一种用于5g移动通信的宽带小型化天线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，包括金属贴片、平面等角螺旋结构天线阵元、宽带巴伦、梯形喇叭、圆环和反射地，梯形喇叭的外壁、圆环的内壁和反射地组成异形反射腔。本发明针对5G低频段(6GHz以下)，提出一种新颖的天线结构，通过加载圆形金属贴片和设计独特的异形反射腔等方法设计一种圆极化宽带小型化天线，尺寸简单紧凑，在3GHz—6GHz工作频段内阻抗和辐射特性性能良好，能满足5G大规模MIMO天线阵列的要求。
【专利说明】
一种用于5G移动通信的宽带小型化天线
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于5G移动通信的宽带小型化天线。
【背景技术】
[0002]第五代移动通信(5G)技术的研究已在世界范围内如火如荼地展开，2015年世界无线电大会(WRC-15)的首要议题就是在6GHz以下频段为第五代移动通信系统寻找频谱资源。5G频率规划由低频段和高频段组成，其中低频段(6GHz以下)由于良好的传播特性等原因仍然是5G系统的核心频段，重点解决5G无处不在的用户体验，以及物联网、车联网等应用场景的需求;高频段(6GHz以上)是5G重要补充频段，主要用于满足5G增强的移动宽带业务等需求。全球一致性是当前各个国家和地区选取5G待研究频段的普遍考虑与未来5G频率规划的重要依据，也将是5G标准全球化的重要前提。ITU预计到2020年将会有多达880MHz频谱的缺口，在全球已经发放的TDD牌照中，基于3.5GHz频段(3.4-3.8GHz)的超过50 %03.5GHz可提供多达400MHz频谱。随着WRC-15的进一步推动，甚至能够释放出另外的400MHz频谱(3.8-
4.2GHz)。未来頂T潜在候选频段主要也包括3300-3400MHz、4400-4500MHz、4800-4990MHz 以及 5100-5600MHz 等。
[0003]作为5G核心技术的大规模MMO技术，其基本特征是在基站侧配置数量众多的天线阵列(从几十至几百)，利用空分多址(SDMA)原理，同时服务多个用户。由于大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得频谱效率得到了极大的提升。
[0004]随着天线数目的增加，天线占据的面积增大，这就给天线安装和基站选址带来了麻烦。例如基站侧配置有128根天线，如果排列呈均匀线性阵列，天线间距为半波长，在中心载频为3GHz时，半波长为5厘米，则线性阵列的长度为6.4米，这在工程上显然不可接受。通过采用小型化天线、减小天线间距以及改变天线阵列拓扑结构等，可以减小天线阵列的物理尺寸。但天线拓扑的改变，随之改变信道特征，从而影响信号预编码技术以及系统的性能等;天线间距小于半波长，会带来天线之间的相关特性变化，以及天线之间的耦合增加，产生栅瓣，从而影响系统的性能。对于线性阵列，当天线间距小于半波长时，性能急剧下降。该性能的下降主要由天线的相关性所引起，而天线耦合不仅没有降低性能，反而有所提升性能。而对于平面阵列来说，当天线间距小于I倍波长时，性能就急剧下降。同样的，该性能的下降主要由天线的相关性引起，天线耦合带来的影响微乎其微。可以看出，降低天线间距确实可以增加工程安装的可行性，但是会导致性能的下降，同时不同天线摆放对天线间距的敏感程度也不一样，所以综合考虑天线摆放模式、天线间距以及数据发送方法对系统性能的影响是重要的研究方向之一。为了减小天线耦合的影响，可以考虑相邻天线间选择不同极化方向的天线，如相邻天线分别使用左右圆极化天线或者正/负45°的天线。
[0005]平面等角螺旋天线是一种较普遍的宽带天线，属于非频变天线系列。这种天线能够在很宽的频带内具有良好的阻抗特性、方向图特性以及圆极化特性，但在传统设计上大部分体积和尺寸都比较大。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，面向5G移动通信系统，提供一种新型宽带小型化天线，满足5G系统大规模MMO天线阵列的要求，降低5G通信系统建设成本。
[0007]实现本发明目的的技术方案是:一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，包括金属贴片、平面等角螺旋结构天线阵元、宽带巴伦、梯形喇叭、圆环和反射地，金属贴片安装在平面等角螺旋结构天线阵元上，平面等角螺旋结构天线阵元固定在反射地上，平面等角螺旋结构天线阵元的等角螺旋线与宽带巴伦相连接，圆环安装在反射地的上方，梯形喇叭安装在圆环内，梯形喇叭位于反射地的上方，梯形喇叭的外壁、圆环的内壁和反射地组成异形反射腔。
[0008]作为本发明的优化方案，宽带巴伦内部设置有指数渐变反射地和指数渐变微带线，宽带巴伦由梯形喇叭的内腔覆盖，宽带巴伦穿过梯形喇叭连接在平面等角螺旋结构天线阵元上。
[0009]作为本发明的优化方案，金属贴片为圆形金属贴片，金属贴片安装在平面等角螺旋结构天线阵元的中心位置，金属贴片与平面等角螺旋结构天线阵元之间的距离为2mm。
[0010]作为本发明的优化方案，平面等角螺旋结构天线阵元为介电常数为2.55的TLX-8板材。
[0011]本发明具有积极的效果:I)本发明采用平面等角螺旋结构天线阵元设计，工作在
3.3GHz-5.8GHz范围宽频带，覆盖国际电信联盟WRC-15工作组候选的5G低频段；
[0012]2)本发明采用圆形金属贴片，同时圆形金属贴片距离平面等角螺旋结构天线阵元为两毫米，有效的改善了圆极化天线的轴比；
[0013]3)本发明的梯形喇叭的外壁、圆环的内壁和反射地组成的异形反射腔提高了天线增益、改善了天线的驻波比，实现了天线良好的阻抗特性和辐射特性；
[0014]4)本发明平面等角螺旋结构天线阵元的等角螺旋线与宽带巴伦连接部分的初始内外径采用扇形渐变结构，可以与宽带巴伦更好的阻抗匹配，减少传输不连续性；
[0015]5)本发明的结构简单紧凑，易于加工，一致性好；
[0016]6)本发明易于安装，可以根据不同的天线拓扑结构自由组成大规模MMO天线阵列，实现天线多波束合成。
【附图说明】
[0017]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中:
[0018]图1是本发明的结构图；
[0019]图2是本发明的剖面图；
[0020]图3是平面等角螺旋结构天线阵元的示意图；
[0021 ]图4是宽带巴伦的指数渐变反射地示意图；
[0022]图5是宽带巴伦的指数渐变微带线示意图；
[0023]图6是本发明的测试结果示意图；
[0024]图7是3.5GHz的天线方向图仿真与实测结果示意图；
[0025]图8是4.5GHz的天线方向图仿真与实测结果示意图；
[0026]图9是5.5GHz的天线方向图仿真与实测结果示意图。
[0027]其中，1、金属贴片，2、平面等角螺旋结构天线阵元，3、宽带巴伦，4、梯形喇叭，5、圆环，6、反射地，31、巴伦渐变反射地，32、巴伦指数渐变微带线。
【具体实施方式】
[0028]如图1-5所示，本发明公开了一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，包括金属贴片1、平面等角螺旋结构天线阵元2、宽带巴伦3、梯形喇叭4、圆环5和反射地6，金属贴片I安装在平面等角螺旋结构天线阵元2上，平面等角螺旋结构天线阵元2固定在反射地6上，平面等角螺旋结构天线阵元2的等角螺旋线与宽带巴伦3相连接，圆环5安装在反射地6的上方，梯形喇叭4安装在圆环5内，梯形喇叭4位于反射地6的上方，梯形喇机4的外壁、圆环5的内壁和反射地6组成异形反射腔。其中，金属贴片I通过尼龙螺丝固定在平面等角螺旋结构天线阵元2上，梯形喇叭4的内壁直径增大可明显改善驻波。
[0029]宽带巴伦3内部设置有指数渐变反射地31和指数渐变微带线32，宽带巴伦3由梯形喇叭4的内腔覆盖，宽带巴伦3穿过梯形喇叭4连接在平面等角螺旋结构天线阵元2上。由于平面等角螺旋结构天线阵元2的等角螺旋线是对称结构，所以需要加装相应的非平衡馈电到平衡馈电的转换电路，即宽带巴伦3实现平面等角螺旋结构天线阵元2的输入阻抗与馈电同轴线的特性阻抗的变换。
[0030]如图4和5所示，指数渐变反射地31和指数渐变微带线32为介电常数为4.6的FR4板材。其中，c为指数渐变反射地31和指数渐变微带线32顶端宽度，g和a分别为指数渐变微带线32和指数渐变反射地31底端宽度，b为宽带巴伦3的有效高度。指数渐变微带线32的特性阻抗沿轴线按照指数渐变规律变换到50欧姆。
[0031]金属贴片I为圆形金属贴片，金属贴片I安装在平面等角螺旋结构天线阵元2的中心位置，金属贴片I与平面等角螺旋结构天线阵元2之间的距离为2mm，有效的改善了圆极化天线的轴比。
[0032]平面等角螺旋结构天线阵元2为介电常数为2.55的TLX-8板材，辐射损耗小。
[0033]如图6所示，可以看出，该用于5G移动通信的宽带小型化天线工作在3.3-5.8GHz，覆盖国际电信联盟WRC-15工作组候选的5G低频段。
[0034]如图7-9所示为用于5G移动通信的宽带小型化天线分别在3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz的实测结果与仿真结果，可以看出在3.3-5.8GHz的实测结果与仿真结果基本吻合，满足5G移动通信的应用要求。
[0035]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，其特征在于:包括金属贴片(I)、平面等角螺旋结构天线阵元(2)、宽带巴伦(3)、梯形喇叭(4)、圆环(5)和反射地(6)，所述的金属贴片(I)安装在平面等角螺旋结构天线阵元(2)上，所述的平面等角螺旋结构天线阵元(2)固定在反射地(6)上，平面等角螺旋结构天线阵元(2)的等角螺旋线与宽带巴伦(3)相连接，所述的圆环(5)安装在反射地(6)的上方，所述的梯形喇叭(4)安装在圆环(5)内，所述的梯形喇口八(4)位于反射地(6)的上方，梯形喇叭(4)的外壁、圆环(5)的内壁和反射地(6)组成异形反射腔。2.根据权利要求1所述的一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，其特征在于:所述的宽带巴伦(3)内部设置有指数渐变反射地(31)和指数渐变微带线(32)，所述的宽带巴伦(3)由梯形喇叭(4)的内腔覆盖，所述的宽带巴伦(3)穿过梯形喇叭(4)连接在平面等角螺旋结构天线阵元(2)上。3.根据权利要求1所述的一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，其特征在于:所述金属贴片(I)为圆形金属贴片，所述金属贴片(I)安装在平面等角螺旋结构天线阵元(2)的中心位置，所述金属贴片(I)与平面等角螺旋结构天线阵元(2)之间的距离为2_。4.根据权利要求1所述的一种用于5G移动通信的宽带小型化天线，其特征在于:所述平面等角螺旋结构天线阵元(2)为介电常数为2.55的TLX-8板材。
【文档编号】H01Q21/00GK105932405SQ201610454584
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】陈平, 逄型栋, 罗清, 朱晓维, 蒯振起
【申请人】南京濠暻通讯科技有限公司