一种小型化的

一种小型化的
±
45
°
双极化交叉偶极子天线
技术领域
1.本发明涉及一种小型化双极化交叉偶极子天线，属于天线技术领域。


背景技术：

2.低风阻是5g超大规模基站天线设计研究中所必须满足的硬性指标。一方面，为了满足对增益、频带等多方面的要求，天线数量急剧增加，使得基站天线的选址与安装难度增大，较低的风阻可有效降低基站天线的安装与搭建难度。另一方面，基站天线设计在满足低风阻这一物理指标的同时，也需要满足原有的电磁性能指标。
3.根据风阻的计算公式，风阻主要受到三个因素的影响：阻力系数、迎风面积和风速。由于风速主要由基站选址、当地气候决定，很难通过天线设计进行调整，所以现有工程设计中广泛采取基站天线的小型化设计来减小天线单元面积，从而减小基站天线的迎风面积降低风阻。
4.天线的小型化是满足低风阻设计要求的关键问题，同时也是一个设计难题。天线的增益、带宽等辐射性能受到天线尺寸的基本限制，在设计过程中，必须在天线的辐射性能和尺寸之间进行权衡。
5.现有不少技术来进行天线的小型化设计。通过改变天线的几何形状、加载谐振寄生结构、加载无源集总原件等方法可以减小天线的尺寸，但会带来天线结构复杂、带宽变窄等缺点。使用新型介电材料或超材料也能够缩小天线的面积，但也存在加工成本变高、设计难度增加等缺点。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述现有技术，提出一种小型化的
±
45
°
双极化交叉偶极子天线，减小天线尺寸的同时在指定工作频段内满足基本的辐射性能要求。
7.技术方案：一种小型化的
±
45
°
双极化交叉偶极子天线，包括天线辐射层、缺陷地层、同轴馈线和塑料支柱；所述天线辐射层包括两对垂直正交的领结型偶极子以及介质层，每一对领结型偶极子的两个金属贴片分别位于介质层的上表面和下表面；所述缺陷地层包括金属反射地层，金属反射地层上加载缺陷地结构；所述天线辐射层与缺陷地层之间通过四根塑料支柱进行支撑，两者距离为四分之一工作波长；天线由两根同轴馈线进行馈电，两根同轴馈线的内导体分别通过微带线枝节与介质层上表面的对应偶极子的金属贴片相连接，外导体分别与介质层下表面的对应偶极子的金属贴片以及金属反射地层相连接。
8.进一步的，所述缺陷地结构由两条平行的横向矩形缝隙槽和两条平行的纵向矩形缝隙槽组成；两条横向矩形缝隙槽与两条纵向矩形缝隙槽关于金属贴片的横向中轴线和纵向中轴线均对称，与金属反射地层中心点的距离相同，并且各条矩形缝隙槽具有相同的长度和宽度；所述横向矩形缝隙槽与纵向缝隙槽垂直交叉，共同形成井字形缺陷地结构。
9.进一步的，所述天线辐射层与缺陷地层具有相同的投影面积。
10.有益效果：本发明通过在缺陷地层的金属贴片上加载合适的横向缝隙槽和纵向缝
隙槽，延长表面电流路径，从而使减小尺寸后天线的整体带宽往低频处移动，缝隙槽的两侧具有反方向流动的表面电流，产生电流对消作用，从而使指定工作频段内的端口隔离度得到改善，满足了基站天线对带宽和隔离度的要求。与传统的交叉偶极子天线相比，具有如下优点：
11.(1)该天线在保留传统交叉偶极子天线的结构简单、方便加工等优势的同时，利用缺陷地结构使得天线的整体投影面积减小为0.3λ
×
0.3λ(λ为在3.5ghz下的工作波长)，且在指定工作频段内反射系数、隔离度性能良好：
12.1)在3.28
‑
4.26ghz频段内max{|s
11
|,|s
22
|}<
‑
10db；
13.2)在3.28
‑
4.26ghz频段内端口隔离度|s
21
|<
‑
22db；
14.(2)利用pcb工艺加工设计天线的辐射层与缺陷地层，易于进行大规模量产，方便后续大规模基站天线阵列的加工设计。
附图说明
15.图1为本发明天线辐射层的俯视图；
16.图2为本发明天线辐射层的侧视图；
17.图3为本发明天线缺陷地层的俯视图；
18.图4为本发明天线缺陷地层的侧视图；
19.图5为本发明天线的侧视图；
20.图6为本发明天线的模型图；
21.图7
‑
1为不同h取值下随频率变化的反射系数；
22.图7
‑
2为不同h取值下随频率变化的端口隔离度；
23.图8
‑
1为不同s1取值下随频率变化的反射系数；
24.图8
‑
2为不同s1取值下随频率变化的端口隔离度；
25.图9
‑
1为不同s2取值下随频率变化的反射系数；
26.图9
‑
2为不同s2取值下随频率变化的端口隔离度；
27.图10
‑
1为不同s3取值下随频率变化的反射系数；
28.图10
‑
2为不同s3取值下随频率变化的端口隔离度；
29.图11
‑
1为本发明天线的反射系数及端口隔离度随频率变化的仿真结果图；
30.图11
‑
2为本发明天线的增益随频率变化的仿真结果图；
31.图12
‑
1为本发明天线在3.4ghz处的xoz平面的+45
°
极化方向图；
32.图12
‑
2为本发明天线在3.4ghz处的yoz平面的+45
°
极化方向图；
33.图12
‑
3为本发明天线在3.5ghz处的xoz平面的+45
°
极化方向图；
34.图12
‑
4为本发明天线在3.5ghz处的yoz平面的+45
°
极化方向图；
35.图12
‑
5为本发明天线在3.6ghz处的xoz平面的+45
°
极化方向图；
36.图12
‑
6为本发明天线在3.6ghz处的yoz平面的+45
°
极化方向图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
38.如图5和图6所示，一种适用于sub
‑
6ghz频段的小型化
±
45
°
双极化交叉偶极子天
线，包括天线辐射层12、缺陷地层13、两根同轴馈线14和四根塑料支柱15。
39.本实施例中，天线辐射层的介质层1选取的材料为taconic rf
‑
35，介电常数为3.5，厚度为0.508mm；缺陷地层的介质层11选取的材料为fr4，介电常数为4.4，厚度为1.2mm；同轴馈线的内导体7直径为0.52mm，外导体8的直径为2.2mm；塑料支柱的直径为2mm。
40.如图1和图2所述，天线辐射层包括两对垂直正交的领结型偶极子，每一对领结型偶极子的两个金属贴片分别以pcb工艺印刷在介质层1的上表面和下表面。具体的，+45
°
极化的偶极子中，金属贴片2
‑
1印刷在介质层1的上表面，金属贴片2
‑
2印刷在介质层1的下表面，金属贴片2
‑
1通过微带线枝节与一根同轴馈线的内导体7相连接，金属贴片2
‑
2与该同轴馈线的外导体8焊接在一起，同轴馈线通过对微带线枝节的直接馈电来激励+45
°
极化的偶极子。
‑
45
°
极化的偶极子中，金属贴片3
‑
1印刷在介质层1的上表面，金属贴片3
‑
2印刷在介质层1的下表面，为了平面化结构设计，金属贴片3
‑
1通过金属化过孔5与印刷在介质层1下表面的微带线枝节6
‑
1相连接，微带线枝节6
‑
1同样通过金属化过孔5与印刷在介质层1上表面的微带线枝节6
‑
2相连接，微带线枝节6
‑
2与另一根同轴馈线的内导体7相连接，金属贴片3
‑
2与该同轴馈线的外导体8焊接在一起，同轴馈线通过对微带线枝节6
‑
2的直接馈电来激励
‑
45
°
极化的偶极子。微带线枝节与同轴馈线阻抗匹配，50ω的微带线枝节的宽度由介质层1的介电常数和厚度决定。
41.如图1所示，领结型偶极子的金属贴片可看做高度为h的等腰三角形和与它共底相连接的等腰直角三角形组成，确定天线辐射层偶极子部分外轮廓的长度w1的取值后，通过改变h的大小即可改变金属贴片的角度α，从而影响天线的反射系数和端口隔离度。
42.如图4所示，天线的缺陷地层包括介质层11以及通过pcb工艺印刷在介质层11上的金属反射地层9，缺陷地层和天线辐射层具有相同的大小，其长度、宽度均为w2。如图3所示，金属反射地层9上加载缺陷地结构，缺陷地结构由两条与x轴方向平行的横向矩形缝隙槽10
‑
1、10
‑
2和两条与y轴方向平行的纵向矩形缝隙槽10
‑
3、10
‑
4构成；两条横向矩形缝隙槽10
‑
1、10
‑
2与两条纵向矩形缝隙槽10
‑
3、10
‑
4关于金属贴片的横向中轴线和纵向中轴线均对称，与金属反射地层9中心点o的距离s3相同，并且各条矩形缝隙槽具有相同的长度s2和宽度s1，参数s3决定了矩形槽的位置；横向矩形缝隙槽与纵向缝隙槽垂直交叉，共同形成井字形缺陷地结构。缺陷地结构的矩形缝隙槽影响天线的谐振性能。通过加载矩形缝隙槽可改变金属反射地层9上的表面电流路径，表面电流流过矩形缝隙槽的外部轮廓部分，表面电流路径得到延长，从而使天线的整体带宽往低频处移动；矩形缝隙槽较长边两侧的表面电流流向相反，产生电流对消作用，达到电流对消作用改善端口之间的异极化隔离度，天线辐射层与缺陷地层具有相同的投影面积，从而在减小天线的整体投影面积后改善指定工作频段内天线的谐振性能，实现天线小型化设计。通过调节天线辐射层的偶极子大小，以及对参数s1、s2、s3的优化，可使天线获得更好的反射系数和端口之间的隔离度。
43.如图5、图6所示，天线辐射层与缺陷地层之间通过四根塑料支柱进行支撑，两者距离l1为四分之一工作波长。天线由两根同轴馈线进行馈电，两根同轴馈线的内导体分别通过微带线枝节与介质层上表面的对应偶极子的金属贴片相连接，外导体分别与介质层下表面的对应偶极子的金属贴片以及金属反射地层相连接。
44.采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在图1
‑
图5中标注。w1为天线辐射层偶极子部分外轮廓的长度；w2为介质层1和介
质层11的长度；w3为微带线枝节的宽度；h为偶极子中非直角等腰三角形的高度；d为一对偶极子两个金属贴片之间的距离；r1为塑料支柱的直径；r2为金属化过孔的直径；r3为同轴馈线内导体的直径；r4为同轴馈线外导体的直径；t1为介质层1的厚度；s1为矩形缝隙槽的宽度；s2为矩形缝隙槽的长度；s3为矩形缝隙槽中轴线与金属贴片9的相平行的中轴线之间的距离；t2为介质层11的厚度；l1为天线辐射层与缺陷地层之间的距离。
45.表1
46.参数数值(mm)参数数值(mm)w122.300w225.800w31.136h8.000d1.600r12.000r20.300r30.520r42.200t10.508s11.500s220.000s36.000t21.200l121.429
ꢀꢀ
47.图7
‑
1和图7
‑
2给出了w1大小确定的条件下，偶极子中非直角等腰三角形的高度h对天线反射系数和端口隔离度的影响；图8
‑
1和图8
‑
2给出了矩形缝隙槽的宽度s1对天线反射系数和端口隔离度的影响；图9
‑
1和图9
‑
2给出了矩形缝隙槽的长度s2对天线反射系数和端口隔离度的影响；图10
‑
1和图10
‑
2给出了矩形缝隙槽中轴线与金属贴片9的相平行中轴线之间的距离s3对天线反射系数和端口隔离度的影响；图11
‑
1给出了在表1参数设置下天线的反射系数及端口隔离度随频率变化的仿真结果图；图11
‑
2给出了在表1参数设置下天线的增益随频率变化的仿真结果图；图12
‑
1、12
‑
2、12
‑
3、12
‑
4、12
‑
5、12
‑
6分别给出了在表1参数设置下天线在3.4ghz处、3.5ghz处和3.6ghz处的xoz平面和yoz平面的+45
°
极化方向图。根据仿真结果，天线在3.28
‑
4.26ghz频段内max{|s
11
|,|s
22
|}<
‑
10db，并且端口隔离度|s
21
|<
‑
22db；在3.21
‑
3.56ghz频段内天线增益大于5dbi，在3.3
‑
3.6ghz频段内天线增益大于4.71dbi，在3.4
‑
3.6ghz频段内轴向交叉极化比大于25db且
±
60
°
交叉极化比大于5db，可用于国内规定的频段号为n78的5g频率范围(中国电信获得3.4
‑
3.5ghz频段，中国联通获得3.5
‑
3.6ghz频段)。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。