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CN111029756B - 一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线 - Google Patents

一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，包括反射地板、低通滤波贴片天线单元及高通滤波偶极子天线单元，低通滤波贴片天线单元包括第一层馈电贴片及第二层寄生贴片，第二层寄生贴片位于第一层馈电贴片的上方，第一层馈电贴片设置在反射地板的上方，第一层馈电贴片和第二层寄生贴片中间都开有方形缝隙；高通滤波偶极子天线单元嵌套在低通滤波贴片天线中间，两者的中心重合；高通滤波偶极子天线单元包括两对振子臂和一对巴伦，两对阵子臂位于所述第二层寄生贴片天线上方，巴伦垂直插入两层贴片天线中间的缝隙，并连接到反射地板上。本发明克服了双频段天线嵌套在一起耦合强的问题，实现了双频段天线的小型化和高性能。

Description

一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线
技术领域
本发明涉及移动通信中天线领域，具体涉及一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线。
背景技术
在5G通信研究中，大规模MIMO天线技术是用来提升信道容量的关键技术手段。大规模MIMO天线中，天线阵子之间的间距必须足够近以及阵子单元的波束宽度足够宽才能实现更大角度的波束扫描范围，而阵子间距较近又会导致隔离度差的问题，所以天线单元的小型化也很有必要。在大规模MIMO应用中，由于同频段天线阵子之间的间距很小，很难有额外的空间再嵌入另一个频段的天线阵列，即使做了小型化处理之后，将两个频段的天线嵌入在一起，那么这两个频段天线之间的耦合度将会很大，影响两个频段天线的辐射方向图，导致通信质量下降。如果通过每个阵子下方级联滤波器提升隔离度，在大规模MIMO天线阵列的场景下，设计安装成本将显著提升。另一方面，在高频段的应用场景下，滤波器、微带线等电路的损耗更大，对天线的增益影响更大。
近年来，利用滤波天线单元去耦合技术设计频率间隔较小的双频天线受到了关注。具体文献如《A Compact Dual-band Dual-polarized Antenna with FilteringStructures for Sub-6GHz Base Station Applications》，该文献利用滤波天线去耦的原理设计了一款应用在5G频段的双频双极化天线(2.5-2.7GHz&3.3-3.6GHz)，但是两个频段工作的极化状态却不一样，在2.5-2.7GHz工作在0°和90°极化状态，而在3.3-3.6GHz却工作在±45°极化状态，而0°和90°极化状态在实际的基站应用中并不常用，并且这个天线的低频段阵子由碗装阵子组成，口径较大，馈电网络复杂，在大规模MIMO中应用的话成本也会较大。
针对现有技术存在的问题，研究一种双频基站天线间耦合小或占用面积小的天线具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，该天线基于滤波天线去耦原理，无需额外滤波电路、口径更小、隔离度更高，可应用于5G通信双频双极化天线单元。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，包括反射地板、低通滤波贴片天线单元及高通滤波偶极子天线单元，所述低通滤波贴片天线单元包括第一层馈电贴片及第二层寄生贴片，所述第二层寄生贴片位于第一层馈电贴片的上方，所述第一层馈电贴片设置在反射地板的上方，所述第一层馈电贴片和第二层寄生贴片中间都开有方形缝隙；所述高通滤波偶极子天线单元嵌套在所述低通滤波贴片天线中间，两者的中心重合；所述高通滤波偶极子天线单元包括两对振子臂和一对巴伦，所述两对阵子臂位于所述第二层寄生贴片天线上方，所述巴伦垂直插入两层贴片天线中间的缝隙，并连接到反射地板上。本发明克服了双频段天线嵌套在一起耦合强的问题，实现了双频段天线的小型化和高性能。
优选的，所述低通滤波贴片天线单元及高通滤波偶极子天线单元的中心与反射地板中心重合。
优选的，所述第一层馈电贴片及第二层寄生贴片均为方形，两层贴片中间均开有方形缝隙，所述高通滤波偶极子天线单元的垂直巴伦穿过所述的方形缝隙连接在反射地板上。实现了双频天线单元的低剖面和小型化。
优选的，所述低通滤波贴片天线单元通过控制第二层寄生贴片的大小来调节高频段的频率选择性。
优选的，所述低通滤波贴片天线单元通过改变第一层馈电贴片与反射地板之间的高度来改善带外抑制性能。
优选的，所述高通滤波偶极子天线单元的一对巴伦正交放置，所述的巴伦结构的馈电网络在低频段具有滤波特性。
优选的，所述高通滤波偶极子天线单元具体是在巴伦馈电网络线上加载一段四分之一波长的枝节来实现滤波性能，并通过在振子臂下方寄生一个环形微带线来改善带外抑制效果。
优选的，所述低通滤波贴片天线工作在低频段，所述高通滤波偶极子天线工作在高频段，两个频段间隔1.2-1.8倍。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为双频基站天线的基本单元，可实现在带内高效辐射，带外有效抑制，增益的通带边沿滚降很快，因而利用这一滤波特性就可以减小工作频段相近的多个基本单元间的相互耦合；同时，两个频段天线单元采用贴片与偶极子两种不同的天线阵子，这样方便偶极子阵子内嵌于贴片阵子中的方式排布，节省了占用的空间，同时保证了两个频段稳定的辐射方向图。
附图说明
图1是本发明的正面结构图；
图2是本发明的立体分解结构图；
图3是本发明的所述滤波偶极子天线单元的振子臂及寄生金属环结构图；
图4是本发明的所述滤波偶极子天线单元的巴伦以及馈电网络结构图；
图5是本发明的所述滤波贴片天线单元的第一层金属片结构图；
图6是本发明的所述滤波贴片天线单元的第二层金属片结构图；
图7是本发明的所述反射地板以及所述滤波贴片天线的馈电网络结构图；
图8是本发明工作在2500-2700MHz频段和3300-3800MHz频段的滤波天线单元的反射系数&极化隔离度-频率的仿真结果图；
图9是本发明工作2500-2700MHz和3300-3800MHz频段的滤波天线的增益结果图；
图10是本发明工作2500-2700MHz和3300-3800MHz频段的滤波天线异频隔离度-频率仿真结果图；
图11是本发明工作在2600MHz方向图的仿真结果图；
图12是本发明工作在3550MHz方向图的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-7所示，本实施例一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，包括工作在低频段的滤波贴片天线单元1和工作在高频段的滤波偶极子天线单元2，两者共用一块反射板3。两个单元采用不同的阵子结构，一个采用贴片形式，一个采用偶极子形式，这样可以在工作频段靠的比较近的情况下，充分利用空间，将偶极子嵌套于贴片中间，使两个频段的天线集成设计在一个相位中心点，两个工作频段靠的很近，工作在低频段的贴片天线能够实现低通滤波响应效果，滤除工作在高频段的阵子天线的信号，所述的工作在高频段的滤波偶极子天线能够实现高通滤波响应效果，滤除工作在低频段的贴片天线的信号，进而降低两个工作频段之间的影响，其中，所述的双频双极化滤波天线阵子没有加入额外的滤波电路，使馈电网络更加简单，大大降低插入损耗，进而提高天线的整体效率。
所述双极化滤波天线的高频段与低频段间隔比较近，大概在1.2-1.8倍左右。
所述滤波贴片天线单元包括第一层金属片4及第二层金属片5，所述第一及第二层金属片相隔一定距离，其距离多少按照实际情况确定。所述第一层金属片设置在反射地板3的上方，且间隔一定距离，具体距离按照实际情况确定，所述第二层金属片位于第一层金属片的上方。所述第一层金属片和第二层金属片皆为方环，具体尺寸视情况而定。
所述滤波偶极子天线单元包含两对振子臂6，一对巴伦7和一个寄生金属方环8。所述的两对振子臂6印刷在双面PCB电路板9上表面，其中一对振子臂构成+45°线极化，另一对振子臂构成-45°线极化。所述的两对振子臂通过巴伦7与地板3连接，并通过所述巴伦7进行馈电，所述巴伦上设置有馈电网络10，该馈电网络10是有滤波特性的。所述寄生金属方环8印刷在双面PCB电路板9下表面。
所述滤波偶极子天线单元2嵌套于所述滤波贴片天线单元1中部，所述滤波偶极子天线单元2、所述滤波贴片天线单元1及反射板3的相位中心点重合，较之于传统的频率靠近的双频天线，这种双频天线的摆放方式会使天线的辐射方向图更加稳定，对称，同时也会进一步提高空间利用率。
本实施例中滤波贴片天线单元的滤波特性是通过调节第一层金属片4到反射板3的距离和改变第二层金属片5的大小来实现的。所述的第二层金属片的大小可以控制零点的大小，通过调节第一层金属片4到反射板3的距离可以改善3300-3800MHz的带外抑制性能。所述的滤波方法具有一定的普适性。
本实施例中滤波偶极子天线单元中具有滤波特性的馈电网络，是通过在馈电网络上加载一个四分之一波长的枝节实现的以及在振子臂下方寄生一个金属方环，所述的四分之一波长的枝节的长度控制零点的位置，所述的金属方环主要用为改善2500-2700MHz处的带外抑制性能。所述的馈电网络所采用的滤波技术及寄生金属方环也广泛适用于普通的天线单元。
在该实施例中，两个子阵列的工作频段2500-2700MHz频段和3300-3800MHz频段的频率间隔比较小，低频单元在2500-2700MHz频段内高效辐射，在带外即3300-3800MHz频段抑制辐射；同时，高频单元在其工作频段3300-3800MHz内高效辐射，在带外即2500-2700MHz频段抑制辐射。因此，两种单元的辐射互不干扰，从而减小了相互干扰，达到较高的端口隔离度。
如图8所示，是本发明一个实施例提供的工作在2500-2700MHz频段和3300-3800MHz频段的无外加损耗电路的滤波天线单元的反射系数S11&极化隔离度-频率的仿真结果图。可以看出两个频段的回波均低于-14dB。图9中，在增益曲线中，两个频段的增益均高于8.2dBi，通带边沿陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且带内增益平坦。图10中，两个频段之间的隔离度也高于24dB，这是由于两个天线均有一定的滤波效果，可以在另一频段的边频位置产生一个零点。
图11和图12分别给出了该双频双极化天线在2.6GHz和3.55GHz处辐射方向图，由结果图可见，该天线阵列具有稳定的辐射方向图，并且不受到滤波特性插入的影响。
本发明通过运用无外加损耗电路的滤波天线单元作为紧凑型高隔离双频双极化滤波天线的基本组成单元，可利用其滤波特性减小两个频段天线之间的相互耦合，提升两个工作频段之间隔离度，消除由滤波器引入的插入损耗，进而提高天线的增益，并且在与单个频段单个阵子相同的体积下实现了两个工作频段内稳定的辐射方向图性能。采用这种滤波偶极子天线单元嵌套于滤波贴片天线单元的排布方式可以使得占用的空间大大减小，克服了传统非滤波天线内嵌只能在倍频的情况下实现的缺陷，实现了在频率十分接近的情况下的小型化双频双极化天线单元。
本实施例所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，具有如下优点：
(1)集成滤波特性和辐射特性，天线基本单元自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加双工器或去耦合网络电路，克服了采用外加双工器或去耦合网络容易造成损耗大和体积大的缺点；
(2)该天线阵列适用于频率间隔很近频段，在无需去耦合电路的情况下，实现了端口的高隔离度，抑制临频干扰，提高了基站收发信机的性能；
(3)本设计采用两种不同天线振子，将偶极子天线单元内嵌于贴片天线单元，减小了尺寸和占用空间，并且贴片天线单元及偶极子天线单元的相位中心一致，每个频段的方向图都很稳定，可以应用于MIMO天线技术。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，包括反射地板、低通滤波贴片天线单元及高通滤波偶极子天线单元，所述低通滤波贴片天线单元包括第一层馈电贴片及第二层寄生贴片，所述第二层寄生贴片位于第一层馈电贴片的上方，所述第一层馈电贴片设置在反射地板的上方，所述第一层馈电贴片和第二层寄生贴片中间都开有方形缝隙；所述高通滤波偶极子天线单元嵌套在所述低通滤波贴片天线中间，两者的中心重合；所述高通滤波偶极子天线单元包括两对振子臂和一对巴伦，所述两对振子臂位于所述第二层寄生贴片天线上方，所述巴伦垂直插入两层贴片天线中间的缝隙，并连接到反射地板上；
所述低通滤波贴片天线单元通过控制第二层寄生贴片的大小来调节高频段的频率选择性；
所述低通滤波贴片天线单元通过改变第一层馈电贴片与反射地板之间的高度来改善带外抑制性能。
2.根据权利要求1所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，所述低通滤波贴片天线单元及高通滤波偶极子天线单元的中心与反射地板中心重合。
3.根据权利要求1所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，所述第一层馈电贴片及第二层寄生贴片均为方形，两层贴片中间均开有方形缝隙，所述高通滤波偶极子天线单元的垂直巴伦穿过所述的方形缝隙连接在反射地板上。
4.根据权利要求1所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，所述高通滤波偶极子天线单元的一对巴伦正交放置，所述的巴伦结构的馈电网络在低频段具有滤波特性。
5.根据权利要求4所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，所述高通滤波偶极子天线单元具体是在巴伦馈电网络线上加载一段四分之一波长的枝节来实现滤波性能，并通过在振子臂下方寄生一个环形微带线来改善带外抑制效果。
6.根据权利要求1所述的紧凑型高隔离双频双极化滤波天线，其特征在于，所述低通滤波贴片天线工作在低频段，所述高通滤波偶极子天线单元工作在高频段，两个频段间隔1.2-1.8倍。
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