【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及一種移動通信天線設(shè)備與技術(shù)，特別是涉及低剖面雙頻段超寬帶天線及其技術(shù)。

背景技術(shù)：

目前，移動通信正處于4g大規(guī)模商用時代，并開始逐步向5g方向演進(jìn)。通過新建大量宏基站，移動通信基本實現(xiàn)了廣域信號連續(xù)覆蓋。宏基站增益高、容量大、覆蓋區(qū)域大、用戶數(shù)多，但選址難、成本高、數(shù)據(jù)率低，并且難以覆蓋室內(nèi)和地下等局部熱點區(qū)域。蜂窩網(wǎng)絡(luò)靠小區(qū)分割來實現(xiàn)頻率復(fù)用。自然地，為了進(jìn)一步提高頻率復(fù)用程度，人們將蜂窩小區(qū)再分割成覆蓋范圍更小的微蜂窩、納蜂窩、皮蜂窩等，從而顯著改善覆蓋效果并提高系統(tǒng)容量，這成為解決深度覆蓋和高數(shù)據(jù)率的有效手段。由于應(yīng)用場景復(fù)雜多樣，微基站(smallcell)天線的形態(tài)眾多，但普遍具有小型化、低剖面、超寬帶、雙極化和mimo化的技術(shù)特點。天線設(shè)計成超寬帶和mimo化后，微基站將具備高容量、高速率和低成本的優(yōu)勢；而天線小型化和低剖面，則可以讓站點部署更加隱蔽和容易，尤其是對天線外觀高度敏感的室內(nèi)環(huán)境。然而，對于尺寸尤其是縱向高度嚴(yán)格受限的微基站天線來說，要實現(xiàn)全頻段超寬帶(698～960mhz/1710～2700mhz)將異常困難。常規(guī)振子僅覆蓋高頻或低頻段，且距地板約四分之一波長，這使得天線縱向高度很高(約0.25·λl)，無法滿足微基站天線低剖面的設(shè)計需求。

盡管如此，交叉振子超寬帶和±45°雙極化的突出優(yōu)點，使它仍是適合微基站天線的優(yōu)選方案之一，但需要突破剖面過高這一技術(shù)瓶頸。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)方案上進(jìn)行了一系列創(chuàng)新，通過采用高介電常數(shù)、且厚度較厚的介質(zhì)基板，振子表面開槽和末端加載開路枝節(jié)的方式，實現(xiàn)了現(xiàn)有交叉振子無法全頻覆蓋、超低剖面(≤0.1·λ)和高交叉極化和高隔離度的特點，滿足了微基站天線的技術(shù)要求。本發(fā)明的超寬帶振子天線可同時覆蓋gsm頻段(bw＝262mhz，31.6％)和lte頻段(698～960mhz/1710～2600mhz，vswr≤2.24，bw＝890mhz，41.3％)，且具有超低剖面(≈0.1·λl，λl為空氣中最低工作頻率)、±45°雙線極化、高交叉極化(xpd>20db)、高隔離度(|s21|<-40db)、定向輻射(天線平面外發(fā)向)、較高增益(g＝6.1-9.1dbi)和較高的效率(ηa≥78％)。然后，將至少兩個該低剖面交叉振子單元彼此靠近放置，構(gòu)成一個具有較高隔離度的mimo陣列，是適合小型化微基站的理想天線方案。另外，該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、實現(xiàn)簡單、低成本、適合批量生產(chǎn)等特點，是取代常規(guī)寬帶smallcell天線的優(yōu)選方案，而且對于常規(guī)寬帶交叉振子天線的設(shè)計和改進(jìn)也是適用和有效的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在為移動通信微基站提供一種雙頻超寬帶、低剖面、小尺寸、mimo化、高隔離度、高增益的低剖面雙頻超寬帶天線。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的，提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種低剖面雙頻超寬帶天線，其包括至少一個雙頻超寬帶振子單元，該雙頻超寬帶振子單元包括印制在介質(zhì)基板上的一對正交設(shè)置的超寬帶振子，每個超寬帶振子的兩臂為胖塊狀，該超寬帶振子兩臂末端沿兩側(cè)邊緣開設(shè)有弧形槽，在超寬帶振子末端沿著振子臂外邊緣加載一段弧形枝節(jié)，中心交叉處設(shè)有饋電點連接同軸電纜或巴侖。

本發(fā)明通過采用厚的高介電常數(shù)介質(zhì)基板，振子表面開槽和末端加載開路枝節(jié)的方式，為移動通信微基站提供一種雙頻超寬帶(全頻段)、低剖面、小尺寸、mimo化、高隔離度、高增益的低剖面雙頻超寬帶天線。該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、實現(xiàn)簡單、低成本、適合批量生產(chǎn)等特點，是取代常規(guī)寬帶smallcell天線的優(yōu)選方案，而且對于常規(guī)寬帶交叉振子天線的設(shè)計和改進(jìn)也是適用和有效的。

優(yōu)選的，該弧形槽頂部位于±45°軸線上并朝外凸出，底部沿振子臂邊緣延伸至其中下部。

優(yōu)選的，在弧形槽的近中間位置對稱加載一對短樁，連接弧形槽的內(nèi)外壁。

優(yōu)選的，該弧形枝節(jié)起始位置設(shè)有圓弧段進(jìn)行短路連接，弧形枝節(jié)中間開縱向槽，相鄰弧形枝節(jié)的末端之間存在間隙。

優(yōu)選的，該弧形枝節(jié)的起始端為平行雙導(dǎo)體段，中間段寬度較寬且開縱向槽，末端則稍窄并延伸至弧形槽末端位置處斷開；在平行雙導(dǎo)體段的起始末端用兩條同心圓弧段將弧形枝節(jié)兩臂連接，優(yōu)選的，該同心圓弧段關(guān)于±45°中心軸線對稱。

優(yōu)選的，該超寬帶振子的兩臂沿±45°中心軸線對稱，弧形槽關(guān)于±45°中心軸線對稱，弧形枝節(jié)同樣關(guān)于±45°中心軸線對稱。優(yōu)選的，該弧形槽、短路枝節(jié)均與振子邊緣走向大致平行，短路枝節(jié)與邊緣間隔一定的距離；

優(yōu)選的，該介質(zhì)基板的介電常數(shù)為εr＝1～20、損耗角為tanδ、厚度為td＝0～0.25·λl，λl為最低頻率波長。

優(yōu)選的，在該介質(zhì)基板的一側(cè)設(shè)有反射板，優(yōu)選的，該反射板距介質(zhì)基板的最短距離小于0.25·λl。

優(yōu)選的，該低剖面雙頻超寬帶天線進(jìn)一步包括天線罩，該雙頻超寬帶振子單元設(shè)置在天線罩內(nèi)。

優(yōu)選的，該天線罩邊角為倒圓角或直角。

優(yōu)選的，該低剖面雙頻超寬帶天線包括兩個或兩個以上所述雙頻超寬帶振子單元組成mimo陣列或常規(guī)陣列，并置于天線罩內(nèi)。

優(yōu)選的，該饋電點連接兩根50ω同軸電纜，電纜內(nèi)外導(dǎo)體分別連接振子的兩臂。

對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于，通過采取下列措施：1)優(yōu)化寬帶振子形狀和尺寸；2)優(yōu)化寬帶振子邊緣弧形槽；3)優(yōu)化寬帶振子末端短路枝節(jié)；4)選取合適的介質(zhì)基板；5)反射板放置合適位置；6)寬帶振子對中心重合、正交排列，構(gòu)成交叉振子對并中心饋電；7)交叉振子對組mimo陣，從而使本發(fā)明低剖面雙頻超寬帶天線獲得了較現(xiàn)有技術(shù)方案難以實現(xiàn)的技術(shù)效果：一、雙頻超寬帶，同時覆蓋gsm(0.698-0.96ghz；vswr≤2.24，bw＝262mhz，31.6％)和lte頻段(1.71-2.60ghz，vswr≤2.24，bw＝890mhz，41.3％)；二、超低剖面，高度小于0.1·λl；三、±45°或h/v雙線極化，高交叉極化比(xpd>20db)和高隔離度(|s21|<-40db)；四、定向輻射，增益較高(g＝6.1-9.1dbi)；五、效率較高(ηa≥78％)。

另外，該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、實現(xiàn)簡單、低成本、適合批量生產(chǎn)等特點，是取代常規(guī)寬帶smallcell天線的優(yōu)選方案，而且對于常規(guī)寬帶交叉振子天線的設(shè)計和改進(jìn)也是適用和有效的。

【附圖說明】

圖1為天線模型所采用的直角坐標(biāo)系定義的示意圖。

圖2為低剖面雙頻超寬帶胖塊交叉振子單元模型的俯視圖。

圖3為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元邊緣開弧形槽模型的俯視圖。

圖4為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元末端不帶同心雙圓弧連接段的模型的俯視圖。

圖5為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元輻射體完整模型的俯視圖。

圖6為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元天線不帶同軸饋線模型俯視圖。

圖7為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元天線不帶同軸饋線模型透視圖。

圖8為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元天線帶同軸饋線模型的正視圖。

圖9為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元天線帶天線罩的完整模型的正視圖。

圖10為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的mimo陣列的俯視圖。

圖11為低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的mimo陣列的透視圖。

圖12表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元輸入阻抗zin頻率特性曲線。

圖13表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的駐波比vswr曲線。

圖14表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的反射系數(shù)|s11|曲線。

圖15表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的端口隔離度|s21|曲線。

圖16表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的低頻f1＝0.698ghz增益方向圖。

圖17表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的低頻f2＝0.96ghz增益方向圖。

圖18表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f3＝1.71ghz增益方向圖。

圖19表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f4＝2.17ghz增益方向圖。

圖20表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f5＝2.60ghz增益方向圖。

圖21表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的e/h-面半功率波束寬度hbpw隨頻率f變化特性。

圖22表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的最大實增益隨頻率f變化特性。

圖23表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的效率ηa隨頻率f變化曲線。

本文附圖是用來對本發(fā)明的進(jìn)一步闡述和理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的具體實施例一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制或限定。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖給出發(fā)明專利的較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。這里，將給出相應(yīng)附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。需要特別說明的是，這里所描述的優(yōu)選實施例子僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制或限定本本發(fā)明。

請參閱圖1～11，所述低剖面雙頻超寬帶天線的設(shè)計方法包括如下步驟：

本發(fā)明低剖面雙頻超寬帶天線，所述低剖面雙頻超寬帶天線的設(shè)計方法包括以下步驟：

步驟一，建立空間直角坐標(biāo)系，見圖1；

步驟二，構(gòu)造雙頻超寬帶振子單元：首先，在xoy平面，以坐標(biāo)原點o為中心，順著+45°方向構(gòu)造一對以中心對稱的胖塊狀超寬帶振子10，該胖塊狀半波陣子10是以中心為始點順著+45°方向延展，寬度增大然后再減小最后末端收攏；然后將該半波陣子10繞z軸旋轉(zhuǎn)+90°，復(fù)制出-45°超寬帶振子20，兩對振子構(gòu)成低頻(gsm頻段)的超寬帶交叉振子對，并以中心為饋電點，見圖2；

步驟三，在超寬帶振子邊緣開槽：在步驟二的超寬帶振子兩臂末端，順著邊緣開一條細(xì)長的弧形槽24，弧形槽關(guān)于振子±45°中心軸線對稱，頂部位于軸線上并朝外凸出，如圖3所示凸出部22，底部21則沿振子臂邊緣延伸至其中部，然后，在弧形槽的近中間位置，對稱加載一對短樁23，將弧形槽24的內(nèi)外壁連接起來，見圖3；

步驟四，超寬帶振子末端開路加載：在步驟三的超寬帶振子末端，沿著振子臂外邊緣加載一段弧形枝節(jié)32，弧形枝節(jié)同樣關(guān)于±45°中心軸線對稱，起始端寬度較寬且中間開縱向槽33，末端34則稍窄并延伸至步驟三弧形槽末端位置處斷開，相鄰弧形枝節(jié)的末端之間存在間隙63，然后，在開路枝節(jié)起始位置為平行雙導(dǎo)體段31，用圓弧段41、42將對稱弧形枝節(jié)對短路連接，見圖4；

步驟五，超寬帶振子中心同軸饋電：在步驟四的兩對交叉振子中心處，設(shè)置一對正交的饋電點，兩饋電點分別連接一根50ω同軸電纜，電纜內(nèi)導(dǎo)體53、54和外導(dǎo)體51、52分別連接振子兩臂，見圖5、8、9；

步驟六，設(shè)置天線介質(zhì)基板：在步驟五的振子下表面，設(shè)置一層介電常數(shù)為εr、損耗角為tanδ、厚度為td的介質(zhì)基板70，用于支撐天線及調(diào)節(jié)其阻抗，見圖6、7；

步驟七，設(shè)置金屬反射板：在步驟六的振子介質(zhì)基板70一側(cè)，放置一塊大的金屬反射板90，以實現(xiàn)振子定向輻射，見圖9；

步驟八，天線mimo組陣：將上述的低剖面雙頻超寬帶振子單元，作為一個基本輻射單元組成mimo陣列，以提高系統(tǒng)系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率，見圖10、11；；

步驟九，添加天線罩：在靠近印制振子的頂面設(shè)置一層介質(zhì)薄殼層，作為天線罩80以保護(hù)天線輻射體，天線罩邊角為圓弧角81，見圖9～11。

通過上述構(gòu)建所得的本發(fā)明低剖面雙頻超寬帶天線，在本實施例中，其包括兩個雙頻超寬帶振子單元組成mimo陣列，該雙頻超寬帶振子單元印制在介質(zhì)基板上的一對正交設(shè)置的超寬帶振子10、20，每個超寬帶振子的兩臂為胖塊狀，該超寬帶振子兩臂末端沿兩側(cè)邊緣開設(shè)有弧形槽24，在超寬帶振子末端沿著振子臂外邊緣加載一段弧形枝節(jié)32，中心交叉處設(shè)有饋電點連接同軸電纜。該超寬帶振子的兩臂沿±45°中心軸線對稱，弧形槽也關(guān)于±45°中心軸線對稱。該雙頻超寬帶振子單元設(shè)置在天線罩80內(nèi)，該天線罩邊角為倒圓角81。該饋電點連接兩根50ω同軸電纜，電纜內(nèi)外導(dǎo)體51、52、53、54分別連接振子的兩臂。

具體地，該弧形槽24頂部位于±45°軸線上并朝外有凸出部22，底部21沿振子臂邊緣延伸至其中部；在弧形槽的近中間位置對稱加載一對短樁23，連接弧形槽的內(nèi)外壁。

該弧形枝節(jié)32起始端為平行雙導(dǎo)體段31，起始位置設(shè)有兩段同心圓弧段41、42進(jìn)行短路連接，該同心圓弧段關(guān)于±45°中心軸線對稱?；⌒沃?jié)中間段寬度較寬，且開縱向槽33，末端34則稍窄并延伸至弧形槽末端位置處斷開，相鄰弧形枝節(jié)的末端之間存在間隙63。該弧形枝節(jié)同樣關(guān)于±45°中心軸線對稱。該弧形槽、短路枝節(jié)均與振子邊緣走向大致平行，短路枝節(jié)與邊緣間隔一定的距離。

該介質(zhì)基板的介電常數(shù)為εr＝1～20、損耗角為tanδ、厚度為td＝0～0.25·λl。λl為最低頻率波長。在該介質(zhì)基板的一側(cè)設(shè)有反射板，該反射板距介質(zhì)基板的最短距離小于0.25·λl。

本發(fā)明低剖面雙頻超寬帶天線獲得了較現(xiàn)有技術(shù)方案難以實現(xiàn)的技術(shù)效果：一、雙頻超寬帶，同時覆蓋gsm(0.698-0.96ghz；vswr≤2.24，bw＝262mhz，31.6％)和lte頻段(1.71-2.60ghz，vswr≤2.24，bw＝890mhz，41.3％)；二、超低剖面，高度小于0.1·λl；三、±45°雙線極化，高交叉極化比(xpd>20db)和高隔離度(|s21|<-40db)；四、定向輻射，增益較高(g＝6.1-9.1dbi)；五、較高效率(ηa≥78％)。具體特性曲線及參數(shù)請參閱圖12～23。

圖12表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的輸入阻抗zin頻率特性曲線。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是阻抗zin，單位為ω；實線表示實部rin，虛線表示虛部xin。由圖知，在0.698-0.96/1.71-2.60ghz頻段，實部和虛部變化范圍分別為：35～40ω、-30～10ω和30～110ω、-25～38ω，具有較好的雙頻超寬帶阻抗特性。

圖13表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的駐波比vswr曲線。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是vswr。由圖知，天線在gsm0.698-0.96ghz頻段(bw＝262mhz，31.6％)和lte1.71-2.60ghz頻段(bw＝890mhz，41.3％)，實現(xiàn)了較好的阻抗匹配，駐波比vswr≤2.24，最低達(dá)1.24；兩頻段相對帶寬分別為31.6％和41.3％，實現(xiàn)了雙頻超寬帶寬。

圖14表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的反射系數(shù)|s11|/|s22|曲線。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是s11/s22的幅度|s11|/|s22|，單位為db。由圖知，天線在gsm0.698-0.96ghz頻段(bw＝262mhz，31.6％)和lte1.71-2.60ghz頻段(bw＝890mhz，41.3％)，實現(xiàn)了較好的阻抗匹配，反射系數(shù)|s11|≤-8.0，最低達(dá)-19.6db；兩頻段相對帶寬分別為31.6％和41.3％，實現(xiàn)了雙頻超寬帶寬。

圖15表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的端口隔離度|s21|曲線。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是s11的幅度|s11|，單位為db。由圖知，天線整個頻段內(nèi)，隔離度大于-40db，低頻段內(nèi)優(yōu)于-53db，端口隔離度非常理想。

圖16表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的低頻f1＝0.698ghz增益方向圖。其中，光滑線表示e面，點線表示h面，實線表示主極化，虛線表示交叉極化。由圖知，e、h面波束均較寬，且主瓣內(nèi)交叉極化xpd>45db，極化純度非常高。

圖17表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的低頻f2＝0.96ghz增益方向圖。其中，光滑線表示e面，點線表示h面，實線表示主極化，虛線表示交叉極化。由圖知，e、h面波束均較寬，且主瓣內(nèi)交叉極化xpd>47db，極化純度非常高。

圖18表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f3＝1.71ghz增益方向圖。其中，光滑線表示e面，點線表示h面，實線表示主極化，虛線表示交叉極化。由圖知，h面波束較寬，且主瓣內(nèi)交叉極化xpd>30db，極化純度較高。

圖19表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f4＝2.17ghz增益方向圖。其中，光滑線表示e面，點線表示h面，實線表示主極化，虛線表示交叉極化。由圖知，h面波束很寬，且主瓣內(nèi)交叉極化xpd>35db，極化純度很高。

圖20表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的高頻f5＝2.60ghz增益方向圖。其中，光滑線表示e面，點線表示h面，實線表示主極化，虛線表示交叉極化。由圖知，e/h面波束形狀幾乎一樣，且主瓣內(nèi)交叉極化xpd>20db，極化純度較高。

圖21表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的e/h-面半功率波束寬度hbpw隨頻率f變化特性。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是波束寬度，單位是度(deg)；實線表示e面，線表示h面。由圖知，低高頻帶內(nèi)，e/h面半功率波寬hpbw＝56.57°～60.65°(e)/73.2°～88.2°(h)和21.5°～46.0°(e)/35.1°～128.5°(h)，波寬較寬有利于信號覆蓋。

圖22表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的最大實增益隨頻率f變化特性。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是增益，單位是dbi。由圖知，低頻和高頻段內(nèi)，增益變化范圍分別為g＝7.8～9.1dbi、g＝6.1～8.6dbi，在雙超寬頻段內(nèi)均保持了較高增益。

圖23表示低剖面雙頻超寬帶交叉振子單元的效率ηa隨頻率f變化曲線。其中，橫軸(x軸)是頻率f，單位為ghz；縱軸(y軸)是效率。由圖知，在低頻和高頻段內(nèi)，天線效率分別有ηa≥78％和ηa≥80％。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制或限定本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的研究或技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明所聲明的保護(hù)范圍之內(nèi)。