一种基于超表面的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，具体涉及一种基于超表面的双频融合天线及通信设备。

背景技术

移动通信技术已经进入我们生活的方方面面，天线是通信系统重要的组成部分，它的性能直接影响了无线通信系统的功能，性能和通信质量。目前我国现阶段使用的通信系统有2G、3G、LTE(4G)系统，2G系统使用频段为1710-1550MHz，3G系统使用频段为1550-2170MHz，LTE(4G)系统使用频段2300-2690MHz。由于各运营商使用不同的频段，天线的使用情况比较复杂，我国的通信系统目前已覆盖690-960MHz和1710-2690MHz频段。

随着通信需求的不断增加，天线的数量也在不断的增加，目前5G系统也在逐步建设，可以预见未来将保持多种通信应用标准并存的局面。但是基站天线的天面位置安装位置资源十分有限，原来部署的天线现在面临着整合的问题，即需要满足多频多制度的网络需求也要满足后续扩容以及5G天线的安装空间。若能一副天线实现覆盖现有的通信系统，减少天线相互之间的耦合，使其正常工作，这可以增加天线安置的数量，可以改善安装位置资源紧张这一问题，即需要实现频带融合。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明的首要目的是提供一种基于超表面的双频融合天线，该天线采用超表面单元实现在不同频段正常工作，天线覆盖690MHz-960MHz和1660MHz-2720MHz两个频段，隔离度高，方向图稳定，增益高。

本发明的次要目的是提供一种通信设备。

本发明的首要目的是采用如下技术方案：

一种基于超表面的双频融合天线，包括反射板、低频天线辐射单元、第一超表面、第二超表面及高频天线辐射单元，所述高频天线辐射单元设置在反射板的上方，所述低频天线辐射天线设置在高频天线辐射单元的上方，所述第一超表面及第二超表面分别位于低频天线辐射单元的上方及下方。

所述高频天线辐射单元与低频天线辐射单元均包括四个辐射臂、介质基板及馈线结构，所述馈线结构包括两条相互垂直的馈线，其中两个辐射臂构成+45度极化振子，由一条馈线馈电，另外两个辐射臂构成-45度极化振子，由另外一条馈线馈电。

优选的，高频天线辐射单元的四个辐射臂结构相同，均为菱形贴片。

优选的，低频天线辐射单元的四个辐射臂结构相同，均为环状菱形。

优选的，所述高频天线辐射单元、低频天线辐射单元、第一超表面、第二超表面及反射板关于同轴对称。

优选的，所述高频天线辐射单元有四个，呈2*2阵列形式等间距排列在反射板的上方。

优选的，所述第一超表面为方形，由多个呈阵列排布的第一超表面单元构成，所述第一超表面单元包括第一介质基板及第一贴片，所述第一贴片印制在第一介质基板上，所述第一贴片为方形。

优选的，第二超表面的形状为方环形。

优选的，所述方环形四个边的中点位置开有矩形缺口。

本发明的次要目的采用如下技术方案：

一种通信设备，包括所述的双频融合天线。

本发明的有益效果：

(1)本天线结构简单，能在690MHz-960MHz和1660MHz-2720MHz两个频段工作。

(2)本发明使用超表面，能有效减少高频天线与低频天线的互耦。

(3)本发明结构新颖，隔离度高，方向图稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是未加超表面的结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的正视剖面图；

图5是本发明低频天线辐射单元的俯视图。

图6是本发明高频天线辐射单元的俯视图。

图7是本发明实施例高频天线的使用超表面前后的带宽、隔离度测试图。

图8(a)-图8(f)分别是本发明实施例高频天线的使用超表面前后在工作频段内1.7GHz、1.9GHz、2.1GHz、2.3GHz、2.5GHz、2.7GHz六个频点的方向图测试图。

图9是本发明实施例高频天线的使用超表面前后的增益测试图。

图10是本发明实施例低频天线的使用超表面前后的带宽隔离度、测试图。

图11(a)-图11(c)分别是本发明实施例低频天线的使用超表面前后在工作频段内0.69GHz、0.82GHz、0.96GHz三个频点的方向图测试图。

图12是本发明实施例低频天线的使用超表面前后的增益测试图。

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1

如图1-图4所示，一种基于超表面的双频融合天线，从上至下依次包括第一超表面3、低频天线辐射单元1、第二超表面4、高频天线辐射单元2及反射板5，所述高频天线辐射单元有四个，呈2*2等间距阵列排布，通过绝缘支撑柱13设置在反射板的上方，相邻高频天线辐射单元的间距为61mm，与反射板的距离为38mm。

所述低频天线辐射单元通过支撑柱12固定在反射板5的上方，本实施例中两者距离为89mm。本实施例中两者距离为11.25mm，所述第二超表面位于所述低频天线辐射单元的下方，本实施例中两者距离为11.75mm，支撑柱均为绝缘塑料柱。

如图6所示，所述高频天线辐射单元包括第一高频辐射臂6A、第二高频辐射臂6B、第三高频辐射臂6C、第四高频辐射臂6D、高频介质基板8及高频馈线结构，所述高频馈线结构包括第一及第二高频馈线，所述第一高频辐射臂、第四高频辐射臂及第一高频馈线7A印制在高频介质基板的上表面，所述第二高频辐射臂、第三高频辐射臂及第二高频馈线7B印制在高频介质基板8的下表面，所述第一高频辐射臂及第三高频辐射臂构成+45度极化振子，由第一高频馈线馈电，所述第二高频辐射臂及第四高频辐射臂构成-45度极化振子，由第二高频馈线馈电。

所述第一高频馈线及第二高频馈线相互垂直，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，均包括印制在高频介质基板的菱形贴片。

本实施例中采用四个高频天线辐射单元，其数量的设置是根据目标架构来进行排布，这种插花式排布方式是当前基站天线多频融合的重要方式，也即四个高频天线辐射单元按照一定的间距排布，而低频天线辐射单元则位于四个高频天线单元所组成阵列的中心位置。这种阵列排布则可以作为基本排布结构，进行阵列的扩充。

如图5所示，所述低频天线辐射单元包括第一低频辐射臂9A、第二低频辐射臂9B、第三低频辐射臂9C、第四低频辐射臂9D、低频介质基板及低频馈线结构，所述低频馈线结构包括第一及第二低频馈线，所述第一低频辐射臂、第四低频辐射臂及第一低频馈线10A印制在低频介质基板的上表面，所述第二低频辐射臂、第三低频辐射臂及第二低频馈线10B印制在低频介质基板11的下表面，所述第一及第三低频辐射臂构成+45度极化振子，由第一低频馈线馈电，所述第二及第四低频辐射臂构成-45度极化振子，由第二低频馈线馈电。

所述第一低频馈线及第二低频馈线相互垂直，交点位于低频介质基板的中心点。

所述四个低频辐射臂的结构相同，大小尺寸也相同，均包括印制在低频介质基板的环状菱形贴片，本实施例中宽度为5mm。

低频天线辐射单元和高频天线辐射单元本质上都是振子结构。低频天线的辐射臂之所以是挖空的环形，是因为要减少低频天线的金属结构，以减小对高频天线的辐射遮挡，有利于高频天线辐射性能的保持。而对于高频天线，由于高频天线则没有挖空的要求，而菱形则是仿真优化的结果。

在高频天线和低频天线共口径融合的情况下，高频天线辐射性能将收到低频天线辐射性能的影响而剧烈恶化，第二超表面对高频天线的方向图恢复具有重要作用。对称地在超表面边长中间的位置去掉2×3单元，可以减轻高频方向图篇离最大辐射方向所形成的偏转，超表面结构单元对低频天线方向图无影响，同时为了节省成本，使得超表面的周期和单元数保持在最少。

所述第一超表面位于低频天线辐射单元的上方，其为方形结构，包括13*13个第一超表面单元。

所述第一超表面单元及第二超表面单元的结构相同，包括印制在介质基板上的贴片，贴片均为方形贴片，本实施例长度为10.4mm，超表面单元之间的间距为1.6mm。

所述第二超表面位于低频天线辐射单元的下方，其为方环结构，环形的外围设置17*17阵列形式排布的第二超表面单元，宽度为5个超表面单元，在方环的四个边中间均有一个开口，具体为2*3个第二超表面单元。

所述超表面介质基板厚度0.5mm，相对介电常数为3.48。

所述高频、低频天线介质基板采用的是Taconic TLY(tm)，厚度均为0.5mm，相对介电常数为2.2。

本发明还包括同轴线，所述同轴线与高频馈线及低频馈线连接。

本天线为对称结构，第一超表面、低频天线辐射单元、第二超表面、高频天线辐射单元及反射板的中心点均在同一条竖直直线上。

反射板与高频天线辐射单元的距离为0.1λ

四个高频天线辐射单元在设置时，与第二超表面之间的垂直间隔范围在0.4λ

所述低频天线辐射单元的工作频段为690MHz-960MHz，所述高频天线辐射单元的工作频段为1660MHz-2720MHz。

如图7、图8(a)-图8(f)及图9所示，是本实施例的高频天线阻抗带宽、方向图及增益，本发明的超表面可以使高频单元恢复到1660-2720MHz的带宽，回波损耗大于15dB，并且在该带宽上隔离度在30dB以上，且天线辐射方向图恢复良好，增益约为10-13dBi。

如图10、图11(a)-图11(c)及图12所示，是本实施例的低频天线阻抗带宽、隔离度、方向图及增益，本发明的超表面可以使低频单元恢复到690-960MHz的带宽，回波损耗大于15dB，并且在该带宽上隔离度30dB以上，且天线辐射方向图恢复良好，增益约为8-9dBi。

本双频融合天线具有结构新颖，操作简单，制作方便，隔离度高，辐射方向图稳定等特点。

实施例2

一种通信设备，包括如实施例所述的的一种基于超表面的双频融合天线，从上至下依次包括第一超表面、低频天线辐射单元、第二超表面、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。