一种超宽带双极化基站天线

1.本发明涉及基站天线领域，具体涉及一种超宽带双极化基站天线。


背景技术：

2.随着无线技术的快速发展，第五代通信技术已与我们的日常生活息息相关。此外，无线通信系统还在汽车、物联网、金融技术等应用领域得到广泛应用。中国工业和信息化部建议将2.515-2.675ghz、3.4ghz-3.6ghz和4.8ghz-5ghz的频段作为5g移动通信。与此同时，覆盖1710-2690mhz的2/3/4g移动通信系统仍将继续使用很长一段时间的。
3.在此背景下，超宽带双极化基站天线的开发、设计和优化显得尤为重要。在过去的几十年里，人们一直在努力设计各种双极化基站天线以满足宽带宽的需求，其中一个非常流行的类型是使用阵列或孔径共享配置设计多波段天线。然而，在这些天线中存在着陷波，无法满足超宽带的应用。此外，贴片天线由于其具备平面结构简单、低剖面的特点，而受到了广泛的关注。为了提高贴片天线的带宽，通常采用耦合馈电、多段枝节等方案。然而，这些天线有限的带宽，还不足以满足各种应用的需求。
4.授权公告号为cn212659664u的中国实用新型专利提出了一种5g低剖面高性能超宽带天线振子及基站天线，天线振子通过独特的多边形辐射体结构加载三角形谐振结构，能够在不增加天线尺寸的情况下，改善天线频带和天线辐射性能指标。但是，其工作频段较窄，只覆盖了3.2ghz-4.2ghz，并且相对阻抗带宽仅为27％。
5.申请公布号为cn110323566a的中国发明专利提出了一种双极化多频超宽带基站天线，基站天线通过主辐射片与耦合巴伦电磁耦合，利用耦合巴伦馈电方式，可获得带宽更宽的网络，能够同时覆盖4g与5g网络频段。其工作频段较宽，覆盖了2.3ghz～5ghz，相对阻抗带宽为79％，但其工作频段仅包含了4g/5g网络，无法覆盖2/3g网络。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种超宽带双极化基站天线，提高基站天线的阻抗匹配，使基站天线能够同时覆盖2/3/4/5g网络频段，且在各网络频段下均具备优异的工作特性。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种超宽带双极化基站天线，包括反射板、第一介质板、第二介质板、天线辐射体、寄生单元和馈电网络；所述反射板、第一介质板和第二介质板互相平行设置，第二介质板设置于反射板的上方，第一介质板设置于第二介质板的上方；天线辐射体印刷于第二介质板的上表面，寄生单元印刷于第一介质板的上表面；馈电网络与天线辐射体馈电连接；
9.所述第一介质板和第二介质板均呈正方形；第一介质板中的两条相对侧边平行于x轴，另两条相对侧边平行于y轴；第二介质板中的两条相对侧边平行于x轴，另两条相对侧边平行于y轴；第一介质板和第二介质板的中心在xoy平面上的投影相重合；
10.所述寄生单元包括第一寄生子单元和第二寄生子单元，第一寄生子单元包括第一
至第四条形偶极子，所述第一至第四条形偶极子的结构完全相同，分别设置于第一介质板四条侧边的边缘中部；第二寄生子单元由圆形金属贴片构成，设置于第一介质板的中央；
11.所述天线辐射体包括第一至第四电偶极子，所述第一至第四电偶极子分别设置于第二介质板四条侧边的边缘中部；第二介质板上的第一至第四电偶极子的位置分别与第一介质板上的第一至第四条形偶极子的位置相对应；每个电偶极子的两端分别与与之相邻的另外两条侧边上的其他两个电偶极子连接。
12.进一步地，还包括支柱，所述第二介质板通过支柱支撑连接于反射板的上方，所述第一介质板通过支柱支撑连接于第二介质板的上方。
13.进一步地，所述第一介质板上的第一至第四条形偶极子中，每个条形偶极子由两块完全相同的矩形金属贴片组成，所述两块矩形金属贴片对称分布于第一介质板侧边的中点两侧，且两块矩形金属贴片之间由一定宽度的第一缝隙隔开，所述第一缝隙位于第一介质板侧边的中点处。
14.进一步地，所述第二介质板上的第一至第四电偶极子中，每个电偶极子的中部由一定宽度的第二缝隙分隔成两段，所述第二缝隙位于第二介质板侧边的中点处，位置与第一缝隙相对应。
15.进一步地，所述馈电网络包括第一缝隙传输线、第二缝隙传输线、第一馈电同轴线和第二馈电同轴线；
16.所述第一缝隙传输线和第二缝隙传输线均经过第二介质板的中心，其中，第一缝隙传输线沿y轴方向延伸，第二缝隙传输线沿x轴方向延伸；第二介质板上平行于x轴的两条侧边上的两个电偶极子通过第一缝隙传输线连接，组成第一对电偶极子；第二介质板上平行于y轴的两条侧边上的两个电偶极子通过第二缝隙传输线连接，组成第二对电偶极子；
17.所述第一缝隙传输线由互相平行且对称设置的第一侧传输线和第二侧传输线之间的间隙构成；第一侧传输线和第二侧传输线均印刷于第二介质板的上表面；
18.所述第二缝隙传输线由互相平行且对称设置的第三侧传输线和第四侧传输线之间的间隙构成；第三侧传输线和第四侧传输线均由三段子传输线依次拼接形成，其中，位于两端的子传输线印刷于第二介质板的上表面，位于中部的子传输线印刷于第二介质板的下表面，位于中部的子传输线与位于两端的子传输线之间通过金属化过孔连接；使得第二缝隙传输线与第一缝隙传输线在第二介质板的中心垂直交叉但又互不连通；
19.所述第一馈电同轴线的内导体与第一侧传输线连接，第一馈电同轴线的外导体与第二侧传输线连接；所述第二馈电同轴线的内导体与第四侧传输线连接，第二馈电同轴线的外导体与第三侧传输线连接。
20.进一步地，所述第一缝隙传输线沿延伸方向分成至少三截，每相邻两截之间的宽度互不相等；
21.所述第二缝隙传输线沿延伸方向分成至少三截，每相邻两截之间的宽度互不相等。
22.进一步地，所述第一侧传输线位于第一缝隙传输线的x轴正方向一侧，第二侧传输线位于第一缝隙传输线的x轴负方向一侧；
23.所述第三侧传输线位于第二缝隙传输线的y轴正方向一侧，第四侧传输线位于第二缝隙传输线的y轴负方向一侧。
24.进一步地，所述馈电网络还包括第一金属桥和第二金属桥；所述第一馈电同轴线的内导体通过第一金属桥与第一侧传输线连接，所述第二馈电同轴线的内导体通过第二金属桥与第四侧传输线连接；
25.所述第一金属桥和第二金属桥均设置于第二介质板的中部；其中，第一金属桥沿x轴方向延伸，第二金属桥沿y轴方向延伸；
26.所述第二金属桥为印刷于第二介质板上表面的金属贴片；
27.所述第一金属桥为设置于第二介质板上方的金属条，第一金属桥的x轴正方向末端具有向下弯折的弯折部，弯折部的下端支撑于第二介质板上，以将第一金属桥的主体悬空设置于第二介质板上方，使得第一金属桥和第二金属桥互相垂直交叉但又互不连通。
28.进一步地，所述第一馈电同轴线和第二馈电同轴线由下往上穿过反射板；
29.第一馈电同轴线的外导体在第二介质板的下方通过金属化过孔与第二侧传输线连接，第一馈电同轴线的内导体穿过第二介质板后，在第一介质板的上方与第一金属桥的x轴负方向末端连接，位于第一金属桥x轴正方向末端的弯折部下端与第一侧传输线接触连接；
30.第二馈电同轴线的外导体在第二介质板的下方与第三侧传输线连接，第二馈电同轴线的内导体穿过第二介质板后与第二金属桥的y轴正方向末端连接，第二金属桥的y轴负方向末端通过金属化过孔与第四侧传输线连接。
31.进一步地，第一馈电同轴线的外导体连接于第二侧传输线的中点处，第一金属桥的弯折部下端连接于第一侧传输线的中点处；第二馈电同轴线的外导体连接于第三侧传输线的中点处，第二金属桥的y轴负方向末端连接于第四侧传输线的中点处。
32.本发明采用了四个电偶极子组成两对电偶极子作为天线辐射体，天线辐射体由馈电网络馈电实现
±
45
°
极化辐射。天线辐射体上方采用了两个寄生子单元组成的寄生单元，分别是位于四个电偶极子上方的四个条形偶极子，以及馈电网络中央上方的圆形金属贴片，提高了阻抗匹配，稳定天线辐射方向图。通过以上结构，本发明提供的一种超宽带双极化基站天线在1.7-5.1ghz频段内实现了非常稳定的增益和半功率波束宽度。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线的整体结构示意图。
34.图2是本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线的爆炸图。
35.图3是本发明实施例中的第一介质板的上表面结构示意图。
36.图4是本发明实施例中的第二介质板的上表面结构示意图。
37.图5是本发明实施例中的第二介质板的下表面结构示意图。
38.图6是本发明实施例中的馈电网络的连接结构示意图。
39.图7是本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线的辐射特性仿真结果图。
40.图8是本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线的增益变化曲线图。
具体实施方式
41.下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
42.如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线，包括反射板
1、第一介质板2、第二介质板3、天线辐射体4、寄生单元5、馈电网络6和支柱7。
43.所述反射板1、第一介质板2和第二介质板3互相平行设置，第二介质板3设置于反射板1的上方，第一介质板2设置于第二介质板3的上方；天线辐射体4印刷于第二介质板3的上表面，寄生单元5印刷于第一介质板2的上表面；馈电网络6与天线辐射体4馈电连接。
44.所述第一介质板2和第二介质板3均呈正方形；第一介质板2中的两条相对侧边平行于x轴，另两条相对侧边平行于y轴；第二介质板3中的两条相对侧边平行于x轴，另两条相对侧边平行于y轴；第一介质板2和第二介质板3的中心在xoy平面上的投影相重合。
45.所述支柱7的下端固定连接于反射板1上，支柱7的上端依次穿过第二介质板3和第一介质板2并与之固定；所述第二介质板3通过支柱7支撑连接于反射板1的上方，所述第一介质板2通过支柱7支撑连接于第二介质板3的上方。
46.如图3所示，所述寄生单元5包括第一寄生子单元和第二寄生子单元，第一寄生子单元包括第一条形偶极子511、第二条形偶极子512、第三条形偶极子513和第四条形偶极子514。所述第一条形偶极子511、第二条形偶极子512、第三条形偶极子513和第四条形偶极子514按照顺时针顺序分别设置于第一介质板2四条侧边的边缘中部；第二寄生子单元由圆形金属贴片52构成，设置于第一介质板2的中央。寄生单元5可以激发天线的
±
45
°
极化，并可改善天线的高频段辐射方向图。
47.具体地，所述第一条形偶极子511、第二条形偶极子512、第三条形偶极子513和第四条形偶极子514的结构完全相同，每个条形偶极子由两块完全相同的矩形金属贴片组成，所述两块矩形金属贴片对称分布于第一介质板2侧边的中点两侧，且两块矩形金属贴片之间由一定宽度的第一缝隙510隔开，所述第一缝隙510位于第一介质板2侧边的中点处。
48.如图4所示，所述天线辐射体4包括第一电偶极子41、第二电偶极子42、第三电偶极子43和第四电偶极子44(如图4中的矩形虚线框部分所示)。所述第一电偶极子41、第二电偶极子42、第三电偶极子43和第四电偶极子44按照顺时针顺序分别设置于第二介质板3四条侧边的边缘中部。
49.每个电偶极子的两端分别与与之相邻的另外两条侧边上的其他两个电偶极子连接。即第一电偶极子41、第二电偶极子42、第三电偶极子43和第四电偶极子44依次首尾相连呈正方形闭环。其中，在图4中位于第二介质板3的四个角上的三角形金属贴片用于作为传输线，将相邻的电偶极子互相连接。
50.第二介质板3上的四个电偶极子的位置分别与第一介质板2上的四个条形偶极子的位置相对应。具体来说，第一电偶极子41与第一条形偶极子511的位置相对应，第二电偶极子42与第二条形偶极子512的位置相对应，第三电偶极子43与第三条形偶极子513的位置相对应，第四电偶极子44与第四条形偶极子514的位置相对应。
51.进一步地，所述第一电偶极子41、第二电偶极子42、第三电偶极子43和第四电偶极子44中，每个电偶极子的中部由一定宽度的第二缝隙40分隔成两段，所述第二缝隙40位于第二介质板3侧边的中点处，位置与第一缝隙510相对应。
52.如图4至图6所示，所述馈电网络包括第一缝隙传输线61、第二缝隙传输线62、第一馈电同轴线63、第二馈电同轴线64、第一金属桥65和第二金属桥66。
53.所述第一缝隙传输线61和第二缝隙传输线62均经过第二介质板3的中心，其中，第一缝隙传输线61沿y轴方向延伸，第二缝隙传输线62沿x轴方向延伸；第二介质板3上平行于
x轴的两条侧边上的两个电偶极子(第二电偶极子42和第四电偶极子44)通过第一缝隙传输线61连接，组成第一对电偶极子；第二介质板3上平行于y轴的两条侧边上的两个电偶极子(第一电偶极子41和第三电偶极子43)通过第二缝隙传输线62连接，组成第二对电偶极子。
54.所述第一缝隙传输线61由互相平行且对称设置的第一侧传输线611和第二侧传输线612之间的间隙构成；其中，所述第一侧传输线611位于第一缝隙传输线61的x轴正方向一侧，第二侧传输线612位于第一缝隙传输线61的x轴负方向一侧。第一侧传输线611和第二侧传输线612均印刷于第二介质板3的上表面。
55.所述第二缝隙传输线62由互相平行且对称设置的第三侧传输线621和第四侧传输线622之间的间隙构成；其中，所述第三侧传输线621位于第二缝隙传输线62的y轴正方向一侧，第四侧传输线622位于第二缝隙传输线62的y轴负方向一侧。第三侧传输线621和第四侧传输线622均由三段子传输线依次拼接形成，其中，位于两端的子传输线印刷于第二介质板3的上表面，位于中部的子传输线印刷于第二介质板3的下表面，位于中部的子传输线与位于两端的子传输线之间通过金属化过孔连接。如图6所示，其中虚线部分为印刷于第二介质板3下表面的中部子传输线部分。以上结构设计的目的在于使得第二缝隙传输线62与第一缝隙传输线61在第二介质板3的中心垂直交叉但又互不连通。
56.进一步地，所述第一缝隙传输线61沿延伸方向分成至少三截，每相邻两截之间的宽度互不相等。同样地，所述第二缝隙传输线62沿延伸方向分成至少三截，每相邻两截之间的宽度互不相等。
57.如图6所示，所述第一馈电同轴线63的内导体630通过第一金属桥65与第一侧传输线611连接，第一馈电同轴线63的外导体与第二侧传输线连接612；所述第二馈电同轴线64的内导体640通过第二金属桥66与第四侧传输线622连接，第二馈电同轴线64的外导体与第三侧传输线连接621。
58.具体地，所述第一金属桥65和第二金属桥66均设置于第二介质板3的中部；其中，第一金属桥65沿x轴方向延伸，第二金属桥66沿y轴方向延伸。
59.所述第二金属桥66为印刷于第二介质板3上表面的金属贴片。所述第一金属桥65为设置于第二介质板3上方的金属条，第一金属桥65的x轴正方向末端具有向下弯折的弯折部，弯折部的下端支撑于第二介质板3上，以将第一金属桥65的主体悬空设置于第二介质板3上方，使得第一金属桥65和第二金属桥66互相垂直交叉但又互不连通。
60.在图6中，为了便于显示本发明实施例中馈电网络6的具体连接方式，隐去了天线辐射体4。具体来说，馈电网络6各部分的连接方式如下：所述第一馈电同轴线63和第二馈电同轴线64由下往上穿过反射板1。第一馈电同轴线63的外导体在第二介质板3的下方通过金属化过孔与第二侧传输线612连接，第一馈电同轴线63的内导体630穿过第二介质板3后，在第一介质板3的上方与第一金属桥65的x轴负方向末端连接，位于第一金属桥65的x轴正方向末端的弯折部下端与第一侧传输线611接触连接。第二馈电同轴线64的外导体在第二介质板3的下方与第三侧传输线621连接，第二馈电同轴线64的内导体640穿过第二介质板3后与第二金属桥66的y轴正方向末端连接，第二金属桥66的y轴负方向末端通过金属化过孔与第四侧传输线622连接。
61.进一步地，第一馈电同轴线63的外导体连接于第二侧传输线612的中点处，第一金属桥65的弯折部下端连接于第一侧传输线611的中点处。第二馈电同轴线64的外导体连接
于第三侧传输线621的中点处(即第三侧传输线621中，位于中部的子传输线的中部)，第二金属桥66的y轴负方向末端连接于第四侧传输线622的中点处(即第四侧传输线622中位于中部的子传输线的中部)。
62.本发明中，天线辐射体是由四个电偶极子组成的两对电偶极子，四个电偶极子的对称分布在介质板的四条侧边的边缘中部，每个电偶极子分别与相邻的两个电偶极子相连，四个电偶极子与四个条形偶极子寄生贴片相互作用，实现了天线的双极化。馈电网络包括有两条垂直放置的缝隙传输线，激发了天线辐射体的
±
45
°
极化辐射。同时，两条缝隙传输线分别采用多截不等宽度的子缝隙传输线组成，实现了良好的阻抗匹配。
63.天线辐射体上方采用了两个寄生子单元组成的寄生单元，分别是位于四个电偶极子上方的四个条形偶极子，以及馈电网络中央上方的圆形金属贴片。四个电偶极子与四个条形偶极子的寄生贴片相互作用，实现了天线的双极化；同时，寄生单元还起到了提高阻抗匹配，稳定天线辐射方向图的作用。
64.请参照图7，本发明实施例提供的一种超宽带双极化基站天线的工作频段为1.7-5.1ghz，相对阻抗带宽为100％。如图8所示，本发明实施例的增益和半功率波束宽度在整个带宽内非常稳定，分别为8.2
±
0.7dbi和65
°±5°
。
65.综上，本发明提供的一种超宽带双极化基站天线，在1.7-5.1ghz频段内实现了非常稳定的增益和半功率波束宽度。
66.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。