一种用于5G基站的宽带极化可重构高增益天线的制作方法

本发明是涉及电磁场与微波技术领域，具体的说是一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线。

背景技术：

随着无线通信事业的飞速发展，对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求。虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻质量等优点，已经得到了深入的研究和广泛的应用，但由于在高频段趋肤效应的原因，导致单位体积的金属欧姆损耗高、低频段天线几何尺寸较大，其发展和应用受到了一定的限制。近年来，介质谐振器天线由于良好的性能而受到了广泛的关注和研究。

传统的矩形、圆柱形的介质谐振器天线，只能工作在很短的工作频段，天线的增益较低，同时受传统介质谐振腔的形状和单一馈电模式所限，天线的极化方式固定，无法满足5g基站的要求。由于城区基站天线安装空间往往有限，所以基站天线常采用±45°双极化的方式来使得用户终端可以在任意角度接受到天线的信号。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线，该种天线能够用于5g基站，天线的中心频率为6.8ghz，可实现±45°双极化、垂直极化和圆极化，同时具有较宽的带宽，带宽范围为5.9-13ghz，水平半功率角接近于60度，最高增益可达6.7db。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线，包括介质板、介质谐振器、第一探针、第二探针和背覆铜片；所述的介质谐振器固定安装在介质板上表面的中心位置，所述的背覆铜片镶嵌在介质板下表面；

所述的介质谐振器采用多个介质腔体由上至下依次堆叠形成，每层介质腔体均包括方形的中心部，所述的中心部的四边分别固定安装有长度相同的延伸部，每层介质腔体均由中心部和四组延伸部共同形成正十字结构；由上至下依次堆叠的介质腔体的中心部同轴设置且边缘对正，由上至下依次堆叠的介质腔体的延伸部长度依次减小；

同层介质腔体相邻两延伸部之间形成转角，所述的第一探针、第二探针分别设置在任意两相邻转角内，所述的第一探针、第二探针的内导体均与介质谐振器侧壁紧密接触连接；

所述的第一探针沿轴向穿过第一激励端口，所述的第二探针延轴向穿过第二激励端口，所述的第一探针、第二探针的外导体与背覆铜片固定连接；

所述的背覆铜片为六边形结构，所述的六边形结构的一组对角为90度，另外两组对角为135度，所述的背覆铜片的中心与介质谐振器的中心轴同轴。

所述的介质板厚度为0.8mm，所述的介质板的介电常数为ε为4.4，损耗正切角为0.02。

所述的介质谐振器包括由上至下顺次同轴设置的第一介质腔体、第二介质腔体、第三介质腔体、第四介质腔体和第五介质腔体，所述的第一介质腔体、第二介质腔体、第三介质腔体、第四介质腔体和第五介质腔体均为正十字形结构，所述的第一介质腔体、第二介质腔体、第三介质腔体、第四介质腔体和第五介质腔体由上至下延伸部的长度依次减小。

所述的第一介质腔体和第二介质腔体的中心部均为长、宽为5.8mm，高度为1mm的长方体；所述的第三介质腔体、第四介质腔体和第五介质腔体的中心部为长、宽为5.8mm，高度为2mm的长方体；所述的第一介质腔体的延伸部宽为5.8mm，长为15.1mm，高为1mm；所述的第二介质腔体的延伸部宽为5.8mm，长为12.1mm，高为1mm；所述的第三介质腔体的延伸部宽为5.8mm，长为9.1mm，高为2mm；所述的第四介质腔体的延伸部宽为5.8mm，长为6.1mm，高为2mm；所述的第五介质腔体的延伸部宽为5.8mm，长为3.1mm，高为2mm。

所述的第一探针和第二探针的半径为0.6mm，高度为6mm。

所述的背覆铜片两个90度角的边的长度均为22mm，剩余两条边的长度为31.11mm。

该种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线的有益效果为：第一，介质板和背覆铜片采用fr-4介质板背面覆铜来实现，背覆铜片为天线的ground，六边形的背覆铜片使得天线可以更好的阻抗匹配。第二，天线采用同轴馈电的方法，通过改变第一激励端口和第二激励端口的功率大小和输入信号的相位差，实现线极化和圆极化的重构。第三，介质谐振器由多层介质腔体叠加从而扩展天线的带宽。

附图说明

图1为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线的结构示意图。

图2为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线中介质板以及背覆铜片的结构示意图。

图3为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线中介质谐振器的结构示意图。

图4为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线中第一介质腔体的结构示意图。

图5为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线参数s11和s22的测试图。

图6为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线轴比带宽的测试图。

图7为本发明一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线在5.6gh时e-h面的天线增益测试图。

说明书附图标注：1、介质板；2、介质谐振器；3、第一探针；4、第二探针；5、背覆铜片；6、第一激励端口；7、第二激励端口；8、第一介质腔体；9、第二介质腔体；10、第三介质腔体；11、第四介质腔体；12、第五介质腔体；13、中心部；14、延伸部。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

如图1、图2、图3和图4所示，一种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线，包括介质板1、介质谐振器2、第一探针3、第二探针4和背覆铜片5；所述的介质谐振器2固定安装在介质板1上表面的中心位置，所述的背覆铜片5镶嵌在介质板1下表面；

所述的介质谐振器2采用多个介质腔体由上至下依次堆叠形成，每层介质腔体均包括方形的中心部13，所述的中心部13的四边分别固定安装有长度相同的延伸部14，每层介质腔体均由中心部13和四组延伸部14共同形成正十字结构；由上至下依次堆叠的介质腔体的中心部13同轴设置且边缘对正，由上至下依次堆叠的介质腔体的延伸部14长度依次减小；

同层介质腔体相邻两延伸部14之间形成转角，所述的第一探针3、第二探针4分别设置在任意两相邻转角内，所述的第一探针3、第二探针4的内导体均与介质谐振器2侧壁紧密接触连接；

所述的第一探针3沿轴向穿过第一激励端口6，所述的第二探针4延轴向穿过第二激励端口7，所述的第一探针3、第二探针4的外导体与背覆铜片5固定连接；

所述的背覆铜片5为六边形结构，所述的六边形结构的一组对角为90度，另外两组对角为135度，所述的背覆铜片5的中心与介质谐振器2的中心轴同轴。

本实施例中，介质板1厚度为0.8mm，所述的介质板1的介电常数为ε为4.4，损耗正切角为0.02。

本实施例中，介质谐振器2包括由上至下顺次同轴设置的第一介质腔体8、第二介质腔体9、第三介质腔体10、第四介质腔体11和第五介质腔体12，所述的第一介质腔体8、第二介质腔体9、第三介质腔体10、第四介质腔体11和第五介质腔体12均为正十字形结构，所述的第一介质腔体8、第二介质腔体9、第三介质腔体10、第四介质腔体11和第五介质腔体12由上至下延伸部14的长度依次减小。

本实施例中，第一介质腔体8和第二介质腔体9的中心部13均为长、宽为5.8mm，高度为1mm的长方体；所述的第三介质腔体10、第四介质腔体11和第五介质腔体12的中心部13为长、宽为5.8mm，高度为2mm的长方体；所述的第一介质腔体8的延伸部14宽为5.8mm，长为15.1mm，高为1mm；所述的第二介质腔体9的延伸部14宽为5.8mm，长为12.1mm，高为1mm；所述的第三介质腔体10的延伸部14宽为5.8mm，长为9.1mm，高为2mm；所述的第四介质腔体11的延伸部14宽为5.8mm，长为6.1mm，高为2mm；所述的第五介质腔体12的延伸部14宽为5.8mm，长为3.1mm，高为2mm。

本实施例中，第一探针3和第二探针4的半径为0.6mm，高度为6mm。

本实施例中，背覆铜片5两90度角的边的长度均为22mm，剩余两条边的长度为31.11mm。

进一步的，第一介质腔体8、第二介质腔体9、第三介质腔体10、第四介质腔体11和第五介质腔体12五个宽度相同、长度和高度不等的十字交叉形状的矩形介质腔体依次从小到大堆叠形成一个阶梯型的谐振腔，五个质腔体的中心部13尺寸相同且位于同一轴线上，介质谐振器2的材料为氧化铝陶瓷，其介电常数ε=9.8。

进一步的，背覆铜片5由正方形的铜片对角切角形成，切角线经过正方形相临边中点形成图2中的六边形铜片，六边形铜片两个直角相邻的四条边与介质腔体中心部的四条边相互平行。由于天线采用同轴馈电的方法，且两探针的位置位于正十字型介质腔体的转角处，因此可以通过控制激励端口的工作状态使该天线能够实现±45°双极化、垂直极化和圆极化，同时轴比带宽达到53%。

天线通过改变第一激励端口6和第二激励端口7的激励方式来改变天线极化方式的工作模式如表1所示：

表1

表中第一栏分别为天线的输入频率、端口激励的初相位和天线分别在0°到360°时空间电场的电场矢量方向和大小，从而判断出天线的极化方式和极化类别。

如表1所示，当左边第一激励端口6单端口激励时候，通过左边第一探针3将能量耦合进入相邻的两个边从而形成互相垂直的电场，两个互相垂直的电场合成了45度的极化方向；

同理右边第二激励端口7单端口激励的时候，右边第二探针4将能量耦合进入相邻的两个边，形成互相垂直的电场，两个相互垂直的电场合成了-45°的极化方向

当第一激励端口6和第二激励端口7双端口同时激励时候，两个探针将能量耦合进入介质谐振器内，形成了互相垂直的电场，当两个端口相位差为90°时候，满足了圆极化的激励方式，从而形成了圆极化，通过更改两端口相差90度或-90°，从而使得天线可以分别实现左旋和右旋圆极化。

通过表1可以的得到天线通过不同端口激励和激励信号相位差，可以实现线极化和圆极化，其中线极化方向符合常用的基站天线的线极化方向，并可以实现左旋圆极化和右旋圆极化。

图5、图6和图7所示分别为天线的实测参数s11和s22、轴比带宽和天线工作在5.6gh时的e-h面的天线增益。图中的实测数据可以得知，天线s11参数-10db带宽为5.9-13ghz。轴比带宽为4.8-7.87ghz，轴比带宽中心频率为5.6ghz。天线工作在5.6ghz时，phi=0°和90°天线增益方向图如图7所示，天线增益达到了6.7db,可以很好的满足基站天线的要求。

该种用于5g基站的宽带极化可重构高增益天线具有造价简单，可小型化，能用于5g基站的优势，同时在不降低天线辐射性能的情况下，实现了介质谐振器天线的宽带化设计，解决了了介质谐振器天线无法实现极化可重构的问题，实现了宽带极化可重构。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。