CN110707418A - 宽频基站振子天线及基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽频基站振子天线及基站天线，宽频基站振子天线包括底板，还包括基板和两对呈夹角设置的支撑板组，每个支撑板组均包括两个间隔设置的竖向支撑板，基板位于底板的上方，竖向支撑板连接底板与基板；基板的顶面设有两对呈90度夹角的天线单元，每对天线单元均包括两个天线子单元，天线子单元包括外圈和内环，内环位于外圈内并与外圈相连；每个支撑板组上均设有呈倒勾状的微带线馈电巴伦，微带线馈电巴伦与其所对应的天线单元耦合馈电。宽频基站振子天线及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点，结构简单、制造方便、生产成本低。

Description

宽频基站振子天线及基站天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及宽频基站振子天线及基站天线。

背景技术

随着移动通信的快速发展，基站天线在通信网络中的角色变得越来越重要。为了降低加工成本、减小基站天线体积等因素，天线结构的简单化逐渐成为了基站天线设计的研究热点。同时，为了能同时满足2G、3G、4G，以及中国移动5G的2515～2675MHz频段的通信系统要求，中国的基站振子天线需覆盖1710～2690MHz频段(工作带宽为0.98GHz，即45.5％)。因此如何设计加工容易、结构简单的宽频振子天线是基站天线系统设计中要面临的一个挑战。

MIMO天线系统中面临的另外一个挑战是如何使设计出宽频的天线能有更低的回波损耗(比如低于-15dB)。此外，在满足上述宽频和低回波损耗的情况下，如何得到较好的隔离度(比如优于20dB)的基站天线系统也将是基站振子天线设计中面临的另外一个挑战。到目前为止，虽然存在很多基站振子天线的设计，但大多数都是工作带宽不够、结构复杂或加工成本过高。比如，在中国发明“宽频带双极化基站天线”(专利号：CN207009649U)中，工作频率为1.71～2.17GHz，只有0.46GHz(23.7％)的带宽，而且此设计中两根相对较长的同轴电缆的内外导体需分别连接天线辐射体及反射板，这也大大增加了加工成本及加工难度；而另一个发明专利“一种不对称超宽带基站天线振子和天线”(专利号：CN207938802U)中，其天线振子结构复杂，天线高度过高，大大增加了加工成本与加工难度；同时，此天线工作频率为690-960MHz，只有270MHz(32.7％)的工作带宽，即使对其尺寸进行调整，也难以覆盖1710～2690MHz整个频段。

因此，为了实现天线振子的结构简单、加工容易的要求，有必要设计出一种能覆盖整个1710～2690MHz频段的平面化振子天线。再有，基站振子天线需要实现±45°的双极化，因此基站天线系统面临的另外一个问题是如何提高天线馈电端口之间的隔离度。降低天线之间的隔离度的问题已经被广泛地研究和讨论过，比如通过在两个相邻天线之间加入隔离条、在系统的PCB板上开缝隙、使用隔离网络等。无论使用上述哪种设计，都会增加天线的复杂程度和设计的难度，同时还会为后期的调试增加难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单的高性能宽频基站振子天线及基站天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：宽频基站振子天线，包括底板，还包括基板和两对呈夹角设置的支撑板组，每个所述支撑板组均包括两个间隔设置的竖向支撑板，基板位于底板的上方，竖向支撑板连接所述底板与所述基板；所述基板的顶面设有两对呈90度夹角的天线单元，每对所述天线单元均包括两个天线子单元，所述天线子单元包括外圈和内环，所述内环位于所述外圈内并与所述外圈相连；每个所述支撑板组上均设有呈倒勾状的微带线馈电巴伦，所述微带线馈电巴伦与其所对应的天线单元耦合馈电。

为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：基站天线，包括上述宽频基站振子天线。

本发明的有益效果在于：宽频基站振子天线及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；摒弃传统的利用同轴电缆直接天线单元进行馈电以激发其两个频率相近谐振点，从而达到宽频效果，本发明利用呈倒勾状的微带线馈电巴伦与天线单元之间的耦合，实现激发宽频基站振子天线的三个谐振，达到宽频的效果，使得宽频基站振子天线结构更为简单、制造更为方便、生产成本更低。

附图说明

图1为本发明实施例一的基站天线的整体结构的结构示意图；

图2为本发明实施例一的宽频基站振子天线的结构示意图；

图3为本发明实施例一的宽频基站振子天线俯视图(隐藏底板后)；

图4为本发明实施例一的宽频基站振子天线中的一支撑板组的结构示意图；

图5为本发明实施例一的宽频基站振子天线中的另一支撑板组的结构示意图；

图6为只有外圈时的宽频基站振子天线S-参数图；

图7为既有环又有外圈时的宽频基站振子天线S-参数图；

图8为本发明实施例一的宽频基站振子天线的主轴增益随频率的变化曲线图；

图9为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率2.05GHz的电流分布图；

图10为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率2.25GHz的电流分布图；

图11为本发明实施例一的天线振子单元在谐振频率2.66GHz的电流分布图；

图12为本发明实施例一的宽频基站振子天线主极化及交叉极化的增益方向图。

标号说明：

1、宽频基站振子天线；2、底板；3、基板；4、竖向支撑板；5、天线子单元；6、外圈；7、内环；8、微带线馈电巴伦；9、连接块；10、外延空隙；11、第一插孔；12、第一插块；13、反射层；14、短路片；15、耦合部；16、第二插块。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图12，宽频基站振子天线1，包括底板2，还包括基板3和两对呈夹角设置的支撑板组，每个所述支撑板组均包括两个间隔设置的竖向支撑板4，基板3位于底板2的上方，竖向支撑板4连接所述底板2与所述基板3；所述基板3的顶面设有两对呈90度夹角的天线单元，每对所述天线单元均包括两个天线子单元5，所述天线子单元5包括外圈6和内环7，所述内环7位于所述外圈6内并与所述外圈6相连；每个所述支撑板组上均设有呈倒勾状的微带线馈电巴伦8，所述微带线馈电巴伦8与其所对应的天线单元耦合馈电。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：宽频基站振子天线1及基站天线覆盖频段广、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；摒弃传统的利用同轴电缆直接天线单元进行馈电以激发其两个频率相近谐振点，从而达到宽频效果，本发明利用呈倒勾状的微带线馈电巴伦8与天线单元之间的耦合，实现激发宽频基站振子天线1的三个谐振，达到宽频的效果，使得宽频基站振子天线1结构更为简单、制造更为方便、生产成本更低。

进一步的，所述基板3上设有第一插孔11，所述竖向支撑板4的顶端设有与所述第一插孔11相配合的第一插块12。

由上述描述可知，基板3与竖向支撑板4可插接定位，不仅能够方便基板3与竖向支撑板4的组装操作，提高组装效率，还能保证宽频基站振子天线1的组装精度。

进一步的，所述底板2上设有第二插孔，所述竖向支撑板4的底端设有与所述第二插孔相配合的第二插块16。

由上述描述可知，底板2与竖向支撑板4可插接定位，不仅能够方便底板2与竖向支撑板4的组装操作，提高组装效率，还能保证宽频基站振子天线1的组装精度。

进一步的，所述外圈6的轮廓呈多边形，所述内环7的轮廓与所述外圈6的轮廓相同。

进一步的，所述外圈6的轮廓呈矩形，所述外圈6的内侧具有朝外延伸的两个外延空隙10，两个所述外延空隙10相互垂直。

由上述描述可知，外延空隙10的设置能够改善宽频基站振子天线1的电学性能。

进一步的，所述底板2远离所述基板3的一侧设有反射层13。

进一步的，所述反射层13与所述天线单元之间的间距为30mm。

由上述描述可知，所述反射层13与所述天线单元之间的间距为30mm，约为中心频率点2.2GHz对应波长的0.25倍，利于实现宽频基站振子天线1的高性能。

进一步的，所述竖向支撑板4远离所述微带线馈电巴伦8的一侧设有短路片14，所述短路片14分别与所述天线子单元5及所述反射层13焊接。

由上述描述可知，设置在竖向支撑板4上的短路片14分别与所述天线子单元5及所述反射层13焊接能够提高宽频基站振子天线1的结构稳定性。

进一步的，所述天线子单元5的外圈6具有耦合部15，所述内环7通过所述耦合部15与所述外圈6相连。

基站天线，包括上述宽频基站振子天线1。

从上述描述可知，基站天线至少具有上述宽频基站振子天线1的全部有益效果。

实施例一

请参照图1至图12，本发明的实施例一为：如图1所示，基站天线，包括若干个宽频基站振子天线1。

请结合图2至图5，宽频基站振子天线1包括底板2、基板3和两对呈夹角设置的支撑板组，每个所述支撑板组均包括两个间隔设置的竖向支撑板4，基板3位于底板2的上方，竖向支撑板4连接所述底板2与所述基板3；所述基板3的顶面设有两对呈90度夹角的天线单元，每对所述天线单元均包括两个天线子单元5，所述天线子单元5包括外圈6和内环7，所述内环7位于所述外圈6内并与所述外圈6相连；每个所述支撑板组上均设有呈倒勾状的微带线馈电巴伦8，所述微带线馈电巴伦8与其所对应的天线单元耦合馈电，可选的，所述微带线馈电巴伦8不与其所对应的天线单元直接接触。

请结合图2、图4和图5，可选的，两对支撑板组之间的夹角的大小为90°，同一支撑板组中的两个所述竖向支撑板4共面设置，具体的，四个所述竖向支撑板4排布成X字型。为便于加工、组装，同一支撑板组中的两个所述竖向支撑板4通过连接块9相连，所述连接块9上设有所述微带线馈电巴伦8的一部分，其中，连接块9的高度小于竖向支撑板4的高度，可选的，同一所述支撑板组中，两个所述竖向支撑板4与所述连接块9为一体式结构。进一步优选，两个所述支撑板组中，一个所述支撑板组呈n字型，另一个所述支撑板组呈U字型，本实施例中，两个所述支撑板组相互插接配合，从而形成一个稳定X字型。本实施例中，所述基板3和所述底板2分别为PCB板且PCB板的材质为FR-4，其中，所述基板3的尺寸为70mm×70mm×1mm，所述底板2的尺寸为120mm×120mm×1mm，所述竖向支撑板4的尺寸为35mm×29mm×1mm。容易理解的，为避免两个微带线馈电巴伦8相互交叉相连，可选择将一个所述微带线馈电巴伦8的一部分抬高或降低，该微带线馈电巴伦8中该抬高或降低的部分位于所述连接块9上。

所述外圈6的轮廓呈多边形，所述内环7的轮廓与所述外圈6的轮廓相同。可选的，所述外圈6的轮廓呈矩形，所述外圈6的内侧具有朝外延伸的两个外延空隙10，两个所述外延空隙10相互垂直。本实施例中，所述外圈6的轮廓呈正方形；在其他实施例中，所述外圈6的轮廓还可以呈三角形、正五边形、正六边形等。当然，在某些实施例中，所述外圈6的一部分还可设计成圆弧形状。

请结合图2和图3，为方便定位、组装，所述基板3上设有第一插孔11，所述竖向支撑板4的顶端设有与所述第一插孔11相配合的第一插块12，所述底板2上设有第二插孔，所述竖向支撑板4的底端设有与所述第二插孔相配合的第二插块16。作为优选，第一插块12与第二插孔过盈配合，第二插孔与第二插块16过盈配合，即竖向支撑板4分别与基板3和底板2卡扣连接。

如图2所示，所述底板2远离所述基板3的一侧设有反射层13，即本实施例中，所述反射层13与所述天线单元之间的间距为30mm，约为中心频率点2.2GHz对应波长的0.25倍。

请结合图2至图5，进一步的，所述竖向支撑板4远离所述微带线馈电巴伦8的一侧设有短路片14，所述短路片14分别与所述天线子单元5及所述反射层13焊接。详细的，第一插块12的一侧具有所述短路片14的一部分，该部分短路片14与天线子单元5焊锡连接；第二插块16的一侧亦具有所述短路片14的一部分，该部分短路片14与反射层13焊锡连接。如此，不仅能够起到导通作用，还能够让竖向支撑板4、基板3和底板2三者形成更为稳固的连接，从而提高宽频基站振子天线1的结构稳定性。

如图3所示，具体的，所述天线子单元5的外圈6具有耦合部15，所述内环7通过所述耦合部15与所述外圈6相连，四个所述耦合部15相互靠近设置，本实施例中，所述耦合部15呈矩形。更具体的，所述第一插孔11设于所述耦合部15内，即所述短路片14与所述耦合部15导通。

接下来，针对宽频基站振子天线1的原理及仿真结果进行论述：因为2G/3G/4G通信的1710～2690MHz频段所包含的频段带宽较宽，所以每个天线单元需要产生三个不同的谐振。在本实施例中，天线子单元5的正方形外圈6将产生两个谐振，正方形内环7将产生另外一个谐振。

为了作比较，申请人分别对有无内环7的天线单元进行仿真比较，并得到如下结果。

图6为只有外圈6时的宽频基站振子天线S-参数图。从图6中的S11和S22曲线可以看出，该天线系统具有两个谐振：一、由天线子单元5外圈6的所有边框产生的频率在2.05GHz左右的谐振；二、由一个天线子单元5的外圈6的四条边框和另一天线子单元5的外圈6靠近中心的两条边框共同产生的频率在2.25GHz左右的谐振。由于这两个谐振的存在使得本案的振子天线系统的外圈6可以很好地覆盖整个1.70～2.32GHz的频段。同时天线之间的隔离度均高于20dB，可以满足基站天线系统的设计要求。

图7为加上内环7后的宽频基站振子天线S-参数图。从图7中的S11和S22曲线可以看出，此时天线单元分别在2.05GHz、2.25GHz和2.66GHz左右谐振；从S12和S21曲线可看出，此时在S11<-15dB的频段内天线的隔离度最低为22dB，优于20dB，能满足设计要求。

对比图6和图7的S11或S22曲线，可看出图7的多了一个2.66GHz的谐振点，这是由内环7产生的。

图8给出了天线系统的主轴增益随频率的变化曲线，在整个1.7～2.7GHz频率段上天线系统的主轴增益范围为8.0±0.5dBi，满足基站天线的设计要求。

综上所述，图6、图7和图8中给出的天线指标完全可以满足1710～2690MHz频段的基站振子天线系统的使用要求。

为了更好地解释该天线系统的工作原理，图9、图10和图11分别给出了其中一个天线单元在其三个不同谐振频段下的天线电流分布图。特别指出，图9中给出的是该天线单元在其第一个谐振频率2.05GHz的电流分布图；图10中给出的是该天线单元在其第二个谐振频率2.25GHz的电流分布图；图11中给出的是该天线单元在其第二个谐振频率2.66GHz的电流分布图。从图9中我们可以清晰地看出在2.05GHz的谐振频率下电流分布的最大强度集中在天线单元外圈6的每一条边框上，这也就是说该谐振是由天线单元这部分产生的。从图10中可以看出，在2.25GHz的谐振频率下电流分布的主要集中在一个天线子单元5的外圈6的四条边框和另一天线子单元5的外圈6靠近中心的两条边框上，因此，我们可以说2.25GHz这个谐振是由一个天线子单元5的外圈6的四条边框和另一天线子单元5的外圈6靠近中心的两条边框产生的。从图11中可以看出，在2.66GHz的谐振频率下电流分布的主要集中在天线单元的内环7以及外圈6与内环7之间的回路L中，因此，我们可以说2.66GHz这个谐振是由天线单元的内环7及回路L产生的。

图12是本实施例宽频基站振子天线1主极化及交叉极化的增益方向图，从图12可看出在主轴方向上，天线的交叉极化比约为25dB，能满足“基站天线主轴方向交叉极化比应不小于15dB”的设计要求。

综上，本案的宽频基站振子天线1是基于多模谐振的原理，使天线振子的不同谐振频率靠近，从而达到宽频的效果的。由于本案中的两个天线单元分别是±45°的双极化，空间上呈正交关系，所以本案的天线单元之间具有很好的隔离度，优于20dB。同时，传统天线振子需要把同轴电缆的内外导体分别与天线辐射体及反射板进行焊接，加工复杂，而本案的基站天线振子只需将基板3、竖向支撑板4及底板2进行卡扣，再对竖向支撑板4背面的短路片14进行焊接，即可完成宽频基站振子天线1的加工，两者相对比，后者结构简单，加工容易。

特别说明，这里我们需要强调的是本案的设计方案和专利CN207009649U及CN207938802U中所提出的方案的有着如下的本质区别：本案提出的天线振子采用“倒钩”型微带线巴伦进行耦合馈电，且天线振子具有方形的平面结构，能覆盖整个1710～2690MHz频带，具有宽频带、结构简单、平面化的优点。

容易理解的，虽然本实施例只对在1710～2690MHz频带工作的天线单元进行了分析和描述，但是本案的天线设计原理也可以应用到699～960MHz及其他工作频段。

综上所述，本发明提供的宽频基站振子天线及基站天线能够覆盖广频段、性能优良，具有平面化、多模谐振和增益稳定等优点；结构简单、制造方便、生产成本低。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.宽频基站振子天线，包括底板，其特征在于：还包括基板和两对呈夹角设置的支撑板组，每个所述支撑板组均包括两个间隔设置的竖向支撑板，基板位于底板的上方，竖向支撑板连接所述底板与所述基板；所述基板的顶面设有两对呈90度夹角的天线单元，每对所述天线单元均包括两个天线子单元，所述天线子单元包括外圈和内环，所述内环位于所述外圈内并与所述外圈相连；每个所述支撑板组上均设有呈倒勾状的微带线馈电巴伦，所述微带线馈电巴伦与其所对应的天线单元耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述基板上设有第一插孔，所述竖向支撑板的顶端设有与所述第一插孔相配合的第一插块。

3.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述底板上设有第二插孔，所述竖向支撑板的底端设有与所述第二插孔相配合的第二插块。

4.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述外圈的轮廓呈多边形，所述内环的轮廓与所述外圈的轮廓相同。

5.根据权利要求4所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述外圈的轮廓呈矩形，所述外圈的内侧具有朝外延伸的两个外延空隙，两个所述外延空隙相互垂直。

6.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述底板远离所述基板的一侧设有反射层。

7.根据权利要求6所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述反射层与所述天线单元之间的间距为30mm。

8.根据权利要求6所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述竖向支撑板远离所述微带线馈电巴伦的一侧设有短路片，所述短路片分别与所述天线子单元及所述反射层焊接。

9.根据权利要求1所述的宽频基站振子天线，其特征在于：所述天线子单元的外圈具有耦合部，所述内环通过所述耦合部与所述外圈相连。

10.基站天线，其特征在于：包括权利要求1-9中任意一项所述的宽频基站振子天线。

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