一種用于5g移動(dòng)通信的寬帶小型化天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，包括金屬貼片、平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元、寬帶巴倫、梯形喇叭、圓環(huán)和反射地，梯形喇叭的外壁、圓環(huán)的內(nèi)壁和反射地組成異形反射腔。本實(shí)用新型針對(duì)5G低頻段(6GHz以下)，提出一種新穎的天線結(jié)構(gòu)，通過加載圓形金屬貼片和設(shè)計(jì)獨(dú)特的異形反射腔等方法設(shè)計(jì)一種圓極化寬帶小型化天線，尺寸簡(jiǎn)單緊湊，在3GHz—6GHz工作頻段內(nèi)阻抗和輻射特性性能良好，能滿足5G大規(guī)模MIMO天線陣列的要求。
【專利說明】
一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)的研究已在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開，2015年世界無(wú)線電大會(huì)(WRC-15)的首要議題就是在6GHz以下頻段為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)尋找頻譜資源。 5G頻率規(guī)劃由低頻段和高頻段組成，其中低頻段(6GHz以下)由于良好的傳播特性等原因仍然是5G系統(tǒng)的核心頻段，重點(diǎn)解決5G無(wú)處不在的用戶體驗(yàn)，以及物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景的需求;高頻段(6GHz以上)是5G重要補(bǔ)充頻段，主要用于滿足5G增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)等需求。全球一致性是當(dāng)前各個(gè)國(guó)家和地區(qū)選取5G待研究頻段的普遍考慮與未來(lái)5G頻率規(guī)劃的重要依據(jù)，也將是5G標(biāo)準(zhǔn)全球化的重要前提。ITU預(yù)計(jì)到2020年將會(huì)有多達(dá)880MHz頻譜的缺口，在全球已經(jīng)發(fā)放的TDD牌照中，基于3.5GHz頻段(3.4-3.8GHz)的超過50%。3.5GHz可提供多達(dá)400MHz頻譜。隨著WRC-15的進(jìn)一步推動(dòng)，甚至能夠釋放出另外的400MHz頻譜(3.8_ 4.2GHz)。未來(lái)頂T潛在候選頻段主要也包括3300-3400MHz、4400-4500MHz、4800-4990MHZ 以及 5100-5600MHZ 等。[〇〇〇3]作為5G核心技術(shù)的大規(guī)模MM0技術(shù)，其基本特征是在基站側(cè)配置數(shù)量眾多的天線陣列(從幾十至幾百)，利用空分多址(SDMA)原理，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶。由于大規(guī)模天線陣列帶來(lái)的巨大陣列增益和干擾抑制增益，使得頻譜效率得到了極大的提升。
[0004]隨著天線數(shù)目的增加，天線占據(jù)的面積增大，這就給天線安裝和基站選址帶來(lái)了麻煩。例如基站側(cè)配置有128根天線，如果排列呈均勻線性陣列，天線間距為半波長(zhǎng)，在中心載頻為3GHz時(shí)，半波長(zhǎng)為5厘米，則線性陣列的長(zhǎng)度為6.4米，這在工程上顯然不可接受。通過采用小型化天線、減小天線間距以及改變天線陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，可以減小天線陣列的物理尺寸。但天線拓?fù)涞母淖?，隨之改變信道特征，從而影響信號(hào)預(yù)編碼技術(shù)以及系統(tǒng)的性能等;天線間距小于半波長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)天線之間的相關(guān)特性變化，以及天線之間的耦合增加，產(chǎn)生柵瓣，從而影響系統(tǒng)的性能。對(duì)于線性陣列，當(dāng)天線間距小于半波長(zhǎng)時(shí)，性能急劇下降。該性能的下降主要由天線的相關(guān)性所引起，而天線耦合不僅沒有降低性能，反而有所提升性能。而對(duì)于平面陣列來(lái)說，當(dāng)天線間距小于1倍波長(zhǎng)時(shí)，性能就急劇下降。同樣的，該性能的下降主要由天線的相關(guān)性引起，天線耦合帶來(lái)的影響微乎其微。可以看出，降低天線間距確實(shí)可以增加工程安裝的可行性，但是會(huì)導(dǎo)致性能的下降，同時(shí)不同天線擺放對(duì)天線間距的敏感程度也不一樣，所以綜合考慮天線擺放模式、天線間距以及數(shù)據(jù)發(fā)送方法對(duì)系統(tǒng)性能的影響是重要的研究方向之一。為了減小天線耦合的影響，可以考慮相鄰天線間選擇不同極化方向的天線，如相鄰天線分別使用左右圓極化天線或者正/負(fù)45°的天線。
[0005]平面等角螺旋天線是一種較普遍的寬帶天線，屬于非頻變天線系列。這種天線能夠在很寬的頻帶內(nèi)具有良好的阻抗特性、方向圖特性以及圓極化特性，但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上大部分體積和尺寸都比較大。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，面向5G移動(dòng)通信系統(tǒng)，提供一種新型寬帶小型化天線，滿足5G系統(tǒng)大規(guī)模MM0天線陣列的要求，降低5G通信系統(tǒng)建設(shè)成本。
[0007]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是:一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，包括金屬貼片、平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元、寬帶巴倫、梯形喇叭、圓環(huán)和反射地，金屬貼片安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元上，平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元固定在反射地上，平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元的等角螺旋線與寬帶巴倫相連接，圓環(huán)安裝在反射地的上方，梯形喇叭安裝在圓環(huán)內(nèi)，梯形喇叭位于反射地的上方，梯形喇叭的外壁、圓環(huán)的內(nèi)壁和反射地組成異形反射腔。
[0008]作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，寬帶巴倫內(nèi)部設(shè)置有指數(shù)漸變反射地和指數(shù)漸變微帶線，寬帶巴倫由梯形喇叭的內(nèi)腔覆蓋，寬帶巴倫穿過梯形喇叭連接在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元上。
[0009]作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，金屬貼片為圓形金屬貼片，金屬貼片安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元的中心位置，金屬貼片與平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元之間的距離為 2mm 〇
[0010]作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元為介電常數(shù)為2.55的 TLX-8板材。
[0011]本實(shí)用新型具有積極的效果:1)本實(shí)用新型采用平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元設(shè)計(jì)，工作在3.3GHz-5.8GHz范圍寬頻帶，覆蓋國(guó)際電信聯(lián)盟WRC-15工作組候選的5G低頻段；
[0012]2)本實(shí)用新型采用圓形金屬貼片，同時(shí)圓形金屬貼片距離平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元為兩毫米，有效的改善了圓極化天線的軸比；
[0013]3)本實(shí)用新型的梯形喇叭的外壁、圓環(huán)的內(nèi)壁和反射地組成的異形反射腔提高了天線增益、改善了天線的駐波比，實(shí)現(xiàn)了天線良好的阻抗特性和輻射特性；
[0014]4)本實(shí)用新型平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元的等角螺旋線與寬帶巴倫連接部分的初始內(nèi)外徑采用扇形漸變結(jié)構(gòu)，可以與寬帶巴倫更好的阻抗匹配，減少傳輸不連續(xù)性；
[0015]5)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于加工，一致性好；
[0016]6)本實(shí)用新型易于安裝，可以根據(jù)不同的天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自由組成大規(guī)模MM0天線陣列，實(shí)現(xiàn)天線多波束合成?！靖綀D說明】

[0017]為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中:
[0018]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2是本實(shí)用新型的剖面圖；
[0020]圖3是平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元的示意圖；
[0021]圖4是寬帶巴倫的指數(shù)漸變反射地示意圖；[〇〇22]圖5是寬帶巴倫的指數(shù)漸變微帶線示意圖；
[0023]圖6是本實(shí)用新型的測(cè)試結(jié)果示意圖；
[0024]圖7是3.5GHz的天線方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果示意圖；[〇〇25]圖8是4.5GHz的天線方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果示意圖；[〇〇26]圖9是5.5GHz的天線方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果示意圖。[〇〇27]其中，1、金屬貼片，2、平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元，3、寬帶巴倫，4、梯形喇叭，5、圓環(huán)，6、反射地，31、巴倫漸變反射地，32、巴倫指數(shù)漸變微帶線?！揪唧w實(shí)施方式】[〇〇28]如圖1-5所示，本實(shí)用新型公開了一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，包括金屬貼片1、平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2、寬帶巴倫3、梯形喇叭4、圓環(huán)5和反射地6,金屬貼片 1安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2上，平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2固定在反射地6上， 平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2的等角螺旋線與寬帶巴倫3相連接，圓環(huán)5安裝在反射地6的上方，梯形喇叭4安裝在圓環(huán)5內(nèi)，梯形喇叭4位于反射地6的上方，梯形喇叭4的外壁、圓環(huán)5的內(nèi)壁和反射地6組成異形反射腔。其中，金屬貼片1通過尼龍螺絲固定在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2上，梯形喇叭4的內(nèi)壁直徑增大可明顯改善駐波。[〇〇29]寬帶巴倫3內(nèi)部設(shè)置有指數(shù)漸變反射地31和指數(shù)漸變微帶線32,寬帶巴倫3由梯形喇叭4的內(nèi)腔覆蓋，寬帶巴倫3穿過梯形喇叭4連接在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2上。由于平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2的等角螺旋線是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以需要加裝相應(yīng)的非平衡饋電到平衡饋電的轉(zhuǎn)換電路，即寬帶巴倫3實(shí)現(xiàn)平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2的輸入阻抗與饋電同軸線的特性阻抗的變換。
[0030]如圖4和5所示，指數(shù)漸變反射地31和指數(shù)漸變微帶線32為介電常數(shù)為4.6的FR4板材。其中，c為指數(shù)漸變反射地31和指數(shù)漸變微帶線32頂端寬度，g和a分別為指數(shù)漸變微帶線32和指數(shù)漸變反射地31底端寬度，b為寬帶巴倫3的有效高度。指數(shù)漸變微帶線32的特性阻抗沿軸線按照指數(shù)漸變規(guī)律變換到50歐姆。
[0031]金屬貼片1為圓形金屬貼片，金屬貼片1安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2的中心位置，金屬貼片1與平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2之間的距離為2mm，有效的改善了圓極化天線的軸比。[〇〇32]平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元2為介電常數(shù)為2.55的TLX-8板材，輻射損耗小。[〇〇33]如圖6所示，可以看出，該用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線工作在3.3-5.8GHz， 覆蓋國(guó)際電信聯(lián)盟WRC-15工作組候選的5G低頻段。[〇〇34] 如圖7-9所示為用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線分別在3.5GHz、4.5GHz、5.5GHz 的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果，可以看出在3.3-5.8GHz的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，滿足5G 移動(dòng)通信的應(yīng)用要求。
[0035]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，其特征在于:包括金屬貼片(1)、平面等角 螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)、寬帶巴倫(3)、梯形喇叭(4)、圓環(huán)(5)和反射地(6)，所述的金屬貼片 (1)安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)上，所述的平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)固定 在反射地(6)上，平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)的等角螺旋線與寬帶巴倫(3)相連接，所述 的圓環(huán)(5)安裝在反射地(6)的上方，所述的梯形喇叭(4)安裝在圓環(huán)(5)內(nèi)，所述的梯形喇 口八(4)位于反射地(6)的上方，梯形喇叭(4)的外壁、圓環(huán)(5)的內(nèi)壁和反射地(6)組成異形反 射腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，其特征在于:所述的 寬帶巴倫(3)內(nèi)部設(shè)置有指數(shù)漸變反射地(31)和指數(shù)漸變微帶線(32)，所述的寬帶巴倫(3) 由梯形喇叭(4)的內(nèi)腔覆蓋，所述的寬帶巴倫(3)穿過梯形喇叭(4)連接在平面等角螺旋結(jié) 構(gòu)天線陣元(2)上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，其特征在于:所述金 屬貼片(1)為圓形金屬貼片，所述金屬貼片(1)安裝在平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)的中 心位置，所述金屬貼片(1)與平面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)之間的距離為2_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于5G移動(dòng)通信的寬帶小型化天線，其特征在于:所述平 面等角螺旋結(jié)構(gòu)天線陣元(2)為介電常數(shù)為2.55的TLX-8板材。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK205723933SQ201620619384
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】陳平, 逄型棟, 羅清, 朱曉維, 蒯振起
【申請(qǐng)人】南京濠暻通訊科技有限公司