CN108899644A - 一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，包括基板，基板的一个面上设有至少两层支撑介质，基板在远离支撑介质的面设置功分馈电网络；每层支撑介质远离基板的面上都设有辐射贴片；还包括导电馈电柱，用于分别穿透基板和支撑介质，连接辐射贴片和馈电网络。本发明通过合理设置各层支撑介质的介电常数及高度，可以大大减小单元的尺寸和高度，实现小型化，低剖面，有效减小了阵列中单元间的互耦，提高隔离度，改变辐射方向图的波宽，增益，交叉极化等特性。并采用等幅反相馈电方式，再通过设置输出端和馈电柱位置，消除贴片内的高次模，使单元内的互扰得到有效抑制，提高端口隔离度以及方向图的交叉极化和对称性。

Description

一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元。

背景技术

5G移动通信天线广泛采用Massive MIMO（大规模多输入多输出）的阵列技术，这要求天线设计符合以下原则：1、小型化，低剖面，易集成；减小天线阵列的口径大小，降低剖面，与有源波束赋形网络融为一体，关系到整个系统的体积大小和分布空间，以及各系统模块相互兼容的问题。2、高隔离度，低互耦影响；在MIMO系统里面，天线单元之间的互耦不仅仅会降低信道的隔离度，还会降低整个系统的通信效率。然而目前的基站天线单元广泛采用对称振子的技术方案，其高度和面积与波长成正比，剖面高，体积大，单元间互耦强烈，导致隔离度很难提高，方向图产生畸变，严重影响了天线阵列的总体性能；另外，对称振子的安装复杂，一致性不好，与有源系统模块难以集成，难以满足Massive MIMO系统的要求。

因此，业内急需一种小型化、低剖面、高隔离度、高集成度、一致性好和易于调谐的双极化天线单元。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，包括基板，基板的一个面上设有至少一层支撑介质，还包括了上述任意一项所述的功分馈电网络，基板在远离支撑介质的面设置功分馈电网络；

每层支撑介质远离基板的面上都设有辐射贴片；

还包括导电馈电柱，用于分别穿透基板和支撑介质，连接辐射贴片和馈电网络。

进一步的，所述支撑介质的高度为0.002-0.1个工作波长。

进一步的，所述支撑介质的介电常数为1.0-16.0。

进一步的，所述功分馈电网络包括保持一定间距的两组功分器以及两组连接功分器的输入端，功分器的两末端分别连接输出端；

所述功分馈电网络中同组的功分器末端的输出端连线后，不同组输出端的两条连线的夹角为90度。

进一步的，所述功分馈电网络中同组的输入端到两个输出端的幅度差小于0.5dB，相位差160~200度。

进一步的，所述功分馈电网络包括微带线、共面波导或其他形式的传输线。

进一步的，所述基板在靠近支撑介质的面设有焊锡层和第一焊盘，所述焊锡层与第一焊盘之间为隔离的绝缘设置；

所述支撑介质靠近基板的面设有第一金属地和第二焊盘，第一金属地和第二焊盘分别与焊锡层和第一焊盘重叠焊接在一起。

进一步的，所述辐射贴片的垂直投影在基板上，投影面积覆盖了功分器和输出端。

进一步的，所述辐射贴片的形状包括多边形或者圆形。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过合理设置各层支撑介质的介电常数及高度，可以大大减小单元的尺寸和高度，实现小型化，低剖面，有效减小了阵列中单元间的互耦，提高隔离度，改变辐射方向图的波宽，增益，交叉极化等特性。

本发明的辐射单元与馈电网络通过SMT焊接工艺一体化成形，集成度高，一致性好，可靠性高。

本发明的每组功分网络对辐射贴片的馈电采用等幅反相馈电，再通过合理的设置输出端和馈电柱的位置，可以消除贴片内的高次模，使单元内的互扰得到有效抑制，提高端口隔离度以及方向图的交叉极化和对称性。

【附图说明】

图1为低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元的分解示意图；

图2为低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元的示意图；

图3为图2的另一视角的示意图；

图4为图3的A-A剖视示意图；

图5为低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元的驻波曲线图；

图6为低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元的隔离度曲线图；

图7为低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元的辐射方向图。

图中标识：1-基板；2-焊锡层；3-第一焊盘；4-导电馈电柱；5a-第一支撑介质；5b-第二支撑介质；6a-第一辐射贴片；6b-第二辐射贴片；7-功分馈电网络；71-第一功分器；72-第二功分器；701-第一输出端；702-第三输出端；703-第一输入端；704-第二输入端；705-第二输出端；706-第四输出端；707-第一功分枝节；708-第二功分枝节。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

参考附图1所示本发明中提供了一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，包括基板1，基板1的一个面上设有至少两层支撑介质，还包括了功分馈电网络7，基板1在远离支撑介质的面设置功分馈电网络7；

每层支撑介质远离基板1的面上都设有辐射贴片；

还包括导电馈电柱4，用于分别穿透基板1和支撑介质，连接辐射贴片和馈电网络。

这里的支撑介质为多层结构，而层数的多少根据需求进行设计。本实施例中按照两层结构的形式进行介绍，详细的如图1所示，基板1的一个面由下至上依次设置了第一支撑介质5a和第二支撑介质5b；所示第一支撑介质5a和第二支撑介质5b在远离基板1的面都蚀刻有辐射贴片，如第一支撑介质5a和第二支撑介质5b分别设置第一辐射贴片6a和第二辐射贴片6b。此处的辐射贴片为矩形结构，当然也可以采用圆形，多边形等不规则形状。采用两个辐射贴片可以增加谐振频率，展宽阻抗带宽，6a和6b的边长比例在0.8:1~1.5:1之间。

为实现小型化的技术要求，本实施案例针对5G的现行频带3400-3600MHz进行了详细说明，所述支撑介质的高度为0.002-0.1个工作波长，支撑介质的介电常数为1.0-16.0。增加介质的介电常数可以减小单元的面积，但同时也会增加天线的Q值而降低带宽，同样降低介质的高度可以降低单元的剖面，但也会增加Q值而影响带宽。经过最优化设计，本案例提供的单元相比于传统对称振子单元，面积减小60%以上，高度降低75%以上，真正实现小型化，低剖面，可以有效减小天线阵列中单元间的互耦，提高隔离度，改变辐射方向图的波宽，增益，交叉极化等特性。

如图3所示，基板1下表面设置有功分馈电网络7，形成四个输出端，每个输出端连接一个导电馈电柱，导电馈电柱由基板1下表面向上延伸，并穿过基板1和第二支撑介质5b与辐射贴片6b相接触。

所述功分馈电网络7包括保持一定间距的两组功分器以及两组连接功分器的输入端，功分器的两末端分别连接两个输出端；

所述功分馈电网络7中同组的功分器末端的输出端连线后，不同组输出端的两条连线的夹角为90度。所述每个输出端连接一个导电馈电柱4，导电馈电柱4垂直设置，位于辐射贴片6b的非相邻的矩形角位置并与辐射贴片相接触，进一步的可以认为是四个导电馈电柱4为相互间隔的设在靠近矩形边角的位置。两组功分器通过导电馈电柱对贴片进行直接馈电，实现两个正交极化的辐射特性。

进一步的，将功分馈电网络7中的两组功分器，分别称之为第一功分器71和第二功分器72，第一功分器71的两个输出端分别称为第一输出端701和第二输出端705，第二功分器72的两个输出端分称为第三输出端702和第四输出端706。具体的分布是，第一输出端701、第二输出端705、第三输出端702和第四输出端706为沿矩形面积内的四个依次为顺时针的排列。并且第一输出端701与第三输出端702形成第一连线，第二输出端705与第四输出端706形成第二连线，第一连线和第二连线的夹角为90度。

所述功分馈电网络7中同组的输入端到两个输出端的幅度差小于0.5dB，相位差在160~200度。具体如下：所述第一功分器71的第一功分枝节707与第二功分枝节708的宽度相同，以保证第一输入端703到第一输出端701和第二输出端703的幅度差小于0.5dB。第一功分器71的所述第二输出端705到第一输入端703的功分枝节长度比第一输出端701到第一输入端703的功分枝节长度长，具体的第二功分枝节708比第一功分枝节707长。第二功分枝节708与第一功分枝节707的线长差为中心频率对应的四分之一介质波长，即第一输入端703分别到第一输出端701和第二输出端705相位差相对于中心频率约为180度，相对于边缘频率保持在160-200度之间。较长的枝节可以根据布局需要进行弯折。第二功分器72采用同样的的原理进行设置。两组功分器分别采用等幅反相的方法对贴片进行馈电，用以消除贴片内的高次模，使单元内的互扰得到有效抑制，提高隔离度和交叉极化特性。

进一步的，所述基板1在靠近支撑介质的面设有焊锡层2和第一焊盘3，所述焊锡层2与第一焊盘3之间为隔离的绝缘设置；

所述支撑介质靠近基板1的面设有第一金属地和第二焊盘，第一金属地和第二焊盘分别与焊锡层2和第一焊盘3重叠焊接在一起。

实施例中，通过SMT工艺，把第一支撑介质5a与基板1相互重叠的第一焊盘3和焊锡层2分别与第一金属地和第二焊盘焊接在一起，达到固定支撑介质的目的。相对传统的对称振子的人工安装方式，此种结构工艺一致性高，稳定性好，生产效率和可靠性都得到了显著的提高。

进一步的，本实施案例中，导电馈电柱4采用在介质内部做金属化过孔的形式实现导电。其分为上下两部分，下半部分位于基板1内部，金属化过孔下端与馈电网络的输出端直接接触；上半部分位于第一支撑介质5a和第二支撑介质5b的内部，其上端与辐射贴片相接触。金属化过孔分别与第一焊盘3和第二焊盘相接触，以实现完整的馈电导通。

需要指出的是，所述基板1在远离支撑介质的面还设有第二金属地，在实施例中，功分馈电网络7配合第二金属地共同形成GCPW馈电网络结构，相比常用的微带线，GCPW传输线具有能量泄露小，损耗低和隔离度高的优点，可以减小对单元辐射性能的干扰，进一步提高隔离度，改善方向图特性。

进一步的为了满足使用的灵活性，功分馈电网络7可以根据不同的需求就行更改，所述功分馈电网络7包括微带线、共面波导或其他形式的传输线。本实施例中所述功分馈电网络7采用GCPW形式的传输线；另外的实施例中则采用另外的传输线形式，如微带线，带状线等。

由附图5所示，在现行5G要求的3400—3600MHz频带内，本发明天线单元的两个极化端口驻波小于1.30，图中实线与虚线分别代表一个极化端口。

由附图6所示，在现行5G要求的3400—3600MHz频带内，本发明天线单元的隔离度大于32dB。

由附图7所示，本发明天线单元的辐射方向图，轴向交叉极化大于35dB。

由上可知，本发明通过合理设置各层支撑介质的介电常数及高度，可以大大减小单元的尺寸和高度，实现小型化，低剖面，有效减小了阵列中单元间的互耦，提高隔离度，改变辐射方向图的波宽，增益，交叉极化等特性。

本发明，辐射单元通过功分网络实现反相馈电，再通过合理的设置功分网络的输出端和馈电柱的位置，可以消除贴片内的高次模，使单元内的互扰得到有效抑制，提高隔离度以及方向图的交叉极化和对称性。

本发明的功分馈电网络与辐射单元通过SMT焊接工艺一体化成形，集成度高，一致性好，可靠性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，包括基板（1），所述基板（1）的一个面上设有至少一层支撑介质，其特征在于：包括功分馈电网络（7），基板（1）在远离支撑介质的面设置功分馈电网络（7）；

每层支撑介质远离基板（1）的面上都设有辐射贴片；

还包括导电馈电柱（4），用于分别穿透基板（1）和支撑介质，连接辐射贴片和馈电网络。

2.如权利要求1所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述支撑介质的高度为0.002-0.1个工作波长。

3.如权利要求1所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述支撑介质的介电常数为1.0-16.0。

4.如权利要求1所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述功分馈电网络（7）包括保持一定间距的两组功分器以及两组连接功分器的输入端，功分器的两末端分别连接输出端；

所述功分馈电网络（7）中同组的功分器末端的输出端连线后，不同组输出端的两条连线的夹角为90度。

5.如权利要求4所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述功分馈电网络（7）中同组的输入端到两个输出端的幅度差小于0.5dB，相位差160~200度。

6.如权利要求4所述的功分馈电网络，其特征在于：所述功分馈电网络（7）包括微带线、共面波导或其他形式的传输线。

7.如权利要求1所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述基板（1）在靠近支撑介质的面设有焊锡层（2）和第一焊盘（3），所述焊锡层（2）与第一焊盘（3）之间为隔离的绝缘设置；

所述支撑介质靠近基板（1）的面设有第一金属地和第二焊盘，第一金属地和第二焊盘分别与焊锡层（2）和第一焊盘（3）重叠焊接在一起。

8.如权利要求1所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述辐射贴片的垂直投影在基板（1）上，投影面积覆盖了功分器和输出端。

9.如权利要求8所述的低剖面、小型化、高隔离度的双极化贴片天线单元，其特征在于：所述辐射贴片的形状包括多边形或者圆形。