一种频带增强双极化基站天线的制作方法

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种适用于imt/2g/3g/4g移动通信系统的宽带基站天线。

背景技术：

随着移动通信技术的发展，世界各国运营商都在开发部署兼容imt（1427mhz-1515mhz）和2g/3g/4g（1710mhz-2690mhz）的通信系统。而目前的双极化基站天线仅能覆盖2g/3g/4g频段，如果同一个天线可实现imt/2g/3g/4g频段全覆盖，将极大减少天线数量和提高空间利用效率。因此，设计一款带宽覆盖imt/2g/3g/4g的高性能双极化基站天线具有极大的商业价值。

设计一款带宽覆盖imt/2g/3g/4g的高性能双极化基站天线不仅要使阻抗带宽满足要求，同样需要确保辐射天线方向图和异极化隔离度在带内具有良好的性能。同时，希望天线尺寸相较传统的双极化基站天线仅存在频率变换上的尺寸增大。

传统的双极化基站天线在实现宽带化的过程中存在诸多缺陷。第一，传统的双极化基站天线利用半波振子谐振和两对正交半波振子间耦合谐振特性，形成两个谐振点，实现1710-2690mhz频段的覆盖。但面对1427mhz-2690mhz频段，传统的双谐振点已经无法覆盖如此宽的带宽，需要重新设计天线结构。第二，为保证天线在带内具有良好的驻波特性和异极化隔离度，需要采用寄生、耦合及加载等方法，改善天线输入阻抗的稳定性和辐射电流的正交性。第三，天线物理尺寸正比于最低工作频率，随着工作带宽低频下移至1427mhz，天线物理尺寸必然增加。但辐射单元口径的增加，将导致高频方向图的水平面波束宽度变窄，降低带内方向图稳定性。

专利cn107799886a公开了一种新型扩频宽带基站天线，该天线所述u型缝隙的弧度部分位于辐射臂的中心位置，其开口方向朝向半圆形贴片，且开口宽度与半圆形贴片相对应；所述耦合单元由三个圆形金属片构成，三个圆形金属片纵向排列。该发明耦合单元由三层圆形金属片构成，需要额外安装固定件，增加天线复杂度。同时，采用四个辐射臂分别位于介质基板上下两面，导致同轴馈电线焊接可靠性下降。

专利cn107196039a公开了一种带宽扩展宽带基站天线，该天线所述第一耦合单元2包括若干个寄生片2a和环多边形结构2b；所述第三耦合单元4是一个圆环结构，位于所述天线辐射体1的正上方；所述第二耦合单元3是四个金属矩形条，垂直立于所述第一耦合单元2中环多边形结构2b的四周。该发明增加多组不同的耦合单元，增大天线口径面尺寸，导致得天线结构复杂，不利于实际产品应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种新型频带增强双极化基站天线，该天线工作带宽覆盖1400mhz-2800mhz，具有宽带宽、高隔离、高增益、方向图水平波束宽度稳定度高的优点。

本发明采用如下技术方案：

一种频带增强双极化基站天线，包括反射板、支撑结构、辐射单元和寄生单元，所述辐射单元通过支撑结构固定在反射板上方，所述寄生单元通过绝缘柱固定在辐射单元上方，其特征在于：所述辐射单元包括介质基板以及位于介质基板上的第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂和第四辐射臂，所述第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂和第四辐射臂关于辐射单元中心旋转对称；所述第一辐射臂与第三辐射臂构成＋45°极化振子，所述第二辐射臂与第四辐射臂构成-45°极化振子；四个所述辐射臂均由金属贴片和位于金属贴片顶角向内第一位置的金属柱构成，所述金属贴片的顶角向内的第二位置还开设有以该第二位置为中心的具有对称结构的缝隙，该缝隙具有平行于所述金属贴片边的延伸段，对称的两条延伸段相交形成以朝向辐射单元中心的开口；所述寄生单元包括圆形金属片和四个金属臂，所述四个金属臂关于圆形金属片旋转对称；四个所述金属臂与四个辐射臂的位置相对应。

本发明通过在金属贴片上开设由延伸段形成的具有开口指向辐射单元中心的缝隙，改变终端电流分布激励第三高次模，在带内产生第三谐振点拓展带宽。通过金属贴片顶角焊接金属柱，增加电流路径减小天线尺寸，稳定方向图水平波束宽度同时增加增益。

所述第一位置和第二位置均位于辐射单元中心与金属贴片顶角之间的连线上，所述第一位置到所述金属贴片顶角的距离小于所述第二位置到所述金属贴片顶角的距离。

所述寄生单元中心与辐射单元中心位于同一轴线上，所述寄生单元通过绝缘柱固定在辐射单元上方，距离为0.15-0.25λ；所述圆形金属片直径为0.15-0.25λ，λ为天线工作中心频率2.1ghz对应真空波长。采用寄生圆形金属片设计，在改善带内阻抗平稳性的同时降低寄生单元高度和复杂度，减少因为寄生单元导致的方向图畸变和水平波束宽度恶化。

所述缝隙长度为0.25-0.55λ，宽度为0.001-0.1λ。

所述辐射单元与反射板距离为0.2-0.4λ。

相邻两所述金属贴片之间距离由辐射单元中心向外逐渐增大，在所述金属贴片边缘处，增大距离变化率。通过辐射臂间距渐变的设计，稳定带内阻抗变化率。

所述支撑结构包括第一巴伦耦合电路板、第二巴伦耦合电路板和介质底板；所述第一巴伦耦合电路板与第二巴伦耦合电路板垂直交叉放置，其轴线与辐射单元中心对齐；所述第一巴伦耦合电路板包括第一γ形金属贴片、第一矩形金属地、第三矩形金属地和第一介质基板，所述第二巴伦耦合电路板包括第二γ形金属贴片、第二矩形金属地、第四矩形金属地和第二介质基板，所述第一γ形金属贴片和第一矩形金属地、第三矩形金属地分别印制于第一介质基板前后表面，所述第二γ形金属贴片和第二矩形金属地、第四矩形金属地分别印制于第二介质基板前后表面，所述第一巴伦耦合电路板和第二巴伦耦合电路板固定在介质底板上，所述介质底板固定在反射板上；所述第一矩形金属地上部、第三矩形金属地上部分别与所述第一辐射臂、第三辐射臂连接，所述第二矩形金属地上部、第四矩形金属地上部分别于所述第二辐射臂、第四辐射臂连接，所述第一矩形金属地下部、第二矩形金属地下部、第三矩形金属地下部及第四矩形金属地下部与介质底板下表面连接；所述第一γ形金属贴片通过对第一矩形金属地、第三矩形金属地耦合馈电，实现＋45°极化振子激励；所述第二γ形金属贴片通过对第二矩形金属地、第四矩形金属地耦合馈电，实现-45°极化振子激励。通过耦合馈电方式在解决电流非平衡-平衡的转换的基础上，简化了焊接装配过程，确保焊接可靠性同时降低了与二级电路级联的复杂度。

所述第一γ形金属贴片和第二γ形金属贴片处于同一旋向。

所述金属臂为十字形金属臂，四个十字形金属臂分别位于四个辐射臂正上方，所述十字形金属臂与辐射臂轴线对齐。

所述四个十字形金属臂分别位于四个辐射臂正上方，所述十字形金属臂与辐射臂轴线对齐，采用十字形金属臂和圆形金属片连接的设计，产生正交感应电流，抑制近场异极化辐射，改善异极化端口隔离度；

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明带宽完全覆盖1400-2800mhz，不仅适用于2g/3g/lte(4g)系统还适用于imt系统。

2、本发明结构新颖，具有宽带宽、高隔离、高增益、方向图水平波束宽度稳定度高、易于装配焊接的优点。

3、本发明通金属贴片之间距离渐变的设计，稳定带内阻抗变化率，优化带内驻波特性。

4、本发明通过金属贴片末端开设角型缝隙，在不增辐射单元复杂度和恶化表面电流的前提下，改变终端电流分布激励第三高次模，在带内产生第三谐振点实现拓展带宽的目标。

5、本发明通过金属贴片顶角焊接金属柱如螺钉，增加电流路径减小天线尺寸，稳定方向图水平波束宽度同时增加增益。

6、本发明采用寄生圆形金属片的设计，在改善带内阻抗平稳性的同时，降低寄生单元高度和复杂度，减少因为寄生单元导致的方向图畸变和水平波束宽度恶化。

7、本发明采用十字形金属臂和圆形金属片连接的设计，产生的正交感应电流，抑制近场异极化辐射，改善异极化端口隔离度。

8、本发明采用巴伦耦合馈电方式，在解决电流非平衡-平衡的转换的基础上，简化了焊接装配过程，确保焊接可靠性同时降低了与二级电路级联的复杂度。

附图说明

图1所示为本发明一种频带增强型双极化基站天线的三维结构图；

图2所示为本发明一种频带增强型双极化基站天线的侧视图；

图3所示为本发明一种频带增强型双极化基站天线的俯视图；

图4所述为本发明一种频带增强型双极化基站天线的耦合馈电板结构图，其中a为第一巴伦耦合馈电板结构图，b为第二巴伦耦合馈电板结构图；

图5所示为本发明实施例的驻波；

图6所示为本发明实施例的隔离；

图7所示为本发明实施例的水平面方向图；

图8所示为以下三种情况的驻波：情况1：有角型缝隙有寄生单元（本发明实施例），情况2有角型缝隙无寄生单元，情况3无角型缝隙无寄生单元；

图9所示为本发明实施例驻波与角型缝隙长度变化曲线；

图10所示为本发明实施例驻波与寄生单元高度变化曲线；

图11所示为本发明实施例驻波与寄生单元半径变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1-3所示一种新型频带增强型双极化基站天线，包括反射板1、支撑结构2、辐射单元3和寄生单元4，所述辐射单元3通过支撑结构2固定在反射板1上方，所述寄生单元4通过绝缘柱固定在辐射单元3上方。

辐射单元3包括第一辐射臂31a、第二辐射臂31b、第三辐射臂31c、第四辐射臂31d和介质基板32，介质基板32采用txl高频板材，介电常数2.65，厚度1mm。

第一辐射臂31a、第三辐射臂31c构成＋45°极化振子，第二辐射臂31b、第四辐射臂31d构成-45°极化振子。

四个辐射臂均由位于介质基板32上表面的金属贴片311和位于金属贴片顶角的金属螺钉312构成，在金属贴片311末端开有角型缝隙313，金属贴片对角线长为49mm。

支撑结构2包括第一巴伦耦合电路板21a、第二巴伦耦合电路板21b和介质底板22。所述第一巴伦耦合电路板21a包括第一γ形金属贴片211a、第一矩形金属地212a、第三矩形金属地212c和第一介质基板213a，所述第二巴伦耦合电路板21b包括第二γ形金属贴片211b、第二矩形金属地212b、第四矩形金属地212d和第二介质基板213b，所述第一γ形金属贴片211a和第一、第三矩形金属地212a、212c分别印制于第一介质基板213a前后表面，所述第二γ形金属贴片211b和第二、第四矩形金属地212b、212d分别印制于第二介质基板213b前后表面，所述第一、第二巴伦耦合电路板21a、21b固定在介质底板22上，所述介质底板22通过塑料铆钉固定在反射板1上；

所述寄生单元4包括圆形金属片41和四个十字形金属臂41，所述四个十字形金属臂42关于圆形金属片41旋转对称。

所述第一辐射臂31a、第二辐射臂31b、第三辐射臂31c、第四辐射臂31d关于辐射单元中心旋转对称。

所述金属贴片之间距离由辐射单元中心向外逐渐增大，在所述金属贴片边缘处，增大距离变化率，通过辐射臂间距渐变的设计，稳定带内阻抗变化率。

所述角型缝隙313位于所述金属贴片311轴线末端，其开口方向朝向辐射单元中心，所述角型缝隙313长度为44mm，宽度为2mm，通过开设角型缝隙，改变终端电流分布激励第三高次模，在带内2.7ghz附近产生第三谐振点。

所述金属螺钉312长9mm焊接于金属贴片顶角，且与金属贴片311垂直，通过金属贴片顶角焊接金属螺钉，增加电流路径减小天线尺寸，稳定方向图水平波束宽度和增加增益。

所述第一γ形金属贴片211a和第二γ形金属贴片211b处于同一旋向。

所述第一巴伦耦合电路板21a与第二巴伦耦合电路板21b垂直交叉放置，其轴线与辐射单元3中心对齐；

所述第一、第三矩形金属地212a、212c上部分别于所述第一、第三辐射臂31a、31c连接，所述第二、第四矩形金属地212b、212d上部分别于所述第二、第四辐射臂31b、31d连接，所述第一、第二、第三、第四矩形金属地212a、212b、212c、212d下部与介质底板22下表面连接；

所述第一γ形金属贴片211a通过对第一、第三矩形金属地212a、212c耦合馈电，实现＋45°极化振子激励，所述第二γ形金属贴片211b通过对第二、第四矩形金属地212b、212d耦合馈电，实现-45°极化振子激励，通过耦合馈电方式在解决电流非平衡-平衡的转换的基础上，简化了焊接装配过程，确保焊接可靠性同时降低了与二级电路级联的复杂度；

所述寄生单元4通过绝缘柱固定在辐射单元3上方，距离为22mm，所述寄生单元4中心与辐射单元3中心位于同一轴线上，所述圆形金属片41直径为32mm，采用寄生圆形金属片设计，一方面在改善带内阻抗平稳性的同时降低寄生单元高度和复杂度，实现1427-2690mhz带内驻波＜1.4，另一方面减少因为寄生单元导致的方向图畸变和水平波束宽度恶化。

所述四个十字形金属臂42分别位于四个辐射臂31正上方，所述十字形金属臂42与辐射臂轴线对齐，所述十字形金属臂长度15mm，宽度2mm，采用十字形金属臂和圆形金属片连接的设计，产生正交感应电流，抑制近场异极化辐射改善异极化端口隔离度，带内隔离度＜-37db远优于同类天线；

所述辐射单元3与反射板1距离为37mm。

本发明相较专利cn107799886a采用不同方法拓展带宽，同时克服由于耦合单元层数过多带来的装配困难和第二馈电线与同轴电缆外导体焊接的难题。

本发明相较专利cn107196039a采用不同方法拓展带宽，同时改善了由于多组耦合单元带来的天线尺寸过大的难题。

图5所示，为本发明实施例±45°极化端口驻波。由图5可知本发明实施例工作频带覆盖1400-2800mhz，双端口驻波＜1.5。

图6所示，为本发明实施例±45°极化端口间隔离。由图6可知本发明实施例在1400-2800mhz带宽内，隔离度＜-37db。

图7所示，为本发明实施例+45°极化端口水平方向图。由图7可知本发明实施例在1400、1800、2400、2700mhz频点上，增益＞8.6dbi，波束宽度稳定在66.5°±2.5°。

图8所示，为以下三种情况的驻波：情况1：有角型缝隙有寄生单元（本发明实施例），情况2有角型缝隙无寄生单元，情况3无角型缝隙无寄生单元。由图8可知情况1、情况2对比情况3，在设置了角型缝隙在高频（2.8ghz）附近产生新的谐振点，拓展了高频带宽。情况1对比情况2，在设置了寄生单元后，1400-2800mhz带内驻波整体小于1.5.

图9所示为，本发明驻波与角型缝隙长度变化曲线；由图9可知角型缝隙长度为44mm时，在高频（2.8ghz）产生新的谐振点，当角型缝隙长度增加至48mm或减小至40mm时，高频谐振点消失。

图10所示为，本发明驻波与寄生单元高度变化曲线；由图10可知寄生单元高度为22mm时，1400-2800mhz带内驻波小于1.5，当寄生单元高度逐渐减小时，驻波逐渐恶化无法满足驻波小于1.5的要求。

图11所示为，本发明驻波与寄生单元半径变化曲线；由图11可知寄生单元半径为16mm、时，驻波波动最稳定，当寄生单元半径增加至20mm或减小至12mm时，驻波出现高频恶化、低频改善或高频改善、低频恶化的现象。

本频带增强双极化基站天线具有结构新颖，宽带宽、高隔离、高增益、方向图水平波束宽度稳定度高、易于装配焊接的优点。

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所述实施例的限制，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。