CN107611604A - 一种边馈微带贴片天线及5g密集天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边馈微带贴片天线及5G密集天线阵列，边馈微带贴片天线由介质板(1)、辐射贴片(2)、耦合贴片(3)及微带线(4)构成，介质板(1)采用PCB板材，辐射贴片(2)、耦合贴片(3)和微带线(4)蚀刻在PCB板材上。本发明的天线辐射单元，采用了耦合式边馈方案，无需使用引向匹配驻波带宽，实现了天线宽带化、低剖面的现实需求。使用本发明的辐射单元，结合本发明的组阵方案，可以实现多种方式的密集阵列天线系统，且结构简洁、部件很少、易于装配和调试，是一种适合于5G制式密集阵列天线的性能优、易制造且成本低廉的解决方案。

Description

一种边馈微带贴片天线及5G密集天线阵列

技术领域

本发明涉及5G制式移动通信系统天线技术领域，特别涉及天线辐射单元及5G密集阵列组阵。

背景技术

随着移动互联网和物联网的迅猛发展，4G移动通讯系统在网络速率、数据容量、终端连接数量及空口时延方面已不能满足当前技术演进的需求，未来需要带宽更宽、更高速率、更低功耗、更短时延以及更安全密集连接的5G移动通讯技术。

在5G制式移动通讯系统中，天线需要和有源组件融合或半融合插接，结构异常复杂，而同时又要控制整个有源天线系统的厚度及重量，客观上要求天线低剖面设计且结构尽量简洁。在传统制式通讯系统中，基站天线一般采用压铸半波振子方案，天线仅辐射部分的厚度就有1/4工作波长厚，加上天线外罩内距离天线辐射部分的距离，以及辐射部分背部的馈电网络，整机天线含外罩在内，厚度一般达到了1/2工作波长厚。

发明内容

本发明主要目的在于解决5G制式移动通信系统下传统辐射单元厚度偏厚、结构复杂等缺陷，提供了一种低剖面、结构简单易于批量制造的高频辐射单元，以及使用该辐射单元进行的密集阵列天线组阵。

本发明技术方案提供一种边馈微带贴片天线，用于5G制式系统，由介质板1、辐射贴片2、耦合贴片3及微带线4构成，介质板1采用PCB板材，辐射贴片2、耦合贴片3和微带线4蚀刻在PCB板材上。

而且，所述微带线4采用50ohm微带线。

而且，介质板1的介电常数记为ε_r，厚度记为dp。

而且，辐射贴片2的长宽分别为L1及W1，天线的谐振频点与该两个参量的关系符合其中，C为光速度，ε_e为介质板等效介电常数，

而且，所述耦合贴片3，用于对辐射贴片2进行耦合馈电，同时展宽天线驻波带宽，耦合贴片3的长宽分别为L2及W2，天线辐射贴片的长度L1及介质板厚度dp与该两个参量的关系符合L2≈0.7～0.9L1，W2≈0.25～0.5dp。

而且，50ohm微带线的长宽分别为L3及W3，50ohm微带线的长度L3与天线谐振频点无关，50ohm微带线的宽度W3仅与阻抗有关，两者关系符合

其中

而且，微带线4与水平方向呈0°夹角时为水平极化辐射单元，呈90°夹角时为垂直极化辐射单元，呈45°夹角时为45°极化辐射单元。

而且，微带线4上直接焊接引出天线馈电电缆或接口。

本发明还提供一种5G密集天线阵列，采用如上所述边馈微带贴片天线，组合构成密集阵列天线系统。

而且，采用边馈微带贴片天线，以水平0.4～0.6倍工作波长、垂直以0.5～0.8倍工作波长等间距组合，构成支持4、8、16、32、64、128或256通道的密集阵列天线系统。

而且，垂直面每两个振子通过3dB功分器合成为1个射频通道，或者，每一个天线口构成为一个射频通道。

而且，射频通道口都采用支持盲插的一体化连接器。

本发明的天线辐射单元，采用了耦合式边馈方案，无需使用引向匹配驻波带宽，实现了天线宽带化、低剖面的现实需求。与现有技术相比，本方案发明的辐射单元，可以工作在4.9GHz高频频段，具有和传统辐射单元相一致的优良的驻波带宽、辐射方向图性能，且辐射单元剖面非常低、结构简单易于批量生产，整机含天线外罩在内，厚度可以控制在1/4工作波长左右。使用本发明的辐射单元，结合本发明的组阵方案，可以实现多种方式的密集阵列天线系统，且结构简洁、部件很少、易于装配和调试，是一种适合于5G制式密集阵列天线的性能优、易制造且成本低廉的解决方案，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的天线辐射单元正面俯视图；

图2为本发明实施例的天线辐射单元侧面示意图；

图3为本发明实施例的天线辐射单元旋转90°后呈水平极化示意图；

图4为本发明实施例的天线辐射单元旋转45°后45°极化示意图

图5为本发明实施例的反射系数示意图；

图6为本发明实施例在4.9GHz频点水平面方向图；

图7为本发明实施例在4.8/4.9/5.0GHz频点的增益示意图；

图8为本发明实施例的4通道组阵方案示意图；

图9为本发明实施例的8通道组阵方案示意图；

图10为本发明实施例的16通道组阵方案示意图；

图11为本发明实施例的32通道组阵方案示意图；

图12为本发明实施例的64通道组阵方案示意图。

具体实施方式

下面通过附图结合实施例，来对本发明技术方案进行详细说明。

本发明设计的一种边馈微带贴片天线，如图1和图2，天线由(带地)介质板1、辐射贴片2、耦合贴片3及微带线4构成，各部分在一块PCB板材上同时蚀刻制备而成。微带线上，可以直接焊接引出天线馈电电缆或接口，如带射频电缆的N型连接器、DIN型连接器或盲插连接器。当前，移动通讯大都采用阻抗为50ohm传输系统，因此所述微带线可采用50ohm微带线。

辐射贴片2和耦合贴片3之间间隔一段距离，记为d；耦合贴片3连接微带线4。辐射贴片2采用长方形，长度和宽度记为L1、W1；耦合贴片3采用长方形，长度和宽度记为L2、W2；微带线4采用长方形，长度和宽度记为L3、W3。辐射贴片2的长边和耦合贴片3的长边平行，耦合贴片3的长边与微带线4的长边垂直。

进一步地，对于辐射贴片2的长宽L1及W1，天线的谐振频点与该两个参量的关系符合其中，C为自由空间内的光速度，ε_e为辐射贴片2相应的等效介电常数，

耦合贴片的主要作用，是对辐射贴片进行耦合馈电，同时，可以展宽天线驻波带宽。进一步地，对于耦合贴片的长宽L2及W2，天线的辐射贴片的长度L1及介质板厚度dp与该两个参量的关系符合L2≈0.7～0.9L1，W2≈0.25～0.5dp。

进一步地，对于50ohm微带线的长宽L3及W3，50ohm微带线的长度L3与天线谐振频点无关，仅与天线组阵需要的具体结构有关，可以为无限长或无限短，50ohm微带线的宽度W3仅与阻抗有关，两者关系符合其中为耦合贴片3相应的等效介电常数。

本实施例采用Rogers 4720介质板，介电常数ε_r为2.55，板厚dp为1.542mm，以工作频段4.8～5.0GHz为例，设计的辐射贴片、耦合贴片以及50ohm微带线的尺寸由计算公式(1)、(2)和(3)，可以得到各参量的大致尺寸，然后通过电磁仿真软件HFSS微调天线阻抗匹配性能，可以得到各参数的具体数值如下表(1)。

其中，为辐射贴片2相应的等效介电常数，C为光速(即自由空间内的光速度)、f为工作频段的中心频点。

L2≈0.7～0.9L1，W1≈0.25～0.5dp，公式(2)

其中，为耦合贴片3相应的等效介电常数。

具体实施时，微带线4与水平方向呈0°夹角时为水平极化辐射单元，呈90°夹角时为垂直极化辐射单元，呈45°夹角时为45^°极化辐射单元。

本发明还提供一种5G密集天线阵列，采用如上所述边馈微带贴片天线，组合构成密集阵列天线系统。

进一步地，采用边馈微带贴片天线，以水平0.4～0.6倍工作波长、垂直以0.5～0.8倍工作波长等间距组合，构成支持4、8、16、32、64、128或256通道的密集阵列天线系统。

进一步地，垂直面每两个振子通过3dB功分器合成为1个射频通道，或者，每一个天线口构成为一个射频通道。

进一步地，射频通道口都采用支持盲插的一体化连接器。

如图3及图4，本发明辐射单元经旋转90°及45°后，天线辐射单元支持水平极化及45°极化。图5～图7是通过上述参数得到的HFSS仿真数据，分别为天线辐射单元反射系数、4.9GHz水平面方向图及4.8～5.0GHz频段的增益。

图5中，横坐标代表频段，纵坐标代表反射系数S11分贝值，图内三个代表性点表示在4.8GHz、4.9GHz及5.0GHz频点上的反射系数分别为-10.0732dB、-10.644dB及-26.5208dB。

图6为极坐标下4.9GHz频点在Phi角度为90度时的方向图，图内左侧标识的四个点为+/-60°主极化及交叉极化的辐射场相对电平分贝值，图内右侧标识两个极化方向图的半功率角宽。

图7中，横坐标代表频段，纵坐标代表增益分贝值，图内标识的三个代表性点，也即4.8GHz、4.9GHz及5.0GHz三个频点的增益分贝值。

图8～图12，分别是采用本发明辐射单元进行水平及垂直面等间距组阵，构成的4通道、8通道、16通道、32通道及64通道密集阵列，其中，水平间距dx、垂直间距dy分别为0.4～0.6倍波长及0.5～0.8倍波长。

图8中，上面2个辐射单元为左倾斜并于水平面呈45°夹角，下面2个辐射单元为右倾斜并于水平面呈45°夹角。

图9中，上面4个辐射单元为左倾斜并于水平面呈45°夹角，下面4个辐射单元为右倾斜并于水平面呈45°夹角。

图10中，上面8个辐射单元为左倾斜并于水平面呈45°夹角，下面8个辐射单元为右倾斜并于水平面呈45°夹角。

图11中，上面16个辐射单元为左倾斜并于水平面呈45°夹角，下面16个辐射单元为右倾斜并于水平面呈45°夹角。

图12中，上面32个辐射单元为左倾斜并于水平面呈45°夹角，下面32个辐射单元为右倾斜并于水平面呈45°夹角。

以上所述的实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，对于本领域的普通技术人员来说，通读本说明书后，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种边馈微带贴片天线，用于5G制式系统，其特征在于：由介质板(1)、辐射贴片(2)、耦合贴片(3)及微带线(4)构成，介质板(1)采用PCB板材，辐射贴片(2)、耦合贴片(3)和微带线(4)蚀刻在PCB板材上。

2.根据权利要求1所述边馈微带贴片天线，其特征在于：所述微带线(4)采用50ohm微带线。

3.根据权利要求2所述边馈微带贴片天线，其特征在于：介质板(1)的介电常数记为ε_r，厚度记为dp。

4.根据权利要求3所述边馈微带贴片天线，其特征在于：辐射贴片(2)的长宽分别为L1及W1，天线的谐振频点与该两个参量的关系符合其中，C为光速度，ε_e为介质板等效介电常数，

5.根据权利要求3所述边馈微带贴片天线，其特征在于：所述耦合贴片(3)，用于对辐射贴片(2)进行耦合馈电，同时展宽天线驻波带宽；耦合贴片(3)的长宽分别为L2及W2，天线辐射贴片的长度L1及介质板厚度dp与该两个参量的关系符合L2≈0.7～0.9L1，W2≈0.25～0.5dp。

6.根据权利要求3所述边馈微带贴片天线，其特征在于：50ohm微带线的长宽分别为L3及W3，50ohm微带线的长度L3与天线谐振频点无关，50ohm微带线的宽度W3仅与阻抗有关，两者关系符合其中

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7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述边馈微带贴片天线，其特征在于：微带线(4)与水平方向呈0°夹角时为水平极化辐射单元，呈90°夹角时为垂直极化辐射单元，呈45°夹角时为45°极化辐射单元。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述边馈微带贴片天线，其特征在于：微带线(4)上直接焊接引出天线馈电电缆或接口。

9.一种5G密集天线阵列，其特征在于：采用如权利要求1-8所述边馈微带贴片天线，组合构成密集阵列天线系统。

10.根据权利要求9所述5G密集天线阵列，其特征在于：采用边馈微带贴片天线，以水平0.4～0.6倍工作波长、垂直以0.5～0.8倍工作波长等间距组合，构成支持4、8、16、32、64、128或256通道的密集阵列天线系统。

11.根据权利要求10所述5G密集天线阵列，其特征在于：垂直面每两个振子通过3dB功分器合成为1个射频通道，或者，每一个天线口构成为一个射频通道。

12.根据权利要求11所述5G密集天线阵列，其特征在于：射频通道口都采用支持盲插的一体化连接器。