一种多模宽带滤波微基站天线
阅读说明：本技术 一种多模宽带滤波微基站天线 (Multimode broadband filtering micro base station antenna ) 是由 张俊 杨立森 何启明 荣康 陈振俊 徐莎 陈卓著 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多模宽带滤波微基站天线,包括第一基板、第二基板、挖槽贴片、寄生环、微带线馈电结构、地板；第一基板的上表面设置有挖槽贴片；第二基板设置于第一基板的下方,且与第一基板平行,地板设置于第二基板的下表面；第二基板的上表面设置有寄生环和微带线馈电结构,寄生环对微带线馈电结构呈半包围,挖槽贴片和寄生环形成辐射体,能被微带线馈电结构同时激励,在频带内产生三个辐射模式和两个辐射零点。通过挖槽贴片和寄生环的设置,使天线通过挖槽贴片和寄生环时得到同时激励,产生三种辐射模式和两个辐射零点,保证天线在5G毫米波中的24.25GHz-27.5GHz频段保持低驻波比,在频段内具有良好带外噪声抑制的特点,实现稳定的辐射方向图特性和滤波性能。(The invention relates to a multimode broadband filtering micro base station antenna which comprises a first substrate, a second substrate, a slotted patch, a parasitic ring, a microstrip line feed structure and a floor, wherein the first substrate is provided with a first slot; the upper surface of the first substrate is provided with a grooving paster; the second substrate is arranged below the first substrate and is parallel to the first substrate, and the floor is arranged on the lower surface of the second substrate; the upper surface of the second substrate is provided with a parasitic ring and a microstrip line feed structure, the parasitic ring is in half-surrounding to the microstrip line feed structure, the slotted patch and the parasitic ring form a radiator which can be simultaneously excited by the microstrip line feed structure to generate three radiation modes and two radiation zeros in a frequency band. Through the arrangement of the slotted patch and the parasitic ring, the antenna is excited simultaneously when passing through the slotted patch and the parasitic ring, three radiation modes and two radiation zero points are generated, the antenna is guaranteed to keep a low standing-wave ratio in a 24.25GHz-27.5GHz frequency band in 5G millimeter waves, the characteristic of good out-of-band noise suppression is achieved in the frequency band, and stable radiation pattern characteristics and filtering performance are achieved.)
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种多模宽带滤波微基站天线。
背景技术
随着第五代移动通信系统的普及和通信设备小型化的需求，因此微基站系统中的主要部件之一的微基站天线也需要重新设计来适应新的通信工作频段，目前第五代移动通信系统的毫米波频段仍处于快速发展阶段，因此一款能够覆盖毫米波频段中的24.25GHz-27.5GHz频段，且具有优秀驻波比的微基站天线就显得十分重要。
多模天线目前是宽带天线设计中的一个重要方法，其由于能够在一个较小的天线口径中放入多个模式，使得天线同时具有宽频、增益稳定和小型化的优势。在天线的设计过程当中，不仅需要考虑满足天线的参数要求，同时需要减小天线体积来适应日趋紧张的基站选址问题，简单的天线结构可以降低制作成本与维护成本，提高基站的稳定性与可靠性。
滤波天线是射频前端系统小型化的有效解决方案，通过把滤波响应加载到天线中，能减少滤波器的使用，达到小型化的目的。滤波微基站天线成功抑制了带外噪声和减少通信系统的体积，其通过在天线单元的矩形贴片上挖槽和增加寄生环，使得天线处于增强耦合状态，同时在高频和低频分别形成幅度相同方向相反的电流来增加天线在上下阻带的滚降率，通过把滤波响应加载到天线中来代替滤波器的作用，同时器件的减少有利于通信系统的小型化。
因此，提供一种覆盖5G毫米波频段的、且可保持高中增益和高的带外抑制的多模宽带滤波微基站天线是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
现有的技术中，中国实用新型专利CN212182533U公开了“基站天线及多频带基站天线”，公开日为2020年12月18日，该基站天线沿纵向延伸，该基站天线包括：多个第一辐射元件列，被配置用于在第一操作频带中操作，每个第一辐射元件列包括沿纵向排列的多个第一辐射元件；以及隔离墙，定位在相邻的第一辐射元件列之间并且沿纵向延伸，其中隔离墙包括频率选择表面，该频率选择表面被配置为使得第一操作频带内的电磁波基本上被隔离墙阻止；该实用新型中，解决了低频带辐射元件列之间的相互耦合现象严重的问题，解决了低频带辐射元件列之间的带间隔离性能差的问题，但是并没有覆盖5G毫米波频段。
发明内容
本发明为解决现有的基站天线无法覆盖5G毫米波频段的、且可保持高中增益和高的带外抑制的技术缺陷，提供了一种多模宽带滤波微基站天线。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种多模宽带滤波微基站天线，包括第一基板、第二基板、挖槽贴片、寄生环、微带线馈电结构、地板；
所述第一基板的上表面设置有挖槽贴片；
所述第二基板设置于所述第一基板的下方，且与所述第一基板平行，所述地板固定设置于所述第二基板的下表面；
所述第二基板的上表面设置有所述寄生环和微带线馈电结构，寄生环对微带线馈电结构呈半包围，所述挖槽贴片和寄生环形成辐射体，能被微带线馈电结构同时激励，在所需频带内产生三个辐射模式和两个辐射零点。
上述方案中，通过第一基板上挖槽贴片的设置，以及第二基板上寄生环的设置，使得天线通过挖槽贴片和寄生环时得到同时激励，产生三种辐射模式和两个辐射零点，保证天线在5G毫米波中的24.25GHz-27.5GHz频段保持低驻波比，且在该频段内具有良好带外噪声抑制的特点，能够实现稳定的辐射方向图特性和良好的滤波性能。
优选的，所述第一基板和第二基板均为陶瓷复合基板。
优选的，所述陶瓷复合基板的相对介电常数为6，损耗角正切为0.001。
优选的，所述第一基板的长度为0.21λc～0.31λc，宽度为0.21λc～0.31λc，厚度为0.02λc～0.06λc；所述第二基板的长度为0.25λc～0.35λc，宽度为0.21λc～0.31λc，厚度为0.02λc～0.06λc；其中，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述挖槽贴片为E形挖槽贴片，长度为0.12λc～0.22λc，宽度为0.15λc～0.20λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述E形挖槽贴片的槽口为矩形，矩形的槽口长为0.08λc～0.16λc，宽为0.003λc～0.030λc，矩形的槽口彼此的间距宽度为0.05λc～0.15λc。
优选的，所述寄生环为几字形寄生环。
优选的，所述几字形寄生环的前半段长度为0.03λc～0.09λc，中间半段长度为0.10λc～0.15λc，后半段长度为0.01λc～0.03λc，全部段宽度均为0.003λc～0.010λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述微带线馈电结构的长度为0.120λc～0.200λc，宽度为0.020λc～0.040λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述辐射体受微带线馈电结构耦合激励，在特定电磁频率下，相邻辐射结构相互耦合，处于耦合增强宽带状态，所述辐射体在不同的电磁波频率激励下具有不同的电磁场分布状态，激励起多种谐振模式进行辐射，在所需频带内具有滤波性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种多模宽带滤波微基站天线，通过第一基板上挖槽贴片的设置，以及第二基板上寄生环的设置，使得天线通过挖槽贴片和寄生环得到同时激励，产生三种辐射模式和两个辐射零点，保证天线在5G毫米波中的24.25GHz-27.5GHz频段保持低驻波比，且在该频段内具有良好带外噪声抑制的特点，能够实现稳定的辐射方向图特性和良好的滤波性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明E形挖槽贴片的俯视图；
图3为本发明几字形寄生环和微带线馈电结构的俯视图；
图4为本发明多模宽带滤波微基站天线的S参数和输入阻抗图；
图5为本发明多模宽带滤波微基站天线的S参数和增益图；
图6为本发明多模宽带滤波微基站天线的辐射方向图；
附图标记说明：1、第一基板；2、第二基板；3、挖槽贴片；4、寄生环；5、微带线馈电结构；6、地板。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
一种多模宽带滤波微基站天线，包括第一基板1、第二基板2、挖槽贴片3、寄生环4、微带线馈电结构5、地板6；
所述第一基板1的上表面设置有挖槽贴片3；
所述第二基板2设置于所述第一基板1的下方，且与所述第一基板1平行，所述地板6设置于所述第二基板2的下表面；
所述第二基板2的上表面设置有所述寄生环4和微带线馈电结构5，寄生环4对微带线馈电结构5呈半包围，所述挖槽贴片3和寄生环4形成辐射体，能被微带线馈电结构5同时激励，在所需频带内产生三个辐射模式和两个辐射零点。
上述方案中，通过第一基板上挖槽贴片的设置，以及第二基板上寄生环的设置，使得天线通过挖槽贴片和寄生环得到同时激励，产生三种辐射模式和两个辐射零点，保证天线在5G毫米波中的24.25GHz-27.5GHz频段保持低驻波比，且在该频段内具有良好带外噪声抑制的特点，能够实现稳定的辐射方向图特性和良好的滤波性能。
优选的，所述第一基板1和第二基板2均为陶瓷复合基板。
优选的，所述陶瓷复合基板的相对介电常数为6，损耗角正切为0.001。
优选的，所述第一基板的长度为0.21λc～0.31λc，宽度为0.21λc～0.31λc，厚度为0.02λc～0.06λc；所述第二基板的长度为0.25λc～0.35λc，宽度为0.21λc～0.31λc，厚度为0.02λc～0.06λc；其中，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述挖槽贴片3为E形挖槽贴片，长度为0.12λc～0.22λc，宽度为0.15λc～0.20λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述E形挖槽贴片的槽口为矩形，矩形的槽口长为0.08λc～0.16λc，宽为0.003λc～0.030λc，矩形的槽口彼此的间距宽度为0.05λc～0.15λc。
优选的，所述寄生环4为几字形寄生环。
优选的，所述几字形寄生环的前半段长度为0.03λc～0.09λc，中间半段长度为0.10λc～0.15λc，后半段长度为0.01λc～0.03λc，全部段宽度均为0.003λc～0.010λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
优选的，所述微带线馈电结构5的长度为0.120λc～0.200λc，宽度为0.020λc～0.040λc，λc为中心频点在自由空间中的波长。
实施例2
如图1～图6所示，本实施例的目的可以为通过第一基板1的上表面上的E形挖槽贴片和几字形寄生环的设置，使得E形挖槽贴片和几字形寄生环共享口径，并且能够被馈电端口同时激励起三种工作模式，如位于第一基板1上表面上的E形挖槽贴片形成对应的贴片模式；位于第一基板1的上表面上的E形挖槽形成对应的槽模式；假如贴片模式是E形挖槽贴片在频率“1”单独形成的，那么槽模式就是受E形挖槽贴片3、几字形寄生环4和微带线馈电结构5的电磁耦合影响，形成的一个新的槽模式，几字形寄生环4和微带馈线结构5耦合形成对应的偶极子模式，拓展了天线带宽，从而在三种工作模式启动时，保证天线在5G毫米波频段保持低驻波比，且在该频段内有稳定的辐射方向图和良好的滤波性能。
具体的，对于本实施例中第一基板1的E形挖槽贴片的具体位置设置，以及第一基板1与第二基板2的具体位置设置，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置。优选的，E形挖槽贴片的位置可位于第一基板1的中间，距离基板边缘的距离相等。
其中，E形挖槽贴片与几字形寄生环相互组合形成一个辐射体，该辐射体受微带线馈电结构5耦合激励，在特定电磁频率下相邻辐射结构相互耦合，该辐射单元在不同的电磁波频率激励下具有不同的电磁场分布，激励起多个谐振模式进行辐射。
进一步的，第一基板1、第二基板2的介质均为陶瓷复合基板，采用陶瓷复合基板具有小型化和易于安装维护等的特点。
进一步的，几字形寄生环对微带线馈电结构5呈半包围，但不直接接触，几字形寄生环呈左右对称。
进一步的，第一基板1设于第二基板2的上方，第一基板1与第二基板2紧密粘连。
进一步的，第一基板1的长度L1为0.21λc～0.31λc，宽度W1为0.21λc～0.31λc；第二基板2的长度L2为0.25λc～0.35λc，宽度W2为0.21λc～0.31λc。优选地，第一基板1、第二基板2的材料为相对介电常数为6，损耗角正切为0.001，优选地，第一基板1的长度L1＝0.26λc，宽度W1＝0.26λc；第二基板2的长度L2＝0.30λc，宽度W2＝0.26λc；第一第二基板2之间紧密粘连。
进一步的，E形挖槽贴片的长度Lp为0.12λc～0.22λc，宽度Wp为0.10λc～0.20λc。优选地，挖槽贴片3的长度Lp＝0.17λc，宽度Wp＝0.15λc。
进一步的，E形挖槽贴片的槽口为矩形，矩形槽口的长度L3为0.08λc～0.18λc，宽度W3为0.003λc～0.015λc，矩形槽口彼此的间距宽度Ws为0.05λc～0.15λc。优选地，矩形槽口的长度L3＝0.13λc，矩形槽口宽度W3＝0.008λc，矩形槽口彼此的间距宽度Ws＝0.10λc。
进一步的，几字形寄生环的前半段长度L4为0.03λc～0.09λc，中间半段长度L5为0.10λc～0.15λc，后半段长度L6为0.01λc～0.03λc，优选地，前半段长度L4＝0.06λc，中间半段长度L5＝0.13λc，后半段长度L6＝0.02λc，全部段宽度W4为0.003λc～0.010λc。优选地，宽度W6＝0.008λc。
进一步的，微带线馈电结构5的长度Lf为0.120λc～0.200λc，宽度Wf为0.020λc～0.040λc，优选地，长度Lf＝0.17λc，宽度Wf＝0.26λc。
进一步的，地板6的长度L2为0.25λc～0.35λc，地板6宽度W2为0.21λc～0.31λc,优选地，地板6的长度L2＝0.30λc，宽度W2＝0.26λc。
在本实施例中的三个工作模式中，贴片模式谐振频率可由但并不局限于E形挖槽贴片3的贴片长度Lp和贴片宽度Wp、贴片槽宽W3和贴片槽长L3，馈线长度宽度等参数进行调节；槽模式谐振频率可由但并不局限于E形挖槽贴片的长度Lp、贴片槽宽W3、贴片槽长L3和贴片槽彼此的间距宽度Ws等参数进行调节；偶极子模式谐振频率可由但并不局限于几字形寄生环的前半段长度L4、中间半段长度L5、后半段长度L6、宽度W4、E形挖槽贴片的贴片长度Lp和贴片宽度Wp等参数进行调节；
本实施例所提供的天线的工作频率、中心工作频率以及工作频带内的增益范围等参数，可以由设计人员自行设置，如天线的工作频率可以设置为24.25GHz-27.5GHz，中心工作频率可设置为26GHz，天线的工作频带内的增益范围设置为4.81dBi～5.86dBi，本实施例对此不做任何限制。
具体的，本实施例中的第一基板1、第二基板2、E形挖槽贴片和几字形寄生环的具体规格可为：
第一基板1的长度L1为2.00～4.00mm，宽度W1为2.00mm～4.00mm；第二基板2的长度L2为2.00mm～5.00mm，宽度W2为2.00mm～4.00mm。其中，第一基板1、第二厚度为0.35mm～0.86mm。其中，第一基板1、第二基板2的基板材料为相对介电常数为6，损耗角正切为0.001，厚度为0.70mm～0.836mm其中，第一基板1设于第二基板2的上方，第一基板1与第二基板2上下紧密粘连。
E形挖槽贴片的长度Lp值为1.35mm～1.53mm，宽度Wp为1.15mm～2.30mm。E形挖槽贴片上的矩形槽的长度L3值为0.92mm～2.07mm，宽度W3为0.035mm～0.150mm，贴片槽彼此的间距宽度Ws为0.50mm～0.17mm。几字形寄生环的前半段长度为L4为0.35mm～1.10mm，中间半段长度为L5为1.15mm～1.80mm，后半段长度为L6为0.15mm～0.30mm，段宽度W4为0.035mm～0.35mm微带馈线结构5的长度Lf值为1.4mm～2.4mm，宽度Wf为0.15mm～0.50mm。地板6长度L2为2.00mm～5.00mm，W2为2.00mm～4.00mm。
具体的，如图1-图3所示，设置第一基板1的长度L1＝3.00mm，宽度W1＝3.00mm；第二基板2的长度L2＝3.50mm，宽度W2＝3.00mm；两块基板都采用相对介电常数为6，损耗角正切为0.001的陶瓷复合材料，宽度h1＝0.55mm，h2＝0.45mm；E形挖槽贴片的长度Lp＝1.92mm，宽度Wp＝1.75mm；E形挖槽贴片上的矩形槽的长度L3值为1.47mm，宽度W3为0.10mm，贴片槽彼此的间距宽度Ws为1.20mm；几字形寄生环的前半段长度为L4为0.70mm，中间半段长度为L5为1.58mm，后半段长度为L6为0.25mm，段宽度W4为0.10mm。微带线馈电结构5的长度Lf为2.00mm，宽度Wf为0.30mm。地板6长度L2＝3.50mm，宽度W2＝3.00mm；第一基板1和第二基板2紧密粘连。
如图4所示，中心频率为26GHz，在24.1GHz～28.4GHz频段内输入回波损耗均小于-10dB，相对带宽为16.4％，有效覆盖了5G毫米波的低频段。
如图5所示，天线在工作频段内增益平稳，最低增益为4.81dBi，最高增益为5.86dBi。
如图6所示，短划线为25GHz频率沿Z轴方向的辐射方向图，点线为26GHz频率沿Z轴方向的辐射方向图，实线为27GHz频率沿Z轴方向的辐射方向图。结果显示，在E面和H面天线一直都保持稳定的方向图、良好的指向性，因此本发明天线有良好的辐射特性。
优选的，所述辐射体受微带线馈电结构耦合激励，在特定电磁频率下，相邻辐射结构相互耦合，处于耦合增强宽带状态，所述辐射体在不同的电磁波频率激励下具有不同的电磁场分布状态，激励起多种谐振模式进行辐射，在所需频带内具有滤波性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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