CN113555691A - 单印刷偶极子、双偶极子、四偶极子以及八偶极子阵列天线 - Google Patents

单印刷偶极子、双偶极子、四偶极子以及八偶极子阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单印刷偶极子、双偶极子、四偶极子以及八偶极子阵列天线，涉及5G天线技术领域。所述单印刷偶极子天线包括介质基板，所述介质基板的正面形成有正面偶极臂，所述介质基板的背面形成有背面偶极臂，所述介质基板的正面形成有一端与正面偶极臂相连接的正面连接带状线，所述介质基板的背面形成有一端与背面偶极臂相连接的背面连接带状线，所述正面连接带状线的另一端与正面带状馈电线的一端连接，所述正面带状馈电线的另一端为信号输入端，所述背面连接带状线的另一端与背面带状馈电线的一端连接，所述背面带状馈电线的另一端为接地端。所述天线具有良好的阻抗匹配且天线增益较高等优点。

Description

单印刷偶极子、双偶极子、四偶极子以及八偶极子阵列天线
技术领域
本发明涉及5G天线技术领域，尤其涉及一种适用于5G Sub-6 GHz微蜂窝基站应用的薄型、低成本三频偶极子阵列天线。
背景技术
全球移动数据和物联网(IoT)需求的快速增长促使研究人员和公司将重点放在第五代(5G)无线通信***上。无线应用，例如智能交通***(火车，公共汽车，出租车)，多媒体设备，高级移动***，需要快速使用第五代(5G)通信***。在2015年世界无线电通信大会(WRC-15)上，C频段3400–3600MHz被分配为未来5G无线通信的新IMT频段。2017年，中国已正式宣布用于室内和室外5G服务的3.3-3.6GHz低于6GHz和4.8-5GHz频段。由于上述5G新无线电频谱可能不足以用于即将到来的5G多频带通信，因此最近还讨论了另一种独特的未经许可的频谱，称为LTE频段46(5150–5925MHz)，以进一步支持6GHz以下的5G频段。5G也将使用1GHz以下的低频段频谱，以提供更深的室内穿透力，可靠的上行链路和大覆盖范围。因此，除了mmWave频段外，5G早期阶段的主要频谱选项是5G-sub-1GHz(B1)]和5G sub-6GHz频段，更具体地说是3.5GHz(B2)和5GHz(B3)。
与毫米波频段的较高频率相比，在6GHz以下的蜂窝网络中，通信的传播损耗较小，对阻塞的敏感度较小。由于有限的存储空间和对未来5G通信对高通道容量的需求不断增长，具有低剖面和高隔离功能的天线已成为近年来的研究热点。由于5G通信中工作频带的扩展，5G技术的主要挑战之一是为基站天线开发多频带(每个频带具有较宽的带宽)。但是，由于大多数宽带设计都是基于厚实的衬底或地面支撑的叠层设计，因此很难扩展低剖面天线的带宽，这不可避免地会增加天线的高度。在许多实际应用中这是不可接受的。当需要增加低于1GHz的低频段时，问题变得更加严重。
然而，对于许多室内应用，在飞机，火车，地铁，长途公共汽车以及旅馆，办公楼和购物中心的走廊中，最好使用双向波束天线以最大化用户覆盖范围。还建议将这种双向辐射图用于5G中继器，以提高室内环境的信号质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好的阻抗匹配且天线增益较高的阵列天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种单印刷偶极子天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板的正面形成有正面偶极臂，所述介质基板的背面形成有背面偶极臂，正面偶极臂与背面偶极臂在前后投影方向上不具有重叠部分，且正面偶极臂与背面偶极臂的大小和尺寸相同，所述介质基板的正面形成有一端与正面偶极臂相连接的正面连接带状线，所述介质基板的背面形成有一端与背面偶极臂相连接的背面连接带状线，且正面连接带状线与背面连接带状线在前后投影方向上不具有重叠部分，所述正面连接带状线的另一端与正面带状馈电线的一端连接，所述正面带状馈电线的另一端为信号输入端，所述背面连接带状线的另一端与背面带状馈电线的一端连接，所述背面带状馈电线的另一端为接地端，所述正面带状馈电线以及背面带状馈电线位于所述正面偶极臂与背面偶极臂在投影方向上相对的内侧。
本发明还公开了一种带有馈电网络的双偶极子天线，其特征在于：包括两个左右设置的所述的单印刷偶极子天线，两个所述单印刷偶极子天线中两条正面带状馈电线相对设置且内侧端部与正面输入带状线的一端连接，两个所述单印刷偶极子天线中两条背面带状馈电线相对设置且内侧端部与背面接地带状线的一端连接。
本发明还公开了一种四偶极子阵列天线，其特征在于：包括两个上下设置的所述的双偶极子天线，四个单印刷偶极子天线的正面部分通过同一条正面输入带状线连接到一起，四个单印刷偶极子天线的背面部分通过同一条背面接地带状线连接到一起。
本发明还公开了一种八偶极子阵列天线，其特征在于：包括两个左右设置的四偶极子阵列天线，位于左侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线的下端与锥形阻抗变压器的左侧一端连接，位于右侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线的下端与锥形阻抗变压器的右侧一端连接，所述锥形阻抗变压器的中间与输入微带线的一端连接，所述锥形阻抗变压器用于将50Ω输入匹配至100Ω输出；每条位于正面偶极臂与所述锥形阻抗变压器之间的正面输入带状线上形成有一个微带Tsplit功率分配器，所述微带Tsplit功率分配器包括左右对称的两部分，其中左侧部分包括折弯微带线以及竖直微带线，所述折弯微带线的一端与正面输入带状线连接，所述折弯微带线的另一端与竖直微带线的一端连接，所述Tsplit功率分配器在前后投影方向上与所述正面偶极臂以及背面偶极臂不具有重叠部分；位于左侧和右侧的两个四偶极子阵列天线中的背面接地带状线的下端与同一个接地条连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述天线阵列用于具有双向波束需求的基站应用，通过引入嵌入式长边单极子可以有效地实现低于1GHz的频带，天线的总厚度为4.313毫米(其中天线罩为2毫米，PCB为0.813毫米，两者之间的间距为1.5毫米)，与最近报道的最新基站天线相比非常低。提出的阵列配置的辐射性能已通过实验验证。所提出的天线在B1，B2和B3频段显示出良好的阻抗匹配(S11<-10dB)，并且测得的天线增益分别达到约1dBi，6dBi和10dBi。由于其双向辐射方向图，所提出的天线是隧道，走廊，建筑物等位置的未来紧凑型基站天线的理想选择。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1a是本发明实施例中所述单印刷偶极子天线的结构示意图；
图1b是本发明实施例中所述双偶极子天线的结构示意图；
图1c是本发明实施例中所述双偶极子天线中馈电网络的结构示意图；
图2a是本发明实施例中所述四偶极子阵列天线的正面结构示意图；
图2b是本发明实施例中所述四偶极子阵列天线的背面结构示意图；
图3a是本发明实施例中所述八偶极子阵列天线的正面结构示意图；
图3b是本发明实施例中所述八偶极子阵列天线的正面结构示意图；
图4是带有防水天线罩的天线结构示意图；
其中：1、介质基板；2、正面偶极臂；3、背面偶极臂；4、正面连接带状线；5、背面连接带状线；6、正面带状馈电线；7、背面带状馈电线；8、正面输入带状线；9、背面接地带状线；10、锥形阻抗变压器；11、折弯微带线；12、竖直微带线；13、接地条；14、输入微带线；15、防水天线罩。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a以及1c所示，本发明实施例公开了一种单印刷偶极子天线，包括介质基板1，所述介质基板1的正面形成有正面偶极臂2，所述介质基板1的背面形成有背面偶极臂3，正面偶极臂2与背面偶极臂3在前后投影方向上不具有重叠部分，且正面偶极臂2与背面偶极臂3的大小和尺寸相同；所述介质基板1的正面形成有一端与正面偶极臂2相连接的正面连接带状线4，所述介质基板1的背面形成有一端与背面偶极臂3相连接的背面连接带状线5，且正面连接带状线4与背面连接带状线5在前后投影方向上不具有重叠部分；所述正面连接带状线4的另一端与正面带状馈电线6的一端连接，所述正面带状馈电线6的另一端为信号输入端，所述背面连接带状线5的另一端与背面带状馈电线7的一端连接，所述背面带状馈电线7的另一端为接地端；所述正面带状馈电线6以及背面带状馈电线7位于所述正面偶极臂2与背面偶极臂3在投影方向上相对的内侧。进一步的，所述正面带状馈电线6与背面带状馈电线7的大小和尺寸相等，且所述正面带状馈电线6与背面带状馈电线7在前后投影方向上相互重叠。
整个设计基于偶极子天线拓扑，印刷在介电基板1的两侧，由对称的平行带状线馈电，正面偶极臂2和馈线的相应部分在顶部接口上，背面偶极臂3在底部接口上；选择的介电基板1非常薄，厚度为t＝0.813毫米，εr＝3.38，tanδ＝0.0027；对于单个偶极子天线，馈线的特性阻抗为50。
如图1b所示，本发明实施例还公开了一种带有馈电网络的双偶极子天线，包括两个左右设置的所述单印刷偶极子天线，两个所述单印刷偶极子天线中两条正面带状馈电线6相对设置且内侧端部与正面输入带状线8的一端连接，两个所述单印刷偶极子天线中两条背面带状馈电线7相对设置且内侧端部与背面接地带状线9的一端连接。
进一步的，为了同时覆盖B2频段和B3频段，将两个单印刷偶极子天线合并为一个结构，从而产生双偶极子(2Dipole)天线结构，CST Microwave Studio中的全波优化显示，通过选择等于30mm的La和等于10mm的Wa可以达到此目的。
进一步的，如图2a-图2b所示，本发明实施例还公开一种四偶极子阵列天线，包括两个上下设置的所述双偶极子天线，四个单印刷偶极子天线的正面部分通过同一条正面输入带状线8连接到一起，四个单印刷偶极子天线的背面部分通过同一条背面接地带状线9连接到一起。
为了增加天线增益并调整辐射方向图，将两个双偶极子天线垂直放置在彼此的顶部，在这种结构中，双偶极子天线的中心到中心距离为q2，即为了获得最佳反射系数，优化至60mm(3.5GHz时为0.7λ)。
进一步的，如图3a-3b所示，本发明实施例还公开了一种八偶极子阵列天线，包括两个左右设置的所述四偶极子阵列天线，位于左侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线8的下端与锥形阻抗变压器10的左侧一端连接，位于右侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线8的下端与锥形阻抗变压器10的右侧一端连接，所述锥形阻抗变压器10的中间与输入微带线14的一端连接，所述锥形阻抗变压器10用于将50Ω输入匹配至100Ω输出；每条位于正面偶极臂2与所述锥形阻抗变压器10之间的正面输入带状线8上形成有一个微带Tsplit功率分配器，所述微带Tsplit功率分配器包括左右对称的两部分，其中左侧部分包括折弯微带线11以及竖直微带线12，所述折弯微带线11的一端与正面输入带状线8连接，所述折弯微带线11的另一端与竖直微带线12的一端连接，所述Tsplit功率分配器在前后投影方向上与所述正面偶极臂2以及背面偶极臂3不具有重叠部分；位于左侧和右侧的两个四偶极子阵列天线中的背面接地带状线9的下端与同一个接地条13连接。
为了补偿弯角的寄生电抗，将锥形阻抗变压器10斜切。功率分配器的两个臂具有相同的长度，以在它们之间提供0°的相位差。八偶极子阵列天线的阻抗带宽为2.5～2.85GHz，3.22～3.66GHz和5.2～5.98GHz，在B3频段具有更宽的阻抗带宽。以mm表示的尺寸，图3a-图3b中：L1＝10，L2＝23.3，L3＝10.5，L4＝81.4，L5＝21.7，L6＝35.5，L7＝47，D1＝15.6，D2＝17.8，D3＝43.6，D4＝8.5，W1＝1.4，W2＝3，W3＝2，W4＝1，S1＝1.5，S2＝19，We＝13，Le＝14，Ls＝110，Ws＝100，Lg＝10，Wg＝100。
为了增加B1(5G低于1GHz的频带)，省略不想要的频带(2.5～2.85GHz)并增加B2和B3中的阻抗带宽，在结构上增加了长边条(竖直微带线和折弯微带线)，另请参见图3a。边条的长度为L4+L5，在900MHz时等于0.3λ，通过添加这两个侧边条，在900MHz频带中会出现另一个谐振，较长的边带是低于1GHz以下频段的主要辐射器，而偶极子则开始辐射至较高频段。但是，较长的侧边条仍在较高频带中起作用，并在此处用于调谐和使带宽变宽。
为了将所提出的天线在暴露于风，雨，冰，沙，紫外线等的实际环境中使用，使用防水天线罩，如图4所示。2毫米厚的天线罩由介电常数约为3的塑料制成，并由一层薄薄的E玻璃和环氧树脂复合而成，其介电常数约为4.5。选择上述材料以使天线罩的***损耗最小。为避免PCB与天线罩直接物理连接，由于这可能会对S11产生负面影响，因此通过特氟龙垫片将PCB和天线罩之间的两侧保持1.5mm的距离。在新的模拟中检查了此效果。
综上，所述新颖、低成本的三频5G低于6GHz的天线，用于具有双向波束需求的基站应用。通过引入嵌入式长边单极子可以有效地实现低于1GHz的频带。天线的总厚度为4.313毫米(其中天线罩为2毫米，PCB为0.813毫米，两者之间的间距为1.5毫米)，与最近报道的最新基站天线相比非常低。提出的阵列配置的辐射性能已通过实验验证。所提出的天线在B1，B2和B3频段显示出良好的阻抗匹配(S11<-10dB)，并且测得的天线增益分别达到约1dBi，6dBi和10dBi。由于其双向辐射方向图，所提出的天线是隧道，走廊，建筑物等位置的未来紧凑型基站天线的理想选择。

Claims (10)

1.一种单印刷偶极子天线，其特征在于：包括介质基板（1），所述介质基板（1）的正面形成有正面偶极臂（2），所述介质基板（1）的背面形成有背面偶极臂（3），正面偶极臂（2）与背面偶极臂（3）在前后投影方向上不具有重叠部分，且正面偶极臂（2）与背面偶极臂（3）的大小和尺寸相同，所述介质基板（1）的正面形成有一端与正面偶极臂（2）相连接的正面连接带状线（4），所述介质基板（1）的背面形成有一端与背面偶极臂（3）相连接的背面连接带状线（5），且正面连接带状线（4）与背面连接带状线（5）在前后投影方向上不具有重叠部分，所述正面连接带状线（4）的另一端与正面带状馈电线（6）的一端连接，所述正面带状馈电线（6）的另一端为信号输入端，所述背面连接带状线（5）的另一端与背面带状馈电线（7）的一端连接，所述背面带状馈电线（7）的另一端为接地端，所述正面带状馈电线（6）以及背面带状馈电线（7）位于所述正面偶极臂（2）与背面偶极臂（3）在投影方向上相对的内侧。
2.如权利要求1所述单印刷偶极子天线，其特征在于：所述正面带状馈电线（6）与背面带状馈电线（7）的大小和尺寸相等，且所述正面带状馈电线（6）与背面带状馈电线（7）在前后投影方向上相互重叠。
3.如权利要求2所述单印刷偶极子天线，其特征在于：所述正面带状馈电线（6）从外到内的宽度从0.2mm开始，以1.2mm结束。
4.如权利要求1所述单印刷偶极子天线，其特征在于：正面偶极臂（2）的宽度为30mm，所述介质基板（1）的厚度为0.813mm。
5.一种带有馈电网络的双偶极子天线，其特征在于：包括两个左右设置的如权利要求1-4中任意所述的单印刷偶极子天线，两个所述单印刷偶极子天线中两条正面带状馈电线（6）相对设置且内侧端部与正面输入带状线（8）的一端连接，两个所述单印刷偶极子天线中两条背面带状馈电线（7）相对设置且内侧端部与背面接地带状线（9）的一端连接。
6.如权利要求5所述的带有馈电网络的双偶极子天线，其特征在于：所述正面偶极臂（2）与所述正面输入带状线（8）之间的距离为3.5mm；所述背面偶极臂（3）与所述背面接地带状线（9）之间的距离为3.5mm。
7.一种四偶极子阵列天线，其特征在于：包括两个上下设置的如权利要求5所述的双偶极子天线，四个单印刷偶极子天线的正面部分通过同一条正面输入带状线（8）连接到一起，四个单印刷偶极子天线的背面部分通过同一条背面接地带状线（9）连接到一起。
8.一种八偶极子阵列天线，其特征在于：包括两个左右设置的如权利要求7所述的四偶极子阵列天线，位于左侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线（8）的下端与锥形阻抗变压器（10）的左侧一端连接，位于右侧的一个四偶极子阵列天线中的正面输入带状线（8）的下端与锥形阻抗变压器（10）的右侧一端连接，所述锥形阻抗变压器（10）的中间与输入微带线（14）的一端连接，所述锥形阻抗变压器（10）用于将50Ω输入匹配至100Ω输出；每条位于正面偶极臂（2）与所述锥形阻抗变压器（10）之间的正面输入带状线（8）上形成有一个微带Tsplit功率分配器，所述微带Tsplit功率分配器包括左右对称的两部分，其中左侧部分包括折弯微带线（11）以及竖直微带线（12），所述折弯微带线（11）的一端与正面输入带状线（8）连接，所述折弯微带线（11）的另一端与竖直微带线（12）的一端连接，所述Tsplit功率分配器在前后投影方向上与所述正面偶极臂（2）以及背面偶极臂（3）不具有重叠部分；位于左侧和右侧的两个四偶极子阵列天线中的背面接地带状线（9）的下端与同一个接地条（13）连接。
9.如权利要求8所述的八偶极子阵列天线，其特征在于：所述接地条（13）的宽度Lg=10mm，所述接地条（13）的长度Wg=100mm。
10.如权利要求8所述的八偶极子阵列天线，其特征在于：所述输入微带线（14）的宽度W1=1.4mm；所述输入微带线（14）的长度L1=10mm；所述折弯微带线（11）的长度L5=21.7mm；所述竖直微带线（12）的长度L4=81.4mm。
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