一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线

摘要

本发明公开了一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，包括金属底板和通过一对金属短路柱、两对短路壁连接在其上方的对称双环金属辐射贴片；对称双环金属辐射贴片为H形结构，一对馈电巴伦为钩型结构，设置于对称双环金属辐射贴片的两侧；一对短路壁设置于馈电巴伦的两侧，与馈电巴伦构成磁电耦合馈电结构；一对短路柱设置于一对短路壁的两侧，并对称连接在对称双环金属辐射贴片的H片中间筋板两侧的平行板上；一对SMA接头设置于对称双环金属辐射贴片的两侧，馈电巴伦的正下方。本发明改善了工作频带内的阻抗匹配特性，拓展了工作频带，实现了天线的宽频带特性；提高了天线的增益。实现宽频段的无线通信系统，减少通信系统的天线复杂性。

权利要求

1.一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：双馈电宽带高增益天线设置为双极化天线，所述双极化天线包括金属底板(2)，和通过一对金属短路柱(501、502)、一对短路壁(401、402)连接在其上方的对称双环金属辐射贴片(1)；所述对称双环金属辐射贴片(1)为H形结构，一对馈电巴伦(3)为钩型结构，设置于对称双环金属辐射贴片(1)H片中间筋板的两侧的平行板之间；一对短路壁(401、402)设置于馈电巴伦(3)的两侧，与馈电巴伦构成磁电耦合馈电结构；一对短路柱(501、502)设置于一对短路壁(401、

402)的两侧，并对称连接在对称双环金属辐射贴片(1)的H片中间筋板两侧的平行板上；一对SMA接头(601、602)设置于对称双环金属辐射贴片(1)的两侧，馈电巴伦(3)的正下方。

2.根据权利要求1所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：所述一对SMA接头(601、602)设置于金属底板(2)的下表面。

3.根据权利要求1所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：馈电巴伦(3)一端悬置于金属底板(2)之上，另一端为向下垂直延伸的自由端，并且馈电巴伦(3)一端与SMA接头的内芯连接。

4.根据权利要求3所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：所述馈电巴伦的总长度为L＝L1+L2+L3，L1为SMA接头(6)到对称双环金属辐射贴片(1)的距离，L2为悬置于金属底板(2)上的长度，L3为向下垂直延伸的自由端长度；所述L的范围为0.45λc～0.55λc,λc为工作频率的中心频率。

5.根据权利要求1所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：所述对称双环金属辐射贴片(1)为由对称双环构成的H形结构辐射贴片，距离金属底板(2)的距离为h，所述h的范围为0.22λc～0.28λc，λc为工作频率的中心频率。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：所述双馈电宽带高增益天线工作频段为1.82GHz～2.77GHz，有源回波损耗<-15dB，其相对工作带宽为41.4％。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，其特征在于：所述双馈电宽带高增益天线工作频段为2.2GHz，其交叉极化低于主极化至少38dB；带宽内增益大于9.7dBi。

说明书

一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信领域，具体涉及一种宽频带、低交叉极化、高增益的天线设计方法，可以应用于基站天线设计中。

背景技术

[0002] 随着无线通信系统的发展，系统的性能要求也越来越高。天线作为系统终端重要的收发装置，对其性能的改进也受到了越来越多电子工程师的关注。目前，结构简单、小型化、低成本、宽频带、低交叉极化、高增益的天线也成为研究的热点。天线所具有的这些优点，使得无线通信系统具有了强抗干扰、高发射功率和高系统灵敏度的特点。目前，现代无线通信系统中使用的天线仍然存在以下问题：1、带宽窄，存在使用多个不同工作频率的天线协同工作的情况；2、交叉极化差，严重影响着天线抗干扰性能；3、增益低，为了获得较高的增益，需要对天线组阵，而组阵却增加了天线的体积和成本。因此，针对现有天线存在的不足，设计出一款适合现代通信系统使用的高性能天线，也已经成为天线设计者的重要研究方向。本发明中的所述天线具有宽频带、低交叉极化、高增益等特性，从而可以提高天线的兼容性，缩减了基站阵列设计中的天线单元数量，节约了天线的加工成本。因此，所述天线将成为无线通信系统中的优选天线。

发明内容

[0003] 针对上述现有天线设计中存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有宽频带、低交叉极化、高增益天线。与传统天线设计不同，本发明在于合理地利用对称双环技术，有效地降低了天线的交叉极化；并且采用双巴伦馈电技术，改善了天线工作帯内的匹配特性，拓展了天线的工作带宽；通过短路加载技术，使得带内峰值增益有了显著提高。从而利用以上所述技术，使得所述天线具有了宽频带、低交叉极化、高增益的特性。

[0004] 为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。

[0005] 一种应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，双馈电宽带高增益天线包括金属底板，和通过一对金属短路柱、两对短路壁连接在其上方的对称双环金属辐射贴片；所述对称双环金属辐射贴片为H形结构，一对馈电巴伦为钩型结构，设置于对称双环金属辐射贴片的两侧；一对短路壁设置于馈电巴伦的两侧，与馈电巴伦构成磁电耦合馈电结构；一对短路柱设置于一对短路壁的两侧，并对称连接在对称双环金属辐射贴片的H片中间筋板两侧的平行板上；一对SMA接头设置于对称双环金属辐射贴片的两侧，馈电巴伦的正下方。

[0006] 作为优化，所述SMA接头设置于金属底板的下表面。

[0007] 作为优化，所述馈电巴伦设置于对称双环金属辐射贴片H片中间筋板的两侧的平行板之间，一端悬置于金属底板之上，另一端为向下垂直延伸的自由端，并且馈电巴伦一端与SMA接头的内芯连接。

[0008] 作为优化，所述对称双环金属辐射贴片为由对称双环构成的H形结构辐射贴片，距离金属底板的距离为h，所述h的范围为0.22λc～0.28λc，λc为工作频率的中心频率。

[0009] 作为优化，所述一对金属短路柱间距为D时，通过优化金属短路柱间距为D，天线峰值增益达到11.7dBi，所述D的范围为0.25λc～0.35λc,λc为工作频率的中心频率。

[0010] 进一步，所述双馈电宽带高增益天线工作频段为1.82GHz～2.77GHz时，有源回波损耗<-15dB,相对工作带宽为41.4％；天线工作频段为2.2GHz时，其交叉极化低于主极化至少38dB；带宽内增益大于9.7dBi。

[0011] 现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0012] 1、本发明由于利用对称双环的设计方法，通过调节所述天线辐射体的长度和宽度，以便获得较低的交叉极化，同时保证了天线的最大辐射方向不会偏离侧射方向。

[0013] 2、本发明再基于对称双环的结构，采用引入巴伦馈电技术，很好地改善了天线的阻抗匹配特性，有效地拓展了天线的工作带宽。

[0014] 3、本发明利用短路柱在对称双环中心线短路加载的方法，有效地提高了工作频带内所述天线的峰值增益。

[0015] 与现有技术相比，本发明结构简单，容易加工，体积小并且可实现宽频段的无线通信系统，减少通信系统的天线复杂性。

附图说明

[0016] 图1是本发明天线单元的顶层俯视图；

[0017] 图2是本发明天线剖面侧视图；

[0018] 图3是本发明天线顶层俯视图；

[0019] 图4是本发明天线端口有源S参数；

[0020] 图5是本发明天线在2.2GHz的E面方向图；

[0021] 图6是本发明天线在2.2GHz的H面方向图；

[0022] 图7是本发明天线在工作带宽内的峰值增益；

[0023] 图中：1、对称双环金属辐射贴片；101、第一辐射贴片一臂；102、第二辐射贴片一臂；2、金属底板；3、馈电巴伦；301、第一馈电巴伦；302、第二馈电巴伦；401、第一短路壁；402、第二短路壁；501、第一金属短路柱；502、第二金属短路柱；503、贴片第一安装孔；504、贴片第二安装孔；505、底板第一安装孔；506、底板第二安装孔；601、第一SMA接头；602、第二SMA接头。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0025] 参照图1、图2和图3，本发明的应用于基站通信系统的双馈电宽带高增益天线，包括金属底板2，和通过一对金属短路柱501、502和一对短路壁401、402连接在其上方的对称双环金属辐射贴片1，对称双环金属辐射贴片1为H形结构，一对馈电巴伦301、302设置于对称双环金属辐射体1的两侧，并且通过两个SMA接头(第一SMA接头601、第二SMA接头602)与对称双环金属辐射体1连接；一对短路壁4设置于馈电巴伦3的两侧，一对金属短路柱(第一金属短路柱501，第二金属短路柱502)设置于一对短路壁(第一短路壁401，第二短路壁402)的两侧，并对称连接在对称双环金属辐射贴片1的H片中间筋板两侧的平行板上。两个SMA接头601、602设置于金属底板2的下表面。馈电巴伦3设置于对称双环金属辐射体1H片中间筋板的两侧的平行板之间，一端悬置于金属底板2上方，另一端为向下垂直延伸的自由端，并且分别馈电巴伦一端与第一SMA接头601或第二SMA接头602的内芯连接。

[0026] 馈电巴伦3为钩型结构。其中，位于一对短路壁中第一短路壁401侧的巴伦自由端悬置于金属底板2之上；位于第二短路壁402一侧的向下垂直延伸的自由端，与SMA接头601、602的内芯连接。馈电巴伦的总长度为L＝L1+L2+L3，L1为SMA接头601、602到对称双环金属辐射贴片的距离，L2为悬置于金属底板上的长度，L3为向下垂直延伸的自由端长度；L的范围为0.45λc～0.55λc,λc为工作频率的中心频率。

[0027] 对称双环金属辐射贴片1为由对称双环构成的H形结构辐射贴片，距离金属底板2的距离为h，所述h的范围为0.22λc～0.28λc。

[0028] 一对金属短路柱5间距为D，通过优化金属短路柱间距为D，天线峰值增益大于11.7dBi,所述D的范围为0.25λc～0.35λc,λc为工作频率的中心频率。

[0029] 上述结构形成宽带对称双环天线。其中，天线的金属底板2材料为厚度0.5毫米的金属铜；对称双环金属辐射贴片1设置于金属底板2上方30毫米处，是由两个相邻的对称双开口环连接在一起构成，从而获得良好的定向辐射特性。一对馈电巴伦设置于对称双环金属辐射贴片1的两侧，通过调节馈电巴伦的传输线宽度，保证天线在一定的工作频带内有着较好的阻抗匹配特性。一对金属短路壁401、402设置于馈电巴伦3的两侧，且连接于天线对称双环金属辐射贴片1与金属底板2之间，为巴伦馈电形成电流回路；第一、第二金属短路柱501、502设置于辐射贴片中心线上，既可以将对称双环金属辐射贴片1与金属底板2短路，又可以对辐射贴片起到支撑作用；贴片第一安装孔503、贴片第二安装孔504、底板第一安装孔
505、底板第二安装孔506用于第一金属短路柱501、第二金属短路柱502的安装固定；第一SMA接头601、第二SMA接头602端口的外壁与金属底板2连接，内芯与第一馈电巴伦301、第二馈电巴伦302的结构末端连接。

[0030] 本发明的效果可以结合仿真结果作进一步说明：

[0031] 1、仿真内容

[0032] 1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施方式中所采用的宽带对阵双环天线的端口有源回波损耗进行仿真计算，结果如图4所示。

[0033] 1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施方式中所采用的所述天线的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图5所示，其中:图5为实例中所采用的所述天线在2.2GHz垂直面归一化辐射方向图。

[0034] 1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施方式中所采用的双极化天线单元的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图6所示，其中:图6为实例中所采用的所述天线在2.2GHz磁场面归一化辐射方向图。

[0035] 1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施方式中所述天线峰值增益进行仿真计算，结果如图7所示，为天线峰值增益随频率的变化情况。

[0036] 2、仿真结果

[0037] 参照图4，以有源回波损耗小于-15dB为标准，实施方式中所选取的天线工作频段为1.82GHz～2.77GHz，其相对工作带宽为41.4％。

[0038] 参照图5,为实施方式中所选取的所述天线在2.2GHz处垂直面的远场辐射方向图，从图中看出的最大辐射方向始终与Z轴平行，没有任何偏离，交叉极化低于主极化至少50dB，表明双极化单元具有较低的交叉极化。

[0039] 参照图6，为实施方式中所选取的所述天线在2.2GHz处水平面的远场辐射方向图，从图中看出的最大辐射方向始终与Z轴平行，没有任何偏离，交叉极化低于主极化至少38dB，表明双极化单元具有较低的交叉极化。

[0040] 参照图7，为实施方式中天线峰值增益随频率的变化，可以看出所述天线增益随频率的升高而增强，且带宽内增益大于9.7dBi。

[0041] 本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。