一种高隔离度低剖面宽带基站天线、控制方法及应用与流程

1.本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种高隔离度低剖面宽带基站天线、控制方法及应用。


背景技术：

2.目前，在突如其来的大型自然灾害和公共突发事件面前，常规的通信手段往往无法满足通信需求。特别是重大灾害发生后，由于基站受损造成通信能力大幅下降，甚至会导致通信的中断和瘫痪。空基通信平台就是一种很好的空地一体化应急通信手段，它一方面可以通过调整平台高度，通信距离可以达到几公里甚至几十公里，增大了通信覆盖范围；另一方面升空平台组网方便灵活，在山区、分散岛屿等特殊环境下都可以发挥它的重要作用。作为基站的核心部件天线应具有占地面积小、易于安装、功耗低、高增益等特点，这些特点可以充分降低对人力、电力，空间等资源的占用，对于快速建立应急通信网络具有现实意义。小尺寸天线单元有利于设紧凑结构的阵列，节约空间，低剖面的天线结构有利于天线集成化，高性能天线能够提供宽波束、高增益通信需求。因此建设小型化、高性能特征的空中基站天线是具有更为广阔的发展潜力和应用前景。
3.目前，在实现小型化天线上，包括两个方面工作，横向尺寸的减小和剖面高度的降低，常用的方法是通过加载寄生结构使工作频率向低频偏移，或者在辐射表面上进行不同的开槽和开缝延长表面电流路径，从而实现天线的小型化。文献“y.liu，h.yi，f.-w.wang and s.-x.gong，"a novel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station，"in ieee antennas and wireless propagation letters，vol.12，pp.1335-1338，2013，doi:10.1109/lawp.2013.2285373”。该天线的尺寸仅为0.513λ0
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0.513λ0
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0.388λ0，通过加载寄生环拓宽天线低频带宽，加载引向器拓宽天线高频带宽，实现驻波比1.5以下工作带宽为1.71ghz-2.69ghz，隔离度大于22db，增益达到8dbi。
4.在宽带化基站天线设计方面主要有三种方法，第一种是对称振子天线，因其工作宽带宽、增益高、加工简单等特点被广泛应用于基站天线设计中，但存在缺点:振子需要平衡馈电，馈电结构复杂，常用的拓宽带宽方法主要有在辐射结构上进行开缝处理、加载寄生结构以及采用宽带巴伦结构进行馈电。第二种是微带贴片天线，该天线因其低剖面、质量轻、易于集成等优点也被多应用于基站天线设计，缺点是带宽很窄，常用的宽带化方法包括加载寄生结构、采用多层微带结构以及采取缝隙耦合馈电。第三种是电磁偶极子天线，利用电偶极子和磁偶极子的辐射方向图互补特点，能在工作频段内获得稳定的方向图和增益。文献“y.liu，h.yi，f.-w.wang and s.-x.gong，"a novel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station，"in ieee antennas and wireless propagation letters，vol.12，pp.1335-1338，2013，doi:10.1109/lawp.2013.2285373.”中采用两层堆叠贴片来增加天线的阻抗带宽，通过耦合馈电以及引入了以侧壁为特征的短路过孔阵列，增强了阻抗匹配，该天线在差分反射系数小于-10db的情况下获得了19％的相对带宽。
5.随着空中基站天线密集布置，天线之间的耦合越来越严重，耦合增加回对驻波、方向图、效率等天线关键指标造成恶化。常用隔离度来定量表述这种耦合的强弱程度，定义为一个天线发射功率与另一天线所接受功率之比。天线的耦合方式有空间耦合和表面波耦合两种方式，提升隔离度的方法主要有：一是加大两个天线的空间距离来减少表面波耦合和空间耦合；二是两幅天线采用相互正交的极化；三是在电磁耦合通道上设置障碍阻挡电磁耦合；四是在共地上采用表面滤波设计。文献“z.zhou，z.wei，z.tang andy.yin，"design and analysis ofa wideband multiple-microstrip dipole antenna with high isolation，"in ieee antennas and wireless propagation letters，vol.18，no.4，pp.722-726，april 2019，doi:10.1109/lawp.2019.2901838.”中提出一种双极化微带偶极子天线，该天线工作频率在1.68ghz到2.75ghz之间，通过十字形槽耦合器将偶极子和巴伦馈电隔开，使隔离度大于37db，尺寸大小为0.87λ0
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0.87λ0
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0.18λ0。
6.当前在空中小型化基站天线设计中，宽频带、小型化、高隔度、高增益、低成本是大势所趋。但就目前的研究而言，还存在以下几个问题：一是在降低基站天线尺寸同时，天线单元之间互耦会增强，互耦增加后会对驻波、方向图、效率等天线关键指标造成恶化。所以如何在实现空基基站天线小型化的同时保证天线之间的高隔离度具有重要意义；二是现有研究的所谓小型化基站天线单元平面尺寸大都在0.45λ0
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0.45λ0左右，且结构复杂。三是目前小型化基站天线的馈电网络主要实现形式是同轴线、pcb带状线/微带线等，虽然同轴线馈电结构简单，增益较高，但不易集成；pcb带状线/微带线馈电网络，虽然易于集成，但是损耗较大。四是文献“y.liu，h.yi，f.-w.wang and s.-x.gong，"anovel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station，"in ieee antennas and wireless propagation letters，vol.12，pp.1335-1338，2013，doi:10.1109/lawp.2013.2285373”实现高增益宽带化的同时，天线的剖面高度达到0.388λ0，轮廓高，风阻低，不利于实现载体共形。因此，创新天线结构，设计一种新型的小型化、宽频带、高隔度、高增益、宽波束和低成本的集成化空中基站天线是一项极具挑战性的工作。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.(1)在降低基站天线尺寸同时，天线单元之间互耦会增强，互耦增加后会对驻波、方向图、效率等天线关键指标造成恶化。
9.(2)现有研究的所谓小型化基站天线单元平面尺寸大都在0.45λ0
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0.45λ0左右，且结构复杂。
10.(3)小型化基站天线的馈电网络主要实现形式是同轴线、pcb带状线/微带线等，虽然同轴线馈电结构简单，增益较高，但不易集成。
11.(4)现有技术中在实现高增益宽带化的同时，天线的剖面高度达到0.388λ0，轮廓高，风阻低，不利于实现载体共形。
12.解决以上问题及缺陷的难度为：需要创新一种结构，既能实现小型化，又能够提升天线之间的隔离度，还要确保天线高增益，频带宽，能够满足加工简便，集成度高的特点，但目前这个方向天线研究剖面度普遍较高，因此需要综合考虑各个方面影响，平衡满足基站天线各个性能指标要求。
13.解决以上问题及缺陷的意义为：作为应急通信基站的核心部件，小型化、高性能、低成本特征的空中基站天线在当前应急通信系统建设中具有很大的实际需求和重要的现
实意义。它是一种很好的空地一体化应急通信手段，能够提供更大的容量、更高的系统吞吐量和更好的服务质量。它一方面可以通过调整平台高度，通信距离可以达到几公里甚至几十公里，增大了通信覆盖范围；另一方面升空平台组网方便灵活，在山区、分散岛屿等特殊环境下都可以发挥它的特殊作用。


技术实现要素：

14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高隔离度低剖面宽带基站天线、控制方法及应用。
15.本发明是这样实现的，一种高隔离度低剖面宽带基站天线的控制方法，所述高隔离度低剖面宽带基站天线的控制方法通过缝隙耦合馈电向贴片进行馈电，将基片集成金属通孔嵌入到双极化天线中，将原始双极化馈电部分进行隔离，在馈电处形成了两个相互独立的区域，并在基片集成波导四周嵌入金属通孔；通过优化调整上下层贴片的高度，调整天线的谐振频率，最终使天线达到高隔离度低剖面宽带化。
16.本发明的另一目的在于提供一种所述高隔离度低剖面宽带基站天线的控制方法的高隔离度低剖面宽带基站天线，所述高隔离度低剖面宽带基站天线设置有上下两层介质基板；
17.上下两层介质基板正面分别覆盖一个圆环形贴片，下层介质基板下侧设置有基片集成波导；基片集成波导上表面接地板，基片集成波导下表面由两个微带馈电组成。
18.进一步，所述上层介质基板的圆环形贴片中间镂空圆形周边沿着x轴、y轴对称开槽四个小长方形。
19.进一步，所述下层介质基板的圆环形贴片半径略小上层贴片，沿着x轴、y轴对称开槽四个窄长方形，窄长方形顶端接近贴片边缘。
20.进一步，所述基片基成波导长宽与介质基板同尺寸。
21.进一步，所述基片集成波导上表面开有四个哑铃状开槽缝隙，每一对哑铃状开槽缝隙由一长一短组成。
22.进一步，所述一对哑铃状开槽缝隙位于微带馈电正上面，另一对哑铃开槽缝隙位于另一条微带馈电正上面。
23.进一步，所述微带馈电中的馈电结构采取微带双端口侧馈方式，其中，每节馈电结构由三级阻抗变换器、微带线和寄生枝节构成。
24.进一步，所述基片集成波导四周嵌入金属通孔。
25.本发明的另一目的在于提供一种所述高隔离度低剖面宽带基站天线的控制方法，所述控制方法采用耦合多层贴片天线结果，采用口径耦合馈电方式；首先利用双微带馈线进行侧馈，利用介质集成波导金属过孔，在两个馈之间嵌入金属过孔，两个馈线终端加载开路枝节，两馈线之间相互垂直；在介质集成波导上表面开缝使电磁波能量耦合到上方贴片上，缝隙采用两个哑铃状，和地板共面，并正对着馈线，电磁波能量通过缝隙耦合到下层贴片，下层贴片通过四个长缝把电磁波能量耦合到第一层贴片。
26.本发明的另一目的在于提供一种所述高隔离度低剖面宽带基站天线在空基通信平台中的应用。
27.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用口径
耦合馈电以及基片介质集成波导技术等前沿技术，融合把多节阻抗匹配技术、附加枝节等技术揉入其中，通过构建多个谐振，拓宽带宽。本发明解决了基站天线低剖面、宽带化、高隔离度的问题。该单元天线的带宽为在2.3-2.70ghz内驻波比小于2，频带内的隔离度达到-32db以下。该天线具有优良的性能，结构简单，易于加工安装和载体共形。该天线单元剖面高度仅为0.103λ0，平面尺寸大小为0.425λ0×
0.425λ0。
28.同时本发明实现了双极化，能同时覆盖td-lte，cdma200，td-scdma和2.4gwlan等多个频段，满足现有不同无线通信系统的需求，具有很好的实用价值。
附图说明
29.图1是本发明实施例提供的高隔离度低剖面宽带基站天线结构示意图。
30.图2是本发明实施例提供的天线主视图。
31.图3是本发明实施例提供的天线馈电结构示意图。
32.图4是本发明实施例提供的天线-10db阻抗带宽示意图。
33.图5是本发明实施例提供的天线的隔离度曲线图。
34.图中：1、介质基板；2、第二馈电端口；3、基片集成波导；4、第三馈电端口；5、地板；6、金属通孔；7、寄生枝；8、开槽缝隙；9、三级阻抗变换器；10、微带馈电。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高隔离度低剖面宽带基站天线、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。由于本天线带宽覆盖2.3-2.7ghz，完全覆盖4g-lte频段，应用方面，可以作为应急通信空中基站天线使用，比如翼龙2号无人机携带该基站天线到达灾区上空，通过与4g基站建成链路为灾区提供通信保障。
37.本发明提供的高隔离度低剖面宽带基站天线业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的高隔离度低剖面宽带基站天线仅仅是一个具体实施例而已。
38.如图1-图2所示，本发明实施例提供的高隔离度低剖面宽带基站天线由两块介质基板1、圆形贴片、地板5和基片集成波导3组成。
39.上下两层介质基板1正面分别覆盖一个圆环形贴片，圆环形贴片为辐射贴片；上层贴片为圆环形贴片，中间镂空圆形周边沿着x轴、y轴对称开槽四个小长方形；下层贴片半径略小上层贴片，沿着x轴、y轴对称开槽四个窄长方形，窄长方形顶端接近贴片边缘。
40.下层介质基板下侧设置有基片集成波导3，基片基成波导3长宽与介质基板1同尺寸；基片集成波导3上表面接地板5，基片集成波导3下表面由两个微带馈电10组成。
41.基片集成波导3上表面开有四个哑铃状开槽缝隙8，每一对哑铃状开槽缝隙由一长一短组成；其中，一对哑铃状开槽缝隙位于微带馈电10正上面，另一对哑铃开槽缝隙位于另一条微带馈电10正上面。微带馈电10中的馈电结构采取微带双端口侧馈方式，其中，每节馈电结构由三级阻抗变换器9、微带线和寄生枝节7构成，通过缝隙耦合馈电向贴片进行馈电。
42.通过缝隙耦合馈电向贴片进行馈电，将基片集成金属通孔6嵌入到双极化天线中，将原始双极化馈电部分进行隔离，在馈电处形成了两个相互独立的区域，增强了两馈电端口的隔离效果，并在基片集成波导3四周嵌入金属通孔6，增强了天线电容性特征，改善了天线的匹配效果。通过优化调整上下层贴片的高度，调整天线的谐振频率，最终使天线达到高隔离度低剖面宽带化。
43.本天线结构是采用耦合多层贴片天线结果，采用口径耦合馈电方式，大大减少馈源和贴片之间的相互干扰，首先利用双微带馈线进行侧馈，利用介质集成波导金属过孔思想，在两个馈之间嵌入金属过孔，增强了两馈电端口的隔离效果，两个馈线终端加载开路枝节提升辐射效率，两馈线之间相互垂直，有利于形成双极化，在介质集成波导上表面开缝使电磁波能量耦合到上方贴片上，缝隙采用两个哑铃状，和地板共面，并正对着馈线，电磁波能量通过缝隙耦合到下层贴片，下层贴片通过四个长缝把电磁波能量耦合到第一层贴片，通过优化调整贴片相对大小和贴片之间的相对距离，调整缝隙与下层贴片耦合度以及双贴片之间的耦合度大小，促使双谐振频率接近，从而大大拓宽天线的工作带宽。
44.如图4和图5所示，带宽工作频带从2.3-2.7ghz，天线的隔离度低于-32db，剖面高度仅为0.103λ0(2.4ghz对应的波长)。
45.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。