一种应用于5G微基站的宽带极化可重构天线

一种应用于5g微基站的宽带极化可重构天线
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带极化可重构天线。


背景技术：

2.极化可重构天线不仅仅可以改善与特定极化方式的无线系统之间的信号传输效果，同时还可以根据实际情况选择合适的极化方式，从而达到屏蔽其他极化方式的干扰波束的效果。如今，随着第五代(5g)移动通信与4g、蓝牙、物联网(iot)和无线局域网(wlan)等其他无线网络共存，天线工作环境变得更加复杂，因此进一步推动了可重构天线的研究。本发明的极化可重构天线以蝶形偶极子为辐射器，并结合渐变地面、巴伦及紧耦合思想，实现天线的宽工作频段。通过使用最大功率传输效率法改变三个馈电端口的幅值和相位以实现宽带内的极化可重构。


技术实现要素：

3.本发明目的：在于提供一种应用于5g微基站的宽带极化可重构天线，实现宽带内的极化可重构。
4.为实现以上功能，本发明设计一种应用于5g微基站的宽带极化可重构天线，包括介质板、金属地、介质板外表面单元、介质板内表面单元、同轴外芯、同轴内芯；
5.其中介质板为中空的圆筒状，圆筒状介质板置于金属地上，其底部与金属地相接，金属地面积不小于圆筒状介质板底部面积；介质板外表面单元位于圆筒状介质板外壁，介质板内表面单元位于圆筒状介质板内壁，介质板外表面单元、介质板内表面单元的展开形状为长方形，且两者尺寸相同；介质板外表面单元包括外壁蝶形偶极子、渐变金属地，其中外壁蝶形偶极子为具有至少一对相互垂直的相邻边的多边形金属贴片，外壁蝶形偶极子相互垂直的相邻边中，其中一边与介质板顶部的边重合，另一边与介质板外表面单元的侧边重合，且与介质板底部相垂直；
6.渐变金属地为轴对称形状的金属贴片，其一端与外壁蝶形偶极子相连接，相对的一端与金属地相连接；
7.介质板内表面单元包括内壁蝶形偶极子、渐变巴伦、两条金属短路条带；其中内壁蝶形偶极子为具有至少一对相互垂直的相邻边的多边形金属贴片，内壁蝶形偶极子相互垂直的相邻边中，其中一边与介质板顶部的边重合，另一边与介质板内表面单元的侧边重合，且与介质板底部相垂直；内壁蝶形偶极子与外壁蝶形偶极子形状、尺寸相同，且在圆筒状介质板上位置相互对应；
8.渐变巴伦为轴对称形状的金属贴片，其一端与内壁蝶形偶极子相连接，相对的一端与金属地相连接；两条金属短路条带为带状金属贴片，两金属短路条带一端分别与内壁蝶形偶极子相连接，相对的一端分别与金属地相连接；
9.圆筒状介质板外壁上印刷三个相同结构的介质板外表面单元，且两相邻介质板外表面单元相互对接；圆筒状介质板内壁上印刷三个相同结构的介质板内表面单元，且两相
邻介质板内表面单元相互对接；同轴外芯包裹于同轴内芯外部，且同轴外芯、同轴内芯数量与介质板外表面单元、介质板内表面单元数量相同，各同轴内芯分别穿过所对应的介质板外表面单元的渐变金属地，以及介质板内表面单元的渐变巴伦，将两者相连接。
10.作为本发明的一种优选技术方案：圆筒状介质板的材质为f4b，该介质板的介电常数为2.65，损耗正切角为0.002。
11.作为本发明的一种优选技术方案：圆筒状介质板外半径为17.5mm，高度为30mm，厚度为0.8mm。
12.作为本发明的一种优选技术方案：金属地为圆形，其半径为50mm。
13.作为本发明的一种优选技术方案：内壁蝶形偶极子、外壁蝶形偶极子与介质板底部相垂直的边长度为12.5mm，内壁蝶形偶极子与介质板内表面单元的侧边重合的边与渐变巴伦相连接的一端之间的距离为40mm，外壁蝶形偶极子与介质板外表面单元的侧边重合的边与渐变金属地相连接的一端之间的距离为40mm。
14.作为本发明的一种优选技术方案：渐变金属地的形状是由两条弧线、三条直线包围形成的轴对称形状，渐变金属地的三条直线边分别与介质板外表面单元的两侧边、底边重合，两条弧线边分别与外壁蝶形偶极子相连接，且渐变金属地与外壁蝶形偶极子相连接的一端宽度为1.1mm。
15.作为本发明的一种优选技术方案：渐变巴伦与内壁蝶形偶极子相连接的一边宽度为1.1mm，与金属地相连接的一边宽度为2.2mm。
16.有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：
17.本发明提供的应用于5g微基站的宽带极化可重构天线，整个天线的尺寸为π*50mm2(半径)*30mm(高度)。覆盖中国联通5g试用频段(3500-3600mhz)，适用于微基站系统。本发明提供的宽带极化可重构微基站天线，通过采用蝶形偶极子、渐变金属地、渐变巴伦来拓展带宽，并将上述部分共形在圆筒状介质板上，利用蝶形偶极子之间的紧耦合使得本发明在相对较小的体积下继续拓宽工作带宽。在本发明天线的远场处放置相同极化的接收天线，基于最大功率传输效率法，改变三个馈电端口的幅值和相位，可以实现方位角平面任意方向的线极化以及左旋圆极化和右旋圆极化。
18.与2018年，东国大学的huy hung tran,nghia nguyen-trong等人在“low-profile wideband high-gain reconfigurable antenna with quad-polarization diversity,”(ieee transactions on antennas and propagation,vol.66,no.7,july 2018.)中提出的极化可重构高增益偶极子天线相比较，本发明的天线可以实现方位角平面任意方向的线极化以及左旋圆极化和右旋圆极化，可以有效提高无线系统的通信容量，消除极化失配以及扩大天线辐射覆盖面积等作用。与2021年，南京信息工程大学的shenyun wang,danping yang等人在“polarization-reconfigurable antenna using combination of circular polarized modes,”(ieee access,vol.9,pp.45622
–
45631,2021)中提出的基于圆极化合成技术的极化可重构天线相比较，本发明的天线可以在更宽的频带范围内实现极化可重构效果，从而使得本发明可以运用于更多地方。
附图说明
19.图1(a)-图1(e)是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线的结构示意图；
20.图2是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线的仿真反射系数s
11
图；
21.图3是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线仿真增益图；
22.图4(a)-图4(b)是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线在方位角平面方向线极化辐射方向图；
23.图5(a)-图5(b)是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线在方位角平面方向线极化辐射方向图；
24.图6(a)-图6(b)是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线的左旋圆极化辐射方向图；
25.图7(a)-图7(b)是根据本发明实施例提供的宽带极化可重构天线的右旋圆极化辐射方向图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
27.本发明实施例提供的一种应用于5g微基站的宽带极化可重构天线，包括介质板、金属地、介质板外表面单元、介质板内表面单元、同轴外芯、同轴内芯；
28.本发明设计的宽带极化可重构天线外壁示意图参照图1(a)，介质板外表面单元展开图参照图1(b)，宽带极化可重构天线内壁示意图参照图1(c)，介质板内表面单元展开图参照图1(d)，宽带极化可重构天线整体结构示意图参照图1(e)；
29.其中介质板为中空的圆筒状，圆筒状介质板置于金属地上，其底部与金属地相接，金属地面积不小于圆筒状介质板底部面积；介质板外表面单元位于圆筒状介质板外壁，介质板内表面单元位于圆筒状介质板内壁，介质板外表面单元、介质板内表面单元的展开形状为长方形，且两者尺寸相同；介质板外表面单元包括外壁蝶形偶极子、渐变金属地，其中外壁蝶形偶极子为具有至少一对相互垂直的相邻边的多边形金属贴片，外壁蝶形偶极子相互垂直的相邻边中，其中一边与介质板顶部的边重合，另一边与介质板外表面单元的侧边重合，且与介质板底部相垂直；
30.渐变金属地为轴对称形状的金属贴片，其一端与外壁蝶形偶极子相连接，相对的一端与金属地相连接；
31.介质板内表面单元包括内壁蝶形偶极子、渐变巴伦、两条金属短路条带；其中内壁蝶形偶极子为具有至少一对相互垂直的相邻边的多边形金属贴片，内壁蝶形偶极子相互垂直的相邻边中，其中一边与介质板顶部的边重合，另一边与介质板内表面单元的侧边重合，且与介质板底部相垂直；内壁蝶形偶极子与外壁蝶形偶极子形状、尺寸相同，且在圆筒状介质板上位置相互对应；
32.在渐变巴伦末端的三个方向120
°
，240
°
上设置馈电端口；
33.渐变巴伦为轴对称形状的金属贴片，其一端与内壁蝶形偶极子相连接，相对的一端与金属地相连接；两条金属短路条带为带状金属贴片，两金属短路条带一端分别与内壁蝶形偶极子相连接，相对的一端分别与金属地相连接；两金属短路条带底部直接接触金属地。介质板底部的金属地用作反射器，使天线获得轴向辐射效果。
34.基于最大功率传输效率法，通过改变各个端口的幅值和相位可以实现方位角平面
上的任意方向的线极化和左旋圆极化，右旋圆极化。整个过程所需的相关参数可以由电磁仿真软件hfss16.1得到。
35.圆筒状介质板外壁上印刷三个相同结构的介质板外表面单元，且两相邻介质板外表面单元相互对接；圆筒状介质板内壁上印刷三个相同结构的介质板内表面单元，且两相邻介质板内表面单元相互对接；同轴外芯包裹于同轴内芯外部，且同轴外芯、同轴内芯数量与介质板外表面单元、介质板内表面单元数量相同，各同轴内芯分别穿过所对应的介质板外表面单元的渐变金属地，以及介质板内表面单元的渐变巴伦，将两者相连接。
36.在一个实施例中，圆筒状介质板的材质为f4b，该介质板的介电常数为2.65，损耗正切角为0.002。
37.在一个实施例中，圆筒状介质板外半径为17.5mm，高度为30mm，厚度为0.8mm。
38.在一个实施例中，金属地为圆形，其半径为50mm。
39.在一个实施例中，金属地为圆形，内壁蝶形偶极子、外壁蝶形偶极子与介质板底部相垂直的边长度为12.5mm，内壁蝶形偶极子与介质板内表面单元的侧边重合的边与渐变巴伦相连接的一端之间的距离为40mm，外壁蝶形偶极子与介质板外表面单元的侧边重合的边与渐变金属地相连接的一端之间的距离为40mm。
40.在一个实施例中，渐变金属地的形状是由两条弧线、三条直线包围形成的轴对称形状，渐变金属地的三条直线边分别与介质板外表面单元的两侧边、底边重合，两条弧线边分别与外壁蝶形偶极子相连接，且渐变金属地与外壁蝶形偶极子相连接的一端宽度为1.1mm。
41.在一个实施例中，渐变巴伦与内壁蝶形偶极子相连接的一边宽度为1.1mm，与金属地相连接的一边宽度为2.2mm。
42.本发明设计的宽带极化可重构天线采用蝶形偶极子、渐变金属地、渐变巴伦等设计有助于拓宽天线工作带宽。将蝶形偶极子的两臂分别共形在圆筒状介质板的内外壁上，使得相邻两单元蝶形偶极子之间紧密耦合在了一起，进一步拓展了天线的工作带宽。在介质板下方的圆形金属地以及内壁偶极子上的两根金属短路条带保证了该设计拥有良好的定向辐射特性，并且在工作频段内的增益相对稳定。
43.本发明设计的宽带极化可重构天线的仿真反射系数s
11
图参照图2，从图2中可以看出该天线的工作带宽为2.95-4.89ghz，谐振频率为3.5ghz，可以很好的覆盖中国联通的5g试用频段。
44.图3为本发明设计的宽带极化可重构天线仿真增益图，从图3中可以看出该天线在3.5ghz处的实际增益为9.32dbi，在4ghz处获得最大实际增益为10.02dbi，并且在整个工作带宽内的实际增益波动不超过3db。
45.图4为本发明设计的宽带极化可重构天线在方位角平面方向线极化辐射方向图，其中图4(a)为e(平面)面上的辐射方向图，图4(b)为h(平面)面上的辐射方向图；从图4(a)和图4(b)可以看出，其e面半功率波束宽度为49
°
，其h面的半功率波束宽度为69
°
，前后比为13db。
46.如图5为本发明设计的宽带极化可重构天线在方位角平面方向线极化辐射方向图，其中图5(a)为e(平面)面上的辐射方向图，其中图5(b)为h(平
面)面上的辐射方向图，从图5(a)和图5(b)可以看出，其e面半功率波束宽度为49
°
，其h面的半功率波束宽度为69
°
，前后比为13db。
47.图6为本发明设计的宽带极化可重构天线的左旋圆极化辐射方向图：图6(a)为在xoz平面的左旋圆极化辐射方向图；图6(b)为在yoz平面的左旋圆极化辐射方向图。该天线在xoz平面、yoz平面上的左旋圆极化辐射方向的半功率波束宽度分为56
°
和59
°
，前后比为13db。
48.图7为本发明设计的宽带极化可重构天线的右旋圆极化辐射方向图：图7(a)为在xoz平面的右旋圆极化辐射方向图；图7(b)为在yoz平面的右旋圆极化辐射方向图。该天线在xoz平面、yoz平面上的右旋圆极化辐射方向的半功率波束宽度分别为56
°
和59
°
，前后比为13db。综上可以看出本发明在3.5ghz处的拥有较高的增益并且在各种极化下的方向图都较为稳定，对后瓣也起到了一定的抑制效果。
49.本发明设计的宽带极化可重构天线工作频段为2.95-4.89ghz，覆盖中国联通的5g试用频段。本发明的极化可重构天线通信稳定，能够实现在方位角平面实现任意方向线极化及左右旋圆极化。该极化可重构微基站天线可以有效避免极化失配。同时当天线位置发生改变时，与外界的通信质量不会受影响。采用了共形及紧耦合的方式，减少了天线的体积，非常适用于未来微基站系统。
50.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。