一种基于超材料表面的5G基站室内天线及基站

一种基于超材料表面的5g基站室内天线及基站
技术领域
1.本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于超材料表面的5g基站室内天线及基站。


背景技术：

2.目前用于3300-3600mhz的室内小天线设计类型主要包括倒f形天线(pifa，planar inverted f-shaped antenna)和环天线(loop antenna)。这两类天线都可以实现较好的低方向性，满足室内小基站的覆盖。由于整机产品的射频终端是弹簧探针(pogopin)，所以，激励天线的方式是通过小反射板上的共面波导激励辐射单元。一般情况下，用于室内的pifa天线，最大增益仰角在50
°
左右。为了实现更大范围的能量部分，即增加最大增益仰角，传统的pifa天线的最大增益仰角通常小于50
°
，极大的限制了天线的辐射距离和有效覆盖范围，这对室内基站天线的应用场景是极为不利的。此外，由于pifa天线的小型化，每个辐射单元之间的距离近，且都使用相同的工作频率，又因为天线高度的限制，辐射单元间无隔离板，导致该类室内基站天线内部产生同频干扰，影响了天线的收发性能。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于超材料表面的5g基站室内天线和使用前述基于超材料表面的5g基站室内天线的基站。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于超材料表面的5g基站室内天线，包括天线底板、多个单天线、超材料表面天线盖板；
6.其中，多个所述单天线设置于所述天线底板同一侧；所述超材料表面天线盖板以第一预设高度覆设于所述单天线上方对应位置；
7.所述超材料表面天线盖板包括多个尺寸相同的单元晶格组成的晶格阵列相邻两个所述单元晶格之间具有相同的功能间距。
8.进一步的，多个所述单天线结构相同；所述单天线包括弹簧探针、天线小反射板和辐射单元；其中，所述弹簧探针的底部与基站的射频端连接，所述弹簧探针的顶部抵触于所述天线小反射板的其中一连接端，所述辐射单元连接于所述天线小反射板的另一连接端。
9.进一步的，所述天线小反射板为多层pcb板，所述pcb板上设置有传输线，所述传输线的一端抵触于所述弹簧探针的顶部，另一连接端与所述辐射单元连接。
10.进一步的，所述辐射单元朝向所述天线小反射板的一侧设置的开路枝节、短路枝节和激励枝节；其中，所述辐射单元通过所述短路枝节和所述激励枝节固定设置于所述天线小反射板的一侧。
11.进一步的，所述激励枝节固定设置于与所述天线小反射板上的另一连接端，所述短路枝节插接于所述天线小反射板，所述开路枝节以第二预设高度悬空设置于所述天线小反射板的一侧。
12.进一步的，所述天线小反射板上设置有多个固定孔，所述短路枝节插接于其中一
个或多个所述固定孔，以使所述辐射单元相对所述天线小反射板结构稳定。
13.进一步的，所述弹簧探针的底部设置有圆环状的集总端口。
14.进一步的，所述单元晶格为层结构，其中，所述单元晶格包括靠近所述单天线的第一铜层、覆盖于所述第一铜层的介质层和覆盖于所述介质层的第二铜层，所述第二铜层远离所述单天线，所述第一铜层的尺寸小于所述介质层的尺寸，以使任意两个相邻所述单元晶格之间具有相同的功能间距。
15.进一步的，所述天线小反射板上还设置有多个用于防止电磁波泄漏的金属化过孔以及多个用于固定所述单天线的通孔。
16.一种基站，包括如上所述的基于超材料表面的5g基站室内天线。
17.本发明具有以下有益效果：
18.相比于现有技术，将传统天线系统的天线盖板替换为了超材料表面。本发明中使用的高阻抗超材料表面可以同相反射每个辐射单元部分垂直方向上的电磁波，加强辐射单元水平方向上的电磁波，提高5g基于超材料表面的5g基站室内天线的最大增益仰角，从而大幅度增加天线水平面辐射距离和整体覆盖面积，这解决了室内天线场景相关应用的行业痛点。同时，由于5g室分天线的每个辐射单元的工作频率都相同，且由于室内天线的小型化，每个辐射单元间的间隔都很小，导致同频干扰，这也是该类天线的技术瓶颈；本发明通过加入超材料表面天线盖板，能提高单天线之间的隔离度。
附图说明
19.图1为本发明基于超材料表面的5g基站室内天线结构示意图。
20.图2为本发明实施例单天线结构示意图，其中2a为立体视图，2b为侧视图。
21.图3为本发明单天线的结构爆炸图，其中3a为单天线中的弹簧探针结构示意图，3b为单天线的天线小反射板的结构示意图，3c为辐射单元的结构示意图。
22.图4a为本发明实施例单元晶格的表面示意图，图4b为单个单元晶格的层结构示意图。
23.图5为本发明实施例超材料表面天线盖板的单元晶格排布示意图。
24.图6为本发明实施例超材料表面同相反射仿真结果图。
25.图7为本发明实施例单天线模型隔离度s21与加入超材料表面盖板后隔离度s21后的对比图
26.附图标记说明：
27.1、天线底板；2、隔离腔体；3、单天线；31、弹簧探针；311、探针顶部；312、圆环；32、天线小反射板；321、传输线；322、金属化过孔；323、通孔；33、辐射单元；331、激励枝节；332、开路枝节；333、短路枝节；4、超材料表面天线盖板；41、第一铜层；42、介质层；43、第二铜层。
具体实施方式
28.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
29.一种基于超材料表面的基于超材料表面的5g基站室内天线，如图1所示，包括天线底板1、多个单天线3、超材料表面天线盖板4，其中，多个单天线3设置于天线底板1同一侧；超材料表面天线盖板4以第一预设高度覆设于单天线3上方对应位置，超材料表面天线盖板4包括多个尺寸相同的单元晶格组成的晶格阵列，相邻两个单元晶格之间具有相同的功能间距。
30.进一步地，如图1所述，本实施例中单天线3设置为4个，分别设置于天线底板1的四角，超材料表面天线盖板4同样也是设置为4个，分别以第一预设高度一一对应地覆设于单天线3上方对应位置；除本实施例中设置4个超材料表面天线盖板4一一对应4个单天线3外，在不考虑生产成本的情况下，也可以仅设置1块大的超材料表面天线盖板，可设置为与天线地板1同样大小以第一预设高度覆设于单天线3上方。还需补充说明的是，本发明的天线底板1的中心还设置有隔离腔体2，用于提高本发明基于超材料表面的5g基站室内天线的隔离度，也能够屏蔽基站电路板上的电磁干扰。
31.此外，本实施例里，单天线基于cst仿真软件设计，具体而言，建立基于超材料表面的5g基站室内天线模型主要针对：天线尺寸、天线材料、辐射单元位置等参数进行设置与测试，使其在5g通信的工作频段3.3ghz至3.6ghz有着良好的收发性能，前述，第一预设高度同样基于cst仿真软件设计，具体根据建立基于超材料表面的5g基站室内天线模型的需求等进行设计。其中，本发明中天线的收发性能通过以下参数进行表征：驻波比(vswr)，隔离度(s21)，天线增益，垂直面3db波束宽度，最大增益仰角。
32.具体地，本发明中，如图2a所示，多个单天线3结构相同，每个单天线包括弹簧探针(pogopin)31、天线小反射板32和辐射单元33，其中，弹簧探针31的底部312与基站的射频端连接，弹簧探针31的顶部311与天线小反射板32连接，具体地，弹簧探针的顶部311抵触于天线小反射板32的其中一连接端，如图2b所示。其中，弹簧探针31的底部312设置有圆环状的集总端口，用于更好地与基站的射频端连接，如图3a所示，需要说明的是，为更好地展示弹簧探针的结构，图3a所展示的弹簧探针的尺寸进行了放大。
33.进一步地，天线小反射板32是多层pcb板具体地，本实施例中，天线小反射板32为双层pcb板，其中基板材质可以是中英zyf265d-1/1,介电常数是2.65，天线小反射板的尺寸是40mm
×
40mm
×
1.0mm。天线小反射板32设置有传输线322、如图3b所示，传输线322的一端与弹簧探针31的顶部311抵触电连接，另一端与辐射单元33连接。此外，天线小反射板32上还设置有两排金属化过孔321和多个通孔323，金属化过孔321用于防止电磁波的泄露；三个通孔323可以用于天线小反射板32的固定，具体地，可以通过m3螺钉将pcb板固定于天线底板1，实现天线地板1和单天线3的固定连接。为了便于辐射单元33的固定，本实施例天线小反射板32上还设置有多个固定孔324。
34.本实施例中，辐射单元33连接于天线小反射板32的另一连接端，选用pifa天线，其为铜合金材质，尺寸是44mm
×
20mm
×
10.5mm。辐射单元33朝向天线小反射板的一侧设置有开路枝节332、短路枝节333和激励枝节331；其中，辐射单元33通过短路枝节333和激励枝节331固定设置于天线小反射板32的一侧，辐射单元33一端激励枝节331与小反射板上32的传输线322连接，另一端两个短路枝节332与小反射板32连接，短路枝节333和开路枝节332主要用于调节天线匹配。短路枝节333可以插入天线小反射板32上对应的固定孔324中，再通过焊接，将辐射单元33固定到天线小反射板32，完成天线的装配；为使天线小反射板32和辐
射单元33的结构稳定，短路枝节333设置为两个，激励枝节331设置为1个，通过三个固定点设置与天线小反射板32连接，即能使天线小反射板32和辐射单元33的位置相对固定，也便于后续焊接操作；当然，短路枝节333也可以仅设置为一个或者多于两个，在此不做限定。如图3c所示。激励枝节331固定设置于与天线小反射板32上的另一连接端，具体通过设置的固定孔324实现激励枝节331和天线小反射板32的固定；所述短路枝节333插接于天线小反射板32，开路枝节331以第二预设高度悬空设置于天线小反射板32的一侧，如图2b所示；需要说明的是，本发明中的第二预设高度同样基于cst仿真软件设计，具体根据天线小反射板32和辐射单元33的尺寸、性能等进行设计。
35.本实施例里，如图1所示，基站天线的四个角放置四个完全相同的pifa天线3，天线底板1的尺寸是200mm
×
200mm
×
11mm，六边形的隔离腔体2既可以提高天线隔离度，也能够屏蔽电路板上的电磁干扰。
36.在本实施例里，超材料表面设计为基于cst仿真软件，设计在3.3ghz至3.6ghz呈现“高阻抗”特性的超材料表面。超材料表面的工作频率通过反射系数s11来确定，超材料表面设计，首先确定超材料表面的工作频带需覆盖5g基于超材料表面的5g基站室内天线的工作频带(3.3ghz～3.6ghz)。本发明中的超材料表面采用“贴片型”结构，使该超材料表面在其工作频带呈现高阻抗特性，即对电磁波进行同相反射(反射能量时不抵消该方向的入射波)。超材料表面的单元晶格为层结构，具体结构如图4a和4b所示，单元晶格包括靠近单天线的第一铜层41、覆盖于第一铜层的介质层42和覆盖于介质层的第二铜层43，第二铜43层远离单天线，第一铜层41的尺寸小于介质层42的尺寸，以使任意两个相邻单元晶格之间具有相同的功能间距；其中第一铜层41和介质层42的设计尺寸及其形成的功能间距基于cst仿真软件，设计为3.3ghz至3.6ghz呈现“高阻抗”特性的超材料表面，在此不做具体尺寸限定。
37.超材料表面的工作频带调频方法是：对单元晶格的表面尺寸，单元晶格之间的间隙，单元晶格尺寸进行调整。经过对上述参数进行调整，最终的超材料表面设计如图5所示。此时的超材料表面工作频率可通过0
°
反射角来确定，带宽可由
±
90
°
角来确定，如图6所示。可得知该超材料表面在3.45ghz可实现同相反射，有效带宽覆盖3.3ghz到3.6ghz。原5g室内基站天线加入超材料表面后的模型如图1所示。
38.在本发明中，单天线加超材料盖板组合模型设计为基于cst仿真软件，组合已调制好的基于超材料表面的5g基站室内天线模型和超材料表面，重新对模型进行调谐和阻抗匹配，使其在5g通信的工作频段3.3ghz至3.6ghz有着良好的收发性能，通过将上述基于超材料表面的5g基站室内天线设计中的天线盖板替换为在超材料表面设计中得到的高阻抗表面实现超材料盖板设计。由此可以将天线垂直方向的方向图进行同相反射，从而加强水平方向的方向图强度，提升最大增益仰角；同时可以有效提升相邻辐射单元间的隔离度，从而减小同频干扰的问题。超材料表面加入前后的基站天线相关参数结果如表1所示
39.表1加入超材料表面天线盖板前后效果对比
[0040][0041]
在加入超材料表面盖板后，在3.6ghz处的隔离度从23.5db提升到了38.1db；天线增益整体得到了提升，在天线仰角为55
°
时，最大增益提升了23.1％，在天线仰角为60
°
时，最大增益提升了22.9％；最大增益仰角从55
°
提升到了60
°
；垂直波束宽度提升了36.6％。整体的隔离度数据通过相邻辐射单元间的入射系数s21进行分析，仿真结果由图7所示。未加入超材料表面时，在辐射单元工作频带3.3ghz至3.6ghz，相邻单元间的入射系数s21总是小于指标值25db，在3.6ghz处的结果为23.5db。当加入超材料后，可以保证在基站天线的工作频带3.3ghz至3.6ghz，相邻辐射单元间的入射系数总是大于指标值25db，在3.6ghz处的结果为38.1db。
[0042]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0043]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：包括天线底板、多个单天线、超材料表面天线盖板；其中，多个所述单天线设置于所述天线底板同一侧；所述超材料表面天线盖板以第一预设高度覆设于所述单天线上方对应位置；所述超材料表面天线盖板包括多个尺寸相同的单元晶格组成的晶格阵列，相邻两个所述单元晶格之间具有相同的功能间距。2.根据权利要求1所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：多个所述单天线结构相同；所述单天线包括弹簧探针、天线小反射板和辐射单元；其中，所述弹簧探针的底部与基站的射频端连接，所述弹簧探针的顶部抵触于所述天线小反射板的其中一连接端，所述辐射单元连接于所述天线小反射板的另一连接端。3.根据权利要求2所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述天线小反射板为多层pcb板，所述pcb板上设置有传输线、所述传输线的一端抵触于所述弹簧探针的顶部，另一连接端与所述辐射单元连接。4.根据权利要求2所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述辐射单元朝向所述天线小反射板的一侧设置的开路枝节、短路枝节和激励枝节；其中，所述辐射单元通过所述短路枝节和所述激励枝节固定设置于所述天线小反射板的一侧。5.根据权利要求4所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述激励枝节固定设置于与所述天线小反射板上的另一连接端，所述短路枝节插接于所述天线小反射板，所述开路枝节以第二预设高度悬空设置于所述天线小反射板的一侧。6.根据权利要求4所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述天线小反射板上设置有多个固定孔，所述短路枝节插接于其中一个或多个所述固定孔，以使所述辐射单元相对所述天线小反射板结构稳定。7.根据权利要求2所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述弹簧探针的底部设置有圆环状的集总端口。8.根据权利要求1所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述单元晶格为层结构，其中，所述单元晶格包括靠近所述单天线的第一铜层、覆盖于所述第一铜层的介质层和覆盖于所述介质层的第二铜层，所述第二铜层远离所述单天线，所述第一铜层的尺寸小于所述介质层的尺寸，以使任意两个相邻所述单元晶格之间具有相同的功能间距。9.根据权利要求2所述的基于超材料表面的5g基站室内天线，其特征在于：所述天线小反射板上还设置有多个用于防止电磁波泄漏的金属化过孔以及多个用于固定所述单天线的通孔。10.一种基站，其特征在于：包括如权利要求1-9所述的基于超材料表面的5g基站室内天线。

技术总结
本发明涉及天线领域，具体公开了一种基于超材料表面的5G基站室内天线及基站，包括天线底板、多个单天线、超材料表面天线盖板；多个所述单天线设置于所述天线底板同一侧；所述超材料表面天线盖板以第一预设高度覆设于所述单天线上方对应位置；所述超材料表面天线盖板包括多个尺寸相同的单元晶格组成的晶格阵列，相邻两个所述单元晶格之间具有相同的功能间距。使用超材料表面天线改版可以同相反射每个辐射单元部分垂直方向上的电磁波，加强辐射单元水平方向上的电磁波，提高单极化室内基站天线的最大增益仰角，从而大幅度增加天线水平面辐射距离和整体覆盖面积，解决了室内天线场景相关应用的行业痛点。关应用的行业痛点。关应用的行业痛点。


技术研发人员：侯佰康 杨廷昭 高嵩 高霞
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/31