CN109244662A - 一种运用于5g系统的天线辐射单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种运用于5G系统的天线辐射单元，涉及5G技术领域，包括：上层介质体、下层介质体、辐射贴片、寄生贴片、多个馈电探针、金属接地板和馈电网络；所述的上层介质体同轴设置于下层介质体的上端，下层介质体的下端连接金属接地板，下层介质体的外侧轴对称设置多个馈电探针，馈电探针处于金属接地板与辐射贴片之间且与金属接地板保持直流断开；所述的馈电网络设置于金属接地板下端，通过引脚对馈电探针进行馈电；所述的寄生贴片设置于上层介质体的上表面，辐射贴片设置于下层介质体的上表面；该辐射单元本体可一体化成形，加工精度高，结构简洁，易于后期阵列装配；同时可实现双极化、宽频带、高增益、高交叉极化鉴别率等电气特性。
Description
技术领域
本发明涉及5G技术领域，尤其涉及一种运用于5G系统的天线辐射单元。
背景技术
随着移动互联网的飞速发展与越来越多智能设备的出现，在超高清视频、虚拟现实、增强现实、智能穿戴、智能家居、智能抄表、智能交通等各个领域都将产生极大的通信需求。4G移动通信系统的网络速率、网络容量、终端连接数量及空口时延已不能满足市场与技术演进的需求，未来需要带宽更宽、速率更高、功耗更低、时延更短及连接更密集更安全的5G技术。
作为5G关键技术之一的大规模天线技术，能够很好解决4G技术基础上的不足。5G系统基站侧布置大规模天线阵列(从几十到上千)，而不仅仅是4G系统的最多8根天线。通过波束成形技术，将发射能量汇聚到用户所在位置，而不向其他方向扩散。并且基站可以通过监测用户的信号对其进行实时跟踪，使得最佳发射方向跟随用户移动，保证在任何时候智能设备接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线的基站也可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标用户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户之间的电磁波，这种对空间资源的充分挖掘们，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源并且几十倍地提升网络容量。基于上述情形，传统的基站天线已无法满足5G系统的需求，基站天线领域将面临着巨大的技术变革，作为基站天线核心部件的辐射单元同时面临巨大的技术挑战。
现有技术中，工作于高频段的5G辐射单元主要采用压铸振子与微带天线形式，此两种形式有其固有的缺陷；
中国专利CN 105703062 A提出一种压铸形式的5G辐射单元。由于5G系统大规模天线阵列工作频段比传统基站天线高，压铸形式下的辐射单元加工精度差，误差大，无法有效保证天线性能的可靠性与一致性。同时，此形式下的辐射单元结构复杂，装配难度大。
中国专利CN107910638提出一种用于5G系统的微带辐射单元，此形式下辐射单元的工作带宽窄(4.7-5.1GHz)，而工信部宣布规划的5G系统的工作频段为3300-3600MHz、4800-5000MHz。采用此形式辐射单元的天线系统难以拓展，同时只能实现单极化设计，实现双极化设计结构复杂，不易装配。
发明内容
本发明针对背景技术的问题提出一种运用于5G系统的天线辐射单元，该辐射单元为采用双探针对称反相耦合馈电的双层贴片天线，本体可一体化成形，加工精度高，结构简洁，易于后期阵列装配；同时可实现双极化、宽频带、高增益、高交叉极化鉴别率等电气特性。
为了实现上述目的，本发明提出一种运用于5G系统的天线辐射单元，包括：上层介质体、下层介质体、辐射贴片、寄生贴片、多个馈电探针、金属接地板和馈电网络；
其中，所述的上层介质体同轴设置于下层介质体的上端，下层介质体的下端连接金属接地板，下层介质体的外侧轴对称设置多个馈电探针，馈电探针处于金属接地板与辐射贴片之间且与金属接地板保持直流断开；所述的馈电网络设置于金属接地板下端，通过引脚对馈电探针进行馈电；所述的寄生贴片设置于上层介质体的上表面，辐射贴片设置于下层介质体的上表面。
优选地，所述的上层介质体为双圆柱堆叠结构。
优选地，所述的下层介质体为喇叭状结构，下层介质体的上端为喇叭状结构的开口端。
优选地，所述的辐射贴片与寄生贴片均为金属层，且辐射贴片、寄生贴片与金属接地板三者呈相互平行状态。
优选地，所述的辐射贴片可设置有通孔，该通孔的中心与辐射贴片外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于下层介质体中心轴上，所述的通孔的形式可为圆形孔、正多边形孔或十字型孔。
优选地，所述的寄生贴片可设置有通孔，该通孔的中心与寄生贴片外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于上层介质体中心轴上，所述的通孔的形式圆形孔、正多边形孔或十字型孔。
优选地，所述的馈电探针，包括垂直段、弧形段与水平段，其中，垂直段靠近金属接地板且与金属接地板呈垂直关系；水平段靠近辐射贴片且与辐射贴片呈平行关系；弧形段设置于水平段与垂直段之间进行连接。
优选地，所述的馈电探针，个数为四个，包括第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针和第四馈电探针，均匀轴对称分布于下层介质体的外侧，其中相对设置的馈电探针产生的激励信号等幅反相，生成±45°极化辐射电磁波。
优选地，所述的金属接地板下端设置PCB板，馈电网络印刷于PCB板。
优选地，所述的馈电探针，除了可采用上述弧形探针，还可以采用“L”形探针“T”形探针等形式。
优选地，所述的上层介质体和下层介质体通过3D注塑工艺一体化成形。
本发明提出一种运用于5G系统的天线辐射单元，具有如下有益效果：
1、相较现有技术中压铸形式的5G系统辐射单元，本专利提出的新型辐射单元由一体化成形的天线本体与印刷于PCB板上的馈电网络组成，加工精度高，有利于提高天线指标的一致性与可靠性；结构简洁，易于后期阵列装配；重量轻，利于降低大规模天线阵列的重量。
2、本专利提出的双探针对称反相耦合馈电的双层贴片辐射单元，解决了现有技术中微带天线辐射单元带宽窄，无法实现双极化整体设计的缺陷，有利于后期大规模天线阵列的拓展应用、减小其制造成本。
3、所述运用于5G系统的天线辐射单元工作频率范围为3.3～5.0GHz。在工作频带范围内，可实现双极化、高增益，波束宽度收敛，高极化隔离度，高交叉极化鉴别率等优越的电气性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例中运用于5G系统的天线辐射单元结构主视图；
图2为本发明一种实施例中运用于5G系统的天线辐射单元结构俯视图；
图3为本发明一种实施例中金属接地板示意图；
图4为本发明一种实施例中运用于5G系统的天线辐射单元结构立体图；
图5为本发明一种实施例中馈电探针结构示意图；
图6为本发明一种实施例中辐射单元工作频率范围内的增益与辐射方向图；
图7为本发明一种实施例中辐射单元工作频率范围内的回波损耗与极化隔离度曲线图；
标号说明：
1-下层介质体、2-上层介质体、3-辐射贴片、4-寄生贴片、5-馈电探针、6-金属接地板、7-馈电网络、101-敷铜引脚、301-通孔、501-第一馈电探针、502-第二馈电探针、503-第三馈电探针、504-第四馈电探针、510-垂直段、520-弧形段、530-水平段；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种双探针对称反相耦合馈电的双层贴片天线，是一种运用于5G系统的天线辐射单元；天线单元由一体化成形的天线本体与印刷于PCB板上的馈电网络组成，加工精度高，结构简洁，易于后期阵列装配；同时可实现双极化、宽频带、高增益、高交叉极化鉴别率等电气特性。
本发明一种优选实施例中，如图1、图2和图3所示，包括：上层介质体2、下层介质体1、辐射贴片3、寄生贴片4、多个馈电探针5、金属接地板6和馈电网络7；所述的上层介质体2同轴(中心轴重合)设置于下层介质体1的上端，下层介质体1的下端连接金属接地板6，下层介质体1的外侧轴对称设置多个馈电探针5，馈电探针5处于金属接地板6与辐射贴片3之间且与金属接地板6保持直流断开；所述的馈电网络7设置于金属接地板6下端的PCB板上，通过敷铜引脚101对馈电探针5进行馈电；所述的寄生贴片4设置于上层介质体2的上表面，辐射贴片3设置于下层介质体1的上表面。
本发明一种优选实施例中，如图1、图3和图4所示，所述的上层介质体2为双圆柱堆叠结构，即两个圆柱体上下同轴叠放；下层介质体1为喇叭状结构，下层介质体1的上端为喇叭状结构的开口端，下层介质体1的下端通过底部四个敷铜引脚101设置于接地平板6之上。
本发明一种优选实施例中，所述的辐射贴片3与寄生贴片4均为金属层，且辐射贴片3、寄生贴片4与金属接地板6三者呈相互平行状态。
本发明一种优选实施例中，如图4所示，所述的辐射贴片3可设置有通孔301，该通孔301的中心与辐射贴片3外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于下层介质体1中心轴上，通孔301的设置，对辐射贴片3的表面电流的分布进行约束，同时增加辐射贴片3的辐射窗口，形成两种相近的电流模式，降低天线的品质因数(Q值)，从而展宽了贴片单元的工作带宽。所述的通孔301的形式可为圆形孔、正多边形孔或十字型孔。
本发明一种优选实施例中，所述的寄生贴片4可设置有通孔，该通孔的中心与寄生贴片4外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于上层介质体2中心轴上，所述的通孔的形式可为圆形孔、正多边形孔或十字型孔。
本发明一种优选实施例中，如图5所示，所述的馈电探针5为金属层，包括垂直段510、弧形段520与水平段530，其中，垂直段510靠近金属接地板6且与金属接地板6呈垂直关系；水平段530靠近辐射贴片3且与辐射贴片3呈平行关系；弧形段520设置于水平段与垂直段之间进行连接。弧形探针与其他形式探针相比，更有利于降低辐射单元整体的加工难度；同时其层次分明，有利于辐射单元电路参数的优化。如将探针馈电贴片天线看作馈电激励单元和辐射贴片构成的系统，馈电探针5的垂直段等效为电感，水平段则等效为电容，主要通过弧形段的尺寸参数来对贴片单元进行调谐。
本发明一种优选实施例中，如图5所示，所述的馈电探针5，个数为四个，包括第一馈电探针501、第二馈电探针502、第三馈电探针503和第四馈电探针504，均匀轴对称分布于下层介质体1的外侧，所述馈电网络7在探针501与探针503上产生的激励信号等幅反相，生成+45°极化辐射电磁波；同样地，馈电网络7在探针502与探针504上产生的激励信号等幅反相，从而生成-45°极化辐射电磁波。上述双探针对称等幅反相耦合馈电的方式，有效的克服了常规单探针耦合馈电双极化贴片天线端口隔离度差的缺点，增强了天线方向图的对称性，提高了天线的交叉极化鉴别率与增益。
本发明一种优选实施例中，所述下层介质体1与上层介质体2可选择3D注塑工艺一体化成形；馈电网络7可为印刷于PCB板上微带电路；所述辐射贴片3、寄生贴片4、馈电探针5可采用激光电镀印刷于介质体上。
本发明一种优选实施例中，所述的馈电探针5，除了可采用上述弧形探针、还可以采用“L”形探针、“T”形探针等其他形式。
本发明一种优选实施例中，如图6和图7所示，本发明运用于5G系统的天线辐射单元工作频率范围为3.3-5.0GHz。在工作频率范围内，辐射单元增益值范围为8.2-9.4dBi；半功率波束宽度范围为55-71度；回波损耗大于15dB；极化隔离度大于24dB。从该辐射单元的电路参数与辐射参数可知，其可作为性能优越的部件运用于5G通信系统大规模阵列天线。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，包括：上层介质体、下层介质体、辐射贴片、寄生贴片、多个馈电探针、金属接地板和馈电网络；
其中，所述的上层介质体同轴设置于下层介质体的上端，下层介质体的下端连接金属接地板，下层介质体的外侧轴对称设置多个馈电探针，馈电探针处于金属接地板与辐射贴片之间且与金属接地板保持直流断开；所述的馈电网络连接金属接地板，对馈电探针进行馈电；所述的寄生贴片设置于上层介质体的上表面，辐射贴片设置于下层介质体的上表面。
2.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的上层介质体为双圆柱堆叠结构；所述的下层介质体为喇叭状结构，下层介质体的上端为喇叭状结构的开口端。
3.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的辐射贴片与寄生贴片均为金属层，且辐射贴片、寄生贴片与金属接地板三者呈相互平行状态。
4.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的辐射贴片可设置有通孔，该通孔的中心与辐射贴片外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于下层介质体中心轴上；所述的寄生贴片可设置有通孔，该通孔的中心与寄生贴片外形轮廓的几何中心重合，且重合点位于上层介质体中心轴上；所述的通孔的形式可为圆形孔、正多边形孔或十字型孔。
5.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的馈电探针采用弧形探针，包括垂直段、弧形段与水平段，其中，垂直段靠近金属接地板且与金属接地板呈垂直关系；水平段靠近辐射贴片且与辐射贴片呈平行关系；弧形段设置于水平段与垂直段之间进行连接。
6.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的馈电探针，个数为四个，包括第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针和第四馈电探针，均匀轴对称分布于下层介质体的外侧，其中相对设置的馈电探针产生的激励信号等幅反相，生成±45°极化辐射电磁波。
7.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的金属接地板下端设置PCB板，馈电网络印刷于PCB板。
8.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的馈电探针，可采用弧形探针、“L”形探针或“T”形探针。
9.根据权利要求1所述的运用于5G系统的天线辐射单元，其特征在于，所述的上层介质体和下层介质体通过3D注塑工艺一体化成形。
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