CN108352599B - 适用于基站天线的天线元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于基站天线的天线元件。该天线元件包括：支撑结构，为单个部件，并且包括底部、顶部以及将底部与顶部相连的壁，该壁围绕中空区域；第一金属镀膜，设置在支撑结构的第一表面区域上，该第一金属镀膜形成沿壁从底部至顶部延伸的至少第一辐射元件；以及第二金属镀膜，设置在支撑结构的第二表面区域上，该第二金属镀膜形成用于第一辐射元件的至少第一馈电电路。支撑结构的第一表面区域和支撑结构的第二表面区域彼此相对设置，并且其中第一表面区域或第二表面区域与中空区域相邻。

Description

适用于基站天线的天线元件
技术领域
本发明涉及天线领域，并且具体涉及一种用于基站的天线元件。
背景技术
用于移动通信网络中使用的基站的天线通常为阵列天线，该阵列天线由交叉配置的几个偶极子(辐射器)组成，以生成+45°和-45°极化。为了生产这种偶极子，通常使用不同的技术。常规的方案是使用与额外的塑料部件或蚀刻的平面辐射器组合的压铸辐射器，该蚀刻的平面辐射器由几个平面基板(PCB)和额外的塑料部件组成。
通常，辐射器生产的特点是具有以下几个耗时的生产步骤。例如：
部件对齐。
将辐射器部件焊接在一起以提供电气接触。
由于机械(稳定性)或电气(匹配和模式校正)的原因，组装额外的塑料部件。
由于辐射器由几个部件组成，所以组装成本与天线的整体生产成本相关。
天线的可靠性受到结构复杂和生产过程困难的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种天线元件，该天线元件提高了可靠性并且降低了组装成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种适用于基站天线的天线元件，包括：
支撑结构，为单个部件，并且包括底部、顶部以及将该底部与该顶部相连的壁，该壁围绕中空区域；
第一金属镀膜，设置在该支撑结构的第一表面区域上，该第一金属镀膜形成沿该壁从该底部至该顶部延伸的至少第一辐射元件；
第二金属镀膜，设置在该支撑结构的第二表面区域上，该第二金属镀膜形成用于该第一辐射元件的至少第一馈电电路；
其中该支撑结构的该第一表面区域和该支撑结构的该第二表面区域彼此相对设置，并且其中该第一表面区域或该第二表面区域与该中空区域相邻。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，该天线元件在该第一金属镀膜中的该第一表面区域上，还包括至少第一和第二非导电槽，该槽从该底部至该顶部的方向上延伸。为了实现最佳性能，该槽可以均匀地分布在第一金属镀膜中。因此，如果沿壁顺时针或逆时针测量槽之间的距离，距离相等。对于更多数量的槽亦是如此。对于更多数量的槽，不同的相邻槽之间的距离也应相等。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，该第一馈电电路在该第二表面区域上包括穿过该第一槽的第一微带线和穿过该第二槽的第二微带线。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，在第一金属镀膜中的槽之间的第一表面区域上，第一金属镀膜是整块的或连续的。
结合第一方面的第三种实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，在第一金属镀膜中的槽之间的第一表面区域上，还设置有非导电区域。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，支撑结构还包括第三表面区域，该第三表面区域围绕中空区域，并且在底部和顶部之间的壁的延伸方向的正交方向上延伸，以及第一金属镀膜还沿第三表面区域延伸。
结合第一方面的第五种实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，第三表面区域具有比壁大的外周。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，该天线元件在支撑结构上还包括电闭环和非导电间隙，其中电闭环围绕第一辐射元件；以及非导电间隙将第一辐射元件和电闭环相互隔离。电闭环应当被理解为一种金属化环，用于天线元件(即，具有一定频率)辐射的信号的传导。因此，该环可以是连续闭合的金属迹线，也可以由设置在环中的几个小的金属元件组成，但金属元件之间具有非导电间隙。该间隙的选择使得该环对由天线元件辐射的信号仍然导通。当然，该环不一定是圆形，也可是方形、矩形、椭圆形等。
结合第一方面的第七种实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，电闭环设置在第三表面区域上。
结合第一方面的第七种实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，支撑结构还包括第四表面区域，该第四表面区域围绕中空区域，并且在顶部和底部之间的壁的延伸方向上从远离壁的第三表面区域的边缘延伸；其中电闭环设置在第四表面区域上或第三表面区域和第四表面区域上；以及其中非导电间隙设置在第三表面区域或第四表面区域上。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，该天线元件还包括设置在支撑结构顶部的导向器。
结合第一方面的第十种实现方式，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，导向器和支撑结构形成为单个部件。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第十二种可能的实现方式中，该天线元件是模塑互连装置MID。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第十三种可能的实现方式中，该天线元件还包括：印刷电路板PCB，包括第一馈电线、第二馈电线和功率分配器，其中第一馈电电路在支撑结构的底部包括连接至第一馈电线的第一输入端口和连接至第二馈电线的第二输入端口，以及其中PCB上从功率分配器至第一输入端口的第一馈电线的长度等于PCB上从功率分配器至第二输入端口的第二馈电线的长度。
结合第一方面的任一上述实现方式，在第一方面的第十四种可能的实现方式中，第一金属镀膜还形成第二辐射元件并且第二金属镀膜还形成用于第二辐射元件的第二馈电电路，其中第一辐射元件具有第一极化并且第二辐射元件具有第二极化，其中第一极化和第二极化相互正交。
基于上述技术方案，缩短了组装时间并且提高了可靠性。
附图说明
图1a-1c是根据本发明实施例的双极化天线元件的结构示意图；
图1d-1f是根据本发明实施例的单极化天线元件的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的具有导向器的双极化天线元件的结构示意图；
图3a-3b是另一个具有导向器的双极化天线元件的进一步结构示意图；
图4a-4e是根据本发明实施例的具有不同的电闭寄生环的双极化天线元件的结构示意图；
图5a-5c示出根据本发明实施例的具有寄生环的天线元件的回波损耗和辐射图的图。
图6a-6c是具有方形偶极子的天线元件的结构示意图；
图7a-7b示出在天线元件的支撑结构上具有交叉线的馈电方案；
图8示出使用PCB的馈电方案。
具体实施方式
图1a至1f示出了根据本发明实施例的天线元件。仅为了图1a至1f更加清晰，金属化区域为浅灰色。辐射元件包括(介电的)支撑结构1。该支撑结构1为包括底部11、顶部12和壁13的单个部件。(管状)壁13将底部11与顶部12相连，并且围绕中空区域14。此外，该天线元件包括设置在支撑结构1的第一表面区域131上的第一金属镀膜2。第一金属镀膜2形成沿壁13从底部11至顶部12延伸的第一辐射元件21和第二辐射元件22。此外，天线元件包括设置在支撑结构1的第二表面区域132上的第二金属镀膜3。第二金属镀膜3形成用于第一辐射元件21的第一馈电电路31和用于第二辐射元件22的第二馈电电路33。支撑结构1的第一表面区域131和支撑结构1的第二表面区域132彼此相对设置。第一表面区域131与中空区域14相邻设置。或者换句话说，辐射元件21，22在壁13的内侧区域上从底部11至顶部12延伸，而馈电电路31，33设置在壁13的外侧区域上。在其他实施例中，也可以改变这种布置，使得馈电电路在壁的内侧区域上，辐射元件在壁的外侧区域上。
利用如图1a-1c所示的集成的辐射元件21-22的配置，天线元件形成了由一个部件制成的方形偶极子。因为相比交叉偶极子方形偶极子提供更高的增益，所以方形偶极子常用于基站天线中。辐射元件21-22是通过在介电的支撑结构1的第一(例如，内部)表面区域131上的第一金属镀膜2上添加非导电槽41-44而形成的。换句话说，天线元件在第一金属镀层2中的第一表面区域131上包括四个非导电槽41-44。槽41-44在从底部11至顶部12的方向上延伸。在具有单个辐射元件的方案中，两个槽(例如，槽41，42或槽43,44)就足够。然后辐射元件21-22通过与介电的支撑结构1的第一表面区域131相对的第二(例如，外部)表面区域132上的馈电电路31-32(由第二金属镀膜3形成的)穿过槽41-44馈电。
馈电电路31或32可以例如包括穿过槽41-42或43-44的微带线。例如，可从图1c中可以看出，微带线设置在壁13的外侧区域上，而槽41-44设置在壁13的内侧区域上。当第一金属镀膜2(设置在壁的对侧上的)直接接地时，馈电电路31,32的迹线可以理解为微带线。因此，可以看出在携带辐射元件21,22的同一介电的支撑结构上，也集成了相应的馈电线。
因此，根据本发明实施例的天线元件将辐射元件21-22、机械体(即，支撑结构1)和该辐射元件的馈电网络31-33组合在仅一个机械部件中。因此，实施例提供了一种仅由一个机械塑料部件(介电的载体)组成的天线元件或辐射器，该机械塑料部件可以以低成本模塑工艺生产。该辐射元件(例如，偶极子或偶极子布置)及其馈电网络是通过塑料部件(介电的支撑结构1)的金属化来制造的。元件设计可以满足要在基站应用中使用的要求。可以实现在50％的带宽上VCWR<1.35。
因此，本发明实施例的一个关键方面是，完整的天线元件可以作为单个部件，例如作为MID(模塑互连装置)来生产。
下文中，更详细地描述了本发明一些其他实施例的一些其他(可选的)特征。
辐射元件21-22通过四个平衡-不平衡转换器(平衡-不平衡)穿过槽41-44馈电。位于天线元件相对侧(在支撑结构1的外部表面区域上)的两个平衡-不平衡变换器表示相同的极化，并且必须组合在一起。在所提出的方案中，这种组合在PCB 8上完成。这样，可以建立提供在传统±45度的配置中的信号的阵列馈电网络。形成辐射元件21-22的第一金属镀膜2连接到PCB 8的接地平面。
图1a中所示的实施例使用与槽馈电概念结合的管形的偶极子。这种概念允许辐射器结构(辐射元件21-22)位于支撑结构1的底部11和顶部12之间的管或壁13的(第一)内表面区域131上(图1a),并且允许馈电结构位于支撑结构1的底部11和顶部12之间的管或壁13的(第二)外表面区域132上(图1b)，反之亦然。这种基本的天线结构可以是圆形、方形、八边形、六边形和非对称的管状。金属化的塑料体可以焊接到用作天线分布网络的接口的PCB 8(图1a和1c)上。
图1a-1c示出了天线元件的双极化的实现方式(例如，具有两个偶极子或辐射元件21-22)。
图1d-1f示出了仅有一个极化的可能的实现方式(例如，具有一个偶极子或辐射元件21)。
此外，在所示的所有实施例中，存在围绕辐射元件的电闭(寄生)环5。具有一个极化而没有环5的实现方式，或具有不只一个极化且具有环5的实现方式也是可能的。
环5由另一个金属镀膜形成。非导电间隙6设置在环5和辐射元件之间，以将辐射元件和环5相互隔离。在图1a-3b所示的示例中，环5和非导电间隙6设置在支撑结构1的第三表面区域15上。第三表面区域(也可以称为上表面区域)围绕中空区域14，并且在底部11和顶部12之间的壁13的延伸方向的正交方向上延伸。此外，第三表面区域15具有比壁13大的外周。在该优选的实施中，第一金属镀膜2和槽41-44也沿第三表面区域15延伸。根据其他实施例，第一金属镀膜和槽41-44仅沿第一表面区域131(壁13的内侧)延伸。
尽管在所示实施例中，辐射元件21-22设置在支撑结构1的内表面区域131上，并且馈电电路31-32设置在支撑结构1的外表面区域132上，但在其他实施中，辐射元件21-22也可以设置在支撑结构1的外表面区域132上，并且馈电电路31-32设置在支撑结构1的内表面区域131上。
此外，如上所述，支撑结构1还包括第三表面区域15(上表面区域)，第三表面区域15围绕中空区域14，并且在底部11和顶部12之间的壁13的延伸方向的正交方向上延伸，并且第一金属镀膜2(以及辐射元件21-22)还沿第三表面区域15延伸。第三表面区域15具有比壁13大的外周。在其他实施例中，可能不存在这种上表面区域15，和/或第一金属镀膜2仅设置在壁13处。
此外，在图1a-3b所示的实施例中，在第一金属镀膜2中的2槽41-44之间的第一表面区域上，还设置有非导电区域20。通过该特征，可以实现金属材料的节省并且天线元件的辐射特性不会受到不利影响。
在其他实施例中(例如，如图4a至4e中所示)，在第一金属镀膜2中的槽41-44之间的第一表面区域131上，第一金属镀膜2是连续的。应当理解，也可以改变如图1a至3b中所示的实施例，使其具有连续的第一金属镀膜2。
此外，如下所述，天线元件(也设计成一部分方形的偶极子)上也可以集成几个额外的电气特征：
图3示出了根据本发明实施例的另一个可能的辐射器(或天线元件)设计。该辐射器包括一个具有方形偶极子的塑料部件，该方形偶极子包括寄生环5和四条微带线，该微带线的表现形式为金属化在支撑结构1(这在塑料部件之前已经提到过)上的平衡-不平衡转换器31-34(图3b中仅示出了平衡-不平衡转换器31和32)。辐射元件21-22(在这种情况下，是形成一个方形偶极子的两个交叉极化的偶极子)和寄生环5分别位于塑料部件的内表面区域(壁13处的)和上表面区域(顶部12处的)。平衡-不平衡转换器(馈电电路)和用于PCB 8连接的接触垫位于塑料部件1的外表面区域(壁13上的)和下表面区域(底部11处的)。环5相对于辐射器端可以有不同的位置，其可以在不同的垂直位置和不同的水平位置上呈3D状。此外，相对于支撑结构1的角度可以是变化的。
图4a-4e中示出了环5的一些示例。图4a中的天线元件具有方形的上表面15和倾斜环5。图4b中的天线元件具有水平间隙6。图4c中的天线元件具有水平间隙6和圆形边缘。图4d中的天线元件具有垂直间隙6。图4e中的天线元件具有垂直间隙6和圆形边缘。寄生环5的不同形状带来不同的调谐。与水平位置相比，垂直位置使得端口之间更好地隔离。从制造过程的角度来看，利用MID可以制造出3D状的环5。
图1a至1c中所示实施例的回波损耗和辐射图在图5a-5c中示出。图5a-5c示出了覆盖1.7GHz至2.7GHz的频率范围的高频实现方式。图5a示出了回波损耗和隔离度。曲线511和曲线512分别表示端口1和端口2的回波损耗。曲线513表示端口之间的隔离度。图5b示出了频率为1.71GHz和2.66GHz的辐射图。其是-45°极化的共极化和交叉极化的水平切割。曲线521表示1.71GHz的共极辐射图。曲线522表示2.66GHz的共极辐射图。曲线523表示1.71GHz的交叉极辐射图。曲线524表示2.66GHz的交叉极辐射图。图5c示出了+45°极化的共极化和交叉极化的水平切割。曲线531表示1.71GHz的共极辐射图。曲线532表示2.66GHz的共极辐射图。曲线533表示1.71GHz的交叉极辐射图。曲线534表示2.66GHz的交叉极辐射图。作为高频实现方式的示例，当前的设计覆盖了45％的BW。辐射器顶部12至最接近接地平面的高度为最低频率的0.3λ。
从图6a-6c可以看出，方形偶极子，或更详细地说，辐射元件21,22可以由四个平衡-不平衡转换器31-34通过电容耦合穿过槽41-44馈电。分别位于天线元件的同一(内或外)表面区域的相对侧上的两个平衡-不平衡转换器表示相同的极化，并且必须组合。在所提出的方案中，这种组合在PCB 8上完成。这样，可以建立在传统±45度的配置中提供信号的阵列馈电网络。方形偶极子本身，或更详细地说，第一金属镀膜2直接连接到PCB 8的接地平面。
信号组合也可以可选地在塑料部件(支撑结构1)上实现。这种情况下，发生线交叉。这个问题可以通过在天线元件(可以是模塑部件)中添加通路来解决。图7a-7b示出了利用馈电网络的两个通路孔和双面金属镀膜实现的方案。通常，通路可以在介电的支撑结构1上的任何位置处实现，并且通路的数量是可变的。在支撑结构1的外表面区域132上，馈电电路的第一微带线311穿过(设置在内表面区域上的)第一槽41，并且馈电电路的第二微带线312穿过(设置在内表面区域上的)第二槽42。
此外，如图8所示，信号组合也可以是辐射器底部的PCB 8的一部分。这种情况下，支撑结构1本身不需要交叉。PCB 8包括馈电线81-82和功率分配器83。第一馈电电路31在支撑结构1的底部11包括连接至第一馈电线81的第一输入端口313和连接至第二馈电线82的第二输入端口314。PCB 8上从功率分配器83至第一输入端口313的第一馈电线81的长度等于该PCB上从功率分配器83至第二输入端口314的第二馈电线82的长度。从而可以避免不同延迟的相位变化。
如果天线元件双极化，PCB 8还可以包括馈电线84-85和功率分配器86。天线元件还可以包括第二馈电电路，第二馈电电路包括分别连接至第三馈电线84和第四馈电线85的第三输入端口315和第四输入端口316。馈电线84-85、功率分配器86和输入端口315-316以与馈电线81-82、功率分配器83和输入端口313-314相同的方式设置。换句话说，馈电线84和85的长度也相等。
此外，本发明实施例还允许导向器7的集成。导向器通常在支撑结构1的顶部上实现。
图2示出了将导向器支架添加到支撑结构1，并且导向器7形成为设置在支撑结构的导向器支架上的另一个部件的实施例。
图3示出了将导向器7与天线元件的其余元件一起添加在一个单个部件中的实施例。换句话说，在该实施例中，导向器也是支撑结构的不可分割的部分。因此，完整的天线元件是一个整体(除最终焊接到底部11的PCB 8之外)。
数据流量不断增长的需求挑战着移动电信业，使其引入新的频带、标准和无线电接入技术，例如，MIMIO，波束赋形等。最先进的宏小区基站天线可以包含3个高频阵列和1个低频阵列。通过使偶极子成为一个部件来简化偶极子的组装显著缩短了基站天线生产中的组装时间。
本发明实施例的一些优点是：组装时间缩短带来的成本降低，简化的供应链，简化的机械设计带来的可靠性提升，并且在LDS(激光直接成型)的情况下，一个塑料部件可以用于多个辐射器或设计。

Claims (11)

1.一种适用于基站天线的天线元件，所述天线元件包括：
支撑结构(1)，为单个部件，并且包括底部(11)、顶部(12)以及将所述底部(11)与所述顶部(12)相连的壁(13)，所述壁(13)围绕中空区域(14)；
第一金属镀膜(2)，设置在所述支撑结构(1)的第一表面区域(131)上，所述第一金属镀膜(2)形成沿所述壁(13)从所述底部(11)至所述顶部(12)延伸的至少第一辐射元件(21)；
第二金属镀膜(3)，设置在所述支撑结构(1)的第二表面区域(132)上，所述第二金属镀膜(3)形成用于所述第一辐射元件(21)的至少第一馈电电路(31)；
其中所述支撑结构(1)的所述第一表面区域(131)和所述支撑结构(1)的所述第二表面区域(132)彼此相对设置，并且其中所述第一表面区域(131)或所述第二表面区域(132)与所述中空区域(14)相邻；
其中，所述支撑结构(1)还包括第三表面区域(15)，所述第三表面区域(15)围绕所述中空区域(14)，并且在所述底部(11)和所述顶部(12)之间的所述壁(13)的延伸方向的正交方向上延伸；
其中，所述第一金属镀膜(2)还沿所述第三表面区域(15)延伸；
其中，所述天线单元在所述支撑结构(1)上还包括电闭环(5)和非导电间隙(6)，其中：
所述电闭环(5)围绕所述第一辐射元件(21)；以及
所述非导电间隙(6)将所述第一辐射元件(21)和所述电闭环(5)相互隔离；
其中，
所述电闭环(5)设置在所述第三表面区域(15)上；或
所述支撑结构(1)还包括第四表面区域(16)，所述第四表面区域(16)围绕所述中空区域(14),并且在所述顶部(12)和所述底部(11)之间的壁(13)的延伸方向上从远离所述壁(13)的所述第三表面区域(15)的边缘延伸；其中所述电闭环(5)设置在所述第四表面区域(16)上或所述第三表面区域(15)和所述第四表面区域(16)上；以及其中所述非导电间隙(6)设置在所述第三表面区域(15)或所述第四表面区域(16)上。
2.如权利要求1中所述的天线元件，在所述第一金属镀膜(2)中的所述第一表面区域(131)上，还包括至少第一和第二非导电槽(41，42)，所述槽(41，42)从所述底部(11)至所述顶部(12)的方向上延伸。
3.如权利要求2中所述的天线元件，其中所述第一馈电电路(31)在所述第二表面区域(132)上包括穿过所述第一槽(41)的第一微带线(311)和穿过所述第二槽(42)的第二微带线(312)。
4.如权利要求2或3所述的天线元件，其中在所述第一金属镀膜(2)中的所述槽(41，42)之间的所述第一表面区域(131)上，所述第一金属镀膜(2)是连续的。
5.如权利要求2或3所述的天线元件，其中在所述第一金属镀膜(2)中的所述槽(41，42)之间的所述第一表面区域(131)上，还设置有非导电区域(20)。
6.如权利要求1至3中任一项所述的天线元件，其中所述第三表面区域(15)具有比所述壁(13)大的外周。
7.如权利要求1至3中任一项所述的天线元件，还包括设置在所述支撑结构(1)顶部的导向器(7)。
8.如权利要求7所述的天线元件，其中所述导向器(7)和所述支撑结构(1)形成为单个部件。
9.如权利要求1至3中任一项所述的天线元件，其中所述天线元件是模塑互连装置MID。
10.如权利要求1至3中任一项所述的天线元件，还包括：
印刷电路板PCB(8)，包括第一馈电线(81)、第二馈电线(82)和功率分配器(83)，
其中所述第一馈电电路(31)在所述支撑结构(1)的所述底部(11)包括连接至所述第一馈电线(81)的第一输入端口(313)和连接至所述第二馈电线(82)的第二输入端口(314)；
其中所述PCB(8)上从所述功率分配器(83)至所述第一输入端口(313)的所述第一馈电线(81)的长度等于所述PCB从所述功率分配器(83)至所述第二输入端口(312)的所述第二馈电线(82)的长度。
11.如权利要求1至3中任一项所述的天线元件，
其中所述第一金属镀膜(2)还形成第二辐射元件(22)并且所述第二金属镀膜(3)还形成用于所述第二辐射元件(22)的第二馈电电路(32)；
其中所述第一辐射元件(21)具有第一极化并且所述第二辐射元件(22)具有第二极化，其中所述第一极化和所述第二极化相互正交。
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