基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统

本发明涉及无线通信电子器件领域，具体涉及一种低频反射高频透射的超表面结构以及双频双极化天线的堆叠结构的设计。

背景技术：

1、随着移动通信技术的飞速发展，在现代通信系统中,双频天线的应用能够满足通信系统不断升级的要求,能有效解决多径衰落问题,减少天线数量,降低天线成本.随着移动通信技术的发展,对双频基站阵列天线的研究就变得十分迫切,同时也具有理论意义和实用价值。在基站天线建设中往往要求阵列天线不仅能够覆盖多个频段，而且能够支持多种无线制式的系统。在设计双频或者多频基站阵列天线时，尤其是宽频带双频或多频天线时，天线通常会在工作频段之外存在杂波。而这些带外杂波会造成不同频段之间的严重耦合，同时也会严重影响天线的方向图。

2、目前，传统的双频双极化基站天线阵列大多在同一反射面上以低频天线为中心，高频基站天线在低频天线四周或者在低频天线内的结构模式，而高低频天线之间会产生工作频带外的谐振波，会造成高低频段之间的严重耦合，虽然随着天线优化技术的不断发展，层出不穷的去耦结构不断被提出，但是不同频段之间的耦合仍然存在，并且限制着双频基站天线的应用，比如工作在特定一些高低频段的天线难以组成阵列。为拓宽双频基站天线的发展，本发明打破常规天线阵列以同一反射面的设计规则，以一种堆叠结构来组成双频天线，通过超表面的结构设计来达成使高低频天线向同一方向辐射的目的。

技术实现思路

1、本发明根据现有技术，提出一种基于超表面的双频基站天线堆叠结构系统，与共用同一反射面的双频天线的常见设计不同，该系统采用堆叠结构形式将高频基站天线和低频天线放置在两个反射面上，分别上下放置。为了确保高频基站天线和低频天线之间的匹配，并且通常可以在其工作频带内有效工作，作为顶层的超表面设计的反射面必须加以设计以具有相应的功能。本发明将底层的通常反射面作为低频频天线的反射面，顶层由超表面设计而成的反射面作为高频基站天线的反射面，则其必须具备高频反射低频透射的功能。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、一种基于超表面的双频基站天线堆叠结构系统，包括金属底板、超表面底板、2*2排列的高频基站天线、低频基站天线。

4、作为优选，所述超表面结构由7*7个ffs单元周期性排列组成，每个单元由固定形状的金属微带构成。

5、所述金属微带层印刷在厚度为0.4mm，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.002的fr4介质基板上。

6、作为优选，所述高频基站天线由第一pcb板和第二pcb板正交相接安装在超表面底板上，所述低频天线由第三pcb板和第四pcb板正交相接安装在金属底板上。

7、所述第一pcb板包括第一介质基板、第一馈线和第一辐射天线，所述第一馈线和第一辐射天线分别贴附在第一介质基板的两侧，所述第二pcb板包括第二介质基板、第二馈线和第一辐射天线，所述第二馈线和第一辐射天线分别贴附在第二介质基板的两侧，所述第三pcb板包括第三介质基板、第三馈线和第二辐射天线，所述第三馈线和第二辐射天线分别贴附在第三介质基板的两侧，所述第四pcb板包括第四介质基板、第四馈线和第二辐射天线，所述第四馈线和第二辐射天线分别贴附在第四介质基板的两侧。

8、作为优选，所述第一辐射天线由矩形辐射臂、梯形辐射臂、巴伦以及馈电线组成，巴伦一端与辐射臂相连，另一端与地面相接以支撑辐射臂，其中梯形辐射臂与巴伦印刷在基板的正面，另矩形辐射臂和馈电线印刷在基板的反面，正反两面的辐射臂通过位于巴伦和辐射臂相接处的过孔相互短路。

9、作为优选，所述的第二辐射天线由双矩形辐射臂、巴伦以及馈电线组成，巴伦一端与辐射臂相连，另一端与地面相接以支撑辐射臂，其中一片辐射臂与巴伦印刷在基板的正面，另一片辐射臂和馈电线印刷在基板的反面，正反两面的辐射臂通过位于巴伦和辐射臂相接处的过孔相互短路。

10、所述高低频天线所用的第一二三四基板均为介电常数为4.4，损耗角正切值为0.002的fr4介质基板，其中第一二基板厚度为1.524mm，第三四基板厚度为1mm。

11、所述第一馈线和第二馈线均为γ形结构，所述第一馈线和第二馈线通过正交分布相配合形成馈电单元，同理于第三馈线和第四馈线。

12、本发明具有以下的特点和有益效果：

13、采用基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，第一、不同与共用同一反射面，以低频天线为中心，高频基站天线在低频天线四周或者在低频天线内的结构模式，高低频天线分别拥有独立的反射面，使得其在组成阵列时的条件变的更加自由，天线的馈电也更加方便，能更好的应用于实际；

14、第二、解决了双频天线最主要的问题，不同频段之间的相互耦合。而且不同于直接在天线结构上添加去耦结构，使用该堆叠结构系统更能使天线结构的设计更加自由针对天线本身的性能，而不是为了去耦。在以高低频天线的实用案例可以看来，其高低频天线的反射系数和辐射性能基本没有受到影响，主极化的重合率很高，同时交叉极化也很低；

15、第三、本发明结构简单，仅有一层贴片结构，最小线宽为0.2mm，可采用印刷电路工艺制作，成本低，组装容易，使用方便，可以更好地应用于无线通信、基站系统等通信系统。

技术特征：

1.一种基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，包括金属底板(7)、超表面底板(6)、高频基站天线(1)和低频基站天线(5)，四个所述高频基站天线(1)呈中心对称结构安装在超表面底板(6)上表面，所述低频基站天线(5)安装金属底板(7)的上表面，所述超表面底板(6)的下表面设置在低频基站天线(5)的顶部，所述高频基站天线(1)包括正交相接第一pcb板(9)和第二pcb板(8)，所述低频基站天线(5)包括正交相接的第三pcb板(11)和第四pcb板(10)。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第一pcb板(9)包括第一介质基板(14)和第一馈线(17)，所述第一馈线(17)贴附在第一介质基板(14)的一侧；所述第二pcb板(8)包括第二介质基板(18)和第二馈线(19)，所述第二馈线(19)贴附在第二介质基板(18)的一侧；所述第一pcb板(9)和第二pcb板(8)上均贴附有结构相同的第一辐射天线(16)。

3.根据权利要求1所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第三pcb板(11)包括第三介质基板(22)和第三馈线(24)，所述第三馈线(24)贴附在第三介质基板(22)一侧；所述第四pcb板(10)包括第四介质基板(26)和第四馈线(27)，所述第四馈线(27)贴附在第四介质基板(26)一侧；第三pcb板(11)和第四pcb板(10)上均贴附有结构相同的第二辐射天线(23)。

4.根据权利要求3所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述超表面底板(3)由7*7个正方形结构的ffs单元(12)构成，其中四个所述ffs单元(12)的上表面设置有叉形金属贴片(13)，四个所述高频基站天线(1)底部的正交连接部通过叉形金属贴片(13)粘贴在相对应的ffs单元(12)上。

5.根据权利要求4所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第一介质基板(14)和第二介质基板(28)为矩形结构且规格相同，所述第一介质基板(14)上开设有第一上连接槽(15)，所述第一上连接槽(15)由第一介质基板(14)的上边缘向下开设至第一馈线(17)的上方，所述第二介质基板(18)上开设有第一下连接槽(20)，所述第一下连接槽(20)由第二介质基板(18)的下边缘向上开设至第二馈线(19)的下方，所述第一介质基板(14)和第二介质基板(18)通过相配合的第一上连接槽(15)和第一下连接槽(20)进行正交连接；所述第三介质基板(22)和第四介质基板(26)为t形结构且规格相同，同理所述第三介质基板(22)和第四介质基板(26)通过相配合的第二上连接槽(21)和第二下连接槽(25)进行正交连接。

6.根据权利要求3所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第一辐射天线(16)包括前辐射体和后辐射体，所述第一pcb板(9)和第二pcb板(8)的前后两侧分别贴附有前辐射体和后辐射体；所述前辐射体和后辐射体均有由左辐射贴片和右辐射贴片组成，所述右辐射体和左辐射体之间设有间隙，所述前辐射体和后辐射体通过金属化过孔短路相连；同理于所述的第二辐射天线(23)。

7.根据权利要求6所述基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，组成所述前辐射体的左辐射贴片和右辐射贴片均有辐射臂和巴伦组成，且呈倒l形结构，组成所述后辐射体的左辐射贴片和右辐射贴片呈倒矩形结构。

8.根据权利要求2所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第一馈线(17)和第二馈线(19)上均设有2个耦合矩形体。

9.根据权利要求2所述的基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，其特征在于，所述第一馈线(17)和第二馈线(19)均为γ形结构，所述第一馈线(17)和第二馈线(19)通过正交分布相配合构成馈电单元，所述第三馈线(24)和第四馈线(27)通过正交分布相配合构成馈电单元。

技术总结
本发明公开了一种基于超表面的双频双极化基站天线堆叠结构系统，包括金属底板、超表面底板、高频基站天线和低频基站天线，四个高频基站天线呈中心对称结构安装在超表面底板上表面，低频基站天线安装金属底板的上表面，所述超表面底板的下表面设置在低频基站天线的顶部，所述高频基站天线包括正交相接第一PCB板(9)和第二PCB板，所述低频基站天线包括正交相接的第三PCB板(11)和第四PCB板，本实例使用的天线基于谐振巴伦结构和阶梯阻抗结构设计，不仅具有良好的带外抑制性能，较宽的工作频带，并且结构简单，可采用印刷电路工艺制作，进而方便大规模量产，有效降低生产成本，能解决高低频段之间的严重耦合，使天线的设计以及阵列的摆布更加自由化。

技术研发人员：代喜望,吴昊天,阮韩鹏,赵军事,金华燕,罗国清
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15