CN108075226A - 一种用于5g移动通信的小型化天线 - Google Patents

一种用于5g移动通信的小型化天线 Download PDF

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桂小英
逄型栋
朱晓维
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张彦
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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于5G移动通信的小型化天线，包括金属反射板、介质基板、金属方形切角辐射贴片、金属长方形辐射贴片、第一金属化过孔、第一金属圆盘、带法兰固定连接器、第二金属化过孔和短路金属柱，带法兰固定连接器通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘上进行馈电，短路金属柱穿过第二金属化过孔。本发明采用耦合的馈电方式，实现了天线良好的阻抗特性，改善了天线的驻波比，增加了天线的工作带宽，本发明结构简单紧凑，剖面低，易于加工。

Description

一种用于5G移动通信的小型化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于5G移动通信的小型化天线。
背景技术
随着4G规模商用，5G成为当前移动通信产业关注焦点，5G频率规划由低频段和高频段组成，其中低频段(6GHz以下)由于良好的传播特性等原因仍然是5G系统的核心频段，在3GHz以上的频谱资源非常丰富，因此，低频段的使用将会成为未来发展的趋势，具有许多优点，比如：可用带宽非常充足，设备和天线小型化，天线增益较高。作为5G核心技术的大规模MIMO技术，其基本特征是在基站侧配置数量众多的天线阵列(从几十至几百)，利用空分多址(SDMA)原理，同时服务多个用户。由于大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得频谱效率得到了极大的提升。随着天线数目的增加，天线占据的面积增大，这就给天线安装和基站选址带来了麻烦。通过采用小型化天线、减小天线间距以及改变天线阵列拓扑结构等，可以减小天线阵列的物理尺寸。而对于平面阵列来说，不同天线摆放对天线间距的敏感程度也不一样，所以综合考虑天线摆放模式、天线间距以及数据发送方法对系统性能的影响是重要的研究方向之一。为了减小天线耦合的影响，可以考虑相邻天线间选择不同极化方向的天线，如相邻天线分别使用左右圆极化天线或者正/负45°的天线。
用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个正交、幅度相等、相位相差90°的线极化波。目前，利用微带天线实现圆极化辐射主要有单馈法、多馈法以及多元法。单馈法是利用简并模分离单元产生两个辐射正交极化的简并模工作的，结构简单，成本低，适合小型化，但是带宽窄，圆极化性能较差；多馈法需要借助馈电网络来实现辐射贴片的幅度相等和相位相差90°正交馈电，这种方法可以改善天线的阻抗带宽和圆极化带宽，改善轴比，但是尺寸较大，成本较高；多元法是对多个线极化单元天线位置的合理安排来实现天线的圆极化的，这种结构的天线增益高，但结构复杂且尺寸较大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于5G移动通信的小型化天线，采用单馈法来实现天线的圆极化性能，同时采用耦合馈电的方式来提高天线的阻抗带宽以及圆极化带宽，大大的改善了天线的轴比。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种用于5G移动通信的小型化天线，包括金属反射板、介质基板、金属方形切角辐射贴片、金属长方形辐射贴片、第一金属化过孔、第一金属圆盘、带法兰固定连接器、第二金属化过孔和短路金属柱，金属反射板设置在介质基板的下层，金属反射板和介质基板之间为空气介质，金属方形切角辐射贴片和金属长方形辐射贴片均附在介质基板上，第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板上，第一金属圆盘设置在介质基板的下表面，带法兰固定连接器通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘上进行馈电，带法兰固定连接器的法兰固定在金属反射板上，短路金属柱穿过第二金属化过孔，短路金属柱的下端固定在金属反射板上。
作为本发明的优化方案，用于5G移动通信的小型化天线还包括寄生金属片，寄生金属片设置在介质基板的上层，寄生金属片和介质基板之间为空气介质。
作为本发明的优化方案，寄生金属片通过塑料支撑柱支撑在介质基板的上方。
作为本发明的优化方案，金属长方形辐射贴片分布在金属方形切角辐射贴片的周围。
作为本发明的优化方案，用于5G移动通信的小型化天线还包括第二金属圆盘，第二金属圆盘设置在介质基板的上表面，带法兰固定连接器的探针穿过第一金属圆盘和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘上。
作为本发明的优化方案，用于5G移动通信的小型化天线还包括第三金属圆盘和第四金属圆盘，第三金属圆盘和第四金属圆盘分别设置在介质基板的上表面和下表面，短路金属柱穿过第四金属圆盘和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘上。
本发明具有积极的效果：1)本发明采用平面多层微带结构天线阵元设计，工作在3.3GHz-3.6GHz范围宽频带，覆盖5G低频段的3.5G频段；
2)本发明采用耦合的馈电方式，实现了天线良好的阻抗特性，改善了天线的驻波比，增加了天线的工作带宽；
3)本发明在金属方形切角辐射贴片的周围增加了四个金属长方形辐射贴片，增加了天线的驻波带宽以及轴比带宽；
4)本发明采用的传统切角的方式来实现天线的圆极化特性，简单易操作；
5)本发明分别在介质基板的上表面和下表面添加了金属圆盘，并开有金属化过孔，且金属化过孔分别与对应的金属圆盘连接在一起，目的是将短路金属柱以及带法兰固定连接器的探针引到介质基板上表面便于固定和焊接安装，带法兰固定连接器的探针通过金属化过孔耦合到介质基板下表面的第一金属圆盘上进行馈电；
6)本发明的寄生金属片，进一步展宽了天线的阻抗带宽和圆极化带宽，改善了天线的轴比。
7)本发明结构简单紧凑，剖面低，易于加工；
8)本发明易于安装，可以根据不同的天线拓扑结构自由组成大规模MIMO天线阵列，实现天线多波束合成。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是介质基板的正面示意图；
图3是金属方形切角辐射贴片的示意图；
图4是金属长方形辐射贴片的示意图；
图5是寄生金属片的示意图；
图6是介质基板的背面示意图；
图7是本发明的回波损耗的仿真与实测结果示意图；
图8是3.3GHz和3.5GHz的天线方向图实测结果示意图；
图9是天线最大辐射方向上的轴比仿真与实测结果示意图；
图10是本发明天线增益的实测结果示意图。
其中：1、金属反射板，2、介质基板，3、金属方形切角辐射贴片，4、金属长方形辐射贴片，6、第一金属圆盘，7、带法兰固定连接器，9、短路金属柱，10、寄生金属片，11、第二金属圆盘，12、第三金属圆盘，13、第四金属圆盘。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。
如图1-6所示，本发明公开了一种用于5G移动通信的小型化天线，包括金属反射板1、介质基板2、金属方形切角辐射贴片3、金属长方形辐射贴片4、第一金属化过孔、第一金属圆盘6、带法兰固定连接器7、第二金属化过孔和短路金属柱9，金属反射板1设置在介质基板2的下层，金属反射板1和介质基板2之间为空气介质，金属方形切角辐射贴片3和金属长方形辐射贴片4均附在介质基板2上，第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板2上，第一金属圆盘6设置在介质基板2的下表面，带法兰固定连接器7通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘6上进行馈电，带法兰固定连接器7的法兰固定在金属反射板1上，短路金属柱9穿过第二金属化过孔，短路金属柱9的下端固定在金属反射板1上。该用于5G移动通信的小型化天线满足5G系统大规模MIMO天线阵列的要求，整个于5G移动通信的小型化天线的高度为18.5mm，金属反射板1距离介质基板2的距离为8mm，金属反射板1通过塑料支撑柱支撑在介质基板2的下方。
用于5G移动通信的小型化天线还包括寄生金属片10，寄生金属片10设置在介质基板2的上层，寄生金属片10和介质基板2之间为空气介质。其中，寄生金属片10距离介质基板2的距离为6mm。寄生金属片10通过塑料支撑柱支撑在介质基板2的上方。
金属长方形辐射贴片4分布在金属方形切角辐射贴片3的周围。其中，金属长方形辐射贴片4共有四个，四个金属长方形辐射贴片4设置在金属方形切角辐射贴片3的周围，增加了天线的驻波带宽以及轴比带宽。
用于5G移动通信的小型化天线还包括第二金属圆盘11，第二金属圆盘11设置在介质基板2的上表面，带法兰固定连接器7的探针穿过第一金属圆盘6和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘11上。其中，第二金属圆盘11与金属方形切角辐射贴片3处于同一个平面上，之间开有环形缝隙。第二金属圆盘11是为了方便焊接带法兰固定连接器7的探针而设置的，带法兰固定连接器7通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘6上进行馈电，这种耦合馈电的方式可以展宽天线的阻抗带宽和圆极化带宽，改善轴比。
用于5G移动通信的小型化天线还包括第三金属圆盘12和第四金属圆盘13，第三金属圆盘12和第四金属圆盘13分别设置在介质基板2的上表面和下表面，短路金属柱9穿过第四金属圆盘13和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘12上。其中，第三金属圆盘12与金属方形切角辐射贴片3处于同一个平面上，之间开有环形缝隙。第三金属圆盘12是为了安装短路金属柱9而设置的，短路金属柱9有效的缩小了整个用于5G移动通信的小型化天线的尺寸，展宽了天线的带宽。
如图7所示，可以看出，该用于5G移动通信的小型化天线工作在3.3-3.6GHz，覆盖国际电信联盟WRC-15工作组候选的5G低频段。
如图8所示为用于5G移动通信的小型化天线分别在3.3GHz、3.5GHz的方向图实测结果，可以看出，3dB波束宽度均在75°左右。如图9是天线最大辐射方向上的轴比仿真与实测结果示意图，可以看出，轴比均在3dB以下；图10是天线增益的实测结果示意图，所覆盖频段的增益均在8dB以上，可以看出在3.3-3.6GHz的实测结果与仿真结果基本吻合，满足5G移动通信的应用要求。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：包括金属反射板(1)、介质基板(2)、金属方形切角辐射贴片(3)、金属长方形辐射贴片(4)、第一金属化过孔、第一金属圆盘(6)、带法兰固定连接器(7)、第二金属化过孔和短路金属柱(9)，所述的金属反射板(1)设置在介质基板(2)的下层，所述的金属反射板(1)和介质基板(2)之间为空气介质，所述的金属方形切角辐射贴片(3)和金属长方形辐射贴片(4)均附在介质基板(2)上，所述的第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板(2)上，所述的第一金属圆盘(6)设置在介质基板(2)的下表面，所述的带法兰固定连接器(7)通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘(6)上进行馈电，带法兰固定连接器(7)的法兰固定在金属反射板(1)上，短路金属柱(9)穿过第二金属化过孔，所述的短路金属柱(9)的下端固定在金属反射板(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：所述用于5G移动通信的小型化天线还包括寄生金属片(10)，所述的寄生金属片(10)设置在介质基板(2)的上层，所述的寄生金属片(10)和介质基板(2)之间为空气介质。
3.根据权利要求2所述的一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：所述的寄生金属片(10)通过塑料支撑柱支撑在介质基板(2)的上方。
4.根据权利要求2所述的一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：所述的金属长方形辐射贴片(4)分布在金属方形切角辐射贴片(3)的周围。
5.根据权利要求2所述的一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：所述用于5G移动通信的小型化天线还包括第二金属圆盘(11)，所述的第二金属圆盘(11)设置在介质基板(2)的上表面，带法兰固定连接器(7)的探针穿过第一金属圆盘(6)和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘(11)上。
6.根据权利要求2所述的一种用于5G移动通信的小型化天线，其特征在于：所述用于5G移动通信的小型化天线还包括第三金属圆盘(12)和第四金属圆盘(13)，第三金属圆盘(12)和第四金属圆盘(13)分别设置在介质基板(2)的上表面和下表面，短路金属柱(9)穿过第四金属圆盘(13)和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘(12)上。
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