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CN116960637B - 一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线及通信设备 - Google Patents

一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线及通信设备 Download PDF

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CN116960637B CN202311218240.4A CN202311218240A CN116960637B CN 116960637 B CN116960637 B CN 116960637B CN 202311218240 A CN202311218240 A CN 202311218240A CN 116960637 B CN116960637 B CN 116960637B
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Abstract

本发明公开了一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线及通信设备，包括超表面结构、矩形寄生条、高频辐射单元及反射板，所述高频天线辐射单元设置在反射板的上方，所述超表面结构设置在高频天线辐射单元的上方，所述矩形寄生条设置在高频天线辐射单元上方，且位于超表面结构下方。本发明结构简单，天线整体剖面低，隔离度高。

Description

一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线及通信设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线及通信设备。
背景技术
随着移动通信技术不断发展，移动通信技术丰富了我们的生活。随着通信系统的更迭，现存在着多种制式的通信系统，并且预见在未来很长一段时间将保持多种通信应用标准并存局面，目前我国现在使用的通信系统有2G、3G、4G以及5G。天线是通信系统重要的组成部分，其性能直接影响无线系统通信的功能，因此能够同时支持多个制式的多频天线研究具有强烈的应用背景。随着通信制式要求的通信频段增加以及新的通信技术（如MIMO等）的引入，在同一个基站站址上挂载的天线数量不断增加，而基站选址困难，天面资源紧张，如何在有限空间放置多频段多天线，解决该问题极具研究价值。
为了解决这个问题，学者们采取了共口径融合的方式，即将不同频段的天线紧凑的放在一起，试图使得天线能在不同频段内正常工作。工作在不同频段的天线在共口径融合时，由于相互耦合，会使得阻抗匹配、端口隔离度和辐射性能恶化。有学者采用超表面加载的方式解决共口径中耦合问题，然而其增加了天线结构，增大了风阻。进一步，有学者通过将低频天线和超表面结构融合设计实现天线共口径，在此类设计中通常天线整体剖面高度为0.2λL（其中λL为低频最低频点自由空间波长），仍存在进一步天线小型化以节约天面空间。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线。
本发明通过复用超表面结构，将超表面结构作为低频天线辐射单元的一部分，使低频天线辐射单元正常工作的同时，又因其超表面结构具有的高频透射特性，解决了在共口径布局中，高频天线辐射被低频天线遮挡的问题；
本发明复用矩形寄生条结构，在拓宽低频带宽的同时，提高高频天线增益，最终实现两个工作在不同频段的宽带天线的共口径融合。
本发明的另一目的在于提供一种通信设备。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线，包括超表面结构、矩形寄生条、高频天线辐射单元及反射板，所述高频天线辐射单元设置在反射板的上方，所述超表面结构设置在高频天线辐射单元的上方，所述超表面结构设置在介质基板的第一面，所述介质基板的第二面设置矩形寄生条，所述超表面结构和矩形寄生条构成低频天线辐射单元；
当超表面结构被激励时，矩形寄生条出现耦合电流，在天线的低频段形成一个谐振点，改善超表面结构的阻抗匹配。此外，矩形寄生条的加入可以恢复高频辐射天线单元在2-2.2GHz处的增益。
进一步，所述超表面结构由M×N个超表面单元呈阵列排布构成，阵列形状为方形，所述超表面单元由方环及内嵌方环的正方形贴片构成。
进一步，所述超表面单元包括第一超表面单元及第二超表面单元，位于方形四个角的超表面单元为第一超表面单元，位于方形其它位置的超表面单元为第二超表面单元；
所述超表面结构采用差分馈电方式，具体是，第一超表面单元通过金属柱与同轴线的内芯连接，所述反射板与同轴线的外芯连接，实现双极化辐射。
进一步，第二超表面单元及第一超表面单元的正方形贴片尺寸不同，通过调整超表面单元的正方形贴片尺寸，控制超表面结构的透射性能。
进一步，所述第一超表面单元开有圆环槽。
进一步，所述矩形寄生条为四条，四条矩形寄生条旋转对称地设置在超表面结构的周围。
进一步，高频天线辐射单元、超表面结构、四个矩形寄生条及反射板关于同轴对称。
进一步，所述高频天线辐射单元具体是偶极子天线。
进一步，所述超表面结构距离反射板高度为0.1λL，λL为低频最低频点自由空间波长。
一种通信设备，包括所述的低剖面双频融合天线。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明频段覆盖860MHz-960MHz和1700MHz-2200MHz两个频段，增益分别为9.5±1dBi和10±0.5dBi。相较于其他共口径融合天线，且其整体剖面仅为0.1λL（35mm），具有明显优势；
（2）本发明巧妙通过超表面结构的高频透射特性，避免了共口径布局中，高频天线受低频天线的遮挡而出现的辐射方向图凹陷的问题；
（3）本发明中超表面结构作为一个低频天线工作时，其工作带宽比较窄，矩形寄生条设置在超表面结构的周围，增加一个谐振点，扩展了低频天线带宽；与此同时，由于超表面结构加入，高频增益在2-2.2GHz处开始下降，矩形寄生条的加入恢复了2-2.2GHz处的增益，保证了高频天线的波束宽度；
（4）本发明中超表面单元包括正方形贴片及方环，在不改变低频天线性能的情况下，可调节正方形贴片边长尺寸实现频段的透射性，增加了天线设计的自由度，通过调节正方形边长尺寸，实现与其他频段的融合；
（5）本发明在高频天线辐射单元上方设置超表面结构，可作为高频天线的容性加载，使得高频天线剖面降低，最终实现的天线整体剖面为0.1λL，实现了天线的小型化，节约了天面空间。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是图1中隐藏高频天线辐射单元后，超表面结构的俯视图；
图4是本发明实施例1中在未加载矩形寄生条时两个超表面单元在高频段的反射系数图；
图5（a）是本发明实施例1中三种情况下高频天线增益的对比图，图5（b）是本发明实施例1中加载超表面结构的高频天线在加载矩形寄生条前后半功率波束宽度对比图；
图6是本发明实施例1中超表面结构加载矩形寄生条前后阻抗匹配的对比图；
图7（a）是本发明实施例1中高频天线辐射单元阻抗匹配示意图；
图7（b）是本发明实施例1中高频天线辐射单元增益及半功率波束宽度示意图；
图7（c）-图7（e）是本发明实施例1中高频天线辐射单元在1.7GHz、1.96GHz及2.2GHz的方向图；
图8（a）是本发明实施例1中低频天线辐射单元的阻抗匹配示意图。
图8（b）是本发明实施例1中低频天线辐射单元增益及半功率波束宽度示意图；
图8（c）-图8（e）是本发明实施例1中低频频天线辐射单元在0.86GHz、0.91GHz及0.96GHz的方向图。
具体实施方式
下面结合实施例，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1
如图1-图3所示，一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线，包括超表面结构1、高频天线辐射单元2、寄生条及反射板4，所述寄生条为矩形寄生条3，其中超表面结构1与矩形寄生条3共同构成低频天线辐射单元。
本实施例中，所述高频天线辐射单元2放置在反射板4上方，与反射板距离为30mm。所述超表面结构放置在高频天线辐射单元上方5.5mm处。所述超表面结构的介质基板相对介电常数为3.55，厚度为1.524mm。所述高频天线辐射单元的介质基板相对介电常数为2.2，厚度为0.51mm。
进一步，所述超表面结构设置在介质基板的第一面，所述矩形寄生条设在同一块介质基板的第二面，所述第一面及第二面为相对面，本实施例中第一面为介质基板的上表面，第二面为介质基板的下表面。
具体地，矩形寄生条为四条，四条矩形寄生条旋转对称设置在介质基板的下表面，且在超表面结构的周围设置，超表面结构的整体结构为方形，方形每一条边外侧对应设置一个矩形寄生条。
本实施例实现天线的双频共口径融合，但是在插花式布局下，高频天线辐射单元放置在低频天线辐射单元下方时，由于低频天线辐射单元相对于高频天线辐射单元属于电大尺寸的遮挡物，低频天线辐射单元对高频天线辐射单元在高频工作频段内会产生辐射遮挡，导致高频天线辐射单元的阻抗匹配失配及辐射方向图产生畸变，所述畸变包括表征凹陷、偏转以及抖动波纹。为了克服上述缺陷，本发明巧妙设计，将低频天线辐射单元中的超表面结构设计为可调整的具有高频透射的频率选择表面，使得本发明在不加入任何其它附加结构的情况下，实现高频天线辐射单元的正常辐射。
本实施例中超表面单元在高频段反射系数如图4所示，主要测试平面波从超表面单元下表面到上表面的反射系数，如果在某个频段内具有凹陷点，说明该频点上被反射的能量比较少，绝大部分平面波成功透射到另一面。一般认为，反射系数越靠近0，波越不能透射传播，越远离0，越能透射传播。当反射系数达到-10dB以下则说明，平面波90%的能量被透射。
如图4所示，本实施例在未加载矩形寄生条的情况下，两个超表面单元反射系数平均达到-8dB，实现了高透射性能。
另外，本发明通过调整方形贴片的边长改变最低点频率，实现对超表面结构高频透射性能的控制，具体是当方形贴片的尺寸越大，则凹陷点越往低频移动，低频透射性能越好。 本发明超表面结构作为部分反射表面进行工作时，提高和保持部分高频频段内的增益，但是在2-2.2GHz处，其增益开始滚降，通过加载矩形寄生条恢复天线在2-2.2GHz频段内的增益和波宽，如图5（a）和图5（b）所示。
本实施例中当超表面结构被激励时，矩形寄生条上会出现耦合电流，其耦合电流等效于一个偶极子，在低频形成一个谐振点，其长度决定天线的谐振频率。矩形寄生条为容性加载，改善超表面结构的阻抗匹配。如图6所示，加载矩形寄生条后，阻抗匹配由-5dB变为-15dB。
进一步，所述超表面结构由M×N个超表面单元呈阵列排布构成，阵列形状为方形，在±45°实现双极化。本实施例中方形优选正方形。所述超表面单元包括方环及内嵌方环内的正方形贴片，所述超表面单元为对称结构，满足对高频辐射天线单元两个方向极化波，且具有相同的透射性。
具体地，所述超表面单元包括第一超表面单元8A及第二超表面单元8B，第一及第二超表面单元的方形贴片尺寸不同。
优选为：第一超表面单元设置在正方形矩阵的四个角，第二超表面单元设置在正方形矩阵除四个角的其它位置。通过调整第二超表面单元的方形贴片尺寸，使其与第一超表面单元的方形贴片尺寸不同，实现频段反射率的改变，能够在保持低频性能不受影响的情况下，更好地恢复高频天线的辐射性能和S参数。
为了抵消低频天线中过高的电感，在第一超表面单元8A上开有圆环槽9，圆环槽中心位于同轴内径与超表面结构相接处。通过调整圆环槽的内径和外径，可调整其阻抗匹配。本实施例中，圆环槽的内径为2.9mm，外径尺寸为3.02mm。
由于超表面结构的加载高度不仅对高频天线性能有影响，而且也会影响低频天线的匹配，本实施例通过开圆环槽不仅对高频天线性能影响忽略不计，而且也能优化低频天线性能；超表面结构高度与反射板的加载距离会对低频天线阻抗匹配带来感性变化，可通过圆环槽的内外径调节回来。
本实施例中高频天线辐射单元的介质基板下表面距离反射板高度为30mm。超表面结构距离反射板高度为35.5mm，具体0.1λL，其中λL为低频最低频点自由空间波长。
所述超表面结构采用差分馈电形式，由四根同轴线及金属柱实现，其中，同轴线外芯均与反射板相连接，四根内芯分别与四根金属柱5A、5B、5C、5D相连，四个金属柱再分别与四角的第一超表面单元8A相连接，其中，金属柱5A和金属柱5C形成一对差分馈电，当其馈入等幅反相的激励时，低频天线将以﹣45度线极化方式向外辐射，金属柱5B和金属柱5D形成另一对差分馈电，可形成45度线极化。
本实施例中，所述超表面结构的优选尺寸为：
所述超表面结构采用3x3个超表面单元共面布局的方式。所述超表面单元由一个正方形贴片和一个方环构成。本实施例中，第一及第二超表面单元8A、8B的方环内边长尺寸均为36.1mm，外边长尺寸均为36.3mm，超表面单元的单元周期为40.5mm，第一超表面单元8A的正方形贴片边长为31mm，第二超表面单元8B的正方形贴片边长为29.8mm。
所述高频天线辐射单元包括第一高频辐射臂7A、第二高频辐射臂7B、第三高频辐射臂7C、第四高频辐射臂7D、高频馈线结构10A和10B以及同轴线6A和6B。所述第一高频辐射臂7A、第二高频辐射臂7B及高频馈线10B印制在高频介质基板的下表面，所述第三高频辐射臂7C、第四高频辐射臂7D及高频馈线10A印制在高频介质基板的上表面，所述第一高频辐射臂7A及第三高频辐射臂7C构成-45度极化振子，由高频馈线10B馈电，所述第二高频辐射臂7B及第四高频辐射臂7D构成45度极化振子，由高频馈线10A馈电，所述两条同轴线分别与高频馈线10A、10B相连。
两条高频馈线相互垂直，交点位于高频介质基板的中心点。
所述四个高频辐射臂的结构相同，大小尺寸也相同，均印制在高频介质基板上。
所述高频同轴线与高频馈线10A、高频馈线10B垂直。
所述高频天线的工作频段为1700MHz-2200MHz，所述低频天线的工作频段为860MHz-960MHz。
如图7（a）-图7（e）为本实施例中高频天线阻抗带宽及隔离度、增益及半功率波束宽度、方向图，本发明中高频天线在带宽为1700MHz-2200MHz内，端口隔离度可达30dB以上，且波束宽度稳定在60-65度内，增益为10±0.5dBi。
如图8（a）-图8（e）为本实施例中低频天线阻抗带宽及隔离度、增益及半功率波束宽度、方向图，本发明中低频天线在带宽为860MHz-960MHz内，端口隔离度可达45dB以上，但波束宽度较窄，增益为9.5±1dBi。
本双频融合天线具有结构新颖，操作简单，制作方便，剖面较低等特点。
实施例2
一种通信设备，包括如实施例1所述的一种基于双功能超表面低剖面双频融合天线，从上至下依次包括超表面结构、矩形寄生条、高频天线辐射单元及反射板。
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。

Claims (8)

1.一种基于双功能结构的低剖面双频融合天线，其特征在于，包括超表面结构、高频天线辐射单元及反射板，所述高频天线辐射单元设置在反射板的上方，所述超表面结构设置在高频天线辐射单元的上方，所述超表面结构设置在介质基板的第一面，所述介质基板的第二面设置矩形寄生条，所述超表面结构和矩形寄生条构成低频天线辐射单元；
矩形寄生条用于恢复高频天线辐射单元在2-2.2GHz处的增益；
所述超表面结构由M×N个超表面单元呈阵列排布构成，阵列形状为方形，所述超表面单元由方环及内嵌于该方环的正方形贴片构成；
所述超表面单元包括第一超表面单元及第二超表面单元，位于方形四个角的超表面单元为第一超表面单元，位于方形其它位置的超表面单元为第二超表面单元；
所述超表面结构采用差分馈电方式，第一超表面单元与同轴线的内芯连接，所述反射板与同轴线的外芯连接，实现双极化辐射。
2.根据权利要求1所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，第二超表面单元及第一超表面单元的正方形贴片尺寸不同，通过调整两个超表面单元的正方形贴片尺寸，控制超表面结构的高频透射性能。
3.根据权利要求2所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，所述第一超表面单元开有圆环槽。
4.根据权利要求1-3任一项所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，所述矩形寄生条为四条，四条矩形寄生条旋转对称地设置在超表面结构的周围。
5.根据权利要求4所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，高频天线辐射单元、超表面结构、四个矩形寄生条及反射板关于同轴对称。
6.根据权利要求1所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，所述高频天线辐射单元具体是偶极子天线。
7.根据权利要求1所述的低剖面双频融合天线，其特征在于，所述超表面结构距离反射板高度为0.1λL ，λL为低频最低频点自由空间波长。
8.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的低剖面双频融合天线。
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