CN113451768B - 一种5g超宽频天线单元及5g超宽频双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G超宽频天线单元及5G超宽频双极化天线。一种5G超宽频天线单元包括：介质板及分别形成在介质板两侧的且互为镜像的旗形振子；每一旗形振子由至少两种不同5G频率的1/4λ振子长度通过分频共面设计形成，λ为5G频率对应的波长；每一旗形振子相对介质板中轴线倾斜设置，使得两侧旗形振子的振子臂间距电长度从天线单元起始频率逐级变换到天线单元终止频率。本发明通过分频共面旗形振子技术、V型频率平衡槽技术在满足2G和4G网络制式的网络通信频段基础上，又能够满足5G网络制式的频段使用要求，同时摒弃了常规的滤波器合路，具有物料少、体积小型化、超宽频、低成本、结构简单易于大批量采购与生产制造等优点。

Description

一种5G超宽频天线单元及5G超宽频双极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种5G超宽频天线单元及5G超宽频双极化天线。

背景技术

随着工业和信息化部在2019年正式发放5G牌照，中国的移动通信网络***也正式迈入了5G时代，国内5G通信网络的建设如火如荼地进行着，各种围绕5G移动通信网络的企业也迎来了井喷式的业绩爆发。

进入21世纪以来，中国的人口红利逐渐消退，人工成本逐年上升，因此很多企业增设了很多机械化设备替代人工去抵消人工成本的上升。天线行业随着越来越多的竞争者加入，低价竞争慢慢趋于白热化。基于此，天线从业者在面对各类竞争必须要开发出更具性价比的产品，产品物料越少、越简便规模化的采购与生产就更占先机。如图1所示，市面上的常规双频双极化天线单元方案基本为设计好两种单频双极化天线单元（低频振子1’和高频振子2’），再通过滤波器3’进行合路，但这种设计方式既复杂，物料多，工序多装配人工成本高，综合成本高，生产效率低下，并且多节组装容易对天线的三阶互调指标产生很多不稳定与不确定性情况的发生，具体地，常规设计方案因为振子数目多、零件多，电缆与各组件之间的连接馈电点就更多，而安装的零件多就代表各零件之间出问题的概率就会更大，如振子虚焊、漏焊、焊锡短路、焊锡过多或过少、螺钉没扭紧、螺钉扭太紧超过承受力矩极限、振子安装歪斜等因素都会对天线的性能产生非常大的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种5G超宽频天线单元及5G超宽频双极化天线。

为达到上述目的，本发明采用了如下所述的技术方案：

一种5G超宽频天线单元，其包括：介质板及分别形成在所述介质板两侧的且互为镜像的旗形振子；每一所述旗形振子由至少两种不同5G频率的1/4λ振子长度通过分频共面设计形成，λ为5G频率对应的波长；每一所述旗形振子相对所述介质板中轴线倾斜设置，使得两侧所述旗形振子的相邻边之间形成V型频率平衡槽，以实现振子臂间距电长度从天线单元起始频率逐级变换到天线单元终止频率。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述至少两种不同5G频率是指1710-2700MHz与3300-3800MHz两种5G频率。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，从下往上，所述旗形振子上不同的5G频率由高到低相连排布。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述旗形振子上不同的5G频率对应的振子臂离地间距h1、h2均为1/4λ，λ为5G频率对应的波长。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述介质板的一侧还形成有一个梯形平衡巴伦，其与同侧的所述旗形振子连接；所述介质板的另一侧还形成有阻抗变换段，其连接在同侧的所述旗形振子的下部。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述梯形平衡巴伦上设有外导体焊接孔用于将所述梯形平衡巴伦与电缆外导体连接，电缆内导体穿过所述电缆外导体焊接孔与内导体焊接位连接，用于将与所述梯形平衡巴伦不同侧的旗形振子与所述电缆内导体连接。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述介质板板材为FR4环氧树脂板或聚四氟乙烯板。

作为本发明提供的所述的5G超宽频天线单元的一种优选实施方式，所述5G超宽频天线单元还包括接地焊接位，其与所述梯形平衡巴伦连接。

一种5G超宽频双极化天线，其具有如任一上述的5G超宽频天线单元。

作为本发明提供的所述的5G超宽频双极化天线的一种优选实施方式，所述5G超宽频双极化天线还包括金属反射板，一对所述5G超宽频天线单元垂直安装在所述金属反射板上；两个所述5G超宽频天线单元相互正交设置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种5G超宽频天线单元通过分频共面旗形振子技术、V型频率平衡槽技术在满足2G和4G网络制式的网络通信频段基础上，又能够满足5G（第五代移动通信）网络制式的频段使用要求，同时摒弃了常规的滤波器合路，具有物料少、体积小型化、超宽频、低成本、结构简单易于大批量采购与生产制造等优点。

附图说明

图1为现有常规双频双极化天线单元方案的示意图；

图2为采用分频共面设计的示意图；

图3为本发明5G超宽频天线单元整体结构示意图，其中介质板透视显示；

图4为本发明5G超宽频天线单元的介质板正面示意图；

图5为本发明5G超宽频天线单元的介质板背面示意图；

图6为本发明5G超宽频天线单元另一种实施方式的结构示意图，其中介质板透视显示；

图7为按常规振子臂固定间距设计方式的示意图；

图8为本发明5G超宽频天线单元的端口电压驻波比平面图；

图9为本发明5G超宽频天线单元的实测水平面与垂直面辐射方向图；

图10为本发明5G超宽频天线单元与现有常规设计的驻波比曲线图，其中现有常规设计是指如图7所示的方案设计；

图11为本发明5G超宽频天线垂直水平极化的实施示意图；

图12为本发明5G超宽频天线±45°极化的实施示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

市面上的常规双频双极化天线单元方案基本为设计好两种单频双极化天线单元，再通过滤波器进行合路，但这种设计方式既复杂，物料多，工序多装配人工成本高，综合成本高，生产效率低下，并且多节组装容易对天线的三阶互调指标产生很多不稳定与不确定性情况的发生。

为此，本发明人提出了采用分频共面的设计，这种设计可直接将两种单频单极化天线振子共面设计在一介质板上，具体地，如图2所示，在介质板的一个面上形成的高频振子臂21’和低频振子臂22’，同一面的高频振子和低频振子分布于左右两侧，且上下间隔设置，另一面为镜像设计。如此设计，结构简单，部件少，容易组装，也可摒弃常规的滤波器合路，也能够实现分频效果，但是这种设计缺陷也比较明显，频率有效带宽比较窄，达不到宽频和超宽频效果，而且方案的振子臂臂展宽度尺寸较宽，驻波比也无法优化到满足≤1.5的目标。

为了解决此问题，本发明人经过大量的研发设计提出了一种基于分频共面旗形振子技术及V型频率平衡槽技术的5G超宽频天线单元。

具体地，如图3-5所示，所述5G超宽频天线单元包括双面覆铜的介质板1，所述介质板1上分别通过覆铜技术形成在其两侧上的且互为镜像的旗形振子2、3。每一所述旗形振子2、3由至少两种不同5G频率的1/4λ振子长度通过分频共面设计形成，λ为5G频率对应的波长，即不同于现有技术将不同频率的振子先形成在独立的单元上再合路；进一步地，每一所述旗形振子2、3相对所述介质板中轴线倾斜设置，俯视状态且介质板透视情况下，两侧的所述旗形振子的相邻边之间形成一个V型频率平衡槽4，用于实现两侧所述旗形振子2、3的振子臂间距电长度从天线单元起始频率逐级变换到天线单元终止频率。

通过如此设计，利用分频共面旗形振子技术使天线单元电流在振子的流体路径不会因为叠加效应在一个平面上产生不均衡造成的跳变，达到均衡天线单元的电阻与电抗波动幅度的目的；利用V型频率平衡槽技术使振子臂间距电长度从天线单元起始频率逐级变换到天线单元的终止频率，以平衡不同频率振子臂电长度间距的不一致性的问题，同时避免天线的电流分布突变，减少天线单元的频率跳变和反射导致的天线单元性能低下的问题。本发明5G超宽频天线单元不仅在满足2G和4G网络制式的网络通信频段基础上，又能够满足5G（第五代移动通信）网络制式的频段使用要求，同时摒弃了常规的滤波器合路，具有物料少、体积小型化、超宽频、低成本、结构简单易于大批量采购与生产制造等优点。

下面以两种5G频率进行详细说明，但可以理解的是，并不局限于此。所述两种5G频率是指1710-2700MHz与3300-3800MHz两种5G频率。

如图3-5所示，本实施例提供了一种5G超宽频天线单元100，其包括：介质板1及分别形成在所述介质板1正面11和背面12的第一旗形振子2和第二旗形振子3，其中将所述介质板1透视下所述第一旗形振子2和第二旗形振子3相对中轴线13互为镜像。

其中，所述第一旗形振子2包括共面且上下连接的高频振子臂21和低频振子臂22，具体地所述低频振子臂22和高频振子臂21分别按1710-2700MHz与3300-3800MHz两种5G频率的1/4λ振子长度L1、L2通过分频共面设计成一种圆弧的旗形结构，λ为5G频率对应的波长。需要说明的是，不同5G频率对应的工作波长是不一样的。所述旗形振子上不同的5G频率由高到低相连排布，具体地，在所述第一旗形振子2上，所述高频振子臂21的离地间距h1为1/4λ且设置在旗形结构的下方，所述低频振子臂22的离地间距h2为1/4λ且设置在旗形结构上方，然后使用PCB共面印刷在一个平面上，其中，λ为5G频率对应的波长。具体实现时，是根据预设5G频率的有效谐振阻抗及振子长度确定振子臂表面积大小。上述旗形结构不限定为圆弧形，也可设置为其他多边形（如图6所示），满足上述振子长度、离地间距以及表面积大小要求即可。

需要说明的是，由于所述第二旗形振子3与第一旗形振子2互为镜像，在此不再赘述所述第二旗形振子3的结构。如此设计，利用这种分频共面设计形成第一旗形振子2和第二旗形振子3以及两者镜面分设于介质板1的两侧，使天线单元100电流在振子臂的流体路径不会因为叠加效应在一个平面上产生不均衡造成的跳变，达到均衡天线单元100的电阻与电抗波动幅度的目的。

如图7所示，现有常规振子臂的间距4’都是设计为固定间距，而且常规固定间距只能取一个中间值来适配预设频率，但是如此设计之后带宽性能无法实现宽频与分频的设计效果。本发明人经过大量的试验论证，无意中将所述第一旗形振子2和第二旗形振子3分别相对所述介质板1中轴线13倾斜设置，且朝着相远离的方向倾斜，具体地在俯视状态且介质板1透视情况下，两侧的所述第一旗形振子2和第二旗形振子3的相邻边之间形成一个V型频率平衡槽4，如图3所示，如此设计，每一旗形振子的上部分为频率较低的振子臂，下部分为频率较高振子臂，而且两段频率都属于宽频，巧妙地通过V型槽设计能够很好地兼容不同频率波长的振子臂间距不同步的问题，使所述第一旗形振子2和第二旗形振子3振子臂间距电长度从天线单元100起始频率逐级变换到天线单元100终止频率，平衡不同频率的振子臂间距电长度的不一致性，避免天线的电流分布突变，减少天线单元100的频率跳变和反射导致的天线单元100性能低下的问题。具体实现时，可根据5G频率以及谐振阻抗设计调节倾斜角度。

所述介质板1基于低成本批量化制造考量，材质预设均为生产优势更大的FR4环氧树脂板，也可设置为成本较高的聚四氟乙烯等高频板材。

在所述介质板1的正面11上还形成有一个梯形平衡巴伦5，其与同侧的所述第一旗形振子2连接。根据频率设计需要，常规天线单元100的对称馈电巴伦是无法满足本发明设计所需的超宽带需求。本发明人巧妙地将馈电巴伦设置在所述介质板1的一侧且优化设计成梯形平衡巴伦5，使单元电流能够均匀平顺地导向振子臂（低频振子臂22和高频振子臂21）从而进行高性能辐射。

为了匹配阻抗，在所述介质板1的背面12还形成有阻抗变换段6，其连接在同侧的所述旗形振子的下部，即连接设置在所述连接线7上。

进一步地，所述梯形平衡巴伦5上设有外导体焊接孔9，用于焊接电缆外导体以将所述梯形平衡巴伦5与电缆外导体连接。位于另一侧（即所述介质板1的背面12）的所述第二旗形振子3的连接线7末端设置有内导体焊接位10，电缆内导体穿过所述电缆外导体焊接孔9与所述内导体焊接位10连接，用于将与所述梯形平衡巴伦不同侧的所述第二旗形振子3与所述电缆内导体连接。

所述5G超宽频天线单元100还包括接地焊接位8，其与所述梯形平衡巴伦5连接。

如图8、9所示，本实施例的一种5G超宽频天线单元100具有如下优点：

（1）从图8预设频率1710MHz～2700/3300～3800MHz频段内驻波比值都≤1.5以下，并且做到了较好的分频效果，达到了很好的低反射要求。

（2）具有物料少、体积小型化、超宽频、低成本、结构简单易于大批量采购、生产制造等优点；

（3）用于信号覆盖时，既兼容2G、3G、4G通信频段使用要求，又能满足5G频率网络要求。

从图9可以看出水平面与垂直面半功率波瓣宽度在频段范围内的半功率波瓣宽度均匀，无因超宽带而造成不同频点波幅较大；所述天线有很好的信号集中定向辐射特性。

从图10对比图可以发现，常规技术产品（如图7所示方案）带宽明显不足，在同等驻波比要求下无法实现宽频与分频效果，达不到产品设计目标。

本发明还提供了一种5G超宽频天线，其包括金属反射板200和一对如上述的5G超宽频天线单元100，一对所述5G超宽频天线单元100垂直安装在所述金属反射板200上；两个所述5G超宽频天线单元100相互正交设置，如一个所述5G超宽频天线单元100沿横向插接在所述金属反射板200上和另一个所述5G超宽频天线单元100沿纵向插接在所述金属反射板200上构成垂直水平极化实施例，如图11所示，又如一个所述5G超宽频天线单元100沿横向左侧向上倾斜45°插接在所述金属反射板200上和另一个所述5G超宽频天线单元100沿横向右侧向上倾斜45°插接在所述金属反射板200上构成±45°极化实施例，如图12所示，但并不局限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种5G超宽频天线单元，其特征在于，其包括：介质板及分别形成在所述介质板两侧的且互为镜像的旗形振子；每一所述旗形振子由至少两种不同5G频率的1/4λ振子长度通过分频共面设计形成，λ为5G频率对应的波长；每一所述旗形振子相对所述介质板中轴线倾斜设置，使得两侧所述旗形振子的相邻边之间形成V型频率平衡槽，以实现振子臂间距电长度从天线单元起始频率逐级变换到天线单元终止频率；

从下往上，所述旗形振子上不同的5G频率由高到低相连排布；

所述旗形振子上不同的5G频率对应的振子臂离地间距h1、h2均为1/4λ，λ为5G频率对应的波长。

2.根据权利要求1所述的5G超宽频天线单元，其特征在于，所述至少两种不同5G频率是指1710-2700MHz与3300-3800MHz两种5G频率。

3.根据权利要求1所述的5G超宽频天线单元，其特征在于，所述介质板的一侧还形成有一个梯形平衡巴伦，其与同侧的所述旗形振子连接；所述介质板的另一侧还形成有阻抗变换段，其连接在同侧的所述旗形振子的下部。

4.根据权利要求3所述的5G超宽频天线单元，其特征在于，所述梯形平衡巴伦上设有外导体焊接孔用于将所述梯形平衡巴伦与电缆外导体连接，电缆内导体穿过所述电缆外导体焊接孔与内导体焊接位连接，用于将与所述梯形平衡巴伦不同侧的旗形振子与所述电缆内导体连接。

5.根据权利要求3所述的5G超宽频天线单元，其特征在于，所述5G超宽频天线单元还包括接地焊接位，其与所述梯形平衡巴伦连接。

6.根据权利要求1所述的5G超宽频天线单元，其特征在于，所述介质板板材为FR4环氧树脂板或聚四氟乙烯板。

7.一种5G超宽频双极化天线，其特征在于，其具有如权利要求1至6任一所述的5G超宽频天线单元。

8.根据权利要求7所述的5G超宽频双极化天线，其特征在于，所述5G超宽频天线还包括金属反射板，一对所述5G超宽频天线单元垂直安装在所述金属反射板上；两个所述5G超宽频天线单元相互正交设置。

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