CN212848827U

CN212848827U - 天线元件及具有其的天线结构

Info

Publication number: CN212848827U
Application number: CN202022361833.4U
Authority: CN
Inventors: 赵慈旭; 穆乐思
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2030-10-21

Abstract

本实用新型涉及一种天线元件。该天线元件包括：接地面；馈电贴片，由探针和引脚支撑在接地面上；以及辐射器，设置在馈电贴片上方，并且具有雪花形的顶部贴片，顶部贴片具有展开分支构件和折叠分支构件，折叠分支构件和展开分支构件沿顶部贴片的边缘交替地排列，辐射器相对于接地面悬空。

Description

天线元件及具有其的天线结构

技术领域

本实用新型涉及天线元件及具有其的天线结构，并且具体涉及用于宽带操作的紧凑型贴片天线。

背景技术

在大规模多输入多输出(MIMO)应用中，多天线元件(通常为100个或更多)形成的MIMO天线阵列的尺寸非常大。因此，希望减小天线阵列的尺寸，特别是在传统的移动频带(即，在6GHz以下)的情况下。用于减小尺寸的一个解决方案是利用多模天线作为单元，以允许在给定区域中实现更多的天线端口。然而，在理想情况下，大规模MIMO天线阵列中的各个天线端口的辐射图应该是全向的或覆盖所需的基站扇区，使得每个天线端口可以接收尽可能多的多径信号。对于室外基站天线，这通常意味着需要宽到足以覆盖感兴趣的扇区的宽边辐射图。通常，宽边方向的辐射图中产生的重叠通常会增加相互耦合。在这种情况下，为了抑制相互耦合，需要将天线元件分开得很远或需要额外的技术。

实用新型内容

本公开的一个方面提供了一种天线元件，包括：接地面；馈电贴片，由探针和引脚支撑在接地面上；以及辐射器，设置在馈电贴片上方，并且具有雪花形的顶部贴片，顶部贴片具有展开分支构件和折叠分支构件，折叠分支构件和展开分支构件沿顶部贴片的边缘交替地排列，辐射器相对于接地面悬空。

在本公开的实施方式中，顶部贴片具有三个展开分支构件和三个折叠分支构件。

在本公开的实施方式中，展开分支构件沿顶部贴片的边缘向外突出，并且折叠分支构件从顶部贴片的边缘朝向接地面折叠。

在本公开的实施方式中，辐射器还包括底部下层，折叠分支构件位于顶部贴片和底部下层之间并将顶部贴片和底部下层相互连接。

在本公开的实施方式中，辐射器具有旋转对称的物理几何轮廓。

在本公开的实施方式中，辐射器与馈电贴片间隔预定的距离。

在本公开的实施方式中，接地面具有圆形或多边形形状。

在本公开的实施方式中，接地面具有正六边形形状。

根据本公开的另一方面，提供了一种包括一个或多个上述天线元件的天线结构。

在本公开的实施方式中，多个上述天线元件呈蜂窝状排列。

本公开的各个实施方式可具有以下有益效果中的至少一种：

1)天线(例如三端口天线)的尺寸与传统的双端口双极化贴片天线大致相同，对于相同的阵列孔径，允许增加例如50％的天线单元；以及

2)通过将接地面切割成六边形形状，可以将标准天线连接在一起以形成大规模MIMO天线阵列，其中，天线阵列的所有辐射图指向宽边方向同时具有低相互耦合。

附图说明

附图包括在内以提供对本公开的进一步理解，构成说明书的一部分并示出本公开的优选实施方式，并且附图连同说明书一起阐述本公开的原理。附图描述了本公开的一些实施方式，并且本领域技术人员可以根据这些附图获得其它附图，而不需要付出创造性的劳动。

图1示出了现有技术的贴片天线的一般结构。

图2(a)和图2(b)示出了本公开一个实施方式的宽带紧凑型三模贴片天线的示例

图3(a)和图3(b)示出了对于不同天线端口的S-参数随频率的变化的仿真示意图和测量示意图。

图4(a)和图4(b)示出了对于不同天线端口的所示示例的增益随频率变化的仿真示意图和测量示意图。

图5(a)和图5(b)示出了对于不同天线端口的所示示例的效率随频率变化的仿真示意图和测量示意图。

图6(a)至图6(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于xz平面中的端口1的所示示例的仿真辐射图和测量辐射图。

图7(a)至图7(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于yz平面中的端口1的所示示例的仿真辐射图和测量辐射图。

图8(a)至图8(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于xy平面中的端口1的所示示例的仿真辐射图和测量辐射图。

图9(a)和图9(b)示出了本公开一个实施方式的具有正六边形接地面的两组天线元件的示例。

图10示出了本公开一个实施方式的天线元件结合在一起以形成大规模MIMO天线阵列的示例。

具体实施方式

为了更好地理解本公开，将参考附图对本公开的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本公开的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本公开的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本公开的教导的情况下，下文中讨论的第一主体也可被称作第二主体。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本公开的实施方式时，使用“可以”表示“本公开的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本公开所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

本公开的实施方式涉及一种天线元件。该贴片元件可为宽带紧凑型三模贴片天线。该天线的所有辐射指向宽边方向。本公开的天线的阻抗带宽至少例如为18％，并且天线可以在支持三端口激励的同时具有低互耦。本公开不限于特定的谐振频率，该特定的谐振频率是由天线的尺寸确定的。例如，可以通过放大整个天线元件来获得较低的谐振频率。本公开也不限制天线的几何形状，只要它是旋转对称的即可。

图1示出了现有技术的贴片天线100的一般结构。天线100包括贴片辐射器10、馈电贴片11和接地面14。辐射器10具有单层结构且旋转对称。辐射器10由金属制成并悬浮在空气中。辐射器10不限于特定的几何形状，其可以是圆形、六边形或旋转对称的任何其它形状。此外，辐射器10不限于单层结构，其可以是具有折叠结构的多层结构。

在本实施方式中，馈电贴片11设置在辐射器10之下且与辐射器10间隔开。在本是实施方式中，馈电贴片的数量可例如为三个，但本公开不限于此，馈电贴片的数量可根据需要进行调整。在本实施方式中，由于馈电贴片11和辐射器10之间不存在物理连接，因此辐射器10可由三个由金属制成的馈电贴片11电容性馈电。天线端口激励的电容馈送可以抵消某些探针电感，从而产生更好的阻抗匹配。馈电贴片11不限于特定的几何形状，其可以是圆形、矩形或任何其它形状。馈电贴片11由天线探针12和短路引脚13支撑在由金属制成的接地面14上。短路引脚13不限于特定的几何形状。辐射器10和馈电贴片11之间的间隔距离、短路引脚13的位置等有助于确定天线的阻抗匹配。

图2(a)和图2(b)示出了本公开一个实施方式的宽带紧凑型三模贴片天线的示例。

在本实施方式中，天线元件具有贴片辐射器20、馈电贴片25和接地面26。如图中所示，辐射器20具有雪花状形状的顶部贴片，并且具有沿顶部贴片的边缘交替排列的展开分支和折叠分支。如图2(a)所示，展开分支沿顶部贴片的边缘向外突出，并且折叠分支从顶部贴片的边缘朝向接地面26折叠，但是不与接地面26接触。也就是说，辐射器20相当于接地面26悬空。在本实施方式中，顶部贴片的形状以及折叠分支和展开分支的数量不限于此，在不背离本公开的原理的情况下，可以根据需要设置其他形状的顶部贴片以及其他数量的折叠分支和展开分支。如图2(a)所示，辐射器20具有旋转对称的物理几何轮廓并且由例如金属制成。

在本实施方式中，折叠分支包括下层结构22和垂直结构21，其中，垂直结构21位于辐射器20的顶部贴片和下层结构22之间并将顶部贴片和下层结构22彼此连接。也就是说，在本实施方式中，天线元件具有两层结构(分别为顶部的雪花状贴片和下层结构22)，其中，下层结构22不与接地面26接触。此外，在平面图中(例如，在z轴方向上观察时)，展开分支位于彼此相邻的折叠分支之间。在本公开中，由于折叠分支和展开分支的这种分布结构，因此有助于产生用于宽带操作的两个附近的天线谐振。折叠分支可以减小xy平面中的整体天线投影面积。

图2(b)示出了将辐射器20移除的示例的立体图。应当理解，移除天线元件的顶部贴片的目的仅仅是为了便于示出天线元件的内部结构，实际使用中并不会将顶部贴片去除。类似于图1所描述的天线元件，馈电贴片25设置在辐射器20之下并且与辐射器20间隔开。由于馈电贴片25和辐射器20之间不存在物理连接，因此辐射器20可由金属制成的馈电贴片25电容性馈电。馈电贴片25由天线探针23、27和28和短路引脚24支撑在接地面26上。在本实施方式中，馈电贴片25的数量为例如三个，因此，天线探针和短路引脚的数量也为三个，但是本领域技术人员可以根据需要选择任意数量的馈电贴片、天线探针和短路引脚。三个馈电贴片25分别由对应于三个端口的三个探针23、27和28激励。短路引脚24连接到印刷在FR-4环氧树脂板上的圆形接地面26。应注意，在不背离本公开的原理的情况下，馈电贴片25、天线探针和短路引脚之间的连接结构可为本领域中公知的任意一种结构，本公开对此并不限制，只要短路引脚和天线探针能够将馈电贴片支撑在接地面上即可。

在本实施方式中，接地面26示出为圆形，但是本公开不限于此，如稍后参考图9(a)和图9(b)所描述的，接地面还可具有诸如正六边形形状的其他多边形形状。

如图2(a)和图2(b)所示，辐射器20的顶部贴片、下层结构22、馈电贴片25以及接地面26之间彼此平行或大致平行。

图3(a)示出了对于不同天线端口的S-参数随频率的变化的仿真示意图。由于整个天线结构是旋转对称的，所以反射系数S11、S22和S33在理论上应该是相同的。此外，端口之间的互耦合应该是相同的。端口之间的微小差异是由于在电磁(EM)计算中的网格划分(meshing)而引起的。在该示例中，10dB阻抗带宽是18.2％，并且在该频带内任意两个端口之间的耦合系数低于-14.2dB。

图3(b)示出了对于不同天线端口的S-参数随频率的变化的测量示意图。端口之间的微小差异是由于制造公差而引起的。通过在商业车间中进行原型设计，可以提高制造精度。在与图3(a)相比时，在仿真结果和测量结果之间获得了良好的一致性。

图4(a)示出了对于不同天线端口的所示示例的增益随频率变化的仿真示意图。注意，三条曲线彼此非常接近。天线增益在10dB阻抗带宽内在7.08dBi至7.97dBi之间变化。

图4(b)示出了对于不同天线端口的所示示例的增益随频率变化的测量示意图。端口之间的微小差异是由于制造公差而引起的。通过在商业车间中进行原型设计，可以提高制造精度。在与图4(a)比较时，在仿真结果和测量结果之间获得了良好的一致性。

图5(a)示出了对于不同天线端口的所示示例的效率随频率变化的仿真示意图。注意，三条曲线彼此非常接近。总天线效率在10dB阻抗带宽内在81.7％至97.5％之间变化。

图5(b)示出了对于不同天线端口的所示示例的效率随频率变化的测量示意图。端口之间的微小差异是由于制造公差而引起的。通过在商业车间中进行原型设计，可以提高制造精度。在与图5(a)比较时，在仿真结果和测量结果之间获得了良好的一致性。

图6(a)至图6(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于xz平面中的端口1的所示示例的仿真和测量的辐射图。图6(a)、图6(c)和图6(e)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的仿真的辐射图。图6(b)、图6(d)和图6(f)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的测量的辐射图。注意，端口2和3在测量期间以50Ω的负载终止。实心黑色和破折号灰线分别对应于

和Eθ。仿真结果与测量结果的一致性较好。端口2和3的辐射图是相同的，但是由于旋转对称天线几何形状而绕z轴旋转了+/-120度。当端口1的辐射图指向宽边方向时，端口2和3的辐射图也指向宽边方向。在宽频率范围内获得并保持了宽边辐射的特性。

图7(a)至图7(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于yz平面中的端口1的所示示例的仿真和测量的辐射图。图7(a)、图7(c)和图7(e)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的仿真的辐射图。图7(b)、图7(d)和图7(f)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的测量的辐射图。注意，端口2和3在测量期间以50Ω的负载终止。实心黑色和破折号灰线分别对应于

图8(a)至图8(f)示出了在3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下关于xy平面中的端口1的所示示例的仿真和测量的辐射图。图8(a)、图8(c)和图8(e)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的仿真的辐射图。图8(b)、图8(d)和图8(f)分别是3.4GHz、3.6GHz和3.8GHz下的测量的辐射图。注意，端口2和3在测量期间以50Ω的负载终止。实心黑色和破折号灰线分别对应于

和Eθ。仿真结果与测量结果的一致性较好。端口2和3的辐射图是相同的，但是由于旋转对称天线几何形状而绕z轴旋转了+/-120度。

图9(a)和图9(b)示出了具有正六边形接地面的两组天线元件的示例。除了接地面30变成正六边形之外，其他结构、材料和尺寸与图2(a)和图2(b)中的天线元件的结构、材料和尺寸相同。由于本公开的天线元件关于z轴以120度旋转对称，因此正六边形接地面允许两个天线元件级联一起。注意，如图9(b)所示，一个天线元件的展开分支指向另一个天线元件的折叠分支。

图10示出了具有正六边形接地面的七组天线元件的示例。除了接地面30变成正六边形之外，其他结构、材料和尺寸与图2(a)和图2(b)中的天线元件的结构、材料和尺寸相同。图10的示例是图9的示例的进一步扩展。注意，如图10所示，一个天线元件的展开分支布置成分别指向其它天线元件的折叠分支。本公开不限于天线元件的数量，并且在不背离本公开的技术构思的情况下，可以适用于任何数量的天线元件。天线元件间的相互耦合主要取决于元件间的间距。间距越小，则相互耦合越高。

本公开的实施方式提供了用于宽带操作的紧凑型天线结构。这三个天线端口能够同时呈现宽边辐射，同时保持低的相互耦合。本公开的天线元件的投影区域中的最大尺寸是0.45λ₀(λ₀是空气中的波长)，其类似于标准的半波长双极化双端口贴片天线。这意味着可以实现例如50％的天线端口增量。本公开的天线是在先美国专利“紧凑型集成三宽边模式贴片天线(Compact Integrated Three Broadside-Mode Patch Antenna)”的宽带版本，其中10dB阻抗带宽已经增强到三倍。在本公开中，通过将具有朝向地面折叠的六个分支的规则雪花形辐射器改变为具有三个展开分支和三个折叠分支的不规则雪花形辐射器，可以在呈现宽边辐射的同时保持低的相互耦合。在本公开中，折叠分支和展开分支交替排列，这种特殊的结构有助于产生用于宽带操作的两个附近的天线谐振。由于分支的形状和布置方式被优化，因此有助于在感兴趣的频带上实现更好的阻抗匹配。由于相对于三个天线端口的旋转对称几何结构，本公开的天线元件可在方位面中扩展到任意数量，以满足大规模MIMO***的需要。此外，六边形的天线几何形状便于在级联之后抑制元件间的相互耦合。本公开的天线能够覆盖在5G通信***中使用的最多3GHz的范围。

本领域的技术人员将理解，本公开的实施方式可以在不改变其技术精神或主要特性的情况下以其他特定形式实现。因此，应该理解示例性实施方式在所有的方面是说明性的，而不是限制性的。本公开的实施方式的范围由所附权利要求而不是以上具体描述限定，并且根据权利要求及其等同的意义和范围得出的所有改变和修改旨在包括在本公开的实施方式的范围内。

Claims

1.一种天线元件，其特征在于，包括：

接地面；

馈电贴片，由探针和引脚支撑在所述接地面上；以及

辐射器，设置在所述馈电贴片上方，并且具有雪花形的顶部贴片，所述顶部贴片具有展开分支构件和折叠分支构件，所述折叠分支构件和所述展开分支构件沿所述顶部贴片的边缘交替地排列，所述辐射器相对于所述接地面悬空。

2.根据权利要求1所述的天线元件，其特征在于，所述顶部贴片具有三个所述展开分支构件和三个所述折叠分支构件。

3.根据权利要求2所述的天线元件，其特征在于，所述展开分支构件沿所述顶部贴片的边缘向外突出，并且所述折叠分支构件从所述顶部贴片的边缘朝向所述接地面折叠。

4.根据权利要求3所述的天线元件，其特征在于，所述辐射器还包括底部下层，所述折叠分支构件位于所述顶部贴片和所述底部下层之间并将所述顶部贴片和所述底部下层相互连接。

5.根据权利要求1所述的天线元件，其特征在于，所述辐射器具有旋转对称的物理几何轮廓。

6.根据权利要求1所述的天线元件，其特征在于，所述辐射器与所述馈电贴片间隔预定的距离。

7.根据权利要求1所述的天线元件，其特征在于，所述接地面具有圆形或多边形形状。

8.根据权利要求7所述的天线元件，其特征在于，所述接地面具有正六边形形状。

9.一种天线结构，其特征在于，包括多个如权利要求1至8中任一项所述的天线元件。

10.根据权利要求9所述的天线结构，其特征在于，所述多个如权利要求1至8中任一项所述的天线元件呈蜂窝状排列。