一种小型化宽带折合振子基站天线

1.本发明涉及基站天线技术领域，更具体的是涉及一种小型化宽带折合振子基站天线技术领域。


背景技术：

2.基站天线中采用的天线形式大多是偶极子天线。偶极子天线由一对对称放置的导体(也称为“偶极子臂”)构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线(同轴馈线)相连。偶极子天线的臂的直径远小于工作波长及其臂长，偶极子天线的臂可以是一对对称的细金属管，或者是一对对称的微带线等。常见偶极子天线的臂长为半个波长(0.5λ，λ为偶极子工作频段的中心频率对应的自由空间波长)，它可以谐振在奇模模式，即谐振在0.5λ、1.5λ、2.5λ等对应的频点。在偶极子天线的众多工作模式中，0.5λ和1λ模式最为常用，分别称之为半波模式和全波模式。
3.由于第二代至第五代通信系统将长期共存，这就要求基站天线的尺寸尤其是剖面高度应尽可能小，研究人员对偶极子天线实现低剖面的方法开展了一系列的研究。天线实现低剖面的方法大致有两种，一种是采用人工磁导体替代金属反射板放置在偶极子下方；另一种是在ieee transactions on antennas and propagation上发表的“a new method of antenna height reduction based on half-sized full-wave dipole,doi:10.1109/tap.2023.3274291”一文中提出的方法，其基本思想是用输入阻抗大的全波偶极子(即臂长为1λ的偶极子天线)代替半波偶极子(即臂长为0.5λ的偶极子天线)，这是因为随着偶极子天线与反射板之间的距离减小，天线输入阻抗急剧降低，为了使天线获得良好的阻抗匹配，可以利用具有高输入阻抗的全波偶极子替代原有的半波偶极子，从而达到降低天线剖面的目的，文中给出了基于该原理的一种宽带低剖面天线单元的结构，该天线单元的尺寸为60mm
×
60mm
×
8mm，工作频段为2～2.7ghz，若用电长度表示该天线尺寸，则为0.47λ
×
0.47λ
×
0.08λ。该天线的高度得到了显著降低，但是其横截面积仍然较大。
4.另一方面，随着移动通信用户数量的迅速增长，对天线设备的带宽也提出了更高要求。展宽天线带宽的一个主要途径是加宽振子臂，加宽振子臂虽然可以提高带宽，但同时也会增加天线的尺寸和材料用量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决基站天线的剖面高度和横截面较大技术问题，本发明提供一种小型化宽带折合振子基站天线。本方案在降低天线剖面高度和横截面积的同时，利用模式融合和微带线耦合，共同提高天线带宽。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.本发明提供一种小型化宽带折合振子基站天线，包括金属反射板、介质板、支撑柱组件和馈电点，介质板通过支撑柱组件固定在金属反射板上，介质板表面印刷有整体呈矩形环的微带线组件，馈电点作为仿真软件的模拟端口，设置在微带线组件上。
8.在一个实施方式中，微带线组件包括印制在介质板上表面的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线以及第六微带线；
9.第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线以及第五微带线依次首尾相连拼接成矩形环，矩形环的第一微带线与第五微带线之间的连接处设置有开口，馈电点位于开口处且分别与第一微带线与第五微带线电连接；
10.第六微带线位于第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线与馈电点围成的矩形空间内。
11.在一个实施方式中，馈电点包括同轴馈线，同轴馈线包括内芯和外芯，内芯与第一微带线相连，外芯与第五微带线相连。
12.在一个实施方式中，馈电点包括同轴馈线，同轴馈线包括内芯和外芯，外芯与第一微带线相连，内芯与第五微带线相连。
13.在一个实施方式中，第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线以及第五微带线的长度分别为30mm、18mm、53mm、18mm、20mm；第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线的宽度均为5mm。
14.在一个实施方式中，第六微带线的长度为40mm，宽度为5.5mm，第六微带线与第一微带线之间的缝隙宽度是1mm，第六微带线与第二微带线之间的缝隙宽度是1.5mm，第六微带线与第三微带线23之间的缝隙宽度是1.5mm。
15.具体来说，第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线的长度和宽度，以及第六微带线的长度、宽度与位置，对天线的反射系数(|s
11
|)、谐振点均有影响，研究人员可根据指标要求对上述结构及尺寸进行调整。
16.在一个实施方式中，金属反射板是用来反射偶极子天线后向辐射的部件，金属反射板的长度和宽度均为1λ～1.5λ。
17.在一个实施方式中，介质板采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm、长度为100mm、宽度为80mm的fr4板材。
18.在一个实施方式中，支撑柱组件包括设置在金属反射板与介质板之间的多根支撑柱。
19.具体来说，介质板的介电常数、厚度、长度可根据实际需要进行选择，上述尺寸为优选尺寸。
20.在一个实施方式中，介质板为矩形板，支撑柱组件的支撑柱的数量为四根，且四根支撑柱对应设置在矩形板的四角处。
21.本发明的有益效果如下：
22.1、本发明在降低天线剖面高度和横截面积的同时，利用模式融合和微带线耦合，共同提高天线带宽。
23.2、本发明对放置在金属反射板上方0.25λ位置处的半波偶极子进行改进，将其末端折叠形成折合振子，以提高输入阻抗，当它与金属反射板之间的距离减小至0.087λ时，仍能正常工作，产生第一谐振点；接着，将馈电点的位置进行偏移，激发全波模式，产生第二谐振点；最后，添加耦合微带，改善第二谐振点匹配程度，并激发第三谐振点。上述三个谐振点融合在一起，覆盖1.8ghz～2.22ghz频段，本发明的总体尺寸为0.353λ
×
0.12λ
×
0.087λ，相较于现有技术，实现了小型化和宽带，具有较大的应用价值。
附图说明
24.图1是本发明一种小型化宽带折合振子基站天线的结构示意图；
25.图2是本发明技术演进示意图；
26.图3是图2中展示的天线a～天线e对应的|s
11
|曲线,其中(a)为天线a～天线c对应的|s
11
|曲线，其中(b)为天线d～天线e对应的|s
11
|曲线；
27.图4是天线e(即本发明实施例1)在1.86ghz、2.05ghz和2.18ghz对应的矢量电流分布图。
28.附图中标记：1-金属反射板，2-介质板，21-第一微带线，22-第二微带线，23-第三微带线，24-第四微带线，25-第五微带线，26-第六微带线，3-支撑柱组件，4-馈电点。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.实施例1
34.如图1所示，本实施例提供一种小型化宽带折合振子基站天线，包括金属反射板1、介质板2、支撑柱组件3和馈电点4，介质板2通过支撑柱组件3固定在金属反射板1上，介质板2表面印刷有整体呈矩形环的微带线组件，馈电点4作为仿真软件的模拟端口，设置在微带线组件上。
35.在一个实施方式中，微带线组件包括印制在介质板2上表面的第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25以及第六微带线26；
36.第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24以及第五微带线25依次首尾相连拼接成矩形环，矩形环的第一微带线21与第五微带线25之间的连接处设置有开口，馈电点4位于开口处且分别与第一微带线21与第五微带线25电连接；
37.第六微带线26位于第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25与馈电点4围成的矩形空间内。
38.馈电点4包括同轴馈线，同轴馈线包括内芯和外芯，内芯与第一微带线21相连，外
芯与第五微带线25相连。或者馈电点4包括同轴馈线，同轴馈线包括内芯和外芯，外芯与第一微带线21相连，内芯与第五微带线25相连。
39.第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24以及第五微带线25的长度分别为30mm、18mm、53mm、18mm、20mm；第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25的宽度均为5mm。
40.第六微带线26的长度为40mm，宽度为5.5mm，第六微带线26与第一微带线21之间的缝隙宽度是1mm，第六微带线26与第二微带线22之间的缝隙宽度是1.5mm，第六微带线26与第三微带线23之间的缝隙宽度是1.5mm。
41.具体来说，第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23、第四微带线24、第五微带线25的长度和宽度，以及第六微带线26的长度、宽度与位置，对天线的反射系数(|s
11
|)、谐振点均有影响，研究人员可根据指标要求对上述结构及尺寸进行调整。
42.金属反射板1是用来反射偶极子天线后向辐射的部件，金属反射板1的长度和宽度均为1λ～1.5λ。
43.介质板2采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm、长度为100mm、宽度为80mm的fr4板材。
44.支撑柱组件3包括设置在金属反射板1与介质板2之间的4根支撑柱。
45.介质板2为矩形板，支撑柱组件3的支撑柱的数量为四根，且四根支撑柱对应设置在矩形板的四角处。
46.具体来说，介质板2的介电常数、厚度、长度可根据实际需要进行选择，上述尺寸为优选尺寸。
47.本实施例中的折合振子天线沿x轴方向的尺寸为53mm，沿y轴方向的尺寸为18mm，沿z轴方向的尺寸(即支撑柱的高度)为13mm，若采用工作频段的中心频率对应的自由空间波长λ表示，则分别为0.353λ、0.12λ、0.087λ。
48.为了说明本实施例方案的工作原理，图2给出了本方案实施例的技术演进示意图，图3给出了图2中天线a～天线e对应的|s
11
|曲线。
49.天线a是置于金属反射板1上方0.25λ的半波偶极子，在谐振点1.86ghz处匹配良好，|s
11
|低至-27.5db。
50.天线a中，当半波偶极子与金属反射板1的距离缩小到0.087λ时,变成天线b，其阻抗匹配程度变差，在1.97ghz处|s
11
|为-5.8db，无法满足|s
11
|≤-10db的要求。根据“a new method of antenna height reduction based on half-sized full-wave dipole,doi:10.1109/tap.2023.3274291”一文中提出的方法，如果将半波偶极子替换为其它具有高输入阻抗的偶极子，便可以实现低剖面。折合振子，便是一种具有高输入阻抗的偶极子，它由两个非常靠近且平行的半波偶极子在末端连接后构成，仅在其中一根偶极子的中部馈电。它可看成是长度为0.5λ的短路双线传输线在纵长方向折合而成，其输入阻抗大约为单根半波偶极子的四倍。
51.天线c利用折合振子替代半波偶极子，放置在金属反射板1的正上方，折合振子与金属反射板1之间的距离为0.087λ，此时在中心频率为1.83ghz处，可以获得良好的阻抗匹配。不过，天线c的剖面高度虽然降低了，但是其带宽较小。
52.为了扩展天线c的带宽，将中心位置处的馈电点4向一侧偏移5mm，形成了天线d，馈
电点4的偏移可以激发折合振子的全波模式，在2.2ghz产生一个额外的谐振点。不过天线d在2.2ghz处的|s
11
|高达-8.3db，匹配程度并不好。
53.为了提高天线d的阻抗匹配程度，并进一步扩展天线带宽，在天线d偏馈折合振子围成的矩形区域内，又设置了一段微带线(即第六微带线26)，形成了天线e。由于微带线的耦合作用，使得天线d原有谐振点2.2ghz移动至2.05ghz，并产生一个新的谐振点2.18ghz，上述三个谐振点对应的|s
11
|均小于等于-10db，最终天线e可以覆盖1.8ghz～2.22ghz频段。
54.图4给出了本实施例在1.86ghz、2.05ghz和2.18ghz对应的矢量电流分布图，该矢量分布图采用灰度表示电流值大小，灰度越小，电流越大，该矢量分布图中箭头的指向代表天线上的电流方向。从图中可以看出：当天线谐振在1.86ghz时，电流主要集中在第一微带线21和第五微带线25上，且第一微带线21和第五微带线25电流方向一致，在馈电点4附近，有一个电流最大值，符合半波模式的特征；当天线谐振在2.05ghz时，第三微带线23的左侧、第二微带线22与第一微带线21的左侧部分，形成了逆时针方向的电流回路，在第二微带线22中间位置，形成了一个电流最大值，此外，在第三微带线23的右侧、第四微带线24、第五微带线25与第一微带线21的右侧部分，形成了顺时针方向的电流回路，在第四微带线24中间位置，也形成了一个电流最大值，符合全波模式的特征；当天线谐振在2.18ghz时，电流主要集中在第六微带线26上，这是因为第六微带线26靠近馈电点4，馈电点4的能量可以通过馈电点4与第六微带线26之间的缝隙耦合到第六微带线26上。
55.上述实施例仅有一个极化方向，研究人员可以在垂直于该实施例的位置设置另一个相同的实施例，形成双极化辐射。
56.本实施例的方案对放置在金属反射板1上方0.25λ位置处的半波偶极子进行改进，将其末端折叠形成折合振子，以提高输入阻抗，当它与金属反射板1之间的距离减小至0.087λ时，仍能正常工作，产生第一谐振点；接着，将馈电点4的位置进行偏移，激发全波模式，产生第二谐振点；最后，添加耦合微带，改善第二谐振点匹配程度，并激发第三谐振点。上述三个谐振点融合在一起，覆盖1.8ghz～2.22ghz频段，该实施例总体尺寸为0.353λ
×
0.12λ
×
0.087λ，相较于现有技术，实现了小型化和宽带，具有较大的应用价值。

技术特征：
1.一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，包括金属反射板(1)、介质板(2)、支撑柱组件(3)和馈电点(4)，所述介质板(2)通过所述支撑柱组件(3)固定在所述金属反射板(1)上，所述介质板(2)表面印刷有整体呈矩形环的微带线组件，所述馈电点(4)作为仿真软件的模拟端口，设置在所述微带线组件上。2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述微带线组件包括印制在所述介质板(2)上表面的第一微带线(21)、第二微带线(22)、第三微带线(23)、第四微带线(24)、第五微带线(25)以及第六微带线(26)；所述第一微带线(21)、所述第二微带线(22)、所述第三微带线(23)、所述第四微带线(24)以及所述第五微带线(25)依次首尾相连拼接成矩形环，所述矩形环的所述第一微带线(21)与所述第五微带线(25)之间的连接处设置有开口，所述馈电点(4)位于所述开口处且分别与所述第一微带线(21)与所述第五微带线(25)电连接；所述第六微带线(26)位于所述第一微带线(21)、所述第二微带线(22)、所述第三微带线(23)、所述第四微带线(24)、所述第五微带线(25)与馈电点(4)围成的矩形空间内。3.根据权利要求2所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述馈电点(4)包括同轴馈线，所述同轴馈线包括内芯和外芯，所述内芯与所述第一微带线(21)相连，所述外芯与所述第五微带线(25)相连。4.根据权利要求2所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述馈电点(4)包括同轴馈线，所述同轴馈线包括内芯和外芯，所述外芯与所述第一微带线(21)相连，所述内芯与所述第五微带线(25)相连。5.根据权利要求3或4所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述第一微带线(21)、所述第二微带线(22)、所述第三微带线(23)、所述第四微带线(24)以及所述第五微带线(25)的长度分别为30mm、18mm、53mm、18mm、20mm；所述第一微带线(21)、所述第二微带线(22)、所述第三微带线(23)、所述第四微带线(24)、所述第五微带线(25)的宽度均为5mm。6.根据权利要求5所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述第六微带线(26)的长度为40mm，宽度为5.5mm，所述第六微带线(26)与所述第一微带线(21)之间的缝隙宽度是1mm，所述第六微带线(26)与所述第二微带线(22)之间的缝隙宽度是1.5mm，所述第六微带线(26)与所述第三微带线(23)23之间的缝隙宽度是1.5mm。7.根据权利要求1所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述金属反射板(1)是用来反射偶极子天线后向辐射的部件，所述金属反射板(1)的长度和宽度均为1λ～1.5λ。8.根据权利要求1所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述介质板(2)采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6mm、长度为100mm、宽度为80mm的fr4板材。9.根据权利要求1所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述支撑柱组件(3)包括设置在所述金属反射板(1)与所述介质板(2)之间的多根支撑柱。10.根据权利要求8所述的一种小型化宽带折合振子基站天线，其特征在于，所述介质板(2)为矩形板，所述支撑柱组件(3)的支撑柱的数量为四根，且四根所述支撑柱对应设置在所述矩形板的四角处。

技术总结
本发明公开了一种小型化宽带折合振子基站天线，涉及基站天线技术领域，包括金属反射板、介质板、支撑柱组件和馈电点，介质板通过支撑柱组件固定在金属反射板上，介质板表面印刷有整体呈矩形环的微带线组件，馈电点作为仿真软件的模拟端口，设置在微带线组件上。本发明在降低天线剖面高度和横截面积的同时，利用模式融合和微带线耦合，共同提高天线带宽。共同提高天线带宽。共同提高天线带宽。


技术研发人员：黄河 李博 李小平 刘彦明
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/9/7