CN111585006B - 辐射单元及阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及5G通信基站天线技术领域，公开了一种辐射单元及阵列天线，该辐射单元，包括：介质基片、寄生贴片以及支撑件；所述支撑件的一端与所述介质基片相连，另一端与所述寄生贴片相连；所述介质基片的上表面设有辐射面和馈电网络，所述馈电网络对所述辐射面直接馈电，所述介质基片的下表面设有接地面。本发明提供的辐射单元，工作在2496～2690MHz的频带内，在具有低剖面特性的基础上，改善了隔离度和交叉极化比，结构简单，设计灵活，适合大规模批量生产。

Description

辐射单元及阵列天线
技术领域
本发明涉及5G通信基站天线技术领域，特别是涉及一种辐射单元及阵列天线。
背景技术
随着5G时代的来临和5G网络的试商用部署，标志着基站主设备与大规模阵列天线的融合必然成为5G通讯趋势，massive MIMO天线的需求量将远大于传统天线，同时对5G天线的轻便性、低成本要求也越来越高。
大规模天线阵列***中布阵空间大大减小，辐射单元间距小，因此辐射单元需要具备小型化，高隔离度、稳定增益和宽频带等特性。此外，低剖面辐射单元由于能够有效利用有限空间和降低成本而更受青睐。5G技术中辐射单元的设计需要同时满足各个指标要求，使得辐射单元设计成为一大技术难点。
发明内容
本发明实施例提供一种辐射单元及阵列天线，用以解决或部分解决现有的辐射单元体积大和成本高的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种辐射单元，包括：介质基片、寄生贴片以及支撑件；所述支撑件的一端与所述介质基片相连，另一端与所述寄生贴片相连；
所述介质基片的上表面设有辐射面和馈电网络，所述馈电网络对所述辐射面直接馈电，所述介质基片的下表面设有接地面。
在上述技术方案的基础上，所述寄生贴片的边缘设有至少一个贯穿所述寄生贴片的上表面和下表面的第一槽口。
在上述技术方案的基础上，所述寄生贴片的两侧边缘分别设有一个贯穿所述寄生贴片的上表面和下表面的第二槽口，两个所述第二槽口相对于所述寄生贴片的轴线对称布置。
在上述技术方案的基础上，相平行布置的所述辐射面与所述寄生贴片的间距为工作频带范围内对应的最大波长的0.065～0.069倍。
在上述技术方案的基础上，所述支撑件由塑料制备而成。
在上述技术方案的基础上，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线相垂直。
在上述技术方案的基础上，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线相平行。
在上述技术方案的基础上，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线的夹角为45°。
在上述技术方案的基础上，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线的夹角异同。
第二方面，本发明实施例提供一种阵列天线，包括上述技术方案所述的辐射单元。
本发明实施例提供的一种辐射单元及阵列天线，对电气特性产生主要影响的主要包括辐射面和寄生贴片，辐射面设置在介质基片的上表面，寄生贴片设置在辐射面的正上方。本发明实施例提供的辐射单元，工作在2496～2690MHz的频带内，在具有低剖面特性的基础上，改善了隔离度和交叉极化比，结构简单，设计灵活，适合大规模批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种辐射单元的结构示意图；
图2为本发明实施例的寄生贴片的俯视图；
图3为本发明实施例的微带馈线的第一布置状态的示意图；
图4为本发明实施例的微带馈线的第二布置状态的示意图；
图5为本发明实施例的微带馈线的第三布置状态的示意图；
图6为本发明实施例的微带馈线的第四布置状态的示意图；
图7为本发明实施例的一种阵列天线的结构示意图。
附图标记：
1、辐射单元；10、寄生贴片；101、第一矩形槽；102、第二矩形槽；103、第三矩形槽；104、第四矩形槽；105、第一三角槽；106、第二三角槽；107、第一圆形通孔；108、第二圆形通孔；109、第三圆形通孔；20、介质基片；201、辐射面；202(a)、第一状态第一微带馈线；203(a)、第一状态第二微带馈线；202(b)、第二状态第一微带馈线；203(b)、第二状态第二微带馈线；202(c)、第三状态第一微带馈线；203(c)、第三状态第二微带馈线；202(d)、第四状态第一微带馈线；203(d)、第四状态第二微带馈线；204、接地面；205、椭圆形缝隙；206、第四圆形通孔；207、第五圆形通孔；208、第六圆形通孔；30、支撑件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
相比于传统天线，微带贴片天线不仅体积小、重量轻、剖面低，而且易集成、成本低，适合批量生产；微带贴片常用的一般有直馈和耦合馈电两种馈电方式，耦合馈电能够提高极化纯度，但需要多层介质基板，结构较复杂，成本较高。
图1为本发明实施例的一种辐射单元的结构示意图，如图1所示，本发明实施例的辐射单元1，包括：介质基片20、寄生贴片10以及支撑件30；
其中，寄生贴片10的材料可以选用具备一定结构强度不易弯折且重量较轻的金属。例如，寄生贴片10的制备材料为铝合金，采用的加工方式为钣金冲压；
支撑件30的一端与介质基片20相连，另一端与寄生贴片10相连；其中，支撑件30的底部安装在介质基片20的上表面的正中心位置处，支撑件30的顶部安装在寄生贴片10的下表面的正中心位置处，寄生贴片10与介质基片20平行且寄生贴片10位于介质基片20的正上方；
如图3所示，介质基片20的上表面设有辐射面201和馈电网络，馈电网络的馈电端是通过微带馈线直接对辐射面201馈电；辐射面201是通过印刷电路板工艺在介质基片20上表面覆铜箔形成；馈电网络包括第一微带馈线和第二微带馈线，第一微带馈线是通过印刷电路板工艺在介质基片20上表面覆铜箔形成，第二微带馈线是通过印刷电路板工艺在介质基片20上表面覆铜箔形成；介质基片20的下表面设有接地面204。
可以理解的是，在本发明实施例中以寄生贴片10为矩形，辐射面201为正方形为例进行说明。寄生贴片10所在平面和辐射面201所在平面平行，寄生贴片10的中心和辐射面201的中心的连接线分别与寄生贴片10所在平面和辐射面201所在平面垂直；寄生贴片10可以比辐射面201覆盖的面积大，也可以比辐射面201覆盖的面积小。
在本发明实施例中，对电气特性产生主要影响的主要包括辐射面201和寄生贴片10，辐射面201设置在介质基片20的上表面，寄生贴片10设置在辐射面的正上方。本发明实施例提供的辐射单元1，工作在2496～2690MHz的频带内，在具有低剖面特性的基础上，改善了隔离度和交叉极化比，结构简单，设计灵活，适合大规模批量生产。
可以理解的是，支撑件30可以由塑料制备而成。
为了实现通过支撑件30连接介质基片20和寄生贴片10，如图2和图3所示，辐射面201的正中心处开设一个椭圆形缝隙205，用于支撑件30的底部与介质基片20的上表面的连接固定。介质基片20的正中心开设了三个圆形通孔，沿中轴线方向依此为第四圆形通孔206、第五圆形通孔207以及第六圆形通孔208；第四圆形通孔206和第六圆形通孔208用于固定支撑件30在中轴线处，第五圆形通孔207用于支撑件30的固定。其中，第五圆形通孔207的直径大于第四圆形通孔206和第六圆形通孔208的直径。
需要说明的是，与之相对应的，寄生贴片10设置有用于安装支撑件30的第一圆形通孔107、第二圆形通孔108和第三圆形通孔109，第一圆形通孔107、第二圆形通孔108和第三圆形通孔109等距排列在一条直线上，且第二圆形通孔108开设在寄生贴片10的中心位置处。
在上述实施例的基础上，如图2所示，寄生贴片10的边缘设有至少一个贯穿寄生贴片的上表面和下表面的第一槽口。
需要说明的是，寄生贴片10为矩形，也可以设置为正方形。寄生贴片10的每一边的中点处均开设一个矩形槽，按顺时针方向旋转，依次为第一矩形槽101、第二矩形槽102、第三矩形槽103以及第四矩形槽104。第一矩形槽101、第二矩形槽102、第三矩形槽103和第四矩形槽104的开设用于减小寄生贴片10的尺寸；并且，第一矩形槽101、第二矩形槽102、第三矩形槽103和第四矩形槽104的开设可以使得电流的流动路径加长。
在上述实施例的基础上，如图2所示，寄生贴片10的两侧边缘分别设有一个贯穿寄生贴片10的上表面和下表面的第二槽口，两个第二槽口相对于寄生贴片10的轴线对称布置。
需要说明的是，寄生贴片10的对边分别开设一个三角槽，按顺时针方向旋转，依此为第一三角槽105和第二三角槽106，将寄生贴片10上未开设三角槽的两对边的长度固定，拉伸另外两边的长度，形成一个矩形，此时第一三角槽105和第二三角槽106位于矩形的两长边上。通过寄生贴片10的边长长度修改，能够显著提升辐射单元的隔离度，主要是异极化隔离，特别是在辐射单元间距较近，隔离度较差的情况下，这种拉伸修改在调节隔离度上呈现了显著的优越性；并且，寄生贴片10上的第一三角槽105和第二三角槽106通过改变电流分布，抑制了主模外的其他辐射模式，提高了辐射单元的极化纯度，一定程度上提高了辐射单元的交叉极化比。
需要说明的是，寄生贴片10上开设有第一三角槽105和第二三角槽106对应的两边的连线的垂直中心线上分别开设了三个圆形通孔，从距离三角槽较近的圆形通孔开始，依次为第一圆形通孔107、第二圆形通孔108以及第三圆形通孔109。
在上述实施例的基础上，相平行布置的辐射面201与寄生贴片10的间距为工作频带范围内对应的最大波长的0.065～0.069倍。
需要说明的是，辐射面201与寄生贴片10的间距为工作频带范围内对应的最大波长的0.067倍。与其它结构天线相比，该辐射单元1具有良好的低剖面特性。
在上述实施例的基础上，如图3所示，馈电网络包括与辐射面201的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的第一微带馈线和第二微带馈线与辐射面201的中轴线相垂直。
需要说明的是，辐射面201与第一状态第一微带馈线202(a)和第一状态第二微带馈线203(a)直接相连，第一状态第一微带馈线202(a)和第一状态第二微带馈线203(a)分别设置在辐射面201同一条边的两个直角处，第一状态第一微带馈线202(a)和第一状态第二微带馈线203(a)均与辐射面201的中轴线相垂直。其中，中轴线的方向与第四圆形通孔206、第五圆形通孔207以及第六圆形通孔208的布置方向相一致。
可以理解的是，两个端口通过微带馈线分别实现正45度极化和负45度极化，当从第一状态第二微带馈线203(a)馈入时，激励的是正45度极化，当从第一状态第一微带馈线202(a)馈入时，激励的是负45度极化。
在上述实施例的基础上，如图4所示，馈电网络包括与辐射面201的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的第一微带馈线和第二微带馈线与辐射面201的中轴线相平行。
需要说明的是，辐射面201与第二状态第一微带馈线202(b)和第二状态第二微带馈线203(b)直接相连，第二状态第一微带馈线202(b)和第二状态第二微带馈线203(b)分别设置在辐射面201同一条边的两个直角处，第二状态第一微带馈线202(b)和第二状态第二微带馈线203(b)均与辐射面201的中轴线相平行。
在上述实施例的基础上，如图5所示，馈电网络包括与辐射面201的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的第一微带馈线和第二微带馈线与辐射面201的中轴线的夹角为45°。
需要说明的是，辐射面201与第三状态第一微带馈线202(c)和第三状态第二微带馈线203(c)直接相连，第三状态第一微带馈线202(c)和第三状态第二微带馈线203(c)分别设置在辐射面201同一条边的两个直角处，第三状态第一微带馈线202(c)和第三状态第二微带馈线203(c)均与辐射面201的中轴线的夹角为45°。即此时第三状态第一微带馈线202(c)和第三状态第二微带馈线203(c)与辐射面201的中轴线的夹角相等。
在上述实施例的基础上，如图6所示，馈电网络包括与辐射面201的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，第一微带馈线和第二微带馈线与辐射面201的中轴线的夹角异同。
需要说明的是，辐射面201与第四状态第一微带馈线202(d)和第四状态第二微带馈线203(d)直接相连，第四状态第一微带馈线202(d)和第四状态第二微带馈线203(d)分别设置在辐射面201同一条边的两个直角处，第四状态第一微带馈线202(d)和第四状态第二微带馈线203(d)与辐射面201的中轴线的夹角不相同。即此时第四状态第一微带馈线202(d)和第四状态第二微带馈线203(d)不关于辐射面201的中轴线对称。
可以理解的是，微带馈线连接辐射面201的方式灵活，可根据馈电网络灵活改动微带馈线的连接方式。不对称布置的微带馈线会造成正45度极化和负45度极化两个极化所用的功分器不一致，增大了设计功分器的复杂性，因此一般采用对称形式的微带馈线结构。馈电网络与辐射面201共用介质基片20的上表面，利用单层介质基板，结构简单，便于加工组装。
另一方面，本发明实施例提供一种阵列天线，包括上述实施例提供的辐射单元1。
如图7所示，本发明实施例提供的阵列天线，包括六个辐射单元1，组成2×3的阵列，每一列包括三个辐射单元1；阵列中的每一列均包括两组馈电网络，每组馈电网络以介质基片的辐射面的中心轴为中心旋转对称分布。两组该馈电网络用于为辐射单元1供电。
本发明实施例提供的阵列天线，采用直接馈电的微带贴片的形式，相对带巴伦辐射单元结构和耦合馈电微带贴片天线形式具有更低的剖面，此外，通过简单的调节寄生贴片结构，例如拉伸长度，开设三角槽能够提高天线的隔离度和交叉极化比，修改方式简单灵活；5G运用场景下，天线阵列排布空间压缩，要求辐射单元具有低剖面的要求，而本发明实施例提供的辐射单元具有良好的低剖面特性，可以满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种辐射单元，其特征在于，包括：介质基片、寄生贴片以及支撑件；所述支撑件的一端与所述介质基片相连，另一端与所述寄生贴片相连；
所述介质基片的上表面设有辐射面和馈电网络，所述馈电网络对所述辐射面直接馈电，所述介质基片的下表面设有接地面；
所述寄生贴片设置有用于安装所述支撑件的第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔，所述第一圆形通孔、所述第二圆形通孔和所述第三圆形通孔等距排列在一条直线上，且所述第二圆形通孔开设在所述寄生贴片的中心位置处；
所述介质基片的正中心开设三个圆形通孔，沿中轴线方向依次为第四圆形通孔、第五圆形通孔以及第六圆形通孔；所述第四圆形通孔和所述第六圆形通孔用于固定所述支撑件在中轴线处，所述第五圆形通孔用于所述支撑件的固定；
所述寄生贴片为矩形或正方形，所述寄生贴片的边缘设有至少一个贯穿所述寄生贴片的上表面和下表面的第一槽口，所述第一槽口为矩形槽；
所述寄生贴片的两侧边缘分别设有一个贯穿所述寄生贴片的上表面和下表面的第二槽口，两个所述第二槽口相对于所述寄生贴片的轴线对称布置，所述第二槽口为三角槽。
2.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，相平行布置的所述辐射面与所述寄生贴片的间距为工作频带范围内对应的最大波长的0.065～0.069倍。
3.根据权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，所述支撑件由塑料制备而成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的辐射单元，其特征在于，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线相垂直。
5.根据权利要求1至3任一项所述的辐射单元，其特征在于，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线相平行。
6.根据权利要求1至3任一项所述的辐射单元，其特征在于，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，对称布置的所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线的夹角为45°。
7.根据权利要求1至3任一项所述的辐射单元，其特征在于，所述馈电网络包括与所述辐射面的直角相连的第一微带馈线和第二微带馈线，所述第一微带馈线和所述第二微带馈线与所述辐射面的中轴线的夹角异同。
8.一种阵列天线，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的辐射单元。
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