CN103490143A - 一种阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列天线，包括底板、印刷线路和印刷电路板基板，所述印刷电路板基板通过支撑柱置于所述底板之上，所述印刷电路板基板和所述底板之间为空气层；所述印刷电路板基板的下表面设有所述印刷线路，所述印刷线路位于所述空气层之上，所述印刷电路板基板之下；所述印刷电路板基板的上表面设有印刷辐射单元，所述印刷辐射单元与所述印刷线路电连接。采用本发明，所述阵列天线低成本、高增益、生产一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动通信中基站台收发天线装置，尤其涉及一种适用于3G/4G高增益移动通信基站的阵列天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的咽喉要道，是辐射和接受电磁波的系统部件。天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着非常重要的作用，一副高性能的天线能放宽系统的要求且改善整个系统的性能。如今，移动通信系统的不断升级换代给天线提供了新的指标要求，小型化，低剖面，宽频带，低成本，坚固耐用且易于与系统集成等成为现代天线设计师需要考虑的主要因素。特别是3G/4G系统的先后问世并市场化，高性能、低成本、个性化天线的需求越来越多。
目前已有的技术中，采用半波振子作为辐射单元，同轴射频电缆作为馈电网络的技术大量应用到基站台天线中。如US6195063B1，这类天线一般采用金属振子作为辐射单元，采用射频电缆作为馈电网络的主要组成部分，其缺点一是焊点较多，生产一致性差，很难保证如三阶交调等这类对天线生产工艺要求较高的指标；二是在某些特殊要求如高增益要求时,射频电缆的损耗偏大，并不能满足要求。
其次，目前已有的技术中，有些技术采用贴片天线的形式作为辐射单元，馈电网络可以采用高频微带电路板，如US8378915B2，两者集成加工，虽然可以解决生产一致性问题，但高频微带电路板价格很高，损耗较大。
再次，目前已有的技术中，有些技术采用空气微带的形式取代高频微带电路板，如US6034649则采用空气微带的形式取代高频微带电路板，虽然该技术可以使馈电网络的损耗降低并进而提高天线的增益，但空气微带线路很难固定，生产一致性差，并不适合用在频率较高如5GH以上的基站天线中。
即，现有的阵列天线不能同时满足低成本、高增益、生产一致性的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，解决上述技术瓶颈，设计新型馈电网络及辐射单元，以提供一种低成本、高增益、生产一致性好的阵列天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列天线，包括底板、印刷线路和印刷电路板基板，所述印刷电路板基板通过支撑柱置于所述底板之上，所述印刷电路板基板和所述底板之间为空气层；
所述印刷电路板基板的下表面设有所述印刷线路，所述印刷线路位于所述空气层之上，所述印刷电路板基板之下；所述印刷电路板基板的上表面设有印刷辐射单元，所述印刷辐射单元与所述印刷线路电连接。
作为上述方案的改进，所述空气层的厚度为所述印刷电路板基板的厚度的5-8倍。
作为上述方案的改进，所述印刷电路板基板的厚度为0.4-0.8mm，所述空气层的厚度为2-6.4mm。
作为上述方案的改进，所述印刷线路和所述印刷辐射单元通过通孔电连接。
作为上述方案的改进，所述通孔旁设有开路枝节。
作为上述方案的改进，所述通孔上覆有导电材料；
和/或，所述通孔为圆形孔、椭圆形孔或多边形孔。
作为上述方案的改进，所述阵列天线还包括寄生辐射单元，所述寄生辐射单元通过支撑柱设于所述印刷辐射单元的上方。
作为上述方案的改进，所述寄生辐射单元为金属片状物，或者所述寄生辐射单元印刷在PCB上；
印刷在PCB上的所述寄生辐射单元，可设于所述PCB的上方一侧，或设于所述PCB的下方一侧。
作为上述方案的改进，所述阵列天线构成单极化或双极化，所述双极化包括垂直/水平双极化，以及+45°/-45°双极化；
和/或，所述阵列天线为线阵或面阵；
和/或，所述阵列天线的馈电网络采用并馈与串馈混合形式。
作为上述方案的改进，所述阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1-2。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种阵列天线，本发明采用悬置微带线作为馈电网络，其主要部件包括底板、空气层、印刷线路、印刷电路板基板等四部分，悬置微带线设计中，微带线采用准TEM波传播，空气层作为能量主要载体，印刷电路板基板作为微带电路载体的介质层，由于悬置微带线的主要能量传播载体位于空气层，其对印刷电路板基板的要求并不高，印刷电路板基板可以采用如RF4这类成本低的板材。因此，本发明阵列天线在满足一定的设计带宽，降低成本的同时，保证了天线的高增益和生产的一致性。
附图说明
图1是本发明一种阵列天线第一实施例的示意图；
图2是图1所示A部的局部放大图；
图3是本发明一种阵列天线第二实施例的示意图；
图4是图3所示B部的局部放大图；
图5是图3所示阵列天线第二实施例的实际测试增益示意图；
图6是图3所示阵列天线第二实施例的驻波测试图；
图7是图3所示阵列天线第二实施例的方向图；
图8是本发明一种阵列天线第三实施例的示意图；
图9是图8所示C部的局部放大图；
图10是图8所示阵列天线第三实施例的实际测试增益示意图；
图11是图8所示阵列天线第三实施例的驻波测试图；
图12是图8所示阵列天线第三实施例的方向图；
图13是本发明一种阵列天线第四实施例的示意图；
图14是图13所示D部的局部放大图；
图15是图13所示阵列天线第四实施例的实际测试增益示意图；
图16是图13所示阵列天线第四实施例的驻波比曲线示意图；
图17是图13所示阵列天线第四实施例的方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
本发明提供了一种阵列天线，包括底板、印刷线路和印刷电路板基板，所述印刷电路板基板通过支撑柱置于所述底板之上，所述印刷电路板基板和所述底板之间为空气层；所述印刷电路板基板的下表面设有所述印刷线路，所述印刷线路位于所述空气层之上，所述印刷电路板基板之下；所述印刷电路板基板的上表面设有印刷辐射单元，所述印刷辐射单元与所述印刷线路电连接。
本发明采用悬置微带线作为馈电网络，其主要部件包括底板、空气层、印刷线路、印刷电路板基板等四部分。悬置微带线设计中，由于微带线采用准TEM波传播，作为能量主要载体的空气层和作为微带电路载体的印刷电路板基板介质层均对该微带的阻抗产生影响，设计非常复杂。所以虽然看到悬置微带线用于某些小部件，如CN95240757.4公开的一种小型悬置微带线双工滤波器，但把悬置微带线作为整个天线的馈电网络，尚无公开的技术。
设计悬置微带线作为天线的馈电网络，其难点之一是确定等效介电常数。空气介质的介电常数一般为1.0，本发明的实施例中，印刷电路板基板优先采用价格便宜的RF4作为介质层，介电常数为4.4。本发明通过底板、空气层、印刷线路和印刷电路板基板之间的配合设计，使得等效介电常数处于1到2之间，达到较佳的效果。等效介电常数确定后，悬置微带线的设计技术即可借鉴一般介质微带线的设计，如阻抗匹配、功率分配等。
需要说明的是，所述等效介电常数的确定可以采用相位法作为提取等效介点常数的方法，即计算或测试一定长度的悬置微带线的相位，然后和某一长度相同的介质微带线进行比较，并适当改变该介质微带线的介电常数，当两者的相位一致时，介质微带线的介电常数即为等效介电常数。
还需要说明的是，RF4是一种环氧板，价格便宜，来源广泛，并具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性，良好的机械加工性，广泛应用于电机，电器设备中作绝缘结构零部件，包括各式样之开关、电器绝缘、碳膜印刷电路板、电脑钻孔用垫、模具等。
一般来讲，悬置微带线的空气层越厚，其等效的介电常数越低，但空气层太厚，可能会导致表面波功率较大，馈电网络的性能会下降。因此，选择空气层的厚度也是本发明的技术难点之一。综合上述因素，经过多方考量，本发明优选将空气层的厚度设置为印刷电路板基板的5-8倍，即将空气层的厚度设置为印刷电路板介质层的5-8倍。其中，印刷电路板基板的厚度的选取即要考虑到电气性能，又要考虑到物理结构的稳定性。印刷电路板基板的厚度越小越有利于电气性能，但却越不利于物理结构的稳定性。因此，本发明印刷电路板基板的厚度优选设置为0.4-0.8mm，本发明空气层的厚度优选设置为2-6.4mm。更佳的，所述印刷电路板基板的厚度为0.4-0.8mm，故本发明空气层的厚度为2-4mm。
具体的，所述印刷电路板基板的厚度可优先选用0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm，但并不以此为限；所述空气层的厚度可优先选用2.0mm、2.3mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、6.0mm、6.4mm，但并不以此为限。
空气层的厚度不仅仅关系到悬置微带线馈电网络的性能，还和集成在一起的印刷辐射单元的工作带宽密切相关。一般来讲，空气层的厚度越大，印刷辐射单元的工作带宽也会越宽，但同样会导致表面波功率较大。本发明采用通孔的形式，把印刷辐射单元和印刷线路分别置于介质电路板的不同表面，并使印刷辐射单元与所述印刷线路实现电连接，既进一步增加天线的工作带宽，又不影响悬置微带线馈电网络的性能。所以，通孔是本发明的重要发明点，是不可缺少的一部分。其中，所述通孔上覆有导电材料，所述导电材料优先采用铜，所述印刷辐射单元与所述印刷线路通过上述覆铜通孔，有效实现电连接。需要说明的是，所述导电材料还可以采用其他金属，只要其达到良好导电性能即可。所述通孔可以为圆形孔、椭圆形孔或其他任意的多边形孔，所述多边形孔包括正多边形孔和不规则多边形孔，其中正多边形孔为较佳选择。更佳地，本发明通孔为圆形孔、方形孔、或正六边形孔。
在印刷辐射单元的设计中，由于混合介质（即空气层和印刷电路板介质层）的混合应用，印刷辐射单元的阻抗会呈现偏感性，所以在每个印刷辐射单元的通孔设有开路枝节。在通孔旁采用了容性匹配枝节（即开路线）的方式，可以有效补偿辐射单元阻抗的偏感性。
进一步优选的，所述阵列天线还包括寄生辐射单元，所述寄生辐射单元通过支撑柱设于所述印刷辐射单元的上方。更佳的，所述寄生辐射单元通过支撑柱设于所述印刷辐射单元的正上方。所述寄生辐射单元可以是金属片状物，也可以是印刷在PCB上；印刷在PCB上的寄生辐射单元，可设于所述PCB的上方一侧，也可以设于所述PCB的下方一侧。
进一步优选的，所述阵列天线可以构成单极化，也可以构成垂直/水平双极化，或者+45°/-45°双极化；和/或，所述阵列天线可以是线阵，也可以是面阵；和/或，所述阵列天线的馈电网络采用并馈与串馈混合形式。
下面根据具体实施例进一步详细阐述本发明：
参见图1和图2，本发明提供了一种阵列天线的第一实施例。在图1所示的第一实施例中，2个印刷辐射单元组成1*2的垂直／水平双极化阵列天线。底板1一般由金属板如铝板或铜板制成，印刷电路板基板4通过支撑柱2平行放置于底板1之上，印刷电路板基板4和底板1之间为空气层；印刷线路3作为本发明第一实施例的馈电网络，置于印刷电路板基板4的下表面；在印刷电路板基板4的另一侧（即上表面），印刷辐射单元5置于其上。为了得到天线所要求的带宽，寄生辐射单元8通过支撑柱6置于印刷辐射单元5的正上方。参见图2，印刷辐射单元5置于印刷电路板基板4的上表面，印刷线路3置于印刷电路板基板4的下表面，通孔7使印刷电路3（即馈电网络）和印刷辐射单元5电连接。由于印刷辐射单元5的阻抗呈现偏感性，在每个印刷辐射单元5的通孔7旁设有开路枝节9，以补偿印刷辐射单元5阻抗的偏感性。
本实施例中，空气层的厚度为2.5mm，印刷电路板基板4介质层采用介电常数为4.4的RF4，其厚度为0.40mm。RF4厚度的选取即要考虑到电气性能，又要考虑到物理结构的稳定性。一般来讲，RF4厚度越小越有利于电气性能，但却越不利于物理结构的稳定性，因此，本发明选择RF4的厚度在0.4mm到0.8mm之间。通过相位比较法，得到本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.6。
为了进一步增大天线的工作带宽，比如4.9GHz-6.0GHz，寄生辐射单元8通过支撑柱6置于印刷辐射单元5的正上方，通过调整寄生辐射单元8的大小和支撑柱6的高度，使印刷辐射单元5的阻抗收敛。本实施例中，寄生辐射单元8采用厚度0.8mm、大小为18mm×18mm的方形铝板。支撑柱6的高度选取3mm。
参见图3和图4，本发明提供了一种阵列天线的第二实施例。在图3、图4所示的第二个实施例中，印刷辐射单元组成一个1*8的线阵，并且具有水平/垂直两个极化。如同第一实施例，底板1一般由金属板如铝板或铜板制成，印刷电路板基板4通过支撑柱2平行放置于底板1之上，印刷电路板基板4和底板1之间为空气层；印刷线路3作为本发明第二实施例的馈电网络，置于印刷电路板基板4的下表面；在印刷电路板基板4的另一侧（即上表面），印刷辐射单元5置于其上。印刷电路3（即馈电网络）和印刷辐射单元5通过通孔7电连接。在每个印刷辐射单元5的通孔7旁设有开路枝节9。为了得到天线所要求的带宽，寄生辐射单元8通过支撑柱6置于印刷辐射单元5的正上方。
与第一实施例不同的是，图3、图4所示的第二个实施例中，寄生单元8印刷在PCB10上，且印刷在PCB10的下方，这种方式，相对于第一实施例来说，对多单元的阵列，安装更简便。
需要说明的是，PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印刷电路板，其是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。
在本实施例中，空气层的厚度为3.0mm，印刷电路板基板4介质层采用介电常数为4.4的RF4，其厚度为0.45mm。支撑柱6的高度选取3.5mm。通过相位比较法，得到本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.5。
将图3和图4所示的阵列天线第二实施例作相关的技术检验，得到图5至图7所示的结果，具体如下：由图5可知，该阵列天线在4.9-6.0GHz实际测试增益为17dBi以上；由图6可知，该阵列天线的驻波满足整个带宽1.5以下；由图7可知，该阵列天线的方向图形状良好。再者，本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.5，这和空气的介电常数1.0很接近，同空气微带相关技术相比，本发明的馈电网络的性能和空气微带的性能相当，但避免的空气微带的加工难，生产一致性差，成品率极低，稳定性差等缺点；同聚四氟乙烯高频PCB技术相比，本发明的馈电网络损耗小，天线增益高，成本降低了一半以上。
参见图8和图9，本发明提供了一种阵列天线的第三实施例。在图8、图9所示的第三个实施例中，印刷辐射单元组成一个1*16的线阵，并且具有水平/垂直两个极化。如同第二实施例，底板1一般由金属板如铝板或铜板制成，印刷电路板基板4通过支撑柱2平行放置于底板1之上，印刷电路板基板4和底板1之间为空气层；印刷线路3作为本发明第三实施例的馈电网络，置于印刷电路板基板4的下表面；在印刷电路板基板4的另一侧（即上表面），印刷辐射单元5置于其上。印刷电路3（即馈电网络）和印刷辐射单元5通过通孔7电连接。在每个印刷辐射单元5的通孔7旁设有开路枝节9。为了得到天线所要求的带宽，寄生辐射单元8通过支撑柱6置于印刷辐射单元5的正上方。寄生单元8印刷在PCB10上，且印刷在PCB10的下方。
在本实施例中，空气层的厚度为2.8mm，印刷电路板基板4介质层采用介电常数为4.4的RF4，其厚度为0.42mm。支撑柱6的高度选取3.8mm。通过相位比较法，得到本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.6。
将图8和图9所示的阵列天线第三实施例作相关的技术检验，得到图10至图12所示的结果，具体如下：由图10可知，该阵列天线在4.9-6.0GHz实际测试增益为20dBi以上；由图11可知，该阵列天线的驻波满足整个带宽1.5以下；由图12可知，该阵列天线的方向图形状良好。再者，本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.6，这和空气的介电常数1.0很接近，同空气微带相关技术相比，本发明的馈电网络的性能和空气微带的性能相当，但避免的空气微带的加工难，生产一致性差，成品率极低，稳定性差等缺点；同聚四氟乙烯高频PCB技术相比，本发明的馈电网络损耗小，天线增益高，成本降低了一半以上。
参见图13和图14，本发明提供了一种阵列天线的第四实施例。在图13所示的第一实施例中，印刷辐射单元组成一个4*4的面阵，并且具有水平/垂直两个极化。如同第一实施例，底板1一般由金属板如铝板或铜板制成，印刷电路板基板4通过支撑柱2平行放置于底板1之上，印刷电路板基板4和底板1之间为空气层；印刷线路3作为本发明第四实施例的馈电网络，置于印刷电路板基板4的下表面；在印刷电路板基板4的另一侧（即上表面），印刷辐射单元5置于其上。为了得到天线所要求的带宽，寄生辐射单元8通过支撑柱6置于印刷辐射单元5的正上方。参见图14，印刷辐射单元5置于印刷电路板基板4的上表面，印刷线路3置于印刷电路板基板4的下表面，通孔7使印刷电路3（即馈电网络）和印刷辐射单元5电连接。
在本实施例中，空气层的厚度为2.6mm，印刷电路板基板4介质层采用介电常数为4.4的RF4，其厚度为0.43mm。支撑柱6的高度选取4mm。通过相位比较法，得到本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.4。
将图13和图14所示的阵列天线第四实施例作相关的技术检验，得到图15至图17所示的结果，具体如下：由图15可知，该阵列天线在4.9-6.0GHz实际测试增益为19dBi以上；由图16可知，该阵列天线的驻波满足整个带宽1.6以下；由图17可知，该阵列天线的方向图形状良好。再者，本实施例阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1.4，这和空气的介电常数1.0很接近，同空气微带相关技术相比，本发明的馈电网络的性能和空气微带的性能相当，但避免的空气微带的加工难，生产一致性差，成品率极低，稳定性差等缺点；同聚四氟乙烯高频PCB技术相比，本发明的馈电网络损耗小，天线增益高，成本降低了一半以上。
综上所述，本发明阵列天线可以同时满足低成本、低损耗、高增益、加工容易，生产一致性好，成品率极高，稳定性强等要求。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明尽管只给出了以上实施例，但也给出诸多不需要经过创造性劳动而得出的可能的变体(如水平/垂直极化变体为±45°极化)，虽依然无法穷举，但本领域内普通技术人员在通读本说明书后，结合公知常识，应能联想到更多的具体实施方式，此类具体实施方式并不超脱本发明权利要求的精神，任何形式的等同替换均应视为被本发明所包括的实施例。此外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种阵列天线，包括底板、印刷线路和印刷电路板基板，其特征在于，所述印刷电路板基板通过支撑柱置于所述底板之上，所述印刷电路板基板和所述底板之间为空气层；
所述印刷电路板基板的下表面设有所述印刷线路，所述印刷线路位于所述空气层之上，所述印刷电路板基板之下；所述印刷电路板基板的上表面设有印刷辐射单元，所述印刷辐射单元与所述印刷线路电连接。
2.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述空气层的厚度为所述印刷电路板基板的厚度的5-8倍。
3.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述印刷电路板基板的厚度为0.4-0.8mm，所述空气层的厚度为2-6.4mm。
4.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述印刷线路和所述印刷辐射单元通过通孔电连接。
5.如权利要求4所述的阵列天线，其特征在于，所述通孔旁设有开路枝节。
6.如权利要求4所述的阵列天线，其特征在于，所述通孔上覆有导电材料；
和/或，所述通孔为圆形孔、椭圆形孔或多边形孔。
7.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线还包括寄生辐射单元，所述寄生辐射单元通过支撑柱设于所述印刷辐射单元的上方。
8.如权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述寄生辐射单元为金属片状物，或者所述寄生辐射单元印刷在PCB上；
印刷在PCB上的所述寄生辐射单元，可设于所述PCB的上方一侧，或设于所述PCB的下方一侧。
9.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线构成单极化或双极化，所述双极化包括垂直/水平双极化，以及+45°/-45°双极化；
和/或，所述阵列天线为线阵或面阵；
和/或，所述阵列天线的馈电网络采用并馈与串馈混合形式。
10.如权利要求1-9任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的馈电网络的等效介电常数为1-2。
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