CN108134197A - 一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元及基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元以及包括有该双极化振子单元的基站天线，其中，双极化振子单元包括有上下平行设置的介质基板和180°相位差分板，介质基板与180°相位差分板之间通过介质支架支撑连接；介质基板背向所述180°相位差分板的一面设置有金属辐射面，金属辐射面上具有四个馈电部，四个馈电部两两组成一组，同一组的两所述馈电部关于金属辐射面中心对称设置，两组馈电部呈正负45°正交布置；180°相位差分板上与四个馈电部分对应位置处分别设置有一馈电连接点，馈电部与对应的馈电连接点之间通过馈针连接；同一组馈电部分连接的两馈电连接点之间相连，再与天线馈电网络连接。

Description

一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元及基站天线

技术领域

本发明涉及天线及通讯技术领域，具体涉及一种一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元及基站天线。

背景技术

基站天线是移动通信系统中，用户终端与基站的空中电气桥梁，是整个天馈系统中最关键的部件，基站天线的质量直接影响通信质量。随着5G通信的发展，massive MIMO(大规模天线技术)作为5G关键技术之一，大规模天线阵列将显著提高系统容量、通信速率和带宽。然而，采用大规模天线阵列，特别是在5G低频段(例如工信部拟定的3.3-3.6GHz，4.8-5GHz)，将会明显提高天线阵列的加工组装复杂度。

当前基站天线振子主要有两种形式实现，压铸振子和PCB振子，两者各有优缺点：压铸振子整体成型，一体化程度高，但用于大规模阵列时，天线阵列重量相对较大；PCB振子重量相对较轻，但在天线装配时需要的组装工序较多，天线性能一致性难以保证，生产成本相对较高。

此外，在射频电路层面，为了克服高频高速信号EM干扰的问题，通常采用差分对传输信号，因此天线跟射频前端需要通过采用平衡巴伦将双端口的差分信号转换成单馈信号，注入天线。显而易见的，由于增加了平衡巴伦，存在一个阻抗匹配的问题，造成能量损耗，不利于5G大规模天线和射频前端的系统集成。

更为显著的电气性能问题则是，

1、巴伦转换的单馈信号，在双极化偶极子的两个振子臂上的电流分布，很难保证完全一致，因而导致方向图最大增益点歪斜，偏离法向。

2、现有的馈电方式包括直接馈电，耦合馈电两种。无论是哪种方式，在双极化振子的应用中，为避免短路，均会出现馈电巴伦在空间上立体交叉的问题，较常见的情况是馈电线一高一低，因此两路极化的阻抗匹配情况不一致，导致两路极化振子臂上的电流分布也不一致，最终导致两路极化的方向图场型不对称，两路极化的性能差异较大。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，包括有上下平行设置的介质基板和180°相位差分板，所述介质基板与所述180°相位差分板之间通过介质支架支撑连接；其中，

所述介质基板背向所述180°相位差分板的一面设置有金属辐射面，所述金属辐射面上具有四个馈电部，四个所述馈电部两两组成一组，同一组的两所述馈电部关于所述金属辐射面中心对称设置，两组馈电部呈正负45°正交布置；

所述180°相位差分板上与四个所述馈电部分对应位置处分别设置有一馈电连接点，所述馈电部与对应的所述馈电连接点之间通过馈针连接；同一组所述馈电部分连接的两所述馈电连接点之间相连，再与天线馈电网络连接。

较佳地，所述馈电部设置有耦合片，所述金属辐射面与所述耦合片之间耦合馈电，所述馈针连接耦合片与所述馈电连接点。

较佳地，所述金属辐射面上的所述馈电部形成有非金属部，所述非金属部内设置有所述耦合片，所述耦合片四周与所述金属辐射面之间形成环形耦合缝隙，且所述耦合片与所述金属辐射面共面。

较佳地，所述非金属部与所述耦合片为同心圆。

较佳地，所述耦合片中心设置有一贯穿所述耦合片、所述介质基板背的金属化通孔，所述金属化通孔连接所述耦合片和所述馈针。

较佳地，所述金属辐射面为一完整辐射面，所述介质基板朝向所述180°相位差分板的一面上与所述馈电部分对对应位置处设置有所述耦合片。

较佳地，所述耦合片包括有两半圆形耦合片，两半圆形耦合片关于同组两所述馈针的连线对称布置。

较佳地，所述馈针的长度与同一组所述馈电部对应的两馈针间的间距相加为天线馈电网络的频段中心频点的0.4～0.7波长。

较佳地，所述振子单元的高度小于天线馈电网络的波长的四分之一。

较佳地，同一组所述馈电部分对应的两馈电连接点之间通过金属带相连，金属带再与所述天线馈电网络连接；且所述金属带连接天线馈电网络连接的一端上设置有阻抗部。

较佳地，通过激光直接成型的方式在所述介质基板上形成所述金属辐射面。

较佳地，所述介质支架与所述介质基板一体注塑成型。

较佳地，所述介质支架与所述馈电部分对应设置，所述馈针设置在所述介质支架内。

较佳地，所述介质支架底部设置有用于所述180°相位差分板焊接的焊盘。

本发明还提供了一种基站天线，包括有至少一个如上所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明提供的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，金属辐射面通过四处独立馈电，实现了带宽的扩展，同时通过180°相位差分板实现对金属辐射面的馈电，保证了振子的双极化，从而使得本发明提供的双极化振子在降低振子高度的同时，依旧能够实现超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度的要求；具体的，本发明使用时在宽频带(3300～3800MHz) 设计中振子高度可降到八分之一波长，且同时满足阻抗带宽以及方向图带宽的需要；在窄频带(2400～2500MHz)设计中，振子高度则可以降低为十六分之一波长高度，也能满足电气指标(即阻抗带宽以及方向图带宽等的需要)；

2、本发明提供的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，通过注塑成型技术直接形成振子的整体外形结构，再通过激光成型的方式形成金属辐射面，结构简单，装配时可以不需要常规的螺钉等紧固件，装配工序少，节省了人力，降低了成本，适合大批量生产，同时减少了人为操作中带来的误差，极大的提高了生产效率；

3、本发明提供的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，通过耦合的方式实现对金属辐射面的馈电，馈针上的电流信号不直接与辐射片相接，而是通过耦合片从四周将能量耦合向金属辐射面，使电路路径增加，有利于进一步的拓宽带宽，从而实现降低振子高度的同时，既能实现较宽的阻抗带宽，也能实现拓展方向图带宽。

4.本发明提供的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，馈针的长度与同一组馈电部对应的两馈针5间的间距相加为天线馈电网络的频段中心频点的0.4～0.7波长，在拓宽带宽的同时，以保证实现±45°两路极化方向图。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为实施例1中一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的结构示意图；

图2为实施例1中一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的正面示意图；

图3为实施例1中一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的的俯视图；

图4为实施例1中180°相位差分板的示意图；

图5为本发明实施例1中基站天线的驻波比示意图；

图6为本发明实施例1中基站天线的隔离度示意图；

图7为本发明实施例1中基站天线的水平面波束宽度示意图；

图8为本发明实施例1中基站天线的水平面前后比和交叉极化比示意图；

图9为本发明实施例1中基站天线的增益曲线示意图；

图10为实施例2中一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的结构示意图；

图11为实施例3中一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的结构示意图；

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

传统天线理论认为，定向天线为了实现良好辐射，需要满足辐射面距离底部反射板四分之一波长的间距要求，以实现反射波在辐射面的同相叠加，这是受到普通金属导体的180度反射相位的理论限制。传统天线不做处理直接降低振子高度，阻抗带宽及方向图带宽均会造成不同程度的恶化，交叉极化比尤其差。另外也有技术中采取超材料技术、高介电常数的厚介质衬底基板等等，实现的超低剖面振子，实现近似的零反射相位，从而降低天线的高度并满足阻抗带宽及方向图带宽，然而这种方式成本高，使用条件限制多，在大规模使用中不理想。

为此，本发明提供了一种一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，包括有上下平行设置的介质基板和180°相位差分板，介质基板1与180°相位差分板之间通过介质支架支撑连接；其中,介质基板背向180°相位差分板的一面设置有金属辐射面，金属辐射面上具有四个馈电部，四个馈电部两两组成一组，同一组的两馈电部关于金属辐射面中心对称设置，两组馈电部呈正负45°正交布置；180°相位差分板上与四个馈电部分对应位置处分别设置有一馈电连接点，馈电部与对应的馈电连接点之间通过馈针连接；同一组馈电部分连接的两馈电连接点之间相连，再与天线馈电网络连接。

本发明提供的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，金属辐射面通过四处独立馈电，实现了带宽的扩展，同时通过180°相位差分板实现对金属辐射面的馈电，保证了振子的双极化，从而使得本发明提供的双极化振子在降低振子高度的同时，依旧能够实现超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度的要求；具体的，本发明使用时在宽频带(3300～3800MHz) 设计中振子高度可降到八分之一波长，且同时满足阻抗带宽以及方向图带宽的需要；在窄频带(2400～2500MHz)设计中，振子高度则可以降低为十六分之一波长高度，也能满足电气指标(即阻抗带宽以及方向图带宽等的需要)。

另外，本发明还具有结构简单、装配方便、成本低等优点。

下面就具体实施例作进一步的说明：

实施例1

参照图1-4，在本实施例中，介质基板1和介质支架2一体注塑成型，通过激光直接成型的方式在介质基板1上形成金属辐射面3等，馈针5也是通过激光直接成型的方式设置在介质支架2上的，最后将介质支架2安装到180°相位差分板10 上；本发明提供的双极化振子单元，通过上述方式直接形成振子的整体外形结构，再通过激光成型的方式形成金属辐射面，结构简单，装配时可以不需要常规的螺钉等紧固件，装配工序少，节省了人力，降低了成本，适合大批量生产，同时减少了人为操作中带来的误差，极大的提高了生产效率。

当然，在其他实施例中，介质基板1、介质支架2以及金属辐射面3的形成方式并不局限于以上所示，也可根据具体情况进行调整，此处不做限制。

进一步的，在本实施例中介质支架2由两相互交叉设置的竖板组成，且位于同组馈电部分连线的下方，以便于使得馈针5直接设置到介质支架2上；当然，在其他实施例中介质支架2的具体结构形式也可根据具体情况进行调整，只要保证馈电部分的下方设置有介质支架2，以供安装馈针5即可，此处不做限制。

进一步的，介质支架2底部设置有焊盘6，180°相位差分板10上对应位置处也设置有焊接位置15，介质支架2通过焊盘6焊接到180°相位差分板10上的焊接位置15处，从而实现连接。其中，在本实施例中，介质支架2底部设置有五个焊盘6，介质支架2底部中间设置有一焊盘，介质支架2底部靠近馈针5处也分别设置有一焊盘，本实施例通过上述五个焊接点实现与180°相位差分板10之间的连接，保证了连接强度以及连接的稳定性；当然，在其他实施例中焊盘6的具体设置数量以及设置位置均可根据具体情况进行调整，此处不做限制。

在本实施例中，金属辐射面3采用耦合式馈电。馈电部分设置有耦合片4，金属辐射面3与耦合片4之间耦合馈电，馈针5连接耦合片4与馈电连接点；本实施例通过耦合的方式实现对金属辐射面3的馈电，馈针5上的电流信号不直接与辐射片4相接，而是通过耦合片4从四周将能量耦合向金属辐射面3，使电路路径增加，有利于进一步的拓宽带宽，从而实现降低振子高度的同时，既能实现较宽的阻抗带宽，也能实现拓展方向图带宽。当然，在其他实施例中金属辐射面3 也可通过直接馈电的方式来实现馈电，此处不做限制。

进一步的，如图3中所示，金属辐射面3为一不完整辐射面，其在四个馈电部处均设置有非金属部，四个非金属部内分别布置有耦合片4，耦合片4四周与金属辐射面3之间形成一环形耦合缝隙8，本实施例辐射片4与金属辐射面3之间通过耦合缝隙8实现耦合馈电；而且，耦合片4与金属辐射面3共面，以便于更好的进行耦合。

进一步的，耦合片4为呈圆形，环形耦合缝隙8呈圆环形，从而便于耦合片4 更加均匀的向四周的金属辐射面3进行耦合馈电；当然，在其他实施例中，耦合片4也可为矩形或者其他多边形等，此处不做限制。

当然，在其他实施例中，金属辐射面3与耦合片4之间的耦合方式并不局限于以上所述，可根据具体情况进行调整，此处不做限制。

在本实施例中，耦合片4中心设置有贯穿耦合片4以及耦合片4下方的介质基板1的通孔，并对该通孔进行金属化，使其形成金属化通孔7；金属化通孔7的上端与耦合片4连接，下端与介质支架2内的馈针5连接。

在本实施例中，金属辐射面3上布置有四个耦合片，分别为耦合片401、耦合片402、耦合片403和耦合片404。耦合片401、耦合片403为一组，耦合片402、耦合片404为一组，两组耦合片与金属辐射面共面，呈正交分布；两组耦合片进行馈电，组成差分馈电网络±45°极化。

进一步的，金属辐射面3呈正方形，耦合片401、耦合片402、耦合片403和耦合片404分布在金属辐射面3的对角线上。当然，在其他实施例中介质基板的形状也不局限于以上所说，此处不做限制。

在本实施例中，180°相位差分板10上与四个耦合片垂直对应位置处分别设置有四个馈电连接点，分别为馈电连接点901、馈电连接点902、馈电连接点903 和馈电连接点904，耦合片401、耦合片402、耦合片403、耦合片404通过馈针5 分别连接馈电连接点901、馈电连接点902、馈电连接点903、馈电连接点904。

进一步的，连接馈电连接点901与馈电连接点903之间通过金属带11相连，金属带11再与天线馈电网络连接；连接馈电连接点902与馈电连接点904之间通过金属带13相连，金属带13再与天线馈电网络连接。金属带11、金属带13连接天线馈电网络连接的一端上设置有阻抗部12、阻抗部14，用于将此处的驻波匹配至1.35以下，以便于直接连接后续的天线馈电网络。

进一步的，180°相位差分板10由印刷电路板制成，金属带11、金属带13以及阻抗部12、阻抗部14可直接设置在印刷电路板朝向介质基板2的上层；在其他实施例中，金属带11、金属带13以及阻抗部12、阻抗部14也可设置在印刷线路板背向介质基板2的下层，此处不做限制。

在本实施例中，馈针5的长度与同一组馈电部对应的两馈针5间的间距相加为天线馈电网络的频段中心频点的0.4～0.7波长。具体的，从输入口注入激励信号，通过180°相位差分板上的二功分网络来到振子下方的一个垂直馈电针处，通过这个馈针从底部上升到辐射片再下降到另一个馈针的底部，振子电流路径达到近似二分之一波长的距离。信号经过180°相位差分板，使得每组馈针上的电流有180度相位差，因此在该路极化上，辐射片上的电流方向一致，能相互叠加；两组馈电绕金属辐射面的中心90°旋转对称，进而实现±45°两路极化方向图。

在本实施例中，通过上述技术特征的设置，本发明提供的双极化振子的高度可实现低于四分之一的波长，甚至可达到八分之波长或者十六分之一波长。

当本实施例提供的双极化振子运用到基站天线中后，对天线进行仿真，结合图5-9，给出相关的电性能数据，具体如下：

参照图5，两路端口驻波比小于1.5，且在工作频率3.3GHz到3.8GHz范围内匹配良好。

参照图6，两路极化端口的隔离度大于25dB，隔离度好。

参照图7，在3.3GHz～3.8GHz工作频带范围内，水平面波束收敛性很好，波束宽度在60°～65°之间。

参照图8，在3.3GHz～3.8GHz工作频带范围内，交叉极化比(轴向)大于25dB。

参照图9，在3.3GHz～3.8G,工作频带范围内，增益大于9dBi。

参照以上数据显示可，本发明提供的双极化振子单元使用在宽频带 (3300～3800MHz)设计中，在振子高度降到八分之一波长的时候，依旧能够实现超宽带、高增益、高效率、高交叉极化比、高前后比和高隔离度的要求，并且结构简单，质量轻巧，适合大规模阵列天线应用。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的修改，在本实施例中，金属辐射面3 采用直接馈电的馈电方式。

具体的，参照图10，省略了耦合片以及环形耦合缝隙的设置，金属辐射面3 上四个馈电部直接分别设置有一贯穿金属辐射面3以及介质基板2的通孔，并对该通孔进行金属形成金属化过孔7，金属化过孔7直接连接金属辐射面3和对应的馈针5。

本实施例相对于实施例1省略了耦合片的设置，结构更加简单，组装更加方便。

实施例3

在本实施例中，本实施例是在实施例1的基础上进行的修改，在本实施例中，金属辐射面3采用耦合馈电的馈电方式。

具体的，参照图11，在本实施例中金属辐射面3为一完整的辐射面，耦合片介质基板2背面上与馈电部对应位置处，且耦合片连接馈针5，耦合片与金属辐射面3上下平行设置实现馈电耦合。

进一步的，耦合片包括有两关于同组两馈针5的连线对称布置的半圆形耦合片16和半圆形耦合片17。当然，在其他实施例中耦合片的具体结构形状也可根据具体需要进行调整此处不做限制。

本实施例相对于实施例1避免了在金属辐射面上开设耦合缝隙、避免了金属化过孔的设置，结构更加简单，组装更加方便。

实施例4

本实施例提供了一种基站天线，包括至少一个实施例1或实施例2或实施例3 所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元。

其中，一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元的具体结构形式参照以上所述。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (11)

1.一种一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，包括有上下平行设置的介质基板和180°相位差分板，所述介质基板与所述180°相位差分板之间通过介质支架支撑连接；其中，

所述介质基板背向所述180°相位差分板的一面设置有金属辐射面，所述金属辐射面上具有四个馈电部，四个所述馈电部两两组成一组，同一组的两所述馈电部关于所述金属辐射面中心对称设置，两组馈电部呈正负45°正交布置；

所述180°相位差分板上与四个所述馈电部分对应位置处分别设置有一馈电连接点，所述馈电部与对应的所述馈电连接点之间通过馈针连接；同一组所述馈电部分连接的两所述馈电连接点之间相连，再与天线馈电网络连接。

2.根据权利要求1所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述馈电部设置有耦合片，所述金属辐射面与所述耦合片之间耦合馈电，所述馈针连接耦合片与所述馈电连接点。

3.根据权利要求2所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述金属辐射面上的所述馈电部形成有非金属部，所述非金属部内设置有所述耦合片，所述耦合片四周与所述金属辐射面之间形成环形耦合缝隙，且所述耦合片与所述金属辐射面共面。

4.根据权利要求3所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述耦合片中心设置有一贯穿所述耦合片、所述介质基板背的金属化通孔，所述金属化通孔连接所述耦合片和所述馈针。

5.根据权利要求2所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述金属辐射面为一完整辐射面，所述介质基板朝向所述180°相位差分板的一面上与所述馈电部分对对应位置处设置有所述耦合片。

6.根据权利要求1所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述馈针的长度与同一组所述馈电部对应的两馈针间的间距相加为天线馈电网络的频段中心频点的0.4～0.7波长。

7.根据权利要求1所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，通过激光直接成型的方式在所述介质基板上形成所述金属辐射面。

8.根据权利要求1所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述介质支架与所述介质基板一体注塑成型。

9.根据权利要求1或8所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述介质支架与所述馈电部分对应设置，所述馈针设置在所述介质支架内。

10.根据权利要求1所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元，其特征在于，所述介质支架底部设置有用于所述180°相位差分板焊接的焊盘。

11.一种基站天线，其特征在于，包括有至少一个权利要求1-10中任意一项所述的一体化四点差分馈电低剖面双极化振子单元。