一种场馆赋型天线

技术领域

本发明涉及无线通信系统的技术领域，尤其是涉及一种场馆赋型天线。

背景技术

目前，5G技术已经应用于各种各样的场景下，对于比赛或者直播场馆等应用场景中，天线辐射机制对比赛结果或直播信号的传输具有重要影响，其中，在一个场馆中往往会分为许多个扇区，要想在扇区的每一个位置获得同等的信号，避免出现“灯下黑”的情况，需要天线的辐射方向具有较好的边界性，即满足天线半功率波束宽度（-3 dB波束宽度）和-20dB波束宽度比值大于某一个固定值。同时，场馆中的天线仍需满足低旁瓣的功能，否则会影响到别的扇区信号的辐射。

而现有场馆赋型天线多采用以下两种方法来实现：1）采用规则的阵列来实现，在设计馈电网络时，使每个单元得到具有不同的相位或幅度的激励，实现具有方形辐射方向图的天线；2）采用稀疏阵的方式，通过将天线单元放置在不同位置，构成具有明显边界性的方向图。这两种方法都能实现较好的赋型特性，但第一种方法需要许多天线单元，增加了制备成本，且其馈电网络非常复杂，难以精准实现激励的幅值和相位；第二种方法的缺点是通过控制天线的位置实现，难以精准确定每一个天线的位置，可能会导致大的旁瓣。

其次，天线的半功率波束宽度和-20 dB波束宽度的比值是赋型天线一个重要的指标。通常天线的半功率波束宽度和-20 dB波束宽度的展宽和缩窄是等比例变化的，所以能够使大幅度展宽天线半功率波束宽度，但-20 dB波束宽度展宽幅度很小的方法是很重要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够覆盖5G频段（3.3-3.6GHz）的场馆赋型天线，实现双极化功能，提高频带利用率、天线的前后比和天线增益、天线半功率波束宽度和-20 dB波束宽度的斜率，降低天线的旁瓣，满足场馆天线需求。

为实现上述目的，本发明提供的方案为一种场馆赋型天线，包括介质基板、辐射体和层叠于介质基板上表面的超表面层，其中，所述超表面层的中部成型有用于容置辐射体的安装槽；所述辐射体沿其长度方向的中线及宽度方向的中线上均刻蚀有分隔缝隙，从而将辐射体划分为四个呈矩阵布置的辐射单元，其中，任意相临近的两个所述辐射单元之间成型有连接桥，从而令四个辐射单元之间由四个连接桥对应连接。

进一步，还包括四块分别设于所述辐射体四周的金属围板。

进一步，所述介质基板包括上下层叠布置的第一基板层和第二基板层，其中，所述第一基板层的上表面设于第一馈电网络和第二馈电端口，所述第二基板层的上表面设于第二馈电网络和第一馈电端口，所述第二馈电端口穿设过第一基板层预成型有的第二差分缝隙后与第二馈电网络相连；所述第一馈电端口穿设过第一基板层预成型有的第一差分缝隙后与第一馈电网络相连。

进一步，所述第一馈电网络一分为二形成两个第一输出端，两所述第一输出端与辐射体上设有的两个第一馈电点相连；所述第二馈电网络一分为二形成有两个第二输出端，两所述第二输出端与辐射体上设有的两个第二馈电点相连。

进一步，两所述第一馈电点分别临近布置于辐射体长度方向的中线上的两个连接桥；两所述第二馈电点分别临近布置于辐射体宽度方向的中线上的两个连接桥。

进一步，所述超表面层的上表面具有周期性方形超表面结构。

本发明的有益效果为：1）通过差分馈电及刻蚀分隔缝隙来修正电流流向，获得良好的定向性，实现双极化功能，提高了天线的隔离度；2）通过设置超表面层作为地面，有效地减少天线能量向后辐射，提高天线的增益和提高天线的前后比；3）通过设置金属围板，可大幅度的展宽天线的半功率波束宽度，小幅度的展宽-20 dB的波束宽度，提高天线辐射方向图的边界性。

附图说明

图1为赋形天线的结构示意图。

图2为超表面层的结构示意图。

图3为辐射体的结构示意图。

图4为辐射体的俯视图。

图5为第一基板层的示意图。

图6为第二基板层的示意图。

图7为前后电流分布图和方向图。

图8为天线的前后比示意图。

图9为方向图对比示意图。

图10为差分馈电网络电场分布示意图。

图11为馈电网络S参数仿真图。

图12为相位差图。

图13为天线S参数图。

图14为天线增益曲线图

图15为天线2D及3D方向图。

其中，1-介质基板，11-第一基板层，12-第二基板层，2-辐射体，21-分隔缝隙，22-连接桥，3-超表面层，31-安装槽，4-金属围板，51-第一馈电网络，52-第一馈电端口，53-第二馈电网络，54-第二馈电端口，55-第一差分缝隙，56-第二差分缝隙。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面参照附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。需要说明的是，本发明所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅用于名称的区分。

参见附图1-6所示，在本实施例中，一种场馆赋型天线，包括介质基板1、辐射体2和超表面层3，其中，介质基板1包括上下层叠布置的第一基板层11和第二基板层12，超表面层3层叠于第一基板层11上以实现超表面层3层叠于介质基板1上。上述的第一基板层11、第二基板层12和超表面层3均为大小一致的FR4介质板（电常数为4.4、正切损耗为0.02）。另外，超表面层3的上表面具有周期性方形超表面结构，可有效地减少天线向后辐射的能量，提高天线的前后比，天线前后比从23 dB提高到29 dB。

在本实施例中，超表面层3的中部成型有用于容置辐射体2的安装槽31，从而令辐射体2嵌装至安装槽31内。辐射体2呈正方形贴片结构，辐射体2沿其长度方向的中线及宽度方向的中线上均刻蚀有分隔缝隙21，其中，任意相临近的两个辐射单元之间成型有连接桥22，从而令四个辐射单元之间由四个连接桥22对应连接。四个连接桥22分为两组，一组位于辐射体2长度方向的中线上；另一组位于辐射体2宽度方向的中线上。上述的辐射单元之间呈对称布置，以便于实现双极化的功能。

在本实施例中，第一基板层11的上表面设于第一馈电网络51和第二馈电端口54，第二基板层12的上表面设于第二馈电网络53和第一馈电端口52，第二馈电端口54穿设过第一基板层11预成型有的第二差分缝隙56后与第二馈电网络53相连；所述第一馈电端口52穿设过第一基板层11预成型有的第一差分缝隙55后与第一馈电网络51相连。其次，第一馈电网络51一分为二形成两个第一输出端，两第一输出端与辐射体2上设有的两个第一馈电点相连；第二馈电网络53一分为二形成有两个第二输出端，两所述第二输出端与辐射体2上设有的两个第二馈电点相连。由此实现在辐射板的前、后、左、右位置馈电。

通过使用差分馈电的方式以及设置分隔缝隙21的方式，从而使辐射板中间的电流相互抵消并使旁边的两部电流在同一时刻朝同步一方向流动，获得定向的方向图。

进一步，两第一馈电点分别临近布置于辐射体2长度方向的中线上的两个连接桥22；两第二馈电点分别临近布置于辐射体2宽度方向的中线上的两个连接桥22。

上述采用第一基板层11和第二基板层12的双层结构，通过馈电端口-差分缝隙-馈电网络的结构在所需频段实现了较完美的180°相位差，相位在±1°之间波动，相较于传统的通过加长长度来实现相位差，具有更小的相位波动。

在本实施例中，还包括四块分别设于所述辐射体2四周的金属围板4，四块金属围板4大小一致，任意相邻的两块金属围板4之间相互垂直布置。通过设置金属围板4来控制天线的半功率波束宽度和旁瓣，使得天线的半功率波束变宽，旁瓣降低，同时提高波束从-3dB下降到-20 dB的斜率，实现方形赋型的功能，提高天线辐射方向图的边界性。

为了便于对上述天线的理解，以下结合具体附图对天线的参数性能做进一步解释说明。

参见图7所示的前后电流分布图和方向图中，以不加载差分馈电的辐射板为参照例，可得出：不加载差分馈电的天线参照例产生的三部分电流在同一时刻槽不同的方向，导致方向图出现了两个主瓣；而本实施例的天线，中间部分的电流相互抵消，旁边两部分电流在同一时刻朝同一方向，出现定向的方向图。

参见图8所示的前后比示意图中，以普通地面的天线为参照例，可得出：本实施例具有超表面层3的天线能够有效地减少了天线向后辐射的能量，天线前后比从23 dB提高到29 dB。

参见图9所示的方向图对比示意图中，以未加载有金属围板4的天线为参照例，可得出：本实施例加载有金属围板4的天线，半功率波束宽度展宽（从34°展宽到40°)，旁瓣从-15 dB降低到-22.5 dB，基于波束宽度的斜率计算公式可知，未加载有金属围板4的天线的斜率为K1=34°/88°=0.386；本实施例的天线的斜率K2=40°/90°=0.444。斜率有显著提高，能够更好地实现方形赋型的功能。

参见图10所示的差分馈电网络电场分布示意图，可得出：当一端口激励时，能量通过微带线传输到缝隙，经过缝隙后左边和右边的电场方向相反，故到达二端口和三端口的能量幅值相等、相位差相差180°，由此实现了差分馈电相位和幅度的需求。

参见图11所示的馈电网络S参数仿真图以及图12所示的相位差图，可得出：通过介质基板1的双层结构以及馈电端口-差分缝隙-馈电网络的结构，从而实现了较完美相位差的180°差分。其次，采用差分馈方式的天线在3.3-3.6 GHz频带内|S11|≤-20 dB，|S12|&|S13|≥-3.8 dB，相位差在180°±1°波动。表明具有良好的功分效果和较好的差分性能。

参见图13所示的天线S参数图，可得出：|S11|&|S22|在频带内均小于-11 dB，具有良好的匹配；由于采用差分馈电的缘故，|S21|在频带内小于-27 dB，具有良好的隔离度。

参见图14所示的天线增益曲线图，可得出：在3.3-3.6 GHz这个频带内天线的增益大于12.5 dBi，且由于对称的结构，两条增益曲线几乎重合。

参见图15所示的天线2D及3D方向图中，可得出，半功率波束宽度范围为[40°，45°]，-20dB波束宽度范围为[86°，95°]，其波束宽度的斜率大于0.4。前后比大于29 dB，旁瓣小于-18 dB。从3D方向图可看出其辐射特性具有方形的特性，满足场馆赋型天线的要求。

以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所做的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。