射贴片天线和低频寄生贴片呈环形位于天线上层介质板的上面。
进一步，所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片通过馈电巴伦进行耦合馈电，且高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的馈电巴伦在“相交”位置处，通过金属化过孔将两者分别置于天线上层介质板上表面和下表面。
进一步，所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片通过与同轴线外皮相连进行接地，馈电巴伦通过与同轴线内芯相连进行馈电；
所述同轴线内芯上端与天线上层介质板上面的馈电巴伦相连，下端与天线下层介质板上面的馈线相连，且同轴线外皮上端与天线上层介质板的下面的高频辐射贴片相连，下端与接地连接器的侧边相连。
进一步，所述高频+45°极化辐射贴片与低频辐射贴片的两路馈电端口经由一个合路器合路后输出一个馈电端口；
所述低频辐射贴片的馈电方式为探针馈电。
进一步，所述接地连接器的侧边与高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的同轴线外皮相连，下侧通过与具有金属化过孔的金属焊盘相连，与天线地板进行电连接。
进一步，天线上层介质板与天线下层介质板的垂直间距为33mm，天线上层介质板的***尺寸为125mm*125mm*1mm，低频辐射贴片的***尺寸为125mm*125mm，低频寄生贴片的***尺寸为108.9mm*108.9mm，高频极化贴片的***尺寸为46mm*46mm，天线下层介质板的***尺寸为200mm*200mm*1mm。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信***，所述无线通信***安装有所述双频双极化共口径基站天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：目前2G/3G/4G共口径基站天线的设计最大问题是不能全面考虑双频双极化或者结构复杂，这样就会满足不了用户越来越高的通信需求，或者造成天线成本增加。针对以上问题，本发明所提供的解决方案不仅实现了天线的双频双极化，而且天线具有结构简单紧凑的优点。
本发明的双频双极化共口径基站天线特点如下：共口径基站天线具有小型化和结构紧凑的优点；提出的共口径基站天线的隔离度和极化纯度较高；提出的共口径基站天线考虑了双频双极化，而且结构简单。目前2G/3G/4G共口径基站天线的设计最大问题是不能同时实现双频或者在双频设计的时候没有将双极化考虑在内，或者采用复杂的结构实现双频双极化，这样就会难以满足用户越来越高的通信需求，或者造成天线成本增加。
本发明提出的双频双极化共口径基站天线，两个频段的辐射单元在一个辐射口径工作，也没有过多复杂的设计增加工程实现难度，天线体积很小且结构简单紧凑，可以广泛地应用于2G/3G/4G频段的基站天线设计中。本发明的天线在很小的口径面内就可以实现基站天线在相应频率的优良性能，而且天线的体积质量很小，结构比较紧凑，端口之间的隔离度比较高。本发明所设计的天线可用于2G/3G/4G频段基站天线。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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1是本发明实施例提供的双频双极化共口径基站天线的结构示意图；
图1中：1、天线上层介质板；2、天线下层介质板；3低频辐射贴片；4、高频辐射贴片；5、馈电巴伦。
图2是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例的天线上层介质板结构的示意图；
图2中：101、天线上层介质板；102、低频辐射贴片；103、低频寄生贴片；104、馈电巴伦；105、高频+45°极化辐射贴片；106、高频-45°极化辐射贴片；107、低频接地端口；108、低频馈电端口。
图3是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例的天线下层介质板的结构示意图；
图3中：201、天线下层介质板；202、同轴线外皮；203、接地金属焊盘；204、接地连接器；205、合路器焊接结构；206、微带馈电线；207、金属焊盘。
图4是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线的正视图；
图4中：401、天线上层介质板；402、天线下层介质板；403、天线地板。
图5是本发明实施例提供的用于说明本发明上述一个实施例的天线下层介质板上的合路器焊接结构详细示意图；
图5中：501、金属焊盘；502、合路器输入总端口；503、金属化过孔；504、高频+45°极化辐射贴片馈电端口；505、低频辐射贴片馈电端口。
图6是本发明实施例提供的用于说明本发明上述一个实施例的天线下层介质板上的接地连接器结构示意图；
图6中：601、接地连接器；602、金属化过孔。
图7是本发明实施例提供的用于说明本发明上述一个实施例的天线下层介质板上的接地连接器立体结构图。
图8是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线的反射系数仿真结果图。
图9是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线的高频S12仿真结果图。
图10是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在phi＝90°平面内的低频增益仿真结果图。
图11是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在phi＝90°平面内的高频增益仿真结果图。
图12是本发明实施例提供的用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在2.2GHz工作时phi＝45°平面内交叉极化仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双频双极化共口径基站天线、移动通信***，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明设计了一款双频双极化共口径基站天线单元，将两个频段的天线单元创新性的融合设计在同一口径下。此共口径天线单元的高频段天线单元的辐射体采用平面型偶极子形式，馈电方式为巴伦耦合馈电，且通过垂直交叉放置两个平面型偶极子形成±45°双极化；低频段天线单元采用微带贴片单元形式，但是其内部需要进行开孔处理，以便将高频天线放置其中。此天线共有两层介质板结构，其中低频天线和高频天线位于上层介质板上，下层介质板的上表面可以设置天线的匹配电路，下表面为天线的地板结构。
如图1所示，本发明的一个实施例是一种双频双极化共口径基站天线单元。天线由天线上层介质板1和天线下层介质板2组成。所述天线上层介质板1与天线下层介质板2的垂直高度为33mm。低频辐射贴片3位于天线上层介质板1的上面，高频极化辐射贴片4位于天线上层介质板1的下面，馈电巴伦5用于给高频辐射贴片4馈电。
如图2所示，为天线上层介质板结构示意图，低频辐射贴片102和低频寄生贴片103印刷在天线上层介质板101的上侧；高频+45°极化辐射贴片105和高频-45°极化辐射贴片106印刷在天线上层介质板101的下侧；天线上层介质板的***尺寸为125mm*125mm*1mm，低频辐射贴片的***尺寸为125mm*125mm，低频寄生贴片的***尺寸为108.9mm*108.9mm，高频极化辐射贴片的***尺寸为46mm*46mm。
如图3所示，为天线下层介质板结构示意图，接地连接器204和金属焊盘207位于天线下层介质板201上方，且接地连接器204和金属焊盘207通过金属化过孔203和天线地板进行电连接，高频极化辐射贴片通过金属外皮202、接地连接器204和金属化过孔203实现与天线地板的连接，天线下层介质板的***尺寸为200mm*200mm*1mm。高频+45°极化辐射贴片和低频辐射贴片通过馈电微带线206由一个合路器焊接结构205馈电，高频-45°极化辐射贴片由同轴线馈电。
如图4所示，为天线整体结构的正视图，天线地板403位于天线下层介质板402天线的下侧，天线上层介质板401位于天线下层介质板402上方33mm处。两者之间为高低频天线的馈电结构。
如图5所示，为天线下层介质板上合路器焊接结构详细示意图。由于合路器为六引脚器件，其中三个引脚为接地引脚，另外三个分别为高频输出引脚，低频输出引脚及总输入引脚，所以含有金属化过孔503的三个焊盘用于连接合路器的接地引脚，502、504、505分别用于连接合路器的总输入引脚、高频输出引脚、低频输出引脚。
高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的不同之处主要有两点。
其一：如图2所示天线上层介质板上的两者的馈电巴伦结构不同，高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的馈电巴伦在“相交”位置处，通过金属化过孔将两者分别置于天线上层介质板两侧，以免重叠；其二：如图3所示天线下层介质板上馈电方法不同，高频+45°极化辐射贴片的馈电端口与低频辐射贴片的馈电端口用一个合路器统一馈电，高频-45°极化辐射贴片单独同轴线馈电。
如图6所示，为天线下层介质板上接地连接器结构示意图。接地连接器的上表面阴影部分为金属贴片，用于使高频辐射贴片的馈电结构的同轴线外皮与地板连接，厚度为1mm。
如图7所示，为天线下层介质板上接地连接器立体结构示意图。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
图8为用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线的传输系数仿真结果图。由图可知，在800-960MHz和1690-2710MHz两个频段内都满足反射系数小于-10dB。
图9为用于说明本发明一个实施例中双频双极化基站天线的S21仿真结果图。由图可知，在1690-2710MHz频段范围内满足隔离度大于20dB(S21<-20dB)。
图10为用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在phi＝90°平面内的低频增益仿真结果图。由仿真结果可知，在800-960MHz频段内，天线在phi＝90°平面内的3dB波束宽度均大于60°，最大增益大于5dBi。
图11为用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在phi＝90°平面内的高频增益仿真结果图。由仿真结果可知，在1690MHz-2710MHz频段内，天线在phi＝90°平面内的3dB波束宽度均大于50°，最大增益大于5dBi。
图12为用于说明本发明一个实施例中双频双极化共口径基站天线在2.2GHz工作时phi＝45°平面内交叉极化仿真结果图。由仿真结果可知，共口径天线在平面内交叉极化比均大于20dB。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述双频双极化共口径基站天线包括天线上层介质板，天线下层介质板，馈电巴伦，接地连接器，接地金属焊盘，合路器焊接结构，高频+45°极化辐射贴片，高频-45°极化辐射贴片和低频辐射贴片以及低频寄生贴片；
所述天线上层介质板位于天线下层介质板的正上方；所述天线下层介质板的中心与天线上层介质板的中心位于同一条直线上；所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片位于天线上层介质板的下表面；所述低频辐射贴片和低频寄生贴片位于天线上层介质板的上表面；所述天线下层介质板上还设置有接地连接器和合路器焊接结构。
2.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述天线上层介质板和以及高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片与低频辐射贴片和低频寄生贴片位于天线下层介质板上方，且高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片形状大小相同，两者呈垂直交叉状态，整体呈“田”字状。
3.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述低频辐射贴片天线和低频寄生贴片呈环形位于天线上层介质板的上面。
4.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片通过馈电巴伦进行耦合馈电，且高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的馈电巴伦在“相交”位置处，通过金属化过孔将两者分别置于天线上层介质板上表面和下表面。
5.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片通过与同轴线外皮相连进行接地，馈电巴伦通过与同轴线内芯相连进行馈电；
所述同轴线内芯上端与天线上层介质板上面的馈电巴伦相连，下端与天线下层介质板上面的馈线相连，且同轴线外皮上端与天线上层介质板的下面的高频辐射贴片相连，下端与接地连接器的侧边相连。
6.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述高频+45°极化辐射贴片与低频辐射贴片的两路馈电端口经由一个合路器合路后输出一个馈电端口；
所述低频辐射贴片的馈电方式为探针馈电。
7.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，所述接地连接器的侧边与高频+45°极化辐射贴片和高频-45°极化辐射贴片的同轴线外皮相连，下侧通过与具有金属化过孔的金属焊盘相连，与天线地板进行电连接。
8.如权利要求1所述的双频双极化共口径基站天线，其特征在于，天线上层介质板与天线下层介质板的垂直间距为33mm，天线上层介质板的***尺寸为125mm*125mm*1mm，低频辐射贴片的***尺寸为125mm*125mm，低频寄生贴片的***尺寸为108.9mm*108.9mm，高频极化贴片的***尺寸为46mm*46mm，天线下层介质板的***尺寸为200mm*200mm*1mm。
9.一种无线通信***，其特征在于，所述无线通信***安装有权利要求1～8任意一项所述双频双极化共口径基站天线。
10.一种移动通信***，其特征在于，所述移动通信***安装有权利要求1～8任意一项所述双频双极化共口径基站天线。
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