CN115207613A - 一种宽带双极化天线单元及天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带双极化天线单元及天线阵列，宽带双极化天线单元，包括第一介质基板、馈电巴伦以及第四介质基板，在第一介质基板上配置有天线辐射体，天线辐射体包括半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，通过混合半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，使得天线的工作带宽达到65％，通过T形枝节的加载，实现了天线单元的小型化，并且天线结构简单，便于大规模生产，此宽带双极化天线单元工作频段内隔离度较高，并且在整个工作频段内保持了稳定的辐射方向图。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种宽带双极化天线单元及天线阵列。
背景技术
近年来，随着全球移动通信数据的增长，人们对通信系统带宽的要求逐渐增高。目前的天线大多工作在1710MHz-2690MHz，能覆盖2G、3G、4G通信频段。因此，工作在这些频段的天线已经成为业内的主流产品。最近，3GPP(3rd Generation Partnership Project)机构定义了5GNR频段。其分为工作在sub-6G的FR1频段和工作在毫米波的FR2频段两部分。FR1频段是目前5G的核心频段，而其中的n50、n51、n70、n74频段分别工作在1432MHz-1517MHz、1427MHz-1432MHz、1695MHz-1710MHz、1427MHz-1470MHz。
然而，工作频段的不断拓宽也给基站天线的设计带来了许多挑战，如怎样进一步提高工作带宽、怎样在宽频带内保持稳定的增益和良好的方向图以及怎样实现小型化等。
为满足上述5G频段的覆盖要求和同时兼顾2G、3G、4G的通信频段，亟需设计一种能工作在1427MHz-2690MHz的宽带双极化基站天线。
考虑到满足上述需求的宽带双极化基站天线的重要性，许多研究人员基于多种方案对其进行了研究。文献《Wu,R.Li,Y.Qin,and Y.Cui,“Bandwidth-enhanced broadbanddual-polarized antennas for 2G/3G/4G and IMT services,”IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.17,no.9,pp.1702–1706,Sep.2018.》中提出了两款可覆盖1.4-2.75GHz的天线单元。其中第一款天线通过在双极化交叉偶极子的基础上通过引入寄生条带、寄生环、寄生盘来增加带宽。但是这种方案大大增加了天线结构的复杂程度，并且天线面积大、剖面较高。该文献所提出的第二款天线通过偶极子产生的两个谐振点和寄生盘产生的额外谐振点来覆盖1.4-2.7GHz。但是这种方案同样结构复杂。文献《S.Fu,Z.Cao,P.Chen,D.Gao,and X.Quan,“A novel bandwidth-enhanced dual-polarized antenna with symmetrical closed-resonant-slot pairs,”IEEE Access,vol.7,pp.87943–87950,2019.》中提出的天线在覆盖1.4-2.82GHz的同时结构简单，但是天线面积较大，不具备小型化的优势。文献《L.H.Ye,X.Y.Zhang,Y.Gao,and Q.Xue,“Wideband dual-polarized four-folded-dipole antenna array with stable radiation pattern for base-stationapplications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.68,no.6,pp.4428–4436,Jun.2020.》中提出的天线通过引入寄生贴片和在偶极子上引入耦合的方法达成宽带效果，但是同样的结构复杂剖面高度高，且不具备小型化优势。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种宽带双极化天线单元。
根据本发发明第二方面实施例提供一种包含第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元的天线阵列。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种宽带双极化天线单元，包括第一介质基板、馈电巴伦以及第四介质基板，所述第一介质基板上配置有天线辐射体，所述天线辐射体包括半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，所述半波长偶极子包括四个呈十字形分布的振子部分，所述振子部分的末端配置为缩径部，所述缩径部远离所述振子部分的末端方向逐渐缩小，所述全波长缝隙包括位于所述振子部分中部且沿所述振子部分长度方向设置的缝隙部分，所述缝隙部分的端部设置为箭头状，相邻所述振子部分的角平分线上配置有T形枝节，所述T形枝节用于产生第一谐振点，馈电巴伦包括第二介质基板和第三介质基板，所述第二介质基板和所述第三介质基板相互正交设置，所述第二介质基板和所述第三介质基板顶端与第一介质基板抵接并与所述天线辐射体连接，第四介质基板设置在所述第二介质基板和所述第三介质基板的底端，所述第四介质基板上端设置有第一地板，所述第一地板与第二介质基板和第三介质基板连接接地，所述第四介质基板上还设置有第一同轴线和第二同轴线，所述第一同轴线与所述第二介质基板连接，所述第二同轴线与所述第三介质基板连接。
有益效果：此宽带双极化天线单元，包括第一介质基板、馈电巴伦以及第四介质基板，在第一介质基板上配置有天线辐射体，天线辐射体包括半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，通过混合半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，使得天线的工作带宽达到65％，通过T形枝节的加载，实现了天线单元的小型化，并且天线结构简单，便于大规模生产，此宽带双极化天线单元工作频段内隔离度较高，并且在整个工作频段内保持了稳定的辐射方向图。
根据本发明第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述第二介质基板包括第一面和第二面，所述第一面印刷有第一金属地板，所述第二面印刷有第一馈电微带线，所述第一金属地板上端与所述天线辐射体的振子部分相连馈电，所述第一金属地板下端与所述第一地板连接接地，所述第一馈电微带线与所述第一同轴线的内导体连接。
根据本发明第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述第一介质基板上设置有两个沿相邻所述振子部分的角平分线设置的第一通孔，所述第一金属地板上端通过两个第一通孔与所述振子部分相连馈电。
根据本发明第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述第三介质基板包括上表面和下表面，所述上表面印刷有第二金属地板，所述下表面印刷有第二馈电微带线，所述第二金属地板上端与所述天线辐射体的振子部分相连馈电，所述第二金属地板下端与所述第一地板连接接地，所述第二馈电微带线与所述第二同轴线的内导体连接。
根据本发明第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述第一介质基板上设置有两个沿相邻所述振子部分的角平分线设置的第二通孔，所述第二金属地板上端通过两个第二通孔与所述振子部分相连馈电。
根据本发明第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述第四介质基板的下表面配置有两个接地焊盘，所述接地焊盘通过金属化过孔与所述第一地板相连，所述接地焊盘中心设有非金属化贯穿通孔，所述第一同轴线和所述第二同轴线通过所述非金属化贯穿通孔与所述第二介质基板和所述第三介质基板相连。
一种天线阵列，包括：如第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，所述宽带双极化天线单元的数量为两个以上，所述宽带双极化天线单元以阵列方式排布设置。
有益效果：此天线阵列，通过采用第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元，相对于现有的技术来说结构更加简单，体积更小并且在整个工作频段内保持了较高的隔离度和稳定的辐射模式。
根据本发明第二方面实施例所述的天线阵列，各所述宽带双极化天线单元的周侧设置有第五介质基板，所述第五介质基板形成四周封闭金属壁。
根据本发明第二方面实施例所述的天线阵列，所述第五介质基板包括主板、设置在主板底部的连接部以及设置在主板顶端中部的缺口，所述连接部与所述第四介质基板连接。
根据本发明第二方面实施例所述的天线阵列，所述宽带双极化天线单元的数量为偶数个，所述宽带双极化天线单元交错排布成多行设置，奇数行的所述宽带双极化天线单元位于偶数行的每两个所述宽带双极化天线单元之间，或者偶数行的所述宽带双极化天线单元位于奇数行的每两个所述宽带双极化天线单元之间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元分解示意图；
图2为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第一介质基板上表面的天线辐射体的俯视图；
图3为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第二介质基板上的第一馈电微带线的侧视图；
图4为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第二介质基板上的第一金属地板的侧视图；
图5为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第三介质基板上的第二馈电微带线的侧视图；
图6为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第三介质基板上的第二金属地板的侧视图；
图7为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第四介质基板上的上表面的俯视图；
图8为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第四介质基板上的下表面的俯视图；
图9为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的第五介质基板正视图；
图10为本发明实施例提供的天线阵列的侧视图；
图11为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的双端口的S参数随频率变化的示意图；
图12为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元的双端口的最大可实现增益随频率变化的示意图；
图13为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元端口1激励时在1.5GHz处的二维辐射方向图；
图14为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元端口1激励时在2GHz处的二维辐射方向图；
图15为本发明实施例提供的宽带双极化天线单元端口1激励时在2.6GHz处的二维辐射方向图；
图16为本发明实施例提供的宽带双极化天线阵列在﹢45°极化时x-z平面的二维辐射方向图。
第一介质基板100；半波长偶极子110、振子部分111、缩径部112、第一通孔113、第二通孔114、全波长缝隙120、T形枝节130；
馈电巴伦200；第二介质基板210、第一面211、第二面212、第一金属地板213、第一馈电微带线214、第三介质基板220、上表面221、下表面222、第二金属地板223、第二馈电微带线224；
第四介质基板300；第一地板310、第一同轴线320、第二同轴线330、接地焊盘340；
第五介质基板400。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种宽带双极化天线单元10，包括：第一介质基板100、馈电巴伦200以及第四介质基板300。
如图1和图2，其中，第一介质基板100上配置有天线辐射体，天线辐射体为设置在第一介质基板100上的±45°双极化天线辐射体。天线辐射体包括半波长偶极子110、全波长缝隙120以及T形枝节130。具体地，半波长偶极子110包括四个呈十字形分布的振子部分111，振子部分111的末端配置为缩径部112，缩径部112远离振子部分111的末端方向逐渐缩小。全波长缝隙120包括位于振子部分111中部且沿振子部分111长度方向设置的缝隙部分121，缝隙部分121的端部设置为箭头状，相邻振子部分111的角平分线上配置有T形枝节130，T形枝节130用于产生第一谐振点。
参照图1和图2，第一介质基板100上设置有呈十字形设置的交叉的半波长偶极子110，振子部分111的末端配置为末端收窄变尖形成一个等腰直角三角形，即为缩径部112。当然，缩径部也可以不是其他三角形或者锥形状。半波长偶极子110的中间蚀刻处一个十字形的全波长缝隙120，全波长缝隙120的末端设置为箭头形状以增长缝隙长度并且减小尺寸，使得全波长缝隙120模式工作在2.65GHz。
此宽带双极化天线单元10通过半波长偶极子110产生的偶极子模式、全波长缝隙120产生的全波长缝隙模式和T形枝节产生的T形枝节模式三种模式混合使得天线能够工作在1.41GHz-2.76GHz。
馈电巴伦200包括第二介质基板210和第三介质基板220。第二介质基板210和第三介质基板220相互正交设置，第二介质基板210和第三介质基板220顶端与第一介质基板100抵接并与天线辐射体连接。
第四介质基板300作为反射板，第四介质基板300设置在第二介质基板210和第三介质基板220的底端，第四介质基板300上端设置有第一地板310，第一地板310与第二介质基板210和第三介质基板220连接接地。第一地板310为金属板。第四介质基板300上还设置有第一同轴线320和第二同轴线330，第一同轴线320与第二介质基板210连接，第二同轴线330与第三介质基板220连接。
参照图3和图4，在其中的一些实施例中，第二介质基板210包括第一面211和第二面212，第一面211印刷有第一金属地板213，第二面212印刷有第一馈电微带线214。其中，第一金属地板213上端与天线辐射体的振子部分111相连馈电，第一金属地板213下端与第一地板310连接接地，第一馈电微带线214与第一同轴线320的内导体连接，从而实现了﹢45°的极化辐射。
具体地，第一介质基板100上设置有两个沿相邻振子部分111的角平分线设置的第一通孔113，第一金属地板213上端通过两个第一通孔113与振子部分111相连馈电。容易理解地，第一金属地板213上端设置有两个卡块，卡块能够穿过第一通孔113从而实现第一金属地板213与振子部分111相连馈电，并且还可以实现第一金属地板213的固定。
参照图5和图6，第三介质基板220包括上表面221和下表面222，上表面221印刷有第二金属地板223，下表面222印刷有第二馈电微带线224，第二金属地板223上端与天线辐射体的振子部分111相连馈电，第二金属地板223下端与第一地板310连接接地，第二馈电微带线224与第二同轴线330的内导体连接，从而实现了﹣45°的极化辐射。
具体地，第一介质基板100上设置有两个沿相邻振子部分的角平分线设置的第二通孔114，第二金属地板223上端通过两个第二通孔114与振子部分111相连馈电。进一步地，第二金属地板223上端设置有两个卡块，卡块能够穿过第二通孔114从而实现第二金属地板223与振子部分111相连馈电，并且还可以实现第二金属地板223的固定。
参照图7和图8，在其中的一些实施例中，第四介质基板300上表面印刷有第一地板310，第四介质基板300的下表面印刷有两个接地焊盘340，接地焊盘340通过八个金属化过孔与第一地板310相连从而接地，从两个接地焊盘340中心往上分别设有非金属化贯穿通孔，第一同轴线320的内导体和第二同轴线330的内导体分别通过非金属化通孔与第二介质基板210的第一馈电微带线214和第三介质基板220的第二馈电微带线224相连。两个接地焊盘340分别与第一同轴线320的外导体和第二同轴线330的外导体相连接地。
参照图9，当然，在宽带双极化天线单元10的周侧可以设置第五介质基板400，第五介质基板400上印刷有顶端缺口，第五介质基板400围合形成金属壁，通过四个相同的第五介质基板400围绕着宽带双极化天线单元10，用于拓宽宽带双极化天线单元10在低频时的波束宽度，从而增强阵列的波束扫描效果。
参照图10，一种天线阵列，包括：如第一方面实施例所述的宽带双极化天线单元10，宽带双极化天线单元10的数量为两个以上，宽带双极化天线单元10以阵列方式排布设置。
其中，各宽带双极化天线单元10的周侧设置有第五介质基板400，第五介质基板400形成四周封闭金属壁。第五介质基板400包括主板、设置在主板底部的连接部以及设置在主板顶端中部的缺口，连接部与第四介质基板300连接。第五介质基板400围合在宽带双极化天线单元10的外周侧，围绕着天线单元，可以拓宽天线单元在低频时候的波束宽度，从而增强阵列的波束扫描效果。
第五介质基板400可以围合形成方形的凹槽，或者围合形成圆柱形等，金属壁的外形在此不做限定。
宽带双极化天线单元10的数量为偶数个，宽带双极化天线单元10交错排布成多行设置，奇数行的宽带双极化天线单元10位于偶数行的每两个宽带双极化天线单元10之间，或者偶数行的宽带双极化天线单元10位于奇数行的每两个宽带双极化天线单元10之间。
在其中的一些实施例中，宽带双极化天线单元10和四个中心对称围绕着此宽带双极化天线单元10的第五介质基板400组成阵列的一个子单元，阵列的第一行设置有三个子单元，每个子单元之间的距离相对，阵列的第二行与阵列的第一行完全一致，第二行的每一个子单元设置在第一行的每两个子单元中间，这种排布方式相当于将天线之间的距离减小了一半，从而增大了阵列的波束扫描范围。
图11为本实施例提供的宽带双极化天线单元的两个不同极化的双端口仿真S参数示意图。参照图11，可以看出两个端口的反射系数因为结构对称，所以具有很好地一致性，大约在1.41GHz-2.76GHz频段内反射系数低于-10dB，同时在整个工作频段内，端口隔离度高于27.8dB。
图12为本实施例提供的宽带双极化天线单元的最大可实现增益随频率变化的仿真示意图。参照图12，可以看出两个端口的增益在工作频段内均大于6.4dBi。
图13、图14以及图15分别为本实施例提供的宽带双极化天线单元在通过端口1激励时在1.5GHz、2GHz、2.6GHz处的二维辐射方向图。参照图13、14以及图15所示，因为端口1和端口2之间的对称相似性，因此为了简便这里只给出了端口1的二维辐射方向图。如图所示，宽带双极化天线单元具有稳定的边辐射模式，在工作频段内的方向图规则且稳定。在1.5GHz-2GHz处，交叉极化水平均小于-16.5dB，在2.6GHz时，交叉极化水平小于-12.4dB。
图16为本实施例提供的天线阵列在﹢45°极化时x-z平面的二维仿真方向图，六个单元每个端口的相位差为90°。如图所示，可以看出1.5GHz时，主波束扫描角度为-43°，3dB波束宽度为38.2°，2GHz时主波束扫描角度为-50°，3dB波束宽度为40.8°，2.6GHz时主波束扫描角度为-49°，3dB波束宽度为31.4°。在整个工作频段内，该天线阵列的3dB波束扫描角度可以覆盖±60°。因此，本实施例提供了一个工作在1.41-2.76GHz的双极化宽带天线单元以及3dB波束扫描范围能覆盖±60°的六单元相控阵，实现的双极化宽带天线单元具有结构简单以及小型化的优势，且在工作频段内保持了较高的隔离度和较稳定的辐射方向图和增益。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术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作出各种变化。
Claims (10)
1.一种宽带双极化天线单元，其特征在于，包括：
第一介质基板，所述第一介质基板上配置有天线辐射体，所述天线辐射体包括半波长偶极子、全波长缝隙以及T形枝节，所述半波长偶极子包括四个呈十字形分布的振子部分，所述振子部分的末端配置为缩径部，所述缩径部远离所述振子部分的末端方向逐渐缩小，所述全波长缝隙包括位于所述振子部分中部且沿所述振子部分长度方向设置的缝隙部分，所述缝隙部分的端部设置为箭头状，相邻所述振子部分的角平分线上配置有T形枝节，所述T形枝节用于产生第一谐振点；
馈电巴伦，包括第二介质基板和第三介质基板，所述第二介质基板和所述第三介质基板相互正交设置，所述第二介质基板和所述第三介质基板顶端与第一介质基板抵接并与所述天线辐射体连接；
第四介质基板，设置在所述第二介质基板和所述第三介质基板的底端，所述第四介质基板上端设置有第一地板，所述第一地板与第二介质基板和第三介质基板连接接地，所述第四介质基板上还设置有第一同轴线和第二同轴线，所述第一同轴线与所述第二介质基板连接，所述第二同轴线与所述第三介质基板连接。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于：所述第二介质基板包括第一面和第二面，所述第一面印刷有第一金属地板，所述第二面印刷有第一馈电微带线，所述第一金属地板上端与所述天线辐射体的振子部分相连馈电，所述第一金属地板下端与所述第一地板连接接地，所述第一馈电微带线与所述第一同轴线的内导体连接。
3.根据权利要求2所述的宽带双极化天线单元，其特征在于：所述第一介质基板上设置有两个沿相邻所述振子部分的角平分线设置的第一通孔，所述第一金属地板上端通过两个第一通孔与所述振子部分相连馈电。
4.根据权利要求1至3任一项所述的宽带双极化天线单元，其特征在于：所述第三介质基板包括上表面和下表面，所述上表面印刷有第二金属地板，所述下表面印刷有第二馈电微带线，所述第二金属地板上端与所述天线辐射体的振子部分相连馈电，所述第二金属地板下端与所述第一地板连接接地，所述第二馈电微带线与所述第二同轴线的内导体连接。
5.根据权利要求4所述的宽带双极化天线单元，其特征在于：所述第一介质基板上设置有两个沿相邻所述振子部分的角平分线设置的第二通孔，所述第二金属地板上端通过两个第二通孔与所述振子部分相连馈电。
6.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于：所述第四介质基板的下表面配置有两个接地焊盘，所述接地焊盘通过金属化过孔与所述第一地板相连，所述接地焊盘中心设有非金属化贯穿通孔，所述第一同轴线和所述第二同轴线通过所述非金属化贯穿通孔与所述第二介质基板和所述第三介质基板相连。
7.一种天线阵列，其特征在于，包括：
如权利要求1至6任一项所述的宽带双极化天线单元，所述宽带双极化天线单元的数量为两个以上，所述宽带双极化天线单元以阵列方式排布设置。
8.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于：各所述宽带双极化天线单元的周侧设置有第五介质基板，所述第五介质基板形成四周封闭金属壁。
9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：所述第五介质基板包括主板、设置在主板底部的连接部以及设置在主板顶端中部的缺口，所述连接部与所述第四介质基板连接。
10.根据权利要求7所述的天线阵列，其特征在于：所述宽带双极化天线单元的数量为偶数个，所述宽带双极化天线单元交错排布成多行设置，奇数行的所述宽带双极化天线单元位于偶数行的每两个所述宽带双极化天线单元之间，或者偶数行的所述宽带双极化天线单元位于奇数行的每两个所述宽带双极化天线单元之间。
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