CN107302130A - 天线阵列、天线模块及其微带天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带天线单元，包括：从上到下平行间隔设置的第一介质基板、第二介质基板以及第三介质基板，所述第一介质基板一侧表面设置有第一金属层，所述第二介质基板一侧表面设置有第二金属层，所述第三介质基板一侧表面设置有金属地板、另一侧表面设置有微带馈电线路，所述微带馈电线路包括+45°极化微带馈电线路和‑45°极化微带馈电线路，所述+45°极化微带馈电线路和所述‑45°极化微带馈电线路分别电连接至所述第二金属层。本发明还提供一种天线模块及天线阵列。通过上述实施方式，该天线阵列重量较轻，高度较低，异极化隔离度和同极化隔离度较高，具有良好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信基站技术领域，尤其涉及一种天线阵列、天线模块及其微带天线单元。
背景技术
面对用户对移动通信网的数据需求正呈现爆发性的增长，特别是需要实时传输大量数据的无线应用，千倍于4G LTE系统的网络容量和毫秒极低时延的大规模MIMO天线阵列系统被认为是5G最具潜力的传输技术。
在大规模天线阵列系统中，基站配置大规模天线阵列，利用空分多址技术，在同一时频资源上服务多个用户，利用天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得地区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到跨越性的大幅度提升。
大规模、轻量化的天线阵列设计是5G通信技术首要解决的问题。传统基站所用的金属压铸阵子质量较大，异极化隔离度较差。而异极化隔离度差，会导致天线单元的互耦效应增强。互耦效应会显著地改变天线阵列的性能，引发极化特性及阵列增益的变化；同时将引起输入阻抗、方向图等的改变。
在传统MIMO系统中，天线的部署较为松散，天线端口的间距足够大以至于互耦效应并不明显。但是当需要应用于大规模 MIMO系统时，基站需要在固定的物理空间内装备大量的天线，从而不能保证天线端口间的隔离距离，因此隔离度较差。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种天线阵列、天线模块及其微带天线单元，该天线阵列重量较轻，高度较低，异极化隔离度和同极化隔离度较高，具有良好的性能。
为解决上述技术问题，从上到下平行间隔设置的第一介质基板、第二介质基板以及第三介质基板，所述第一介质基板一侧表面设置有第一金属层，所述第二介质基板一侧表面设置有第二金属层，所述第三介质基板一侧表面设置有金属地板、另一侧表面设置有微带馈电线路，所述微带馈电线路包括+45°极化微带馈电线路和-45°极化微带馈电线路，所述+45°极化微带馈电线路和所述-45°极化微带馈电线路分别电连接至所述第二金属层。
进一步地，所述+45°极化微带馈电线路为一分二功分器，所述一分二功分器的两路微带线的相位相差180°；所述-45°极化微带馈电线路为一分二功分器，所述一分二功分器的两路微带线的相位相差180°。
进一步地，所述第二介质基板的左对角线上设有两个馈电孔、右对角线上也设有两个馈电孔，左对角线上的所述馈电孔与+45°极化微带馈电线路通过馈电柱电连接，右对角线上的所述馈电孔与-45°极化微带馈电线路通过馈电柱电连接；其中，左对角线上的两个所述馈电孔分别作为所述+45°极化微带馈电线路的两个微带线的输出端；右对角线上的两个所述馈电孔分别作为所述-45°所述极化微带馈电线路的两个微带线的输出端。
进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层对向设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间通过隔离柱支撑连接。
进一步地，所述第二金属层与所述微带馈电线路背向设置。
进一步地，所述第一金属层和/或所述第二金属层是金属贴片；所述第一介质基板、所述第二介质基板和/或所述第三介质基板的介电常数范围为2.2～10.2；所述第一介质基板、所述第二介质基板和/或所述第三介质基板的厚度范围为0.508mm～1.542mm。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种天线模块，包括多个如上述任一项实施例所述的微带天线单元，各所述微带天线单元沿同一直线间隔排列。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种天线阵列，包括多个如上述任一项实施例所述的天线模块，各所述天线模块平行间隔排列。
进一步地，所述天线模块中相邻所述微带天线单元之间的间距相等，相邻所述微带天线单元之间的间距D1在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
进一步地，相邻列所述天线模块之间的列间距相等，相邻列所述天线模块之间的列间距D2在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
进一步地，相邻列所述天线模块之间错位设置，相间隔列所述天线模块之间对齐设置。
进一步地，相邻列所述天线模块之间的错位距离D3=D1/2。
进一步地，所述天线模块中的所述微带天线单元的数量为N个，各所述微带天线单元的+45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接，各所述微带天线单元的-45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接。
进一步地，每个所述天线模块中的所述微带天线单元数量为三个，多个所述天线模块按照4行8列布局组成所述天线阵列。
进一步地，所述天线阵列是大规模MIMO天线阵列。
本发明的天线阵列、天线模块及其微带天线单元，具有如下有益效果：
微带天线单元中±45°极化微带馈电线路异极化隔离度较高；尤其是±45°极化微带馈电线路采用一分二功分器，其两路微带线相位相差180°，使得异极化隔离度较高；
其次，微带天线单元采用寄生介质基板（即第一介质基板），提高了天线的带宽和增益；
并且，大规模MIMO天线阵列中相邻列天线模块在纵向方向上错位布局，提高了不同微带天线单元之间的同极化隔离度。
附图说明
图1是本发明微带天线单元的侧视图。
图2是本发明微带天线单元的顶视图。
图3是本发明天线模块的顶视图。
图4是本发明天线阵列的顶视图。
图5是本发明微带天线单元的异极化隔离度曲线。
图6是本发明天线阵列的同极化隔离度曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
结合图1至图2进行参阅，本发明提供一种微带天线单元，包括：第一介质基板1、第二介质基板3以及第三介质基板5。该第一介质基板1、第二介质基板3及第三介质基板5从上到下平行间隔地设置。其中，第一介质基板1一侧表面设置有第一金属层2，第二介质基板3一侧表面设置有第二金属层4，第三介质基板5一侧表面设置有金属地板6、另一侧表面设置有微带馈电线路7。
其中，第一介质基板1一侧表面的第一金属层2与第二介质基板3一侧表面的第二金属层4耦合。第三介质基板5一侧表面的微带馈电线路7包括+45°极化微带馈电线路71和-45°极化微带馈电线路72， +45°极化微带馈电线路71电连接至第二介质基板3一侧表面的第二金属层4，且-45°极化微带馈电线路72也电连接至第二介质基板3一侧表面的第二金属层4。。
采用这样的结构，使得第一介质基板1作为寄生介质基板，其第一金属层2作为寄生单元金属层；使得第二介质基板3作为辐射介质基板，其第二金属层4作为辐射单元金属层；使得第三介质基板5作为馈电线路介质基板。
更优地，+45°极化微带馈电线路71为一分二功分器，一分二功分器的两路微带线的相位相差180°；和/或-45°极化微带馈电线路72也为一分二功分器，一分二功分器的两路微带线的相位相差180°。
在一较佳实施例中，第二介质基板3的左对角线上设有两个馈电孔9、右对角线上也设有两个馈电孔9。具体而言，左对角线上的两个馈电孔9与+45°极化微带馈电线路71通过馈电柱10电连接，且右对角线上的两个馈电孔9与-45°极化微带馈电线路72通过馈电柱10电连接，各馈电柱10同时也起到了对第二介质基板3的支撑连接作用。其中，左对角线上的两个馈电孔9分别作为+45°极化微带馈电线路71的两个微带线的输出端；而右对角线上的两个馈电孔9分别作为-45°极化微带馈电线路72的两个微带线的输出端。
在一较佳实施例中，多个微带天线单元可以共用一个第三介质基板及其金属地板，只需相应设置不同的微带馈电线路、第一介质基板、第二介质基板、第一金属层、第二金属层即可。
在一些实施例中，第一金属层2可以设置于第一介质基板1任意一侧的表面，第二金属层4可以设置于第二介质基板3任意一侧的表面，金属地板6和微带馈电线路7可以分别设置于第三介质基板5任意一侧的表面但位于不同侧的表面。
在一较佳实施例中，第一介质基板1一侧表面的第一金属层2和第二介质基板3一侧表面的第二金属层4对向设置，具体即，第一金属层2设置于第一介质基板1面向第二介质基板3一侧的表面，第二金属层4设置于第二介质基板3面向第一介质基板1一侧的表面。较佳的，为提高隔离度，第一金属层2与第二金属层4之间通过隔离柱8支撑连接，该隔离柱8优选为塑料隔离柱8。
在一较佳实施例中，第二介质基板3一侧表面的第二金属层4与第三介质基板5一侧表面的微带馈电线路7背向设置，具体即，第二金属层4设置于第二介质基板3远离第三介质基板5一侧的表面，微带馈电线路7设置于第三介质基板5远离第二介质基板3一侧的表面。
在一较佳实施例中，第一金属层2和/或第二金属层4可以是金属贴片，以如贴设等方式对应设置于第一介质基板1和/或第二介质基板3。在其它实施例中，该第一金属层2和/或第二金属层4还可以采用印刷等方式对应涂覆形成于第一介质基板1和/或第二介质基板3。
在一具体实施例中，第一介质基板1、第二介质基板3和/或第三介质基板5的介电常数范围为2.2～10.2。其中，第一介质基板1、第二介质基板3和/或第三介质基板5的厚度范围为0.508mm～1.542mm。举例而言，各层介质基板的板材可以选用Rogers RO4730JXR。优选地，各层介质基板的介电常数可以为3.0，各层介质基板的厚度可以为0.78mm。
结合图1至图3进行参阅，本发明还提供一种天线模块，该天线模块11包括多个如上述任一项实施例所述的微带天线单元。其中，各微带天线单元优选为沿同一直线间隔排列。较佳的，相邻微带天线单元之间的间距相等。更优地，相邻微带天线单元之间的间距D1在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
结合图1至图4进行参阅，本发明还提供一种天线阵列，该天线阵列12包括多个如上述任一项实施例所述的天线模块11，各天线模块11平行间隔排列。该天线阵列12尤其适用于大规模MIMO天线阵列。
其中，各天线模块11结构优选为相同，当然也可以不同（主要指内部微带天线单元数量、间距等不同），本发明主要以各天线模块11结构相同为例进行说明。
在一较佳实施例中，天线模块11中相邻微带天线单元之间的间距相等，相邻微带天线单元之间的间距D1在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
以各天线模块11在纵向方向上平行间隔排列为例进行说明：
较佳的，相邻列天线模块11之间的列间距相等，更优地，相邻列天线模块11之间的列间距D2在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
较佳的，相邻列天线模块11之间错位设置（即上下端面不平齐），而相间隔列天线模块11之间对齐设置（即上下端面平齐）。较佳的，相邻列天线模块11之间的错位距离D3=D1/2。提高了不同天线模块之间的同极化隔离度，保证其结构紧凑。
在一具体实施例中，各天线模块11中的微带天线单元的数量为N个。同一天线模块11中，各微带天线单元的+45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接，各微带天线单元的-45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接。
举例而言，各天线模块11中的微带天线单元数量为3个时，同一天线模块11中，3个微带天线单元中的各+45°极化微带馈电电路的输入端通过一个一分三功分器14电连接，3个微带天线单元中的各-45°极化微带馈电电路的输入端通过另一个一分三功分器13电连接。其中，采用一分N功分器与N个微带天线单元中各微带馈电线路7的各输入端进行电连接，结构简单、连接方便。当然，也可以采用多个一分M功分器（M＜N）以级联方式构造成一分P功分器形式（P≥M），进而与N个微带天线单元中各微带馈电线路7的各输入端进行电连接。
在一具体实施例中，继续参阅图4，多个天线模块11可以按照4行8列布局组成该天线阵列12，当然，多个天线模块11也可以按照其它布局形式组成该天线阵列。
请参阅图5，为前述高隔离度微带天线单元的异极化隔离度曲线。频率4.1GHz～5.1GHz范围内，异极化隔离度大于31.0dB。
请参阅图6，为前述大规模MIMO天线阵列的同极化隔离度曲线。频率4.1GHz～5.1GHz范围内，同极化隔离度大于24.0dB。
本发明的天线阵列、天线模块及其微带天线单元，具有如下有益效果：
微带天线单元中±45°极化微带馈电线路异极化隔离度较高；尤其是±45°极化微带馈电线路采用一分二功分器，其两路微带线相位相差180°，使得异极化隔离度较高；
其次，微带天线单元采用寄生介质基板（即第一介质基板1），提高了天线的带宽和增益；
并且，大规模MIMO天线阵列奇数列与偶数列在纵向方向上错位布局，提高了不同微带天线单元之间的同极化隔离度。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (15)
1.一种微带天线单元，其特征在于，包括：
从上到下平行间隔设置的第一介质基板、第二介质基板以及第三介质基板，所述第一介质基板一侧表面设置有第一金属层，所述第二介质基板一侧表面设置有第二金属层，所述第三介质基板一侧表面设置有金属地板、另一侧表面设置有微带馈电线路，所述微带馈电线路包括+45°极化微带馈电线路和-45°极化微带馈电线路，所述+45°极化微带馈电线路和所述-45°极化微带馈电线路分别电连接至所述第二金属层。
2.根据权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于：
所述+45°极化微带馈电线路为一分二功分器，所述一分二功分器的两路微带线的相位相差180°；所述-45°极化微带馈电线路为一分二功分器，所述一分二功分器的两路微带线的相位相差180°。
3.根据权利要求2所述的微带天线单元，其特征在于：
所述第二介质基板的左对角线上设有两个馈电孔、右对角线上也设有两个馈电孔，左对角线上的所述馈电孔与+45°极化微带馈电线路通过馈电柱电连接，右对角线上的所述馈电孔与-45°极化微带馈电线路通过馈电柱电连接；
其中，左对角线上的两个所述馈电孔分别作为所述+45°极化微带馈电线路的两个微带线的输出端；右对角线上的两个所述馈电孔分别作为所述-45°所述极化微带馈电线路的两个微带线的输出端。
4.根据权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于：
所述第一金属层和所述第二金属层对向设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间通过隔离柱支撑连接。
5.根据权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于：
所述第二金属层与所述微带馈电线路背向设置。
6.根据权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于：
所述第一金属层和/或所述第二金属层是金属贴片；
所述第一介质基板、所述第二介质基板和/或所述第三介质基板的介电常数范围为2.2～10.2；所述第一介质基板、所述第二介质基板和/或所述第三介质基板的厚度范围为0.508mm～1.542mm。
7.一种天线模块，其特征在于，包括多个如权利要求1～6任一项所述的微带天线单元，各所述微带天线单元沿同一直线间隔排列。
8.一种天线阵列，其特征在于，包括多个如权利要求7所述的天线模块，各所述天线模块平行间隔排列。
9.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
所述天线模块中相邻所述微带天线单元之间的间距相等，相邻所述微带天线单元之间的间距D1在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
10.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
相邻列所述天线模块之间的列间距相等，相邻列所述天线模块之间的列间距D2在0.5λ～0.75λ之间，其中λ为天线中心工作波长。
11.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
相邻列所述天线模块之间错位设置，相间隔列所述天线模块之间对齐设置。
12.根据权利要求11所述的天线阵列，其特征在于：
相邻列所述天线模块之间的错位距离D3=D1/2。
13.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
所述天线模块中的所述微带天线单元的数量为N个，各所述微带天线单元的+45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接，各所述微带天线单元的-45°极化微带馈电电路的输入端通过一分N功分器电连接。
14.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
每个所述天线模块中的所述微带天线单元数量为三个，多个所述天线模块按照4行8列布局组成所述天线阵列。
15.根据权利要求8所述的天线阵列，其特征在于：
所述天线阵列是大规模MIMO天线阵列。
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